СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ – АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

частотно-регулируемого электропривода являются управляемый преобразователь частоты ПЧ (UZF), питающийся от

промышленной сети напряжением Uс и частотой fс и асинхронный двигатель АД (М), питающийся от ПЧ

Две группы управляемых полупроводниковых ПЧ:

- преобразователи со звеном постоянного тока и автономным инвертором АИ (напряжения АИН или тока АИТ);

(без модуляции и с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения).
Преобразователь первого

типа состоит из трех силовых блоков: управляемого или неуправляемого выпрямителя UZ1, силового фильтра Ф (C или LC − типа) в звене постоянного тока и автономного инвертора UZ2

выпрямителе UZ1− изменением напряжения в звене постоянного тока, когда инвертору

отводится роль лишь коммутатора фаз, формирующего требуемую частоту (АИН с амплитудно-импульсной модуляцией АИМ);
2. при неуправляемом выпрямителе – широтно-импульсным регулированием напряжения в инверторе за счет модуляции напряжения несущей частоты (частоты коммутации силовых ключей) сигналом требуемой частоты (АИН с широтно-импульсной модуляцией ШИМ). Диаграммы выходных фазных напряжений U и первых их гармоник U1 для АИН с АИМ и с ШИМ показаны ниже

В ПЧ с АИТ управляемый преобразователь UZ1 работает в режиме

источника тока, а инвертор UZ2 обеспечивает коммутацию обмоток статора АД силовыми ключами VT1-VT6.

Главные технические отличия ПЧ с АИТ от ПЧ с АИН в наличии индуктивного L − фильтра и отсутствии емкостного фильтра на выходе выпрямителя, отсутствии обратных диодов, шунтирующих силовые ключи, и наличии конденсаторов C1, C2, С3 на выходе инвертора, являющихся источником реактивной энергии для нагрузки преобразователя частоты.

и инвертор, который переходит в режим выпрямителя стремиться увеличить ток

Id в звене постоянного тока. Однако за счет отрицательной обратной связи по току Id преобразователь UZ1 переводится в режим инвертора, ведомого сетью, сохраняя прежнее направление и значение Id и обеспечивая тем самым режим рекуперативного торможения АД. Диаграммы выходного фазного тока I АИТ и первой его гармоники I1 приведены на рис. справа

К достоинствам преобразователей по системе ПЧ−АИ относятся:
- высокий диапазон частот выходного напряжения АИН (практически от 0 до 1500 Гц), ограничиваемый лишь частотой коммутации и коммутационными потерями в силовых ключах автономного инвертора (для АИТ максимальная выходная частота тока до 100 –125 Гц);
- низкий уровень гармонических составляющих напряжения или тока статора двигателя и тока, потребляемого из сети питания;
- высокий коэффициент мощности (до 0,95 - 0,98) в преобразователях с неуправляемым выпрямителем. В случае применения управляемого выпрямителя коэффициент мощности меньше и близок коэффициенту мощности в системах тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока;
- относительно небольшое число силовых ключей преобразователя (по сравнению с ПЧНС) и более простая схема их управления, не требующая синхронизации с питающей сетью;
- для АИТ возможность рекуперации энергии в сеть и безаварийность режима короткого замыкания по выходу.

(с переменного напряжения питающей сети на постоянное напряжение выпрямителя, а

затем с постоянного − на переменное выходное напряжение инвертора), что снижает результирующий КПД преобразователя частоты (до 0,94 ё0,96);
- зависимость (для тиристорных ключей АИ) условий их искусственной коммутации от cos j и уровня нагрузки двигателя;
- для АИН отсутствие (без дополнительной управляемой инверторной группы в блоке выпрямителя UZ1) возврата энергии в питающую сеть преобразователя, что ограничивает быстродействие регулирования скорости АД в тормозных его режимах, высокие требуемые значения емкости фильтра Ф и, соответственно, большие габариты конденсаторной батареи;
- для АИТ невозможность работы на групповую нагрузку, существенные масса и габариты реактора фильтра Ф, наличие коммутационных перенапряжений на силовых ключах, более низкий cosj по сравнению с АИН с ШИМ и неуправляемым входным выпрямителем.

Основу преобразователей второго типа (ПЧНС) составляют управляемые реверсивные выпрямители в каждой из фаз АД.

или тока I1 (при наличии обратной связи по току) каждого

из выпрямителей

высокий КПД (от 0,95 до 0,97);
- реверсивный режим

работы выпрямителей и, соответственно, свободный двухсторонний обмен реактивной и активной энергией между питающей преобразователем сетью и электрической машиной. В итоге с помощью ПЧНС обеспечиваются все возможные энергетические режимы работы машин переменного тока, включая и режим рекуперативного торможения;
- для однооперационных тиристоров естественный режим коммутации за счет напряжения питающей сети, что повышает надежность работы подобных преобразователей;
- устойчивый режим работы на нагрузку с любым cos φ;
- возможность реализации весьма низких частот выходного напряжения преобразователя;
- возможность за счет параллельного соединения вентильных групп технической реализации преобразователей частоты большой мощности (до десятков МВт).

при увеличении частоты, и тем самым заметное, особенно для ПЧНС

на основе однооперационных тиристоров, ограничение верхнего диапазона частоты выходного напряжения, обусловленное дискретностью и несущей частотой выходного напряжения до f.max ≤ m fс / (8-10), где m − пульсность выпрямления преобразователя. Для ПЧНС с ШИМ возможна реализация более высоких частот выходного тока;
- сравнительно большое число силовых полупроводниковых элементов и для однооперационных тиристоров необходимость жесткой синхронизации схемы управления ими с питающей сетью;
- низкий (по сравнению с АИН) коэффициент мощности, и особенно при уменьшении амплитуды выходного напряжения преобразователя в области малых частот.

питании от ПЧ, как идеализированного источника трехфазного симметричного напряжения, схема

замещения фазы АД в установившемся режиме будет соответствовать рис.

− вектор напряжения на обмотке фазы статора АД, вращающийся с частотой ω1 =ω0нα

ω0н = 2πf1н /р

(ω0н - ω)/ω0н

схема замещения фазы АД в установившемся режиме при частотном регулировании

, отличающийся от реального только значением его модуля, то схема замещения
фазы АД может

Если ввести в рассмотрение фиктивный ток статора

быть преобразована к виду

При этом вектор полного потокосцепления ротора

вектор напряжения между точками г и 0 схемы замещения на рис.а

совпадают с их определениями в схеме замещения АИН

в АД, и представляют собой основу для изучения режимов его

работы при питании от преобразователей частоты. Они позволяют выявить основные соотношения параметров и переменных, определяющие статические характеристики АД и обеспечивающие рациональные способы его частотного управления. Такими соотношениями являются зависимости основного потокосцепления

, токов намагничивания Iμ, статора I1,, ротора I2

потокосцеплений статора

ротора

,

соответствующих им магнитных потоков Фμ, Ф1, Ф2, электромагнитного момента М АД от параметров его схемы замещения при различных соотношениях питающих обмотки статора напряжения или тока и их частот f1.

при U1 = const и f1 = const.
При питании АД

от идеализированного ПЧ, как источника напряжения, его статическая механическая характеристика при U1 = const и f1 = const , определяется в соответствии со схемой замещения

с1 ≈ 1+ х1/хμ = U1/Е10 – модуль коэффициента, характеризующего рассеяние статора АД и учитывающего падение напряжения на сопротивлениях обмотки статора от намагничивающего тока Iμ при переходе от исходной Т-образной схемы замещения к расчетной Г- образной схеме замещения АД

механических характеристик АД при U1 = U1н , f1 =

f1н и f1 =1,5 f1н (α=1,5) показан на рисунке

ротора
,



При s → ∞ минимальное значение потока намагничивания

стремиться к

рассеяния ротора х'2 (s).
Фμ (s),
При больших скольжениях х'2 >>

R'2 и, в итоге, ток ротора асимптотически стремиться к своему предельному значению

При изменении знака скольжения меняется фаза тока ротора (рис. б). В результате меняется направление лишь активной составляющей тока ротора при постоянстве направления реактивной составляющей. Двигатель переходит в режим рекуперативного торможения, где активная энергия передается в источник питания АД, а реактивная – потребляется от источника и идет на создание магнитных полей в АД.

Поскольку и поток Фμ и ток

питания U1, электромагнитный момент двигателя при постоянном скольжении
пропорционален U12.

пропорциональны напряжению

лишь при α > 1 (f1 > f1н), т.е. в

зоне скоростей выше основной (при двухзонном регулировании скорости). В этой зоне с ростом частоты уменьшается магнитный поток и перегрузочная способность АД по моменту

Частотное регулирование скорости ниже основной при U1 = const связано с насыщением магнитной системы и, как следствие, с резким увеличением тока статора даже при идеальном холостом ходе. Поэтому при скоростях ниже основной одновременно с частотой необходимо менять и напряжение питания АД.

Статические характеристики АД при U1 / f1 = const и Ψ1 = const.

частотное регулирование скорости АД при U1/f1 = const обеспечивает постоянство магнитного потока Фμ лишь при идеальном холостом ходе.

При увеличении нагрузки на валу АД из-за падения напряжения в цепи статора и уменьшения ЭДС Е1 магнитный поток Фμ уменьшается и тем заметнее, чем меньше α

максимальный электромагнитный момент АД
Если при регулировании скорости по закону

U1 / f1 = const

полную компенсацию падения напряжения на активном сопротивлении
статорной цепи

обеспечить

то для при R1 = 0

Статические характеристики АД при Ψ2 = const

Если при частотном регулировании обеспечить компенсацию падения напряжения на полном сопротивлении статорной цепи и скомпенсировать влияние реактивностей рассеяния ротора АД

замещения




Для обеспечения Ψ2 = const напряжение питания АД должно

изменяться в соответствии с соотношением

const

Отсюда при переходе от скольжения к угловой скорости вала

АД

вращении осей координат x, y в их плоскости, расположенной перпендикулярно оси

вала АД, с синхронной скоростью αω0н относительно его статора, фазовые сдвиги между напряжениями, токами и потокосцеплениями двигателя будут определять пространственные углы между их векторами.

В подобной системе координат оси двухфазных обмоток статора и ротора обобщенной электрической машины взаимно неподвижны и совпадают с осями системы координат x , y. При этом коэффициенты взаимной индукции и потокосцепления обмоток за счет их относительной неподвижности становятся независимы от положения осей реальных обмоток, а дифференциальные уравнения, характеризующие их взаимосвязи, будут иметь постоянные коэффициенты.

Основываясь на векторной диаграмме, среднюю потребляемую мощность АД Р можно представить как скалярное произведение векторов тока и напряжения статора

осей x, y со скоростью αω0н
приращение электромагнитной энергии,

запасаемой в индуктивностях статора, будет отсутствовать.

Электромагнитный момент АД

дополнительно получить ряд соотношений







Таким образом электромагнитный момент определяется взаимодействием

ортогональных составляющих потокосцеплений и токов АД. Модуль вектора момента численно равен площади параллелограмма, построенного на векторах его образующих, и не зависит от выбора системы координат

Если электромагнитный момент рассматривать относительно самой оси вращения, то он становится скалярной величиной

Тогда, используя проекции векторов токов и потокосцеплений АД на координатные оси x, y, вращающиеся со скоростью αω0н относительно его статора получим:

инверторов и с непосредственной связью.
В чем принципиальное отличие преобразователей частоты

на основе инверторов напряжения и тока?
Представьте качественный вид зависимостей магнитных потоков намагничивания, статора и ротора АД от его скольжения при различных соотношениях между напряжением и частотой питания статора двигателя.
Дать сравнительный анализ механических характеристик АД при различных соотношениях между напряжением и частотой питания статора двигателя.

источников напряжения и тока?
Оцените области допустимых значений токов, напряжений, магнитных

потоков и скорости АД при его частотном регулировании.
На основе векторных диаграмм потокосцепления ротора и тока статора АД определите его электромагнитный момент.