CC BY
66
УДК 62-83:621.313.3
О РАБОТЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА М.В. Кочегаров, А.К. Муконин, В.М. Питолин
Преобразователи частоты с нулевыми схемами автономных инверторов рассматриваются в виде совокупности регулируемых источников напряжения (РИН). Получены уравнения передаточной характеристики РИН с учетом пульсаций входного напряжения инвертора
Ключевые слова: частотный электропривод, преобразователь частоты
В частотно - регулируемых электроприводах малой и средней мощности широко используются преобразователи частоты (ПЧ), выполненные по схеме «неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения» (НВ-АИН). Для питания
трехфазных двигателей обычно применяется трехфазный мостовой АИН, реализованный на основе шести транзисторных ключей. В ряде случаев использование нулевых схем инверторов позволяет улучшить некоторые характеристики частотного электропривода, в частности уменьшить на треть количество транзисторных ключей в АИН [1].
Преобразователь частоты с нулевыми АИН можно представить в виде совокупности п регулируемых источников напряжения РИН1-РИНп с общим выводом ОВ, питающих электродвигатель М1 - рис.1. Сигналы задания напряжений и1 - и2 на входах РИН изменяют по синусоиде.
Рис. 1. Структурное представление ПЧ с нулевыми АИН
Каждый из РИН выполняется на основе однофазного нулевого АИН, принцип действия которого можно пояснить с помощью рис.2.
Автономный инвертор напряжения, содержащий ключи УТ1, УТ2 и диоды УБ1, УБ2, питается от источников напряжения ИН1, ИН2. Эти источники представлены выпрямителями В1, В2 и конденсаторами С1, С2.
Кочегаров Максим Викторович - ВГТУ, аспирант, e-mail: maximilliano@list.ru
Муконин Александр Константинович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-76-87
Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-78
Нагрузкой АИН является фаза двигателя li, последовательно включенная с измерителем тока ИТ. Мгновенные значения выпрямленных напряжений и тока нагрузки обозначены как
Udl, Ud2 и i'i.
Будем считать, что транзисторные ключи АИН управляются логическими сигналами Uyh Uy2. При логической «1» (наличии потенциала) транзистор открыт (включен), а при логическом нуле «0» (отсутствии потенциала) транзистор закрыт (выключен). Система управления
транзисторами может быть представлена широтно-импульсным модулятором ШИМ1 (рис. 2,в), выходные сигналы которого Uy1 и Uy2 поступают на управляющие входы ключей VT1, VT2. На вход блока ШИМ1 подается сигнал задания напряжения и*. Ключи VT1, VT2 коммутируются в противофазе, то есть когда один транзистор включен, другой выключен. К примеру, в интервале t1 - t2 (см. рис. 2,б) включен VT1, к нагрузке приложено напряжение ud1 и ток i'i увеличивается, замыкаясь по контуру ИН1, VT1, 1г-. В интервале t2 - t3 включен VT2, к нагрузке приложено напряжение ud2 и ток i'i спадает, протекая через VD2 и заряжая конденсатор С2.
Обычно в системах с ШИМ период
коммутации T=const и среднее значение напряжения нагрузки ui изменяют, регулируя тем самым коэффициент заполнения
t
g=T • (1)
Обозначим средние за период коммутации T значения выпрямленных напряжений как Ud1 и Ud2 - см. рис. 2,а. Так как частота коммутации транзисторных ключей составляет единицы кГц и выше, то в интервале коммутации
мгновенные значения выпрямленных
напряжений меняются мало и практически можно считать, что ud1 = Ud1 = const, ud2 = Ud2 = const. В этом случае среднее за период T напряжение нагрузки:
u = y(U,„-t — U„(T — t)). (2)
Среднее значение напряжения
последовательно соединенных источников
ИН1, ИН2 (см. рис.2,а) обозначено как Ш. Величина Ш = иё1 + Ш2.
Если считать, что Ш1 = Ш2 = Ш/2, то среднее напряжение нагрузки
Ш _ ч Ш
и = 2Т (Т ~Т) = Т(2Г_ 1).
(3)
В
и
Иу;
г: ,
-> і
-> і
в)
И,
ШИМ
иуі
■> иу2
Рис. 2. Структура и характеристики однофазного нулевого АИН
Для передаточной характеристики широтно-импульсного модулятора запишем
+1), если
Т ( И т = — (—1
2 и Шш,
т = T, еСЛи иг * > и опт ;
ґ\ * т = 0, если И < -и„™ ,
< и„
(4)
где иопт - некоторая положительная величина.
Исходя из (3), (4), получим уравнение передаточной характеристики РИН:
иі
иг
и.
и
< и.
и й /2, если иі > и 0Пт ; -П, /2, если и * < -и
(5)
где КП = иЛ /2Попт - коэффициент передачи РИН. График передаточной характеристики РИН, построенный по (5), приведен на рис. 2,г.
Если сигнал и* изменяется по синусоидальному закону (в пределах линейной части передаточной функции характеристики РИН), то и среднее за период коммутации Т напряжение нагрузки изменяется по синусоиде.
В
2
Т
*
Т
*
*
*
Уравнения (3), (5) справедливы при
неизменности и равенстве напряжений ие1 и и<32.
В реальности значения ие1 и ие2 меняются и зависят от напряжения сети, схемы выпрямления, свойств фильтра, мощности нагрузки. При неизменном напряжении сети из-за неидеальности сглаживания выпрямленного напряжения, величины ие1 и ий изменяются с частотой /П = тП /сети, где тП - число фаз выпрямления.
Подставив (4) в (2), для линейной части передаточной характеристики РИН получим:
иё1 +иё2 и1 1 иё1 ~иё21 * 1 иё1 -иё2 (6
и * I к тг'М : I ,
1 2 и 2 2
опт
где кП - коэффициент передачи РИН.
Значение коэффициента передачи определяется следующим образом:
Udi + Ud2 2U„
(7)
График передаточной характеристики представлен на рис. 3.
Неравенство напряжений ие1 и и<яй
приводит к несимметрии графика передаточной характеристики.
Существенным недостатком является наличие выходного напряжения и0 при нулевом сигнале задания и*:
и0 = (Ш,-Ш2)/2. (8)
Нулевое напряжение щ обеспечивается при щ = исм, где исм - сигнал смещения.
Величину исм можно определить,
приравняв к нулю иг- в формуле (6). Отсюда
ш 2 - ш 1 ш 2 - ш 1
2кг
Ud і + Ud 2
иопт,
Изменения
(9)
Ud2
Рис. 3. Г рафик передаточной характеристики РИН
напряжений иё1 являются возмущающими воздействиями для РИН. В преобразователях с мостовыми АИН график передаточной характеристики проходит через начало координат и колебания выпрямленного напряжения приводят к изменению коэффициента передачи, в схемах же с нулевыми АИН неравенство иё1 и иё2 приводит еще и к появлению напряжения смещения.
Для стабилизации коэффициента передачи в преобразователях с мостовыми АИН в ряде случаев используют обратную связь по выпрямленному напряжению. В схемах с нулевыми АИН необходимо измерять и учитывать два напряжения иё1 и иё2. Это можно отнести к недостаткам преобразователей с нулевыми инверторами напряжения.
В частотно-токовых электроприводах регулируемые источники напряжения охватываются обратными связями по выходным токам. В этом случае необходимость в измерении входных напряжений АИН отпадает.
Литература
1. Муконин А.К., Шиянов А.И. Частотные приводы с токовым управлением. - Воронеж: ВГТУ, 2006. - 142 с.
Воронежский государственный технический университет
ABOUT THE WORK OF THE FREQUENCY CONVERTER FOR ELECTRIC DRIVE M.V. Kochegarov, A.K. Mukonin, V.M. Pitolin
Frequency inverters with zero stand-alone inverter circuits are considered as a set of controlled voltage sources (RIN). The resulting equations RIN transfer characteristic in the light fluctuation of input voltage inverter are presented
Key word: frequency electric drive, frequency converter
*
u
