Для приведения в движение рабочих органов различных механизмов преимущественно используются электрические двигатели. Электродвигатель, его система управления и передаточный механизм в совокупности составляют систему электропривода. В настоящее время электропривод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД с КЗР), является основным потребителем электроэнергии.
Наиболее эффективным способом регулирования АД с КЗР является частотный способ регулирования, изменением амплитуды и частоты, подводимого к статору напряжения. Создание силовых полупроводниковых приборов дало возможность построения компактных преобразователей энергии, в том числе и преобразователей частоты [19]. На современном этапе управление такими преобразователями осуществляется цифровыми микропроцессорными устройствами, входящими в их состав. Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (см. рис. 2.54).
Рис. 2.54. Принципиальная схема частотно регулируемого электропривода: ПЧ – преобразователь частоты; ИО – исполнительный орган; ЧРП – частотно регулируемый электропривод
Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма. Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой. Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.
Частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания
, (2.1)
где 
– частота напряжения питания, В; 
– число пар полюсов.
На зависимости (2.1) и основан метод частотного регулирования. Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.
 |
В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.
При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется зависимостью
, (2.2) где 
- постоянный коэффициент.
Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const. В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f 2 = const.
Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».
Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 2.55).
Рис. 2.55. ЧРП с явно выраженным звеном постоянного тока
В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.
Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.
В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.
Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.
Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).
До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.
Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах. Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 2.56. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.
Переменное напряжение питающей сети (U вх.) с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (U выпр.) используетсяфильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.
С выхода фильтра постоянное напряжение U d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).
Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рис. 2.56 изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения (АИН) как получившая наибольшее распространение.
 |
Рис. 2.56. Структура низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах: 1 – управляемый или неуправляемый выпрямитель; 2 – фильтр; 3 – автономный импульсный инвертор; 4 – фильтр
В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения U d в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение U и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, приклады-
ваемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.
При высокой несущей частоте ШИМ (2-15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.
В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения U и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения U d, а изменение частоты – режимом работы инвертора.
При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует).
Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (U вых = var, f вых = var).
