Атанов АЭП Лекции 2008
.pdfпоэтому диапазон регулирования при постоянном моменте нагрузки заметно уменьшается. Больший диапазон регулирования с обеспечением необходимой перегрузочной способности (по отношению к статическому моменту нагрузки) может быть получен при вентиляторной нагрузке.
Независимо от частоты (угловой скорости) синхронного генератора G2 амплитуда напряжения на его выходе может регулироваться только вниз от номинального значения.
Если мощность, потребляемая асинхронными двигателями от источника регулируемой частоты, равна Рном, то при пренебрежении потерями в машинах общая установленная мощность преобразователи частоты соста-
вит Pп.ч РM1 РG1 PM2 PG2 4Pном .
С учетом потерь энергии в машинах преобразователя частоты его установленная мощность будет превышать четырехкратное значение установленной мощности нагрузки, что является недостатком электромашинного преобразователя частоты. Другим его недостатком является низкий КПД, определяемый произведением КПД отдельных машин. Если, например, КПД каждой машины при полной нагрузке принять равным 0,9, то номинальный КПД преобразователя составит 0,94 = 0,66. С уменьшением нагрузки и при регулировании угловой скорости двигателей МЗ — М5 вниз от основной КПД становится еще меньше.
Регулирование частоты связано с преодолением значительной механической и электромагнитной инерционности, которой обладает электромашинный преобразователь.
3Электромашинный асинхронный преобразователь частоты
Всхемах электромашинного преобразователя частоты могут быть использованы в качестве основного преобразователя обычные асинхронные машины с фазным ротором в режиме асинхронного преобразователя частоты. Одна из таких схем с асинхронным преобразователем частоты АПЧ приведена на рисунке 3. Здесь статор АПЧ присоединен к сети переменного тока через автотрансформатор АТ, позволяющий независимо регулировать на входе (и выходе) АПЧ амплитуду напряжения. Ротор АПЧ механически связан с якорем двигателя М2, угловая скорость которого регулируется по системе Г—Д так же, как и в предыдущей схеме с синхронным генератором. Вторичная (роторная) цепь АПЧ служит источником напряжений регулируемой частоты и амплитуды.
Частота на выходе АПЧ равна
f2=f1±fМ2,
где fМ2= ωр/2π; ω — скорость двигателя М2; f1 — частота напряжения питания статора, принятая равной частоте питающей сети.
101
Рисунок 3 – Схема с асинхронным преобразователем частоты
Знак плюс относится к случаю, когда ротор вращается против поля статора, а знак минус—согласно с полем статора. Следовательно, при вращении ротора против поля частота f2 > f1 согласно с полем f2 < f1. При неподвижном состоянии ротора АПЧ частота f2 = f1.
Энергия, передаваемая АПЧ нагрузке, при вращения против поля складывается из механической энергии, поступающей с вала двигателя М2, и электрической энергии, потребляемой АПЧ со стороны автотрансформатора АТ. При вращении по полю электрическая энергия, поступающая в статор АПЧ, частично передается нагрузке, а часть — двигателю М2, в этом случае работающему в генераторном режиме. Эта часть энергии после преобразований возвращается о сеть с помощью машины М1.
Если, например, принять частоту на выходе АПЧ f2 = 100 Гц, а частоту питания f1 = 50 Гц, то активная мощность Р2 составит только 50 % установленной мощности нагрузки, а через двигатель М2 будет подводиться также 50 % Р∑. Таким образом, при указанном соотношении частот установленная мощность машин системы Г—Д окажется вдвое меньше, чем в случае электромашинного преобразователя с синхронным генератором. Раздельное регулирование напряжения с помощью автотрансформатора АТ дает возможность (ограничиваемую насыщением стали АПЧ) устанавливать требуемое соотношение между U2 и f2.
С возрастанием выходной частоты АПЧ установленная мощность преобразовательного устройства увеличивается.
Электромашинные преобразователи частоты с АПЧ применяются обычно для получения частот, превышающих частоту питающей сети, когда необходимо регулировать угловую скорость большого числа согласованно работающих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
102
4 Вентильно-электромашинный преобразователь частоты
Схема вентильно-электромашинного преобразователя частоты с синхронным генератором (вместо него может быть использован и АПЧ) приведена на рисунке 4. Здесь вращающийся преобразовательный агрегат постоянной скорости заменен статическим управляемым преобразователем (выпрямителем) УП, собранным, например, на тиристорах. От управляемого выпрямителя питается двигатель М1 агрегата переменной скорости. В данном случае несколько повышается КПД преобразователя частоты ПЧ, сокращаются его габариты.
Рисунок 4 – Схема вентильно-электромашинного преобразователя частоты с синхронным генератором
Однако остаются такие недостатки, как невысокая надежность, необходимость в использовании, кроме УП двух машин (двигателя М1 и генератора G), значительная инерционность привода, связанная с изменением угловой скорости агрегата переменной скорости при изменении выходной частоты.
103
ЛЕКЦИЯ 14 Статические преобразователи частоты
Вопросы
1) Преобразователи частоты с непосредственной связью
2) Статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока
3) Преобразователь частоты с инвертором, работающим по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
1 Преобразователи частоты с непосредственной связью
Недостатки электромашинных преобразователей и развитие электронной базы привели к созданию статических преобразователей на основе использования тиристоров или транзисторов.
По структуре схемы статических преобразователей частоты сходны с аналогичными схемами электромашинных преобразователей и могут быть представлены двумя основными классами: с непосредственной связью и с промежуточным звеном постоянного тока.
Преобразователь с непосредственной связью предназначен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы с раздельным управлением (рис. 1). В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрямления; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречно включенных выпрямителей. Группу из трех вентилей, имеющих общий катод, называют положительной или выпрямительной, а группу с общим анодом
— отрицательной или инверторной. Вентильные группы могут управляться раздельно либо совместно.
Во избежание короткого замыкания управляющие импульсы при раздельном управлении должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп, в соответствии с направлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство, исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время, когда ток проходит в другой группе.
В преобразователях с совместной работой вентильных групп необходимо включение дополнительных реакторов, ограничивающих уравнительный ток между вентилями каждой группы, а углы управления положительной, и отрицательной групп изменяются по определенному закону, исключающему появление постоянной составляющей уравнительного тока. Преобразователи с совместным управлением работой вентильных групп обладают большой установленной мощностью силовых элементов.
104
Рисунок 1 - Преобразователь частоты с непосредственной связью
В течение одного полупериода выходного напряжения преобразователя пропускают ток выпрямительные группы, а в течение другого — инверторные. Выходное напряжение состоит из отрезков волн напряжения питающей сети. На рисунке 2 показана кривая выходного напряжения при неизменном угле включения вентилей α = 0.
Рисунок 2 - Форма выходного напряжения трехфазного преобразователя частоты с непосредственной связью
К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести: 1) однократное преобразование энергии и, следовательно, высокий КПД (около 0,97—0,98); 2) возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на выходе от частоты; 3) свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно; 4) отсутствие коммутирующих конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети.)
105
К недостаткам рассмотренного преобразователя частоты относятся: 1) ограниченное регулирование выходной частоты (от 0 до 40 % частоты сети); 2) сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими; 3) невысокий коэффициент мощности — максимальное значение на входе преобразователя около 0,8).
Этот преобразователь может быть применен в случае использования тихоходного безредукторного привода, когда возникает необходимость в плавном регулировании угловой скорости (например, в приводе шаровых мельниц, где номинальная угловая скорость двигателя соответствует 12— 15 Гц и регулируется вниз; при этом частота питающей сети составляет 50 Гц). Кроме того, данный тип преобразователя целесообразно применить для регулирования угловой скорости асинхронного двигателя с фазным ротором, работающего в режиме двойного питания, когда статор его присоединен к сети, а ротор питается от той же сети через преобразователь частоты.
2 Статический преобразователь частоты с промежуточным
звеном постоянного тока
Широкое применение в АЭП имеет статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока, структурная схема которого приведена на рисунке 3. Преобразователь состоит из двух силовых элементов — управляемого выпрямителя УВ и инвертора И. На вход УВ подается нерегулируемое напряжение переменного тока промышленной частоты; с выхода УВ постоянное регулируемое напряжение подается на инвертор И, который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит еще систему управления, состоящую из блока управления выпрямителем БУВ и блока управления инвертором БУИ. Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой коммутации тиристоров инвертора, которая задается блоком управления инвертором БУИ. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осуществить при помощи блока задания скорости БЗС требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах асинхронного двигателя.
Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе.
106
Рисунок 3 - Структурная схема статического преобразователя частоты с промежуточным эвеном постоянного тока: УВ — управляемый выпрямитель; И — инвертор; БУВ, БУН—соответственно блок управления выпрямителей и инвертором; БЗС — блок задавания скорости
Примером принципиальной электрической схемы статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока, выполненного на тиристорах для привода небольшой мощности (до 5 кВт), может служить схема, приведенная на рисунке 4.
В качестве управляемого выпрямителя используются два тиристора (VS7 и VS8) и два диода (VD15 и VD16), включенные в так называемую полууправляемую мостовую схему для получения двухполупериодного выпрямленного напряжения, среднее значение которого можно регулировать обычным способом, воздействуя на угол включения тиристоров VS7 и VS8.
Автономный инвертор напряжения (АBН) состоит из шести тиристоров (VS1 — VS6), шести последовательно включенных с ними диодов (VD9 — VD14) и шести диодов, включенных по трехфазной мостовой схеме (VD18 — VD3) и, наконец, шести колебательных контуров LС.
Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляется коммутацией тиристоров VS1 — VS6, работающих в определенной последовательности. Время открытого состояния каждого тиристора составляет 2/3 полупериода выходного напряжения (длительность открытого состояния тиристоров равна 120°); последовательность включения тиристоров отвечает их нумерации по схеме, т.е. сначала включается VS1, через 60° включается VS2 и т. д. до VS6. После VS6 вновь VS1 и т. д. через каждую 1/6 периода выходного напряжения. В каждый момент времени вне коммутации открыты одновременно два тиристора. Включение тиристоров осуществляется подачей положительного импульса на управ-
107
ляющий электрод от БУИ. Для выключения тиристоров необходимо ток, протекающий через него, довести до нуля. Это достигается с помощью коммутирующих контуров LС; например, при включении VSЗ через ранее открытый V1 происходит разряд конденсатора С и VS1 закрывается.
Рисунок 4 - Схема статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Выходное напряжение при чисто активной нагрузке имеет ступенчатую форму (рис.5), и длительность каждой ступени соответствует 1/6 периода выходного напряжения.
Рисунок 5 - Форма выходного напряжения при чисто активной нагрузке
Диоды VD9…VD14 служат для отделения коммутирующих конденсаторов от нагрузки, что дает возможность существенно снизить их емкость по сравнению с обычным параллельным инвертором. Через мост VD18… VD23 реактивная энергия двигателя возвращается конденсатору С1. На-
108
пряжение на выходе инвертора регулируется изменением напряжения на его входе — управляемым выпрямителем, а частота — изменением частоты подачи импульсов на тиристоры.
Достоинствами однофазной схемы выпрямления является меньшее количество тиристоров по сравнению с трехфазной схемой выпрямления, а также более простое управление, что снижает стоимость преобразователя. Поэтому при небольшой мощности привода и малом диапазоне регулирования напряжения целесообразно использовать однофазный выпрямитель, хотя пульсации выпрямленного напряжения получаются довольно большими, что требует применения сглаживающего реактора значительной индуктивности.
Для преобразователей большей мощности с относительно большим диапазоном регулирования выпрямленного напряжения (до 20 : 1) используются трехфазный полностью управляемый выпрямитель, обычно выполняемый по мостовой схеме.
При больших диапазонах регулирования напряжения целесообразно для средней мощности преобразователя (до 20 кВт) применять мостовую схему с трехфазным полууправляемым выпрямителем, который содержит три тиристора и три диода. В данном случае схема оказывается более простой по сравнению с полностью управляемым выпрямителем.
3 Преобразователь частоты с инвертором, работающим по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
Втех случаях, когда инвертор питается от сети постоянного тока или от неуправляемого выпрямителя, применяется широтно-импульсный регулятор (ШИР) напряжения.
Системы с ШИР могут обеспечить большой диапазон регулирования выходного напряжения и позволяют уменьшить габариты фильтрующих устройств. Питание инвертора от неуправляемого выпрямителя через ШИР позволяет получить высокий коэффициент мощности на входе преобразователя частоты во всем диапазоне регулирования. Недостатками преобразователя частоты с ШИР на входе инвертора являются необходимость установки силового тиристора, рассчитанного на всю мощность, потребляемую инвертором, снижение КПД преобразователя из-за дополнительного преобразования энергии (потери мощности в ШИР), усложнение схемы преобразователя и снижение его надежности, поэтому ШИР на входе инвертора используется в основном только при наличии сети постоянного тока.
Вслучае применения в преобразователях частоты автономных инверторов напряжения с фазной или индивидуальной коммутацией тиристоров или транзисторных инверторов можно совместить в самом инверторе функции инвертирования и регулирования напряжения методом ши- ротно-импульсной модуляции (ШИМ). Такие тиристорные инверторы и их системы управления существенно сложнее рассмотренных инверторов с
109
межфазной коммутацией, а КПД их ниже из-за повышенных потерь, связанных с высокой частотой коммутации тиристоров.
Несмотря на этот недостаток инверторы с индивидуальной и фазовой коммутацией тиристоров (и транзисторные) используются в весьма перспективных преобразователях частоты с инверторами с ШИМ, применяемых в приводах с глубоким регулированием скорости. Отличительной особенностью этих инверторов является не только возможность регулирования в них как напряжения, так и частоты от нуля до номинального значения, но и получение формы выходного тока, близкой к синусоидальной. Это позволяет в таких системах обеспечить весьма широкий диапазон регулирования угловой скорости асинхронного двигателя и уменьшить потери в нем от высших гармоник напряжения. При использовании инверторов с ШИМ отпадает необходимость в источнике регулируемого выпрямленного напряжения, что упрощает силовую схему и позволяет получить коэффициент мощности преобразователя, близкий к единице.
Простейшая схема трехфазного преобразователя частоты с инвертором, работающим по принципу ШИМ, приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 - Принципиальная электрическая схема трехфазного преобразователя частота с инвертором, работающим по принципу ШИМ
Преобразователь состоит из мостового неуправляемого выпрямителя (VD7 — VD12) и автономного инвертора из шести тиристоров (VS1 — VS6) и шести обратных диодов (VD1 — VD6), предназначенных для передачи реактивной мощности от двигателя М к конденсатору С. Конденсаторы С1 — С6 и реакторы L1 — L3 осуществляют коммутацию тиристоров. Выходное напряжение также регулируется от нуля до максимального значения, определяемого постоянным напряжением на входе инвертора.
110