Электрооборудование промышленности (стр. 11 )

6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

6.1 Общие сведения

Преобразователь частоты (ПЧ) в электроприводе является силовым регулятором, вход которого подключен к питающей сети с нерегулируемыми значениями напряжения U1 и частоты f1, а на выходе обеспечиваются регулируемые значения напряжения U2 (или тока I2) и частоты f2 в зависимости от задания и управляющих сигналов (рис. 6.1).

Рис.6.1. Преобразователь частоты в ЭП.

Применение ПЧ в ЭП обеспечивает наиболее экономичные способы регулирования скорости и момента электродвигателей переменного тока. В зависимости от типа электропривода ПЧ может быть включен между питающей сетью и статорной обмоткой двигателя (частотно-управляемый ЭП), как это показано на рис. 6.2,а, или между роторной обмоткой и питающей сетью (например, в ЭП с машиной двойного питания, показанном на рис. 6.2,б.).

Такое включение обычно позволяет уменьшить установленную мощность ПЧ, но требует применения электродвигателя с фазным ротором.

Рис. 6.2. Включение ПЧ: а) в статорную обмотку двигателя; б) в роторную обмотку двигателя.

Поведение и свойства электродвигателей переменного тока при питании от источника напряжения регулируемой частоты достаточно подробно были известны уже в 60 – е годы прошлого века, но практического применения частотно-управляемые ЭП в то время не получили из – за отсутствия элементной базы для разработки статических ПЧ, выполненных на ключевых электронных элементах: тиристорах, запираемых тиристорах и силовых транзисторах (биполярных, биполярных с изолированным затвором и полевых). Использование ключевого режима приводит к тому, что выходное напряжение U2 у всех без исключения видов статических ПЧ несинусоидально и кроме основной (первой) гармоники содержит обычно целый спектр высших гармонических составляющих, а в некоторых ПЧ еще и низкочастотные субгармонические составляющие. Ток, потребляемый из сети статическими ПЧ, также несинусоидален и может вызывать искажения напряжения питающей сети. Эти обстоятельства приходится учитывать при выборе типа статического ПЧ.

Принципы построения статических ПЧ для регулируемого ЭП известны достаточно давно. В настоящее время в зависимости от мощности и технологических требований к ЭП используется один из трех типов статических ПЧ:

непосредственный ПЧ;

двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения;

двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока.

6.2 Двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения

Состоит из трех основных элементов: выпрямителя (В), автономного инвертора напряжения (АИН) и промежуточного контура постоянного тока, включающего конденсатор С, который является источником реактивной мощности для двигателя (рис. 6.3). В ПЧ этого типа происходит двукратное преобразование электрической энергии: сначала переменное напряжение с частотой f1 выпрямляется, а затем постоянное напряжение Ud преобразуется (инвертируется) АИН в переменное с заданной амплитудой первой гармоники U21m и частотой f f2. В качестве ключевых элементов в АИН в настоящее время практически всегда используются транзисторы.

Рис. 6.3. Двухзвенный ПЧ с АИН

На рис. 6.4 показана схема ПЧ, в котором АИН выполнен на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Здесь показаны только основные силовые элементы ПЧ, необходимые для процесса преобразования.

Принцип инвертирования напряжения АИН состоит в следующем. В каждой фазе АИН всегда открыт один из двух ключевых элементов, и потенциал фазы на выходе АИН всегда равен потенциалу положительной или отрицатель-

Рис. 6.4 Транзисторный АИН

ной шины на входе АИН. Таким образом, амплитуда линейного напряжения на выходе АИН всегда равна входному напряжению U2m = Ud. Частота выходного напряжения однозначно определена частотой переключения транзисторов и для ЭП не имеет ограничения сверху, так как у мощных современных транзисторов достигает значения fmax = 20 – 40 кГц, поэтому в ПЧ с АИН для формирования выходного напряжения с заданными частотой f2 и амплитудой первой гармоники U21m исключительное применение находит способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения с постоянной частотой коммутации, или с переменной частотой коммутации в системах прямого цифрового управления моментом.

Частота, форма и амплитуда модулирующего напряжения при ШИМ определяют форму гладкой составляющей напряжения на выходе АИН, амплитуду первой гармоники U21m и ее частоту f2. Для получения синусоидальной гладкой составляющей выходного напряжения форма модулирующего напряжения может быть также синусоидальной. Но линейное напряжение на выходе АИН с ШИМ в бестрансформаторной схеме при этом равно (первая гармоника)

U21 =U1µ/2, (6.1)

т. е. даже при µ = 1 U21 = 0,87U1, и двигатель ЭП не может быть использован в номинальном режиме. Поэтому модулирующее напряжение uм обычно имеет форму, соответствующую уравнению:

uм = µ(sin ω2t + 0,13ω2t)/0,

На рис. 6.5 модулирующее напряжение показано для трех значений коэффициента модуляции µ = 0,1; 0.5; 1,0. Линейное напряжение (первая гармоника) на выходе ПЧ в этом случае при µ = 1 равно сетевому напряжению на входе U21 = U1. А благодаря трехпроводной системе подсоединения двигателя к ПЧ третья гармоника отсутствует и в линейном, и в фазном напряжении.

Рис. 6.5. Модулирующее напряжение транзисторного АИН

Формы линейного напряжения и линейного тока при работе ПЧ с АИН на нагрузку с отстающим коэффициентом мощности приведены на рис.6.6. При регулировании частоты f2 и напряжения u2 изменяется скважность импульсов, частота которых равна частоте переключения fк (коммутации) транзисторов в АИН, а их амплитуда остается постоянной и равной Ud. Гармонический состав выходного напряжения при его регулировании от нуля до максимального значения (µ = 0 – 1) соответствует графикам, показанным на рис. 6.7, где fк – частота переключения (коммутации) транзисторов в АИН; fк* = fк/f2 – ее относительное значение; ν = fν/f2 – относительные частоты гармонических составляющих; Uνm* = Uνm/U21m – относительные амплитуды гармонических составляющих по отношению к максимальной амплитуде (µ = 1) первой гармоники. Частота коммутации транзисторов fк выбирается обычно равной 3 – 6 кГц, так как с ее увеличением растут потери в АИН, а с уменьшением – в двигателе, и для значений выходной частоты f2 < 60 Гц относительная частота коммутации fк* > 50.

Характерные особенности спектра выходного напряжения ПЧ с АИН:

амплитуда первой гармоники напряжения при изменении коэффициента модуляции (µ = 0 – 1) линейно возрастает от нуля до максимального значения (U1* = 0 – 1);

наибольшие амплитуды имеют гармонические составляющие напряжения, частоты коммутации которых практически равны частоте коммутации транзисторов в АИН;

гармонические составляющие низкочастотной области спектра (ν = 5,7,11…) пренебрежимо малы.

Рис. 6.6. Линейные напряжения и ток на выходе ПЧ с АИН

Гармонические составляющие напряжения столь высоких частот из-за фильтрации индуктивностями рассеяния обмоток двигателя не создают больших гармонических составляющих в выходном токе АИН, и его форма близка к синусоидальной даже при отсутствии фильтров на выходе ПЧ (см. рис. 6.6.). Однако такие фильтры используются для уменьшения скорости изменения напряжения на обмотке двигателя (чаще при мощности двигакВт и более) и для уменьшения перенапряжений на выходе ПЧ при работе на длинный соединительный кабель (30 м и более).

В ПЧ с АИН невозможен обмен реактивной энергией с питающей сетью, и реактивная составляющая тока двигателя циркулирует в контуре электродвигатель – АИН – входной конденсатор С, наличие которого вместе с диодами, шунтирующими в обратном направлении транзисторы АИН, является обязательным для схемы инвертора напряжения.

Схема с АПЧ, показанная на рис. 6.4, – нереверсивная из – за нереверсивности выпрямителя. При возникновении режима генераторного торможения избыточная энергия идет на заряд конденсатора С, напряжение на котором нарастает лавинообразно, и для предотвращения аварии используется защита, контролирующая это напряжение. Возможны схемные решения с использованием диодно – тиристорного или тиристорного реверсивного выпрямителя. Но в промышленных установках такие схемы применяются очень редко. Если же в системе ЭП может возникать необходимость экстренного торможения, то используется схема ПЧ с дополнительным транзистором и тормозным резистором, который устанавливается вне корпуса ПЧ (рис. 6.8,а). Управление транзистором, включающим тормозной резистор, может быть организовано автономно от управления АИН с контролем абсолютного значения напряжения Ud (рис. 6.8,б), где Uвкл и Uоткл – уровни срабатывания порогового элемента, управляющего тормозным транзистором, tвкл и tоткл – соответственно время его включенного и отключенного состояний.

Коэффициент мощности ПЧ с АИН благодаря нерегулируемому выпрями-

Рис. 6.7. Гармонический состав выходного напряжения ПЧ с АИН

телю на входе близок к единице kм = 0,92 – 0,96. Во время работы из сети потребляется в основном активная мощность нагрузки ЭП и мощность потерь в ПЧ и в электродвигателе. Поэтому входной ток уменьшается при уменьшении выходной частоты и выходного напряжения и равен:

I1 ≈ µI2cosφ21/η, (6.3.)

Рис. 6.8. Процесс торможения в ЭП, выполненном на основе ПЧ с АИН:

а – включение тормозного резистора в ПЧ с АИН; б – входное напряжение АИН при релейном управлении тормозным транзистором.

где η – КПД ПЧ. Основные достоинства ПЧ с АИН:

широкий диапазон выходных частот (от 0 до 1000 Гц и более);

возможность формирования необходимой кривой тока (обычно синусоидальной);

простота силовой схемы ПЧ. Недостатки ПЧ с АИН:

нереверсивность при выполнении по основной схеме;

большая скорость изменения напряжения на обмотке двигателя.

7. ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ».

Включают домашние задания, предназначенные для первого семестра изучения дисциплины и задания на курсовое проектирование, выполняемое во втором семестре

7.1 Домашние задания.

Посвящены расчету неуправляемых выпрямителей, питающих активную (омическую), активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузку. Примером активной нагрузки являются промышленные нагревательные установки. Активно-индуктивными потребителями служат обмотки электрических машин и электромагнитов, соленоиды, втягивающие катушки электроаппаратов, а также другие потребители, питаемые через индуктивный фильтр. Активно-емкостными нагрузками выпрямителей являются конденсаторные накопители энергии, получающие все более широкое применение в различных отраслях промышленности.

Задание №1.

В неуправляемом выпрямителе с активной нагрузкой (без потери напряжения в фазах выпрямления) ИЗВЕСТНЫ среднее значение выпрямленного напряжения U0 и I0.

Требуется:

1. Определить рациональный тип схемы выпрямителя (следует помнить, что в трехфазной двухтактной схеме вентильные обмотки трансформатора могут соединяться либо «звездой», либо «треугольником»). Вычертить принципиальную и эквивалентную схемы этого выпрямителя.

2. Вычислить частоту fп(1) и коэффициент пульсаций Kп(1) выпрямленного напряжения u0 по основной (первой гармонике); величину сопротивления R0 нагрузки и ее мощность P0, среднее Iпр.V и эффективное Iэфф.V значения прямого тока iпр.V вентиля, действующие значения фазных ЭДС E2 и тока I2 вентильных обмоток трансформатора.

3. Вычертить, соблюдая масштаб по оси ординат и по оси абсцисс , кривые мгновенных значений:

- фазных ЭДС e2, выпрямленного напряжения u0 (отметить уровень U0) и обратного напряжения uобр.V на вентиле (отметить уровень Umax.v), а также тока i2 вентильной обмотки трансформатора (отметить уровень I2) и прямого тока iпр.V вентиля (отметить уровни Iпр.V и Iэфф.V).

Рекомендации:

1. Для выполнения задания 1 необходимо изучить разделы учебного пособия (c. 5…30).

2. Принципиальные схемы выпрямительных устройств показаны на рис. 2.2.1.

3. Пример выполнения графической части задания показан на рис. 2.5.1, 2.5.2

4. По оси абсцисс рекомендуется масштаб 30 эл. град. В 1 см. (или p/6 рад. В 1 см.).

Схема выпрямителя (без потерь напряжения в фазах выпрямителя), значение фазной ЭДС E2 и величина активного сопротивления R0 нагрузки сохранились такими как и в задании №1. Индуктивное сопротивление нагрузки на частоте пульсаций основной гармоники в n раз больше величины сопротивления R0. Частота питающей сети равна f1.

Требуется:

1. Вычертить эквивалентную схему выпрямителя без потерь напряжения в фазах выпрямления с активно-индуктивной нагрузкой.

2. Вычислить среднее значение напряжения U­0 и тока I0 нагрузки, коэффициент пульсаций Kп(1) на нагрузке R0, среднее Iпр.V и эффективное Iэфф.V значения прямого тока iпр.V вентиля, действующее значение I2 тока i2 вентильной обмотки преобразовательного трансформатора.

3. Для значений фазового угла вычислить (для девяти значений wt) вынужденную iО, в и свободную iО, св составляющие тока и полный ток i0, а также мгновенное значение напряжения u0 на нагрузке R0 (результаты вычислений свести в таблицу).

4. Вычертить (соблюдая масштаб, принятый в задании №1) кривые мгновенных значений фазных ЭДС e2, выпрямленного напряжения u0 (отметить уровень U0), токов iО, в,iО, св,i0 (отметить уровень I0), тока i2 вентильной обмотки (отметить уровень I2).

Рекомендации:

1. Для выполнения задания необходимо изучить раздел учебного пособия (с. 30…33).

2. Пример выполнения графической части задания показан на рис. 2.6.1,a.

Задание 3.

Схема выпрямления, среднее значение выпрямленного напряжения U0 и тока I0 остались такими же, как и в задании 1, но параллельно с сопротивлением R0 нагрузки включен конденсатор С0 ёмкостного накопителя энергии. В фазах выпрямления имеются сопротивления активных потерь Rп=RTP+p·RдV (RTP-омическое сопротивление обмоток трансформатора; RдV-динамическое сопротивление вентиля), величина которых в К раз меньше сопротивления R0 на нагрузке. Коэффициент пульсации Кп(1) на нагрузке и частота f1 питающей сети такие же, как и в задании 2.

Требуется:

1. Вычертить эквивалентную схему выпрямления (с активным сопротивлением потерь в фазах выпрямления) с активно-ёмкостной нагрузкой.

2. Вычислить действующие значения фазных ЭДС Е2 и тока I2 вентильной обмотки трансформатора; ёмкость конденсатора С0, среднее Iпр.v и эффективное Iэфф.v значения прямого тока iпр.v вентиля.

3. Вычертить (соблюдая масштаб, принятый в задании 1) кривые мгновенных значений фазных ЭДС е2 (отметить уровень U0 и значение двойного угла 2Θ отсечки), тока i2 вентильной обмотки трансформатора (отметить уровень I2) и прямого тока iпр.v вентиля (отметить уровень Iпр.v и Iэфф.v)

Рекомендации:

1. Для выполнения задания необходимо изучить раздел учебного пособия (с. 33…36).

2. Пример выполнения графической части задания показан на рис. 2.6.1,б.

3. Расчёт выпрямителя с ёмкостным накопителем энергии следует производить по функциям угла отсечки (см. табл. 2.7.1 и рис. 2.7.1)

Задание 4.

Схема выпрямления, активно-индуктивная нагрузка, значение фазной ЭДС Е2, величина тока I0 нагрузки, частота f­1 сети остались такими же, как в задании 2, но преобразовательный трансформатор имеет индуктивность LS рассеивания, за счёт которой выпрямленное напряжение U­0g снижается на ℓ% от напряжения идеального (без потерь) выпрямителя.

Требуется:

1. Вычертить эквивалентную схему выпрямителя с коммутационными потерями в фазах выпрямления при индуктивной реакции нагрузки.

2. Вычислить угол коммутации g, среднее значение выпрямленного U0,g напряжения, действующее значение тока I0,g вентильной обмотки трансформатора, среднее Iпр.v и эффективное Iэфф.v значения прямого тока iпр.v вентиля (значения поправочного коэффициента даны в таблице 2.8.1).

3. Вычертить (соблюдая масштаб, принятый в задании 1) кривые мгновенных значений фазных ЭДС е2, напряжения на выходе вентильного устройства (отметить уровень и угол g), токов i2a и i2b вентильных обмоток (отметить уровень I2,g значение угла g, и угол проводимости вентиля).