Электрический двигатель нуждается в преобразователях частоты

Применение преобразователей энергии в электроприводе обусловлено в основном необходимостью регулирования скорости вращения электродвигателей. У большинства первичных источников электроэнергии (промышленная и бытовая сети переменного тока, контактная сеть электротранспорта, аккумулятор) уровень выходного напряжения и его частота являются неизменными. Изменение скорости вращения двигателя постоянного тока обычно производится путем изменения уровня напряжения, подаваемого на обмотку якоря.

Для этого между двигателем и питающей сетью включают специальный преобразователь электрической энергии – управляемый выпрямитель. При использовании двигателей переменного тока с той же целью применяют преобразователи частоты (ПЧ, частотные преобразователи, «частотники»). Именно такие преобразователи частоты в последние годы развивались наиболее динамично и фактически преобразили лицо современного электропривода.

Большинство современных преобразователей частоты имеют два каскада преобразования энергии и состоят из выпрямителя, сглаживающего фильтра и инвертора. Выпрямитель преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока, фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения выпрямителя, а инвертор осуществляет обратное преобразование, превращая энергию постоянного тока в энергию переменного тока, но с регулируемыми уровнем напряжения и его частотой.

Выпрямитель

В большинстве случаев выпрямитель питается от трехфазной сети переменного тока, но мы рассмотрим принцип его действия на примере однофазного выпрямителя, применяемого в маломощных преобразователях частоты.

Выпрямитель состоит из 4 диодов VD1…VD4. Напряжение источника питания U1 знакопеременное синусоидальное, изменяющееся с частотой f1=50 Гц. Для открывания диода необходимо, чтобы к его аноду (нижняя клемма диода на рис. 2) был приложен положительный потенциал, а к катоду (верхняя клемма) – отрицательный. Поэтому, когда питающее напряжение положительно, могут открыться только диоды VD1 и VD4.

Если бы конденсаторный фильтр С отсутствовал, ток в течение половины периода Т1 протекал бы от положительного полюса источника U1 через диод VD1, инвертор, диод VD4 к отрицательному полюсу источника. При этом на выход выпрямителя через открытые диоды подавалось бы напряжение, численно равное Ud=U1 (на выходной клемме D1 выпрямителя присутствует положительный потенциал, на клемме D2 – отрицательный). На второй половине периода, когда полярность напряжения питания отрицательна, открываются диоды VD2 и VD3. На выход выпрямителя через них поступает входное напряжение, но с противоположным знаком. Благодаря этому, несмотря на изменение знака напряжения питания, полярность напряжения на клеммах D1 и D2 не изменяется, а форма его в функции времени имеет вид выпрямленной синусоиды.

Если учесть наличие на выходе выпрямителя конденсаторного фильтра С, характер процессов будет несколько иным. Конденсатор заряжен от выпрямителя с полярностью. Пока напряжение на конденсаторе меньше напряжения сети U1, на протяжении времени τ1 идет дозаряд конденсатора через какую-либо пару диодов (в зависимости от полярности U1). Как только напряжение на конденсаторе достигнет уровня напряжения сети, диоды закрываются, а конденсатор разряжается на инвертор (интервал времени τ2). Наличие конденсатора уменьшает пульсации выпрямленного напряжения и увеличивает его среднее значение. Это благоприятно сказывается на работе инвертора.

Инвертор

К обмоткам электродвигателя переменного тока должно подаваться знакопеременное напряжение со средним за полпериода значением, равным нулю. Чаще всего применяются трехфазные двигатели, имеющие три обмотки статора. Поэтому и инвертор должен быть трехфазным и преобразовывать знакопостоянное входное напряжение в три знакопеременных выходных. Мы, однако, рассмотрим более простой однофазный инвертор, на выходе которого формируется только одно знакопеременное напряжение.

К входным клеммам D1 и D2 подано постоянное напряжение Ud с выхода выпрямителя. Управляемые полупроводниковые ключи Sw1…Sw4 (обычно транзисторные или тиристорные) замыкаются попарно поочередно (Sw1 с Sw4 или Sw2 с Sw3). Каждая пара ключей подключает выходные клеммы инвертора М1 и М2 к выходу выпрямителя с той или иной полярностью. Благодаря этому на выходе инвертора формируется знакопеременное напряжение U2, хотя на входе напряжение знака не меняет. Поскольку длительности работы пар ключей одинаковы, положительные полупериоды идентичны отрицательным, а среднее за период Т2 напряжение равно нулю. Таким образом, инвертор выполняет функцию своеобразного переключателя. Изменяя одновременно длительности работы ключей, можно получить на выходе инвертора напряжение другой частоты.

Обычно для двигателей переменного тока требуется одновременное изменение частоты и уровня напряжения питания. Эту задачу может выполнить тот же инвертор, если на каждом полупериоде выходного напряжения ввести паузы. Пока включены ключи Sw1, Sw3 или Sw2, Sw4, выходные клеммы М1 и М2 инвертора замкнуты через них накоротко и его выходное напряжение U2=0. Меняя длительность пауз τ, можно изменять среднее за полупериод выходное напряжение. В реальных инверторах подобных пауз намного больше, а их длительность меняется на протяжении полупериода по синусоидальному закону (так называемая широтно-импульсная модуляция).

Новости: