Дискретно-регулируемый преобразователь частоты для электроприводов переменного тока

ДИСКРЕТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Л.Т. МАГАЗИННИК

Суть предложенного способа состоит в том, что часть энергии на коммутацию тиристоров выпрямителя (получаемая непосредственно от питающей сети) передается в контур коммутации инвертора, обеспечивая его успешную коммутацию на любых частотах вращения привода, в том числе и на близких к нулю. Такой алгоритм коммутации оказывается возможным, если коммутация тиристоров инвертора совпадает по времени с моментами коммутации тиристоров выпрямителя. Описанный принцип коммутации инвертора может применяться и для асинхронных двигателей (АД) с преобразователями частоты (ПЧ), однако в этом случае весь диапазон регулирования будет дискретным. Регулировочные характеристики и частотный диапазон будут примерно совпадать с аналогичными характеристиками электропривода на основе непосредственного преобразователя частоты (НПЧ), однако "классический" НПЧ содержит три комплекта реверсивных трехфазных мостов, то есть втрое больше, чем в описанной схеме, что говорит о ее бесспорных преимуществах.

Дискретно-регулируемый ПЧ рекомендуется для мощных вентильных двигателей с резкопеременными нагрузкой и частотой вращения, для тихоходных приводов по системе АД - ПЧ, а также для надсинхронных вентильных каскадов.

В настоящее время регулируемый электропривод переменного тока и, в частности, частотно-регулируемый электропривод стал доминирующим видом промышленного регулируемого электропривода.

Практически применяются два вида частотно-регулируемых электроприводов:

1) асинхронный короткозамкнутый двигатель (АД), питающийся от преобразователя частоты (ПЧ);

2) вентильный двигатель (ВД), т.е. синхронный двигатель, также питающийся от ПЧ.

Преимущества электроприводов первого типа, то есть АД с ПЧ - простота и надежность, а также низкая стоимость АД. Недостатки: низкий cos ф

асинхронных двигателей, а также необходимость принудительной коммутации инверторной частоты (рассматриваются ПЧ со звеном постоянного тока) во всем диапазоне частот вращения АД, что требует применения силовых транзисторов или, при больших мощностях, двухоперационных (GTO) тиристоров.

В электроприводах второй группы собственно двигатель представляет собой синхронную машину, ротор которой имеет возбуждение от постороннего возбудителя (возбудитель может быть на одном валу с двигателем) или от постоянных магнитов. Естественно, ВД оказывается дороже, чем АД, однако он имеет следующие преимущества:

- cos ф синхронного двигателя, в зависимости от нагрузки и величины потока возбуждения, может быть опережающим, равным единице или отстающим, что позволяет использовать свободную мощность ВД для регулирования реактивной мощности сети (если в ПЧ возможен двухсторонний поток энергии),

© Л. Т. Магазинник Проблемы энергетики, 2004, № 5-6

либо форсировкой возбуждения увеличивать перегрузочную способность двигателя;

- зазор между ротором и статором в синхронных машинах значительно больше, чем у АД, что определяет большую механическую надёжность синхронного двигателя;

- в ВД с постоянными магнитами отсутствуют электрические потери в роторе, поэтому коэффициент полезного действия у них принципиально выше, чем в асинхронных машинах;

- механические характеристики ВД абсолютно жесткие, пусковой момент выше, чем у АД, что (в сочетании с «вытянутой» конструкцией ротора с постоянными магнитами) определяет их высокое быстродействие, сравнимое с быстродействием приводов постоянного тока с высокомоментными двигателями.

Кроме того, синхронная машина может обеспечить естественную коммутацию ПЧ, от которого она питается. Однако последнее возможно лишь при частотах вращения ш > 0,1юном. При пуске, то есть при ш < (0,1 0,15)шн ом,

коммутация инверторной части ПЧ должна быть принудительной, поэтому в известных ВД инвертор либо выполняется на запираемых ключевых элементах (транзисторы, GТО тиристоры, SCR тиристоры с конденсаторной коммутацией), либо в области низких частот вращения двигателя запирание инвертора осуществляется кратковременным переводом выпрямителя в область глубокого инвертирования с целью уменьшения тока до нуля [1]. Но инвертор с принудительной коммутацией значительно дороже, чем инвертор с естественной коммутацией, а кратковременный перевод выпрямителя в инверторный режим приводит к пульсациям момента, что в области низких частот вращения в большинстве случаев недопустимо.

Автором предложен принципиально новый способ коммутации инвертора, позволяющий в значительной мере объединить достоинства непосредственных ПЧ (НПЧ) и ПЧ со звеном постоянного тока: инвертор выполняется на обычных (SCR) тиристорах, и сохраняется двусторонняя связь с сетью, как в НПЧ; в то же время, силовая схема даже проще, чем в ПЧ со звеном постоянного тока (отсутствуют цепи обмена реактивной мощности между входом ПЧ и нагрузкой), а диапазон частот в системе ВД - 0 50 Гц, то есть полный.

Суть предложенного способа [2, 3] состоит в том, что часть энергии на коммутацию тиристоров выпрямителя (получаемая непосредственно от питающей сети) передаётся в контур коммутации инвертора, обеспечивая его успешную коммутацию на любых частотах вращения привода, в том числе и на частотах близких к нулю. Для передачи упомянутой части энергии коммутации традиционные реакторы ограничения di/dt заменены на коммутирующие быстронасыщающиеся трансформаторы (рис. 1, а). Их сердечники выполнены из железа с прямоугольной петлей гистерезиса, а вторичные обмотки включены последовательно с соответствующими фазами нагрузки. В остальном схема рис. 1, а представляет собой обычный ПЧ со звеном постоянного тока и инвертором тока.

Процесс коммутации и дискретного изменении частоты на выходе инвертора осуществляется следующим образом. Пусть в момент ш^ (рис. 1, б) подан отпирающий импульс на соответствующие тиристоры фазы «а» выпрямителя и фазы «а1» инвертора. Тогда первичная обмотка коммутирующего трансформатора фазы «а» окажется под линейным напряжением Uлт • sin а (падение напряжения на первичной обмотке коммутирующего трансформатора

фазы «с» можно считать равным нулю, т.к. трансформатор насыщен). Напряжение Uлт • sin а с понижающим коэффициентом трансформации Кт

передается в фазу «ах» с полярностью, способствующей протеканию тока через соответствующий тиристор этой фазы. Ток из фазы «сх», начинает коммутироваться в фазу «ах». Для простоты на диаграмме рис. 1, б отпирающие импульсы показаны при а = 0. В реальной ситуации, когда нагрузкой является синхронный или асинхронный двигатель, начальный угол а~я/2, и соответственно, коммутирующее инвертор напряжение Uk вычисляется по формуле:

Uк = Uлт 'sin а / KТ й Uлт : KТ .

1 с а в с а ' IV * |\ / \ /|\ / |\ а У\ /\ X cot —/- Л / 1 \ / I

о —\ / —\—7 v—/—1—\ — / 1—ч V 1 1 1 cot, cot2 1 а 1 ,е 1 и : ! к ^ / V У 1 \—/ 1 'С 1 « 1 , ^ 1 К 1 cot

1-^ 1 : 1 / 1 1 1 1 I 1

Г п 1 " \

|/ , : \/ \ 1 м N ш

; \ / 11 \ /

4 1 1 ' 1/ !\ cot

i< Зк ^

б)

Рис. 1. а) силовая схема ПЧ: 1 - выпрямитель; 2 - инвертор; 3 - нагрузка; 4 - дроссель;

5 - коммутирующие трансформаторы; б) временные диаграммы: 1 - фазные напряжения сети; 2 - импульсы управления тиристорами фазы «а»; 3 - ток фазы нагрузки при /2 = 50 Гц; 4 - ток

фазы нагрузки при /2 = (50 : 3) Гц.

К концу коммутации в инверторе ток в фазе «а» станет равным / : Кт , а ток в фазе «с» уменьшится до г — га : Кт (рис. 1, а). После этого происходит насыщение коммутирующего трансформатора фазы «а» и быстрое завершение коммутации в выпрямителе. Таким образом, время насыщения коммутирующих трансформаторов должно быть больше времени коммутации в инверторе.

В момент ш^2 (рис. 1, б) происходит очередная коммутация в выпрямителе. Если в этот же момент будет подан отпирающий импульс управления на очередной тиристор инвертора, в инверторе произойдет коммутация аналогично вышеописанному, и ток нагрузки будет иметь частоту 50Гц (диаграмма 3). Если же система управления не пропустит очередной импульс на инвертор, то следующая коммутация инвертора станет возможна только в момент ш*3, когда коммутирующее напряжение иа1 —С1 будет снова иметь соответствующую

полярность.

Из диаграммы 4 (рис. 1, б) видно, что частота тока нагрузки окажется равной f2 = /1:3. В общем случае инвертор обеспечит дискретный ряд частот

/2=тгк • 121

где к - любое целое число (т.е. /2 = /1; / : 3; /1 : 5 ...).

Таким образом, частотный диапазон рассматриваемого ПЧ такой же, как непосредственных ПЧ (НПЧ). Поскольку в межкоммутационный интервал через первичную и вторичную обмотку коммутирующего трансформатора протекает ток фазы нагрузки, минимальная величина Кт, обеспечивающая циклическое перемагничивание трансформатора,

Кт ш1и > ^7+^,

'и

* .*

или, в относительных единицах, Кт ш1п > 1 + , где 1н - ток нагрузки; - ток

намагничивания трансформатора.

Максимальное значение Кт и, соответственно, минимальная величина коммутирующего напряжения ик, обеспечивающая коммутацию инвертора, определяются из следующих соображений: как отмечено выше, успешную коммутацию инвертора обеспечивает ик ~ (0,1 0,15)ином, что соответствует

(10 15) % номинальной частоты вращения синхронной машины. Следовательно,

приближенное значение коэффициента трансформации при ш = 0 ( трогание двигателя) составит

Кт тах <--------и 6.

1 шах 0,1 * 0,15

При разгоне двигателя ш = 0,15шн угол запаздывания включения выпрямителя с а = я/2 уменьшится до а = агссоз 0,15 г 800 эл. Коммутирующее напряжение уменьшится на

ди _ Uтл Um. i *sin 80

"" KT ’

то есть всего на 2 %, откуда следует, что полученное в (4) значение КТ обеспечивает устойчивую коммутацию инвертора во всем диапазоне частот, если нагрузкой является синхронный двигатель и в диапазоне (0 0,15)hom - если ПЧ

нагружен на асинхронный двигатель.

Полагая U/f = const, a/2max = /1/3, определим величины UK и КТ, необходимые для коммутации инвертора с АД в диапазоне частот 0 < /2 < /1/3.

1 * / \ а _ arccos—^ Uk _ arcsin а и 0,93: KT .

Следовательно, если нагрузкой ПЧ является асинхронный двигатель, а частота изменяется в пределах 0 < /1 < j f j, коэффициент трансформации

Kt max * 6 • 0,93 и 5,

Kt , выбранный из условия (7) , обеспечит коммутацию инвертора как в системе ВД, так и в системе ПЧ с АД.

Из (3) (7) следует, что по условиям коммутации 1 + < Kt < 5. В то же

время, от величины Kt зависит угол коммутации у, а значит и относительная мощность коммутирующих трансформаторов. Следовательно, для более корректного определения Kt необходима функциональная зависимость

(SW1)* _ f (KT,X,у), где (SW1)* - произведение сечения сердечника

коммутирующего трансформатора S на число витков Wj его первичной обмотки, отнесенное к соответствующим параметрам сетевого трансформатора; X -реактанс коммутирующего контура; Y - угол коммутации.

Чтобы определить искомую зависимость, воспользуемся известным [4] трансцендентным уравнением

Uk • sinпlmi , ,_ч

Ih _ —k— ------Icosа - cos

X

где /н - ток нагрузки; Х - реактанс коммутируемого контура; m = 3 (для трехфазного моста). В диапазоне рабочих частот /2 < /1 : 3 коммутирующее напряжение Uk изменяется лишь на 7 %, а cos а близок к нулю, поэтому (с погрешностью не более 7%) выражение (8) можно привести к удобной для анализа форме

X • /

Y и arcsin-----н .

Uk • sin п l m

Коммутация происходит в два этапа: на интервале Yi - одновременная коммутация тока в фазах инвертора и выпрямителя; на интервале Y2 -

завершается коммутация оставшегося в фазе выпрямителя тока 1н - !н : Kт, откуда угол коммутации

XI • KT XrI

Y = y1 + y 2 = arcsin---------------^—T— + arcsin----—Т---------------,

Unm • sin n / m Uлm • sin n / m • KT

где Xa - реактанс коммутируемого контура инвертора; XT - реактанс выпрямителя.

Анализ (10) показывает, что минимум у при Xa = (2 4) XT находится в

интервале 1,4 < КТ < 2, причем yi >> Y2, что позволяет параметр (SWl)* приближенно оценить по отношению интегралов: а+Г1

sin at • dat J 1 а+Г1

J sin at • dat а

0

где а и я/2, а Y1 определяется из (10).

Расчеты по (11) для m = З и ряда типовых значений Xa синхронных машин мощностью выше 100 кВт показывают, что (SW1)* я (14 ^ 20)%.

Относительная мощность коммутирующих трансформаторов несколько меньше, т.к. по их вторичным обмоткам протекает тот же ток, что и по первичным, а число витков в КТ раз меньше.

Пример реализации алгоритма управления выше описанным ПЧ с синхронным двигателем в качестве нагрузки (то есть ВД) приведен на упрощенной однолинейной функциональной схеме (рис. 2), выполненной для большей наглядности в аппаратной форме.

Схема функционирует следующим образом. Задатчиком частоты б устанавливают код частоты /2 (в виде последовательности импульсов,

синхронизированных с питающей сетью). Этот код поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 7 и на один из входов логического элемента "И" 8. С выхода ЦАП аналоговый сигнал, пропорциональный заданной частоте f2, поступает на сумматор 9, где алгебраически складывается с сигналом тахогенератора 10, пропорциональным фактической частоте вращения двигателя 3. Сигнал ошибки Л через усилитель 11 поступает на вход системы 12 импульсно-фазового управления, с выхода которой импульсы с углом а распределяются на тиристоры выпрямителя 1 (при f = 0, а = я/2). Со второго выхода блока 12 импульсы поступают на второй вход блока 8, а на его третий вход через формирователь 13 приходят импульсы с датчика угла поворота ротора 14. При совпадении трех «единиц» на входах блока 8, с его выхода с частотой f2 через блок 15 «код-импульс» следуют сформированные импульсы на тиристоры инвертора 2. Когда частота вращения двигателя достигнет величины ш > 0,15ш0, что соответствует f2 = (50 : 9) Гц, ЭДС тахогенератора 10 достигнет уровня срабатывания реле 1б. В результате через развязывающий диод 17 параллельно импульсам из блока 12 поступает постоянная «единица», и для дальнейшего увеличения f2 совпадение моментов включения тиристоров инвертора с моментами коммутации выпрямителя не требуется. Дискреты частот с выхода © Проблемы энергетики, 2004, № 5-б

блока 6 теперь могут иметь меньшие значения, чем ряд дискрет из (2), вплоть до /2 = 50 Гц, а коммутация инвертора осуществляется, как и в ВД с автономным инвертором, в моменты совпадения сигналов задания частоты и сигналов с датчика угла поворота 14.

а/

Заключение

Недостатком рассмотренного выше ПЧ, по сравнению с известными, является добавочный элемент в силовой схеме в виде трёх однофазных насыщающихся трансформаторов, суммарная относительная мощность которых с учетом возможных перегрузок может превышать 20 %.

Преимущества его заключаются в следующем:

1. Инвертор выполнен на SCR тиристорах, потери в которых, по крайней мере, вдвое меньше, чем в СТО тиристорах; стоимость также меньше.

2. Отсутствует обратный диодный мост и буферный конденсатор, что упрощает силовую схему ПЧ.

3. Как и в НПЧ, имеет место двухсторонний обмен энергией с питающей сетью, что позволяет без каких-либо дополнительных элементов в силовой схеме осуществить режим «подтормаживания» двигателя с рекуперацией энергии в сеть. Трудности реализации таких режимов и связанные с этим усложнения силовых схем ПЧ со звеном постоянного тока общеизвестны.

4. При нагрузке на асинхронный двигатель диапазон частот такой же, как в НПЧ с естественной коммутацией; при нагрузке на синхронную машину 0 < f2 < 50 Гц. В то же время, предложенный ПЧ содержит два моста, а НПЧ -шесть.

Для большей простоты и наглядности коммутационные процессы рассмотрены на примере схемы с инвертором тока, но наличие дросселя в цепи выпрямленного тока отнюдь не является обязательным условием: ПЧ

работоспособен и без упомянутого дросселя. При этом формирование квазисинусоидального тока нагрузки возможно по тому же принципу, что и в «классических» НПЧ.

Выводы

Применение предложенного ПЧ представляется целесообразным для мощных электроприводов с резкопеременными нагрузкой и скоростью преимущественно в системе ВД. Возможно применение и для тихоходных приводов ПЧ - АД [5], а также для надсинхронных вентильных каскадов, где данный метод коммутации легко решает задачу перехода через синхронную скорость [2], а мощность коммутирующего устройства может быть существенно уменьшена.

Summary

The new way of switching of the inverter is offered which cheapens and simplifies the whole RE and also raises its reliability. The essence of the offered way is, that the part of energy is transferred to switching of the rectifier (received directly from a supplying network) in a loop of switching of the inverter providing its successful switching on any frequencies of a drive rotation including on close to zero. Such algorithm of switching is possible if the switching of thyristors of the inverter coincides on time with the moments of switching of thyristors of the rectifier. The described principle of switching of the inverter can be applied and for asynchronous engines (AE) with CF, however in this case all range of regulation will be discrete. The adjusting characteristics a frequency range will approximately coincide with the similar characteristics of the electric drive on the basis of the direct converter of frequency (DCF), however "classical" DCF contains three complete sets of reversal three-phase bridges, that is three times it is more, than in the described circuit, that speaks about its indisputable advantages.

Литература

1. Быстров A.M., Шепелин В.Ф. Режимы коммутации тиристоров асинхронного вентильного каскада с двухзонным регулированием скорости // Электричество. - 1971. - № 7. - С. 31 - 42.

2. Патент России. Надсинхронный вентильный каскад / Л.Т. Магазинник, Г.Г. Магазинник. Опубл. 10.02.97, БИ № 4.

3. А.С. СССР № 1280688 Электропривод переменного тока / Г.Г. Магазинник. Опубл. 15.02.90, БИ № 6.

4. Каганов И.Л. Промышленная электроника. - М.: «Высшая школа», 1968.

5. Магазинник Л. Т., Магазинник Г.Г. Преобразователь частоты для тихоходных двигателей // Известия вузов. Электромеханика. - 1996. - № 1-2.

Поступила 20.10.2003