Двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока


Основными звеньями данных ПЧ являются выпрямитель с фильтром и  инвертор.

Достоинства двухзвенных ПЧ со звеном постоянного тока:

  • возможность  получения  на  выходе  ПЧ  широкого  диапазона  частот,  независимого от частоты питающей сети и полностью покрывающего потребности приводов различного назначения, в том числе высокоскоростных, среднескоростных и тихоходных, прецизионных приводов с широким и сверхшироким диапазоном регулирования скорости;
  • возможность  использования  относительно  простых  силовых  схем  и  систем  управления  ПЧ  для  приводов  с  невысокими  требованиями  в  части  диапазона  регулирования,  быстродействия  и  других  показателей;
  • возможность  наращивания  сложности  силовой  части  и  системы  управления ПЧ соразмерно уровню повышения требований к приводу без чрезмерной избыточности системы;
  • возможность  реализации  в  сравнительно  малоэлементной  структуре  ПЧ  разнообразных  алгоритмов  управления,  удовлетворяющих  требованиям, предъявляемым к ЭП различного назначения;
  • легкость  трансформации  ПЧ  для  работы  в  установках  с  питанием  электрооборудования от автономных источников либо локальной сети постоянного тока.

Основные недостатки двухзвенных ПЧ со звеном постоянного тока:

  • двухкратное  преобразование  энергии,  что  увеличивает  потери  энергии, ухудшает массогабаритные показатели преобразователя;
  • наличие  в  звене  постоянного  тока  силового  фильтра,  содержащего  батарею конденсаторов значительной емкости (в схемах с АИН) либо реактор со значительной индуктивностью (в схемах с АИТ). Приводит  к  ухудшению  массогабаритных  показателей,  а  наличие  электролитических конденсаторов – к снижению надежности.

Широкое применение нашли следующие виды ПЧ:

  • двухзвенный  ПЧ  с  автономным  инвертором  напряжения (АИН)  (рис.6.3);
  • двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока (АИТ) (рис.6.4);
  • двухзвенный ПЧ с неуправляемым выпрямителем и автономным инвертором с ШИМ- управлением (рис.6.5);
  • двухзвенные ПЧ  с рекуперативным (активным)  выпрямителем  и  автономным инвертором с ШИМ- управлением (рис.6.7, 6.8).

 dvuxzvennye pch s promezhutochnym zvenom postoyannogo toka Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  токаРис.6.3а. Структура преобразователя частоты со звеном постоянного тока
и управляемым выпрямителем

  Преобразователь  частоты,  работающий  на  статорную  обмотку  асинхронного  двигателя,  показан  на  рис.6.3а.  Он  включает  в  себя  автономный инвертор напряжения (АИН) с системой управления инвертора (СУИ) и управляемый выпрямитель (УВ). На выходе выпрямителя  предусмотрен LC-  фильтр,  предназначенный  для  сглаживания  выпрямленного  напряжения Ud .  В  тормозном  резисторе  RT,  который  включается  тормозным  прерывателем KT   при  переходе  двигателя  в  тормозной  режим,  рассеивается  энергия  торможения.  В  промышленных  установках  управляемый  выпрямитель  питается  от  сети  переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Управляющим воздействием  для него является сигнал задания напряжения на входе системы управления выпрямителем (СУВ).

Наиболее  распространенной  схемой  силовой  части  инвертора  является  трехфазная  мостовая  схема (см.  рис.6.3а),  состоящая  из  шести  управляемых  ключей,  обозначенных   на  рисунке  цифрами 1…6.  Эти  ключи  должны  обладать  двухсторонней  проводимостью.  В  настоящее  время  они  обычно  выполняются  на  транзисторах,  обеспечивающих  протекание  тока  в  прямом  направлении  от  плюса  напряжения Ud к  минусу.  Обратная  проводимость  обеспечивается  включенными  параллельно транзисторам диодами обратного тока. С их помощью создается цепь для протекания обратного тока в процессе коммутации транзисторов и в тормозном режиме двигателя.

 Управление  частотой  ω0эл   на  выходе  преобразователя  осуществляется путем воздействия на систему управления инвертора, в которой  сигнал задания частоты преобразуется в длительность сигналов управления,  подаваемых  на  транзисторы  инвертора  в  соответствии  с  установленным  алгоритмом.  Значение  амплитуды  напряжения  переменного тока на выходе инвертора определяется значением выпрямительного  напряжения  Ud ,  из  которого  формируется  выходное  напряжение  преобразователя. Оно задается сигналом на входе системы управления  выпрямителем.

 Диаграмма  состояния  ключей  инвертора  при  угловой  длительности замкнутого состояния ключей (открытого состояния транзисторов,  работающих  в  ключевом  режиме),  равной  π ,  представлена  на  рис.6.3б.

dvuxzvennye pch s promezhutochnym zvenom postoyannogo toka2 Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

Рис.6.3б. Диаграмма состояния ключей инвертора

В  каждый  данный  момент  времени  замкнуты  три  ключа.  Состояние ключей изменяется через каждую шестую часть периода, длительность  которой  в  единицах  времени  ∆t   определяется  заданным  значением частоты на выходе инвертора как ∆t=п/(ω0эл) . Таким образом, изменение сигнала задания частоты на входе системы управления  инвертором приводит к изменению этой длительности, т. е. изменению  частоты  ω0эл   напряжения  на  выходе.  Последовательность  замыкания  ключей 1-2-3-4-5-6  (см.  рис.6.3б)  соответствует  определенному  направлению  вращения  двигателя.  Для  его  изменения  эта  последовательность должна быть изменена на обратную. Из диаграммы очевидно,  что  существует  шесть  ненулевых  состояний  ключей,  при  которых  всегда  замкнуты  два  четных  и  один  нечетный  или  один  четный  и  два  нечетных  ключа.  Кроме  них  могут  еще  использоваться  два  нулевых  состояния, при которых замкнуты ключи 1-3-5 или 2-4-6 и все три фазы  статора  замкнуты  на  положительный  или  отрицательный  зажим  выпрямителя, что соответствует нулю напряжения на нагрузке.

   На рис.6.3в показаны фазные напряжения  UsA, UsB,UsC , а также  приведено  одно  из  линейных  напряжений  UAB,  определенное  как  UAB= UsA— UsB.  Поскольку  выходное  напряжение  преобразователя  формируется  из  напряжения  Ud на  выходе  выпрямителя,  изменение  Ud в результате изменения сигнала задания на входе системы управления  выпрямителем  приводит  к  пропорциональному  изменению  напряжения на выходе преобразователя частоты.

dvuxzvennye pch s promezhutochnym zvenom postoyannogo toka4 Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

Рис.6.3в. Форма напряжений на выходе инвертора

  Показанное  на  рис.6.3в  линейное  напряжение  может  быть  представлено в виде суммы гармонических составляющих,  не содержащих  гармоник, кратных двум или трем:

 Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

Первая  гармоника  линейного  напряжения

 Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

  (см.  рис.6.3в)  имеет  амплитуду,  равную

   Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

  Амплитуда  первой гармоники напряжения фазы

 Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

  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 RT   (см.  рис 6.3а).  При  возникновении  условий  для  тормозного  режима  двигателя  электронный  ключ  KT  замыкается  и  энергия  торможения  рассеивается в тормозном резисторе.
На  рис.6.4а   изображена  структура  двухзвенного  преобразователя  частоты с управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока  (АИТ). Принципиальное отличие его от ПЧ с АИН состоит в том, что  инвертор  получает  питание  от  источника  тока,  а  не  от  источника  напряжения.  В  качестве  такого  источника  используется  управляемый  выпрямитель (УВ) с системой управления выпрямителем (СУВ), которому  придаются  свойства  источника  тока  путем  создания  контура  регулирования  выпрямленного  тока Id   с  помощью регулятора  тока  РТ.  Выходной  ток  АИТ  формируется  из  Id   путем  переключения  ключей  инвертора.  Частота  выходного  тока  АИТ  задается  на  входе  его  системы  управления (СУИ).  Дроссель  L  сглаживает  пульсации  выпрямленного тока. На рис.6.4,б изображены временные диаграммы фазных  токов  нагрузки  при  условии  постоянства  тока  Id   и  показаны  ключи  АИТ, находящиеся в открытом состоянии на каждом интервале его работы. Режим частотного управления скоростью асинхронного двигателя  при  питании  его  от  АИТ  иногда  называют  термином  частотно-токовое управление.

dvuxzvennye pch s promezhutochnym zvenom postoyannogo toka1 Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

  Двухзвенные  ПЧ  с  промежуточным  звеном  постоянного  тока

Рис.6.4 Структура (а) и диаграммы работы (б) преобразователя частоты с
управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока

Рассмотренные  выше  двухзвенные  ПЧ  относятся  к  более  ранним  этапам развития электропривода переменного тока. К основным их недостаткам относят следующее:

  • несинусоидальность  выходного  тока  и  неравномерность  вращения  двигателя  на  малых  частотах,  что  ограничивает  диапазон  регулирования скорости;
  • ограничение  быстродействия,  связанное  с  наличием  силового  фильтра  в  канале  регулирования  амплитуды  выходного  напряжения  (тока);
  • несинусоидальность тока, потребляемого из сети и низкий «сетевой»  коэффициент  мощности,  что  обусловлено  свойствами  управляемого  выпрямителя  с  естественной  коммутацией  и  импульсно-фазовым  управлением.

Если автономный инвертор выполнен на тиристорах, то его схема  должна  содержать  устройства  принудительной  коммутации:  коммутирующие конденсаторы и отсекающие диоды. Последние снижают возможность возникновения колебаний в цепи инвертор — двигатель изза  наличия RLC-цепей  и  позволяют  уменьшить  емкость  коммутирующих  конденсаторов.  ДПЧ  с  АИТ  —  рекуперативный  вследствие  возможности перехода УВ в инверторный режим работы, ДПЧ с АИН —  нет,  но  может  быть  сделан  рекуперативным,  если  вместо  нереверсивного  тиристорного  преобразователя  на  входе  использовать  реверсивный тиристорный преобразователь.