Инверторы и преобразователи частоты

Инверторы служат для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока требуемой частоты.

В качестве переключающих приборов в сильноточных инверторах применяют тиристоры. В цепях с относительно небольшими значениями протекающих токов могут использоваться мощные полевые или биполярные транзисторы.

На рис. 2.34, а приведена структурная схема преобразователя частоты с использованием инвертора для питания трехфазной нагрузки, соединенной звездой, переменным трехфазным напряжением с регулировкой его значения U и частоты f. В качестве силовых переключающих приборов применены мощные биполярные транзисторы.

Напряжение с частотой промышленной сети Uc преобразуется сначала управляемым выпрямителем (В) с фильтром (Ф) в напряжение постоянного тока U_ требуемого значения. Затем это напряжение поступает на инвертор (И) (рис. 2.34, б), состоящий из шести транзисторов VT1-VT6, пронумерованных в порядке последовательности их включения, показанной на рис. 2.34, в. Каждый транзистор открывается на время ?, равное длительности одного полупериода Т/2 требуемого переменного напряжения.

На рис. 2.34, г приведено ступенчатое напряжение, формируемое на фазе А нагрузки, а на рис. 2.35 пояснен процесс его формирования.

На схемах рис. 2.35 в виде замкнутых ключей изображены лишь открытые транзисторы для шести последовательных состояний инвертора, соответствующих временным диаграммам рис. 2.34, в. Из анализа этих схем очевидно, что, когда фаза А включена параллельно В или С, на ней выделяется одна треть напряжения U=, а когда фаза А оказывается включенной последовательно с параллельно соединенными фазами В и С, на ней выделяется две трети напряжения U=.

Рис. 2.34. Преобразователь частоты на базе инвертора:

а — структурная схема; б — схема инвертора; в — временная диаграмма; г — график выходного напряжения При этом в первых трех состояниях напряжение на фазе А соответствует положительному, а в последних двух — отрицательному полупериоду приложенного к ней напряжения переменного тока ступенчатой формы.

Рис. 2.35. Процесс формирования выходного напряжения преобразователя частоты.

Рассуждая подобным образом, можно убедиться, что к фазам В и С будет приложено такое же, как к фазе А, напряжение, но сдвинутое соответственно на одну треть и две трети периода Г, образуя трехфазную систему напряжений.

Изменяя с помощью схемы управления длительность а открытого состояния транзистора, можно в широких пределах регулировать частоту формируемого трехфазного напряжения, поэтому такие инверторы применяют для плавного регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Тиристорное управление двигателем постоянного тока

В приводах главного движения и подачи инструмента металлорежущих станков широко используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, которые способны обеспечивать регулирование скорости вращения в широких пределах. Такой двигатель (рис. 2.36, а) состоит из статора, на полюсах которого намотаны обмотки возбуждения (ОН), и ротора, называемого якорем.

Ток возбуждения IВ, проходя по ОВ под действием напряжения U?, создает магнитный поток Ф. К якорю через щетки подводится напряжение якоря Uя, создающее ток якоря IЯ. Протекая по виткам обмотки якоря, ток Iя, взаимодействуя с потоком Ф, создает вращающий момент Мвр

где К — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя (размеров, числа витков обмоток и т. п.).

Рис. 2.36. Схема подключения двигателя постоянного тока (а) и график, поясняющий принципы управления скоростью вращения двигателя (б)

При вращении двигателя в обмотке якоря наводится ЭДС Ея, направленная согласно правилу Ленца встречно приложенному напряжению Uя и пропорциональная числу оборотов вала двигателя п:

где с — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.

Для цепи якоря при равномерном вращении вала по второму закону Кирхгофа можно записать равенство:

где Rя — активное сопротивление обмотки якоря, включая сопротивление контакта щетки — коллектор (в двигателях коллектором называют набор контактных площадок, через которые с щеток подается напряжение в обмотку вращающегося якоря).

Подставив в это равенство выражение Ея и значение тока Iя, полученное из выражения для вращающего момента, получим:

откуда число оборотов двигателя равно:

Из полученной формулы очевидны два способа (две зоны) управления скоростью вращения двигателя (рис. 2.36, в). В зоне I скорость изменяют от 0 до номинального значения nном, увеличивая напряжение UB при неизменном значении магнитного потока Ф, а значит, и неизменном напряжении возбуждения UB. При достижении напряжением Ua номинального значения дальнейшее его увеличение невозможно, так как может привести к пробою изоляции. В то же время для быстрого перемещения, например, инструмента на холостом ходу или ускоренного вращения шпинделя необходимо увеличить скорость вращения двигателя в 3−5 раз выше nиом. Для этого используют зону II, в которой при неизменном напряжении Uя. ном уменьшают значение магнитного потока Ф с помощью соответствующего понижения Ua, а значит, и тока возбуждения IВ. Заметим, однако, что в зоне II приходится мириться с соответствующим понижением и вращающего момента двигателя, т. е. нагружать двигатель меньшим моментом сопротивления, который он должен преодолевать своим вращающим моментом. Действительно, как это следует из формулы для Мвр, при уменьшении потока Ф вращающий момент снижается, а скомпенсировать его увеличением тока Iя нельзя, так как это приведет к перегреву двигателя.

В выпускаемых промышленностью тиристорных преобразователях регулирование скорости вращения в зоне I осуществляется применением двух управляемых мощных (до нескольких десятков киловатт) трехфазных выпрямителей (на рис. 2.37 они обведены пунктиром).

Рис. 2.37. Схема тиристорного регулятора скорости вращения двигателя.

Один из трехфазных выпрямителей обеспечивает правое направление вращения двигателя, а другой — левое, изменяя полярность Uя на противоположную. Естественно, что эти выпрямители должны работать раздельно во избежание короткого замыкания между ними, что и обеспечивает схема управления выпрямителями, разрешая включение одного из них лишь через несколько миллисекунд после отключения другого. Схемы управления тиристорами выполнены по принципу, рассмотренному в параграфе 2.9 и на рис. 2.33 .

Для управления скоростью вращения в зоне II используется однофазная мостовая схема тиристорного выпрямителя, обеспечивающая питание ОВ. Схема позволяет лишь уменьшать значение тока возбуждения Iв, сохраняя его полярность. Схема управления тиристорами мостовой схемы также выполнена по принципу, рассмотренному в параграфе 2.9 и на рис. 2.33.