Частотное управление скоростью АД

Асинхронные двигатели как однофазные, так и трехфазные достаточно часто управляются частотным методом. Несмотря на сложность схемы частотных преобразователей, они находят широкое применение в управлении АД, поскольку при этом становиться возможным получение любой скорости вращения, в том числе и выше синхронной при сетевой частоте.

Суть частотного метода управления состоит в том, что изменяется частота питающего напряжения. Обычно для этого сначала сетевое переменное напряжение делают постоянным с помощью выпрямителя, а затем с помощью автономного инвертора снова делают переменным с заданной частотой.

В общем случае процесс преобразования энергии источника постоянного тока в переменный ток принято называть инвертированием, а электронные устройства, осуществляющие такое преобразование, называются инверторами. Инверторы, вырабатывающие переменный ток заданной постоянной или регулированной частоты и питающие автономную нагрузку, носят название автономных инверторов (АИ). Автономные инверторы, в отличие от электронных генераторов переменного напряжения, являются устройствами силовой электронной преобразовательной техники и служат, главным образом, для питания мощных потребителей, работающих на переменном токе. Среди многочисленных областей практического применения автономных инверторов можно выделить следующие характерные примеры:

1. Питание устройств, работающих на переменном токе, где источником питания служит аккумуляторная батарея.

2. Регулируемый электропривод переменного тока с частотным управлением.

З. Вторичные источники электропитания (ВИП), передающие электроэнергию нагрузке на повышенной частоте, реализуют принцип преобразования напряжения промышленной электросети без сетевого согласующего трансформатора, но имеют такой трансформатор на выходе инвертора.

4. Устройства электропитания различных технологических процессов, в которых допускается использование нестандартной, чаще всего повышенной частоты (мощные ультразвуковые установки, устройства индукционного нагрева, электросварочные аппараты и др.).

Принцип работы всех многочисленных схем автономных инверторов прост и заключается в периодическом переключении с заданной частотой выходных зажимов источника постоянного напряжения к входным зажимам потребителя непосредственно или через согласующий трансформатор.

Основной проблемой при практической реализации силовой части преобразователей является обеспечение надежной работы электронных ключей, в качестве которых используются тиристоры и силовые транзисторы. Естественно, что к автономным инверторам предъявляются и общие требования для силовых устройств электропитания: высокий КПД; минимальная установленная мощность отдельных узлов и элементов; возможность регулирования в заданных пределах выходного напряжения и частоты и их стабилизацию при случайных изменениях характера нагрузки или входного напряжения; получение синусоидальной (или близкой к синусоидальной) формы выходного напряжения; устойчивость работы при перегрузках на выходе и в режиме холостого хода.

С учетом перечисленных требований к силовым электронным преобразовательным устройствам, автономные инверторы подразделяются на группы по характеру протекания в них электромагнитных процессов. На рис. 2.17, а, б, в приведены три мостовые схемы АИ, относящихся к разным классификационным группам.

Инверторы тока (рис. 2.17, а) характеризуются тем, что в них при поочередном переключении пар тиристоров (VS1,VS4 или VS2,VS3) в нагрузке Z _н формируется ток прямоугольной формы, а форма и фаза выходного напряжения зависят от параметров нагрузки.

Источник питания инвертора тока должен работать в режиме генератора стабильного (без пульсаций) тока, для чего между ним и входными зажимами инвертора включается дроссель L_d с большой индуктивностью.

Рис. 2.17. Схемы мостовых однофазных автономных инверторов и соответствующие графики формирования напряжения и тока нагрузки:
а – инвертор тока; б – инвертор напряжения;
 в – резонансный инвертор (тока или напряжения)

Этот дроссель выполняет также роль фильтра высших гармоник, так как к нему в каждый момент времени приложена разность между постоянным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора.

Кроме того, дроссель препятствует разряду коммутирующего конденсатора С _к на источник питания в моменты коммутации тока между тиристорами, обеспечивая апериодический режим работыинвертора, характеризуемый малыми пульсациями входного тока. В зависимости от способа подключения коммутирующего конденсатора по отношению к нагрузке инверторы подразделяют на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные. Инверторы тока не могут работать в режиме холостого хода из-за роста амплитуды прямых и обратных напряжений на тиристорах. При перегрузках работа параллельного инвертора тока затруднена вследствие уменьшения времени, предоставляемого выходящему из работы тиристору для восстановления запирающих свойств. 

В инверторах напряжения (рис. 2.17, б) источник питания работает в режиме генератора напряжения, т. е. имеет малое внутреннее сопротивление. При использовании выпрямителя в качестве источника питания инвертора, на его выходе, параллельно, необходимо установить конденсатор большой емкости для обеспечения хорошей обратной проводимости источника для импульсов обратного тока, характерных при работе инвертора напряжения, когда в цепи его нагрузки есть реактивные элементы любого типа. Через обратные диоды VD1...VD4 осуществляется энергообмен между накопителями, входящими, как в состав нагрузки, так и источника питания инвертора, а в многофазных инверторах – также энергообмен между реактивностями разных фаз. Инверторы напряжения формируют на нагрузке напряжениепрямоугольной формы (U _н), а форма и фазовый сдвиг тока определяется характером нагрузки. Инверторы напряжения имеют сравнительно «жесткую» внешнюю характеристику.

В резонансных инверторах (рис. 2.17, в) нагрузка, имеющая значительную индуктивность, образует с реактивными элементами схемы силовой части (С _к и L_d) колебательный контур. Ток тиристоров, включенных в данный период времени (VS1,VS4 или VS2,VS3), изменяется по колебательному закону. Тиристоры резонансного инвертора выключаются, таким образом, самостоятельно, когда ток через них спадает до нуля на каждом полупериоде Т ₀/2 собственной резонансной частоты ω₀. Следовательно, для выполнения условий выключения и запирания тиристоров необходимо, чтобы собственная частота колебательного контурабыла выше частоты включения тиристоров, задаваемой системой управления инвертором. Питаться резонансные инверторы могут как от источника напряжения (в этом случае их называют инверторами с открытым входом), так и от источников тока (инверторы с закрытым входом). В зависимости от способа включения конденсатора, образующего искусственный колебательныйконтур, инверторы могут быть последовательными, параллельными и смешанными. Если условия соотношения частот (резонансной и рабочей) не выполняются, т. е. ω₀ < ω_р, то тиристоры не могут запираться самостоятельно, и в этих случаях применяют известные схемы принудительной коммутации. Наибольшая эффективность резонансных инверторов реализуется, естественно, на повышенныхрабочих частотах. Рассмотренная работа схем характерна для инверторов, выполненных на транзисторах.

Работа схем, выполненных на тиристорах, усложняется дополнительными цепями принудительной коммутации (запирания) тиристоров силовой части. Вбольшинстве схем автономных инверторов используется способ принудительного запирания тиристоров. Он заключается в том, что к запираемому тиристору в нужный момент подключается параллельно предварительно заряженный конденсатор, с полярностью напряжения, обратной по отношению к его прямому току. Разряжаясь навстречу рабочему току, конденсатор быстро уменьшает этот ток до нуля, в результате чего тиристор выключается. После выключения тиристора остаточное напряжение конденсатора оказывается «обратным» по отношению к выключенному тиристору. Если это обратное напряжение существует в течение времени, больше паспортного времени запирания данного тиристора, то последний восстанавливает свои запирающие свойства и, с появлением на нем прямого напряжения, может быть включен только подачей отпирающего импульса на управляющий электрод.

По способу коммутации автономные инверторы можно разделить на несколько групп. В однофазных инверторах напряжения и тока используется, в основном, метод межвентильной коммутации, когда выключение и запирание каждого рабочего тиристора происходит в результате включения второго или следующего по порядку тиристора другой фазы (в многофазных инверторах).