Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения и неуправляемым выпрямителем

В преобразователе частоты с неуправляемым выпрямителем напряжение на входе инвертора не меняется, и регулирование выходного напряжения осуществляется либо методом широтно-импульсного регулирования, либо методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Широтно-импульсная модуляция: стала широко применяться в преобразователях частоты с начала 90-х годов, когда ведущие фирмы-производители мощных полупроводниковых приборов стали выпускать биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Для больших токов используются параллельное соединение транзисторов или гибридные модули с максимальным током порядка сотен ампер. К достоинствам IGBT относятся также: высокая допускаемая плотность тока; управление напряжением; практически прямоугольная область безопасной работы, исключающая необходимость формирования траектории переключения, низкие потери в импульсном режиме.

Перечисленные качества обусловили практически исключительное применение IGBT в современных преобразователях с ШИМ.

Принцип широтно-импульсной модуляции проще всего пояснить на примере однофазного инвертора [6]. Его схема, на которой электронные ключи изображены в виде контактов, показана на рисунке 2.11 (а), а процесс формирования переменного напряжения и на выходе - на рисунке 2.11 (б). Входной гармонический сигнал u ^* в блоке ШИМ сравнивается с пилообразным опорным напряжением u_оп.

Алгоритм переключения прост:

- если и^* ≥ u_оп, то замкнуты ключи 1, 2 и и = U_d;

- если и^* ≤ u_оп, то замкнуты ключи 3, 4 и и = - U_d.

Очевидно, что основная гармоника выходного напряжения повторяет входной сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты выходного напряжения. Изменение амплитуды входного сигнала при данной частоте будет приводить к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе, т.е. к изменению амплитуды его основной гармоники. На рисунке 2.11 (б) показан случай, когда частоты опорного напряжения и входного сигнала кратны.

а) б)

Рисунок 3.11

При той же частоте опорного напряжения и другой частоте сигнала в выходном напряжении и токе могут возникать низкочастотные биения. Чем выше частота опорного напряжения, а, следовательно, и частота коммутации ключей, тем менее заметен этот эффект, тем ближе к синусоиде форма тока в нагрузке, содержащей индуктивность. Современная элементная база позволяет строить ШИМ с частотой коммутации порядка единиц и десятков килогерц, благодаря чему ток в двигателе, питающемся от инвертора с ШИМ, практически синусоидален.

Структура преобразователя с автономным инвертором напряжения и широтно-импульсной модуляцией показана на рисунке 2.12. Гармонические сигналы , и рассчиты­ваются в блоке формирования синусоидальных сигналов по заданным частоте и напряжению . В блоке ШИМ по заданному алгоритму производится выработка управляющих сигналов на электронные ключи 1 - 6.

Рисунок 3.12

Применяемый в инверторе транзистор обычно называют, используя именно аббревиатуру IGBT – от английского Insulated Gate Bipolar Transistor [7]. IGBT – гибридный полупроводниковый прибор. В IGBT совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (управление электрическим полем), а второй – для биполярных (управление инжекцией носителей электричества).Ранее предпринимались попытки (и довольно успешные) механического объединения структур полевого и биполярного транзистора в одной полупроводниковой пластине. В результате были созданы так называемые комбинированные транзисторы. Но только органическое объединение этих структур, реализованное в IGBT, дало действительно значительный эффект. Основой при создании IGBT послужил силовой МДП -транзистор. Также обратим внимание на то, что для обозначения электродов IGBT принято использовать термины «эмиттер», «коллектор» и «затвор». Структура IGBT представлена на рисунке 2.13.а. Условное графическое изображение IGBT представлено на рисунке 2.13.б.Эквивалентная схема замещения IGBT представлена на рисунке 2.14 (а), а его схема включения на рисунке 2.14 (б).

Эмиттер Затвор

п

р Канал

п

р

Коллектор

Рисунок 3.13.а

Рисунок 3.13.б

а) б)

Рисунок 3.14

Выбор полупроводникового прибора

При выборе полупроводникового прибора часто приходится учитывать большое число факторов. Из технических факторов обычно наиболее важными являются значения:

- коммутирующих токов;

- коммутирующих напряжений;

- выходной мощности разрабатываемого устройства;

- частоты коммутации.

Рассмотрим управляемые силовые полупроводниковые приборы, которые наиболее широко применяются в настоящее время:

МДП-транзистор имеет наилучшие динамические свойства. Он обладает неоспоримыми преимуществами при повышенной (более 100кГц) частоте коммутации. Также преимуществами являются Высокая теплостойкость и простота формирования сигналов управления;

IGBT - транзистор обладает хорошими динамическими свойствами (частота коммутации до 100 кГц). Высоковольтный IGBT имеет меньшее напряжение в открытом состоянии в сравнении с соответствующим МДП – транзистором. IGBT обладает высокой теплостойкостью. Для него несложно сформировать управляющие сигналы;

Биполярный транзистор характеризуется малым напряжением в открытом состоянии. Однако его динамические свойства невысоки;

SIT – транзистор в некоторых случаях имеет меньшее напряжение в открытом состоянии в сравнении даже с биполярным транзистором;

Тиристор способен коммутировать очень большие токи и напряжения, однако он может использоваться при достаточно низкой частоте коммутации.

Выпускаемые промышленностью отдельные конкретные типы всех перечисленных выше транзисторов и тиристоров имеют высокие значения максимально допустимых напряжений и максимально допустимых токов.

Вывод

Проанализировав существующие системы регулирования, для дальнейшего проектирования выбираем систему регулируемого электропривода преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ - АД). Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя осуществляется путём изменения частоты питающей сети. Основными достоинствами данной системы регулируемого электропривода являются:

- высокая точность, необходимая для реализации технологических процессов;

- плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать в широком диапазоне;

- высока надежность и безопасность функционирования;

- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных.

В основу управления преобразователя частоты положен закон при «вентиляторной» нагрузке (М_с=Kω _w²) - U/f²=const.

Преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ - АД) построен по системе преобразователь частоты (ПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока, регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Автономный инвертор напряжения (АИН) построен на IGBT - транзисторах