Г. Г. Соколовский - Электроприводы переменного тока с частотным регулированием (1249707), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Показанное на рис. 4.3 линейное напряжение может быть представлено в виде суммы гар- ;* монических составляющих, не содержащих гармоник, кратных ': двум и трем 1531: 2ГЗ /., 1., 1., 1 ивв(ч)= — (/в япч' — -яп5ч'- — з1п7ч'+ — Вш!1ч'+...; я ~ 5 7 11 ч = ве;Г, ч' = о)е,,1 + и/б. 82 Первая гармоникалинейногонапряжения и„, =Яор,„1)(см. рис. 4.3) имеет амплитуду, равную У,, = (1,1)У~. Амплитуда первой гармоники напряжения фазы составляет 11Ф, = (О,б37) Ц. Если бы автономный инвертор питался от источника постоянного напряжения (выпрямителя), обладающего двухсторонней проводимостью, то при уменьшении частоты на выходе преобразователя или при увеличении скорости двигателя до значения, большего скорости идеального холостого хода в результате действия активного момента на валу, двигатель переходил бы в режим рекуперативного торможения.
Если выпрямитель выполняется как нереверсивный, то он не пропускает поток мощности от двигателя в сеть. Поэтому для обеспечения режима торможения в схеме предусмотрен тормозной резистор л, (см. рис. 4.1). При возникновении условий для тормозного режима двигателя электронный ключ К, замыкается и энергия торможения рассеивается в тормозном резисторе. Несинусоидальность выходного напряжения приводитк несинусоидальному характеру тока в статорных обмотках и пульсациям момента двигателя. Эти пульсации особенно сильно проявля- ~ ются при пониженной частоте и небольшом моменте инерции механизма, который приводится в движение приводом.
Тогда они вызывают неравномерность вращения двигателя, а иногда и возникновение шагового режима, когда двигатель вращается с остановками. Таким образом, несинусоидальный характер напряжения на выходе выпрямителя накладывает ограничение на возможный диапазон регулирования скорости привода. Кроме того,наличие высших гармоник в кривой тока статора вызывает увеличение потерь энергии по сравнению со случаем питания двигателя синусоидальным напряжением. Поэтому в последнее время получили наибольшее распространение преобразователи частоты со звеном постоянного тока, в которых форма тока статора, близкая к синусоидальной, достигается применением инверторов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). 4.2.
Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и широтно-импульсной модуляцией Наиболее распространенным типом преобразователя частоты с ШИМ является преобразователь с неуправляемым выпрямителем напряжения в звене постоянного тока. При этом напряжение на входе инвертора не меняется, а регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Такие выпрямители выпускаются рядом электротехнических 83 фирм с начала 90-х годов ХХ в., когда производители мощных полупроводниковых приборов освоили выпуск биполярных транзисторов с изолированным затвором 1ОВТ (1пзц1агед Оасе В)ро!аг ТгапзЫог).
1ОВТ представляют собой р — п — р-транзистор, управляемый через высоковольтный и-канальный полевой транзистор. При необходимости используется параллельное соединение транзисторов или гибридные модули. К достоинствам 1ОВТ относятся: высокая допустимая плотность тока; управление напряжением, как у МОП-транзисторов; практически прямоугольная область безопасной работы, исключающая необходимость формирования траектории переключения, низкие потери в импульсном режиме. Перечисленные качества обусловили широкое применение 1ОВТ в современных преобразователях с СПИМ. Принцип ШИМ проще всего пояснить на примере однофазного инвертора, получающего питание от источника постоянного напряжения со средней точкой, структура которого показана на рис.
4.4. Активно-индуктивная нагрузка У„включена между средней точкой источника питания и точкой соединения электронных ключей 1 и 2, каждый из которых включает в себя транзистор, работающий в ключевом режиме и диод обратного тока. Система управления транзисторными ключами содержит в своем составе нуль-орган (НО) и формирователи Ф1 и Ф2. На входе нуль-органа сравниваются задающий сигнал и (здесь и далее индексом «звездочка» отмечены задающие сигналы) и пилообразное опорное напряжение и . Рис. 4.4.
Структура однофазного ииаертора с широтно-импульсной модуляцией 84 Рнс. 4.5. Характеристики передаточного коэффициента ннвертора: а — напряжения опорное н аааання; б — регуянровочная характеристика ннвертора Г Если й >и, т.е. разность (й-и,„) положительна, то сигнал на выходе нуль-органа положителен и на выходе формирователя Ф1 сушествуст положительный сигнал Я", замьпающий ключ 1, т.е. открывающий соответствующий транзистор.
К нагрузке оказывается приложенным напряжение 0,5Ц, у которого слева «плюс», а справа — «минус» и которое будем считать положительным. При отрицательной разности (й — и,„) замыкается ключ 2 и напряжение на нагрузке становится отрицательным и равным -0,5 У„. На рис. 4.5, а показаны симметричное пилообразное опорное напряжение с максимальным значением У,„„и напряжение задания й, которое предполагается постоянным в течение периода Тшни опоРного напРЯжениЯ. В нижней части РисУнка пРиведены состояния сигналов Я' и Т,' и форма напряжения на выходе инвертора и.
Среднее значение напряжения на выходе определяется следуюшим образом: У= 0,5Ц«(1 — 2Т,/Тшиьд' Тшим = Тч + Та = хшим„ где Т„Т, — интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 2 соответственно; Тшнм — пеРиод шиРотно-импУльсной модУлЯции, с; Ушам — частота ШИМ, Гц.
Из подобия треугольников аЬс и аЬ'с' для рабочей части характеристики инвергора, когда ~й~<У,„, может быть записано: Т, У„,— й Тшим 2У Отсюда с учетом приведенного выше вырюкения для У следует, что У = ' и = к»и, О, 5У» ('о»в где 1с„— передаточный коэффициент инвертора в линейной части характеристики, когда и' <У,„.
Из регулировочной характеристики инвертора У = 1" (и") (рис. 4.5, б) видно, что должно быть предусмотрено ее ограничение на уровне 0,5(1», так как для получения неискаженного напряжения на выходе задающий сигнал и' не должен превышать максимального значения опорного напряжения У . В системе управления инвертором должна существовать кратковременная задержка между размыканием одного ключа и замыканием другого для восстановления запирающих свойств транзистора, выходящего из работы.
Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой сод,„, то напряжение на выходе инвертора, рассматриваемое за время 1 > 2я/ыа, будет представлять собой гармоническую кривую, содержащую наряду с первой гармоникой, которая имеет частоту управляющего сигнала, ряд гармонических составляющих более высокого порядка.
Таким образом, если амплитуда и' не превышает значения (1,„, то первая гармоника напряжения на выходе инвертора в определенном масштабе повторяет управляющий сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты на выходе инвертора. Изменение амплитуды управляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, т.е. изменению амплитуды его первой гармоники. Это иллюстрирует рис.
4.6. Для его упрощения и наглядности построения принято, что частота опорного напряжения всего в 12 раз превышает частоту управляющего сигнала. На самом деле в современных инверторах частота опорного напряжения (частота ШИМ) составляет от единиц до десятков килогерц при номинальной частоте напряжения на выходе инвертора Д = ыа,,„„/(2я) = 50 Гц. При высокой частоте ШИМ и активно-индуктивной нагрузке, какой является обмотка статора, ток нагрузки оказывается практически синусоидальным.
8б Рнс. 4.6. Принцип широтно-импульсной модуляции на примере однофазного ннвертора Однако надо учитывать и ряд отрицательных эффектов, связанных с повышением частоты ШИМ, а именно наличие электромагнитных помех, воздействующих на другие электротехнические и радиотехнические устройства, и возникновение перенапряжений в цепи нагрузки, что опасно для изоляции об1йоток двигателя. Средства борьбы с этими явлениями состоят в использовании двигателей с повышенным качеством изоляции, в применении экранированных кабелей и специальных фильтров, в ограничении длины коммуникаций, а также в раздельной прокладке силовых кабелей и кабелей системы управления. Схема трехфазного мостового инвертора (рис. 4.7, а) включает в себя три плеча с транзисторными ключами, каждое из которых выполнено аналогично плечу однофазного инвертора (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
