Електрозадвижвания
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2007
Задвижвания с асинхронни електродвигатели и честотно управление
Основен елемент на всяко електрозадвижване е електродвигателно устройство, предназначено да преобразува електрическата енергия в механична или механичната енергия в електрическа. Сред най-широко използваните електрически двигатели са асинхронните, както поради директното им захранване с мрежово напрежение, така и поради динамичните им характеристики, икономически изгодната им цена и елементарната, лесна за поддръжка конструкция.
Използват се два вида асинхронни двигатели - с фазен и с накъсо съединен ротор. По принцип пускането им се реализира посредством непосредствено включване към мрежата, захранване с намалено напрежение чрез включване на допълнителни резистори в ротора.
Важен елемент на всяко електрозадвижване е и преобразувателното устройство, което има за задача да преобразува тока, напрежението, честотата и да променя показателите на качеството на електрическата енергия. Широко се използват електрозадвижвания с асинхронни двигатели и честотно управление в т.нар. динамични приложения, характеризиращи се с честа промяна на натоварването във времето.
Преобразуватели на честота
Счита се, че регулиране на скоростта на асинхронните двигатели чрез изменение на честотата на захранващото напрежение е технически и икономически ефективно. Характерни за честотното регулиране са малки загуби в двигателя и ограничено хлъзгане на машината. Наред с това, например, асинхронните двигатели с накъсо съединен ротор са до два пъти по-леки и сравнително по-евтини от съответстващите им двигатели за постоянен ток. Именно по тези причини електрозадвижвания с асинхронни двигатели и честотно регулиране се използват за решаване на разнообразни инженерни задачи в различни приложни области.
Съвременните честотни преобразуватели се конструират основно на базата на тиристори. Две са базовите групи преобразуватели - с междинно звено за постоянен ток и с директна връзка с мрежата.
Преобразуватели с междинно звено
Тези преобразуватели съдържат междинно звено, което изправя променливото мрежово напрежение, след което постоянното напрежение се подава на автономен инвертор, преобразуващ го отново в променливо с регулируема честота. По този начин изходната честота се регулира в широк диапазон, включително под и над честотата на мрежата. Сред базовите елементи на честотните преобразуватели с междинно звено са: управляем изправител със система за управление, индуктивен или индуктивно-капацитивен филтър, автономен инвертор със система за управление и блок за регулиране.
Автономният инвертор работи с автономен товар, в който отсъства източник на електродвижещо напрежение, осигуряващо естествено изключване на тиристорите. Най-широко използвана е трифазната мостова схема. Прилагат се автономни инвертори на напрежение (АИН) и автономни инвертори на ток (АИТ).
АИН включва напълно управляеми вентили. Правоъгълната форма на напрежението върху товара с амплитуда, равна на напрежението на захранващия източник, се осигурява посредством периодично включване и изключване на двойките вентили. Верига за протичане на тока се осигурява от диоди, които са отпушени, когато токът и напрежението на товара имат противоположни знаци.
От своя страна, АИТ е възможно да обхваща елементи с непълна управляемост. Изключването на едната двойки тиристори при включване на другата се осигурява от кондензатор. Функция на кондензатора е и да осигури отрицателно напрежение към изключваните тиристори за времето, необходимо за възстановяване на характеристиките им за управление.
При използването на честотни преобразуватели е необходимо да се регулира и
големината на напрежението на изхода
Съществуват различни подходи, най-лесният и най-елементарен е чрез регулиране на постоянното напрежение на входа на инвертора. Като най-съвършен се приема широчинно-импулсният начин на регулиране. При него всеки силов тиристор се включва и изключва не еднократно, а многократно в продължение на един период. Приложим е само при инверторите на напрежение. Друг подход, характерен за инверторите на напрежение с индивидуална комутация, е изходното напрежение да се регулира посредством автономния инвертор при постоянно напрежение на входа му. В случай че инверторът се захранва от неуправляем източник на постоянно напрежение, е възможно използването на импулсен преобразувател на напрежение.
Преобразуватели с директна връзка с мрежата
За разлика от преобразувателите на честота с междинно звено, тези с директна връзка осигуряват напрежение с регулираема честота и амплитуда непосредствено от мрежовото напрежение без междинни преобразувания. Преобразувателите на честота с непосредствена връзка се характеризират с висок коефициент на полезно действие и ниска мощност на тиристорите. Сред предимствата им са възможност за получаване на ниски честоти при благоприятна форма на изходното напрежение. Други предимства са отсъствие на елементи за изкуствена комутация на тиристорите, което повишава сигурността на преобразувателя и намалява размерите му. Отличителна характеристика на тези преобразуватели на честота е и елементарно реализиране на режима рекуперативно спиране на двигателя.
Наред с предимствата им, недостатъци на преобразувателите с директна връзка с мрежата са ниският фактор на мощността, консумирана от мрежата, и ограничената максимална стойност на изходната честота - до 40% от честотата на захранващата мрежа.
Принципът на работа на честотен преобразувател с непосредствена връзка би могъл да се обясни с нулевата схема на реверсивен преобразувател за постоянен ток (фиг. 1). Когато е включена лявата група вентили, напрежението върху товара ще бъде положително спрямо нулата. Ако управляващите импулси се подадат към дясната група вентили, напрежението би било отрицателно. В случай че управляващите импулси се подават периодично на лявата и дясната група вентили, напрежението върху товара ще променя също периодично знака си - положително и отрицателно. Следователно, товарът се захранва с напрежение, имащо честота, различна от мрежовата, но по-ниска от нея. Големината на напрежението върху товара се регулира чрез изменение ъгъла на включване на вентилите, а честотата - посредством изменение на периодичността на управляващите импулси. Управлението на преобразувателите с директна връзка се базира на няколко принципа:
Съгласувано, несъгласувано и разделено правление
При съгласуваното управление на вентилите от едната група се подават управляващи импулси, съответстващи на изправителен режим. Едновременно, на вентилите от другата група се подават импулси, които съответстват на инверторен режим. Средната стойност на напрежението при изправителния режим е равна на средната стойност на напрежението при инверторен режим. Във времето, в което двете посоки - на напрежението и на тока, съвпадат, групата вентили, работещи в изправителен режим, пропуска тока. Когато знакът на напрежението се промени, токът продължава да протича в предишната потока и веригата се затваря през групата вентили, която работи в инверторен режим. След това, когато посоката на тока се промени отново, заработва групата с изправителен режим и т.н.
Сред предимствата на съгласуваното управление е автоматичното осъществяване на прехода от изправителен към инверторен режим и съответно от инверторен в изправителен режим при промяна посоката на тока. Моментните стойности на напреженията на вентилните групи са различни във вътрешния контур, а през товара протича уравнителен ток.
За разлика от съгласуваното, при несъгласуваното управление ъглите на управление на двете групи вентили са избрани така, че средната стойност на напрежението при инверторен режим е по-голяма от средната стойност на напрежението при изправителен режим.
При третия принцип на управление на преобразувателите с непосредствена връзка - разделеното управление, няма уравнителен ток. Управляващите импулси се подават само на групата вентили, които в дадения момент пропускат ток.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 6/2024
