Устройство преобразователей частоты асинхронных электродвигателей
Из всех известных способов регулирования частоты вращения асинхронных короткозамкнутых электродвигателей наилучшими показателями обладает частотный способ. При его использовании обеспечиваются высокая жесткость механических характеристик при разных частотах вращения, незначительные потери мощности при изменении уровня частоты вращения и плавность регулирования.
Из всех известных способов регулирования частоты вращения асинхронных короткозамкнутых электродвигателей наилучшими показателями обладает частотный способ. При его использовании обеспечиваются высокая жесткость механических характеристик при разных частотах вращения, незначительные потери мощности при изменении уровня частоты вращения и плавность регулирования.
Реализация частотного способа регулирования возможна при использовании системы асинхронного электропривода, состоящей из асинхронного двигателя и преобразователя частоты. От преобразователя частоты можно питать электродвигатель одного механизма, например сепаратора, центрифуги, шлифовального станка и т. д. В этом случае можно производить индивидуальное регулирование скорости одного механизма. При групповом принципе производится одновременное изменение скорости нескольких асинхронных двигателей, приводящих в движение, например, группу сепараторов, размещенных в одном цехе, или группу текстильных машин, конвейеров, рольгангов. В последнем случае питание двигателей осуществляется не от общей сети, а от преобразователей частоты ПЧ. Преобразователи частоты могут располагаться индивидуально на каждой машине или в специальном помещении.
Широко применяемые в частотных приводах различных механизмов электромашинные преобразователи имеют ряд общих недостатков, основными из которых являются большая масса и габариты, значительная инерционность, связанная с необходимостью изменения скорости преобразовательного агрегата при изменении выходной частоты. Наличие подшипниковых токов у этих агрегатов сокращает срок службы их подшипников, механические и вентиляционные потери снижают к.п.д., они имеют значительный уровень шумов и амплитуд вибрации при работе. Электромашинные преобразователи нуждаются в профилактических осмотрах, для них необходима смазка подшипниковых узлов и т. д. Эти недостатки приводят к необходимости использования статических полупроводниковых преобразователей частоты, в частности транзисторных и тиристорных, позволяющих повысить к.п.д. электропривода, его быстродействие и существенно уменьшить габариты.
Тиристорные преобразователи частоты в настоящее время характеризуются довольно сложным схемным исполнением и высокой стоимостью. Поэтому во многих случаях целесообразно применение транзисторных преобразователей частоты с параллельным соединением силовых полупроводниковых триодов.
Из многочисленных принципиальных схемных решений надежен, сравнительно прост и недорог инвертор на транзисторах, представляющий собой трехфазный мост, транзисторы которого управляются с помощью кольцевой пересчетной схемы, синхронизированной задающим генератором. Такое построение инвертора было положено в основу схемы трехфазного статического преобразователя частоты на полупроводниковых приборах.
Вредное влияние на работу преобразователя оказывают сквозные токи. При работе инвертора в любой отрезок времени верхняя группа параллельно включенных транзисторов должна быть открыта (заперта) при запертой (открытой) нижней группе. Если в базовые цепи групп транзисторов одновременно приходят сигналы, например, на открывание верхней группы и запирание нижней, то верхняя группа откроется сразу, а нижняя в течение некоторого времени будет открыта, несмотря, на поступление сигнала на запирание, вследствие инерционных свойств плоскостных транзисторов. В результате источник э.д.с. может оказаться закороченным.
Последовательное включение обмоток позволяет устранить появление «сквозных» токов в преобразователе (запертый транзистор остается запертым до выхода открытого транзистора из насыщения), а также значительно снизить динамические потери за счет увеличения амплитуды запирающего напряжения (так называемое форсированное запирание).
Трехфазные статические преобразователи содержат регулируемые резисторы, с помощью которых можно изменять частоту в пределах 300—500 Гц при постоянстве амплитуды выходного напряжения. Поскольку преобразование переменного напряжения одного значения в переменное напряжение другого при помощи трансформаторов мощностью до 6 кВ-А происходит с потерями 3—8% и столь же незначительны потери в схеме выпрямителя, собранного на полупроводниковых диодах, основное значение при расчете приобретает определение потерь мощности в транзисторах схемы при работе инвертора в режиме переключений.
Энергия, потребляемая от источника, частично теряется как в пассивных элементах схемы, так и в транзисторах устройства.
Уровень потерь с одной стороны, ограничивает коэффициент усиления усилителя по мощности и коэффициент использования транзисторов в нем, а с другой — определяет надежность, так как потери в транзисторах непосредственно влияют на температуру переходов.
Для установления расчетных соотношений необходимо проанализировать динамические потери в практической схеме преобразователя.
Время запирания транзистора при переходе его в насыщенное состояние складывается из двух интервалов. В течение первого интервала неосновные носители из базовой области продолжают двигаться в коллектор, в результате чего коллекторный ток не изменяется, несмотря на подачу сигнала на запирание. Этот процесс продолжается до тех пор, пока транзистор не окажется в граничном режиме. С этого момента начинается второй интервал, в течение которого коллекторный ток спадает до нуля и транзистор полностью запирается.
Выше отмечалась целесообразность форсированного запирания транзисторов, обеспечивающего минимум динамических потерь и сокращающего время запирания.
В разработанной схеме эффект форсированного запирания транзистора с предварительным выводом его из насыщенного состояния достигается с помощью соединения обмоток трансформаторов, управляющих транзисторами. Особенность соединения состоит в том, что обмотка включена встречно.