CC BY
53
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И СЕТЕВОЙ КОММУТАЦИЕЙ ИНВЕРТОРА
Л. Т. МАГАЗИННИК
Ульяновский государственный технический университет
Рассмотрены коммутационные процессы в преобразователе частоты со звеном постоянного тока, но со свойствами непосредственного преобразователя частоты.
Выполнен расчет коммутирующих устройств для случая, когда в качестве нагрузки используются асинхронные короткозамкнутые двигатели серии «4А».
Показано, что применение описанного преобразователя частоты позволит существенно упростить силовую схему и систему управления.
Регулируемые преобразователи частоты, как непосредственные (НПЧ), так и со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (ПЧ с АИН) или тока (ПЧ с АИТ), получили широчайшее распространение в электроприводе и электротехнологии.
В [1-4] предложен ПЧ, силовая схема которого практически идентична трехфазной мостовой схеме ПЧ с АИТ (рис.1), но, как и в НПЧ, коммутация тиристоров инвертора - сетевая (естественная), и есть двухсторонняя связь между нагрузкой и сетью, то есть возможен режим рекуперации энергии в сеть, а частотный диапазон примерно такой же, как и в «классическом» НПЧ.
Таким образом, очевидные преимущества предлагаемого ПЧ заключаются в простоте его силовой схемы: два тиристорных моста вместо шести в «классическом» НПЧ аналогичной пульсности.
Однако очевидны и недостатки: как у всех ПЧ со звеном постоянного тока, имеет место двойное преобразование энергии (что, учитывая малые потери в тиристорах, не столь существенно), а главное - в цепь питания выпрямителя вводятся три однофазных насыщающихся трансформатора (рис.1).
Рис. 1. Преобразователь частоты: 1-выпрямитель; 2 - инвертор;
3 - коммутирующие трансформаторы; 4 - сглаживающий дроссель; 5 - нагрузка
© Л. Т. Магазинник
Проблемы энергетики, 2005, № 7-8
Следовательно, решение вопроса о конкурентности ПЧ рис.1, по сравнению с обычным НПЧ, возможно лишь с учетом основных параметров упомянутых коммутирующих трансформаторов, рассчитанных для конкретных нагрузок.
В статье описаны коммутационные процессы в ПЧ со звеном постоянного тока и сетевой коммутацией, изложена методика расчета основных параметров коммутирующих трансформаторов и определены эти параметры применительно к использованию в качестве нагрузки асинхронных короткозамкнутых двигателей серии «4А», 380 В. При анализе коммутационных процессов в схеме рис.1 приняты следующие допущения:
1. Индуктивность дросселя в цепи выпрямленного тока ^ х , а значит и ток в межкоммутационном интервале неизменен.
2. Коммутирующие трансформаторы имеют сердечники с «идеальной» прямоугольной петлей гистерезиса.
С учетом перечисленных допущений на рис.2 приведены упрощенные диаграммы напряжений и токов при различных выходных частотах ПЧ.
Рис. 2 Преобразователь частоты ик - коммутирующее напряжение (я=0); 1а1 - ток фазы нагрузки при /2 = /1;
1а2 - ток фазы нагрузки при /2 = /1 : 3; ¿а3 - ток фазы нагрузки при /2 = /1 : 5.
Для большей простоты и наглядности упомянутые диаграммы выполнены с неизменными углами запаздывания включения выпрямителя а = 0. В реальной ситуации а ^ 0 только при частоте /2 инвертора, равной частоте /1 сети. С уменьшением /2 соответственно увеличивается угол а с соблюдением известного соотношения
(и: /2 ) соп«1,
(1)
где и - напряжение на нагрузке.
Коммутация осуществляется следующим образом. Пусть на интервале, предшествующим моменту ^1 (рис.2), ток проходил по двум фазам сети и двум соответствующим фазам нагрузки, например фазам «С» и «В». В момент ^1 подается отпирающий импульс на тиристор фазы «А» выпрямителя и
соответствующий тиристор фазы «а» инвертора. В этот момент коммутирующий трансформатор фазы «С» насыщен, напряжение на его обмотках Wi и W2 равно нулю, поэтому при отпирании тиристора «А» линейное напряжение сети прикладывается к первичной обмотке Wi этой фазы и трансформируется с понижающим коэффициентом трансформации Ктр = Wi : W2, причем этот
коэффициент должен быть выбран из условия
Ктр > i + , (2)
-'ном
где /ном - номинальный ток нагрузки; - ток намагничивания трансформатора
(иначе результирующий поток двух обмоток будет равен нулю).
Под действием коммутирующего напряжения —к ток переходит из фазы «С» в фазу «А» выпрямителя и одновременно из фазы «с» в фазу «а» инвертора. Когда коммутация тока в инверторе закончится, ток в фазе «А» выпрямителя станет равным
V + — , (3)
— тр
где / - текущее значение тока нагрузки (фазы «а»), и будет оставаться неизменным до момента насыщения сердечника трансформатора фазы «А».
После насыщения магнитная связь между обмотками Wi и W2 практически «рвется» и коммутация в выпрямителе заканчивается: оставшийся ток фазы «С» убывает до нуля и тиристор этой фазы запирается, а ток в фазе «А» возрастает до величины тока нагрузки плюс ток намагничивания г'ц0.
Таким образом, коммутирующие трансформаторы должны быть
рассчитаны на время насыщения большее, чем время коммутации инвертора при
максимальной нагрузке.
В электрических градусах указанный временной интервал, то есть угол коммутации у, определяется из известного трансцендентного уравнения [5]
/ = —к [cosa - cos(a + у)], (4)
X i
где / - ток нагрузки; X2 - суммарный реактанс контура коммутации; Uk -амплитуда коммутирующего напряжения
—к = —гм (5)
К
IV тр
(илм - амплитуда линейного напряжения питающей сети).
Важнейший параметр коммутирующих трансформаторов - произведение сечения сердечника З на число витков первичной обмотки Щ - можно оценить по отношению интегралов
а+у
1 У
(SW1) » 18ІП^ • йм>Ь, (6)
| «ІП^Ґ • йм>і а
0
где (SWl) - относительное значение вольт-секундного интеграла на
коммутирующем трансформаторе по отношению к вольтсекундному интегралу сетевого напряжения за один полупериод.
При заданном токе нагрузки приращение магнитного потока йФ за время
коммутации постоянно и не зависит от а , что позволяет определить (SWl) для любого частного значения а .
Действительно, при а = 0 выражение (6) с учетом (4) дает
агеео«(1—А)
А
* 1 с А
(SWl) = — Г 8Іп^ • dwt = —, (7)
2 •' 2
* о *
а при а = я/2
;1Г'еео«\' 1-А2
1ИІ сси» V »
« А
(SW1) =- Г • dwt = —, (8)
і » 1
2 2
п/2
где А = (/„ • Кт • 2Хй • Ктр)'.илм (9)
(/н - номинальный ток нагрузки; Кт - коэффициент перегрузки по току; Ха -суммарный реактанс одной фазы в контуре коммутации).
Реактансом рассеяния коммутирующего трансформатора можно пренебречь, так как он значительно меньше реактансов фаз двигателей
(нагрузки).
В этом случае при известном реактансе нагрузки выражения (8) и (9) позволяют легко рассчитать вольтсекундный интеграл () .
Например, для асинхронных короткозамкнутых двигателей серии «4А», 380 В во всем диапазоне мощностей до 315 кВт расчеты дают следующие результаты:
(2,3 • Кт) % < ) < (5 • Кт ). % (10)
- для двигателей с синхронными частотами вращения 3000, 1500 и 1000 об/мин и
(4,7 • Кт) % < ) < (6,3 • Кт) % (11)
- для двигателей с п0 = 750 об/мин.
Выражения (10) и (11) получены для Ктр = 1,2, то есть для г* = 20%/ном.
В реальной ситуации г* << 20% /ном, поэтому коэффициент трансформации может быть уменьшен, например, до Ктр = 1,1 и, соответственно, уменьшится ()* в выражения (10) и (11).
Относительная (реактивная) мощность коммутирующих трансформаторов может быть определена как энергия коммутации в единицу времени, отнесенная к мощности установки. Учитывая, что при заданном токе нагрузки / энергия единичной коммутации равна Ь/2/2, где Ь = Х:м> - индуктивность фазы в контуре коммутации; / < /ном по условиям нагрева, число фаз равно трем, а при /1 = /2 = 50 Гц за Т = 0,01 с в фазе совершается коммутация, реактивная мощность коммутирующих трансформаторов
2* = 3/»»м •Х •п , (12)
Т • w • Р
л гу х ном
где Рном - номинальная мощность нагрузки (двигателя); п - КПД; w = 314; Х -фазный реактанс в контуре коммутации.
Расчеты по выражению (12) дают следующие результаты:
2% < 2* < 2,65% - в группе двигателей 3000, 1500 и 1000 об/мин,
2,8% < 2* < 4,15% - в группе 750 об/мин.
Сопоставление результатов расчета относительной мощности коммутирующих трансформаторов и вольтсекундного интеграла (3^1)* позволяют заключить, что последний является определяющим, то есть «установленная мощность» коммутирующих трансформаторов в рассмотренном случае не превышает 5 % мощности установки в целом - при номинальных нагрузках и 10 % - при возможных двукратных перегрузках.
В «классическом» бестрансформаторном НПЧ между сетью и преобразователем устанавливаются токоограничивающие реакторы (воздушные или с сердечником). В исследуемом ПЧ роль токоограничивающих реакторов могут выполнять коммутирующие трансформаторы, вполне соизмеримые с реакторами по массогабаритным показателям. В то же время, как упомянуто выше, число силовых тиристоров в описанном ПЧ втрое меньше. Следовательно, проще конструкция ПЧ и его система управления (меньше каналов управления). Установка в целом получается значительно компактнее, чем обычный НПЧ, и ее применение для низковольтных асинхронных двигателей «4А» представляется оправданным, особенно для приводов, работающих в старт-стопном режиме, в режиме переменных частот вращения, сопровождающихся «подтормаживанием» при переходе на меньшую частоту вращения, то есть в тех случаях, когда режим рекуперативного торможения занимает существенную часть времени в рабочем цикле привода (трудности реализации режима рекуперации в ПЧ с автономными инверторами общеизвестны).
Заметим, что, как и в известных НПЧ, на низких частотах может быть осуществлена модуляция угла запаздывания включения а с целью получения квазисинусоидального тока в обмотках двигателя.
Применение ПЧ с описанным способом коммутации инвертора может оказаться весьма эффективным и, например, в надсинхронном вентильном
каскаде, где коммутирующие трансформаторы используются лишь в окрестности перехода через синхронную частоту вращения двигателя [1], а также в синхронных частотно-регулируемых электроприводах (вентильных двигателях) -для разгона до частоты вращения n ~ (10-15) % n0, когда уже возможна коммутация за счет ЭДС самого двигателя, однако данная рекомендация требует как схемных проработок, так и дальнейшего количественного анализа, выходящих за рамки данной журнальной статьи.
Summary
There is considered commutation processes in the transformer of the frequency with the unit of the constant current, but with the characteristics of the direct transformer of the frequency.
The calculation of commutation devices for the case when as a load is used asynchronous short-circuited engine model “4A” is made.
It is declared that application this device will allow substantially simplify power-scheme and the control-system.
Литература
1. Надсинхронный вентильный каскад: пат. № 2073309 Рос. Федерация/ Л.Т. Магазинник, Г.Г. Магазинник.- Опубл. 10.02.97, Бюл. № 4.
2. Электропривод переменного тока: а.с. № 1280688 СССР/ Г.Г.
Магазинник - Опубл. 15.02.90, Бюл. № 6.
3. Магазинник Л.Т., Магазинник Г.Г. Преобразователь частоты для тихоходных двигателей //Известия вузов. Электромеханика.- 1996. - № 1-2.
4. Магазинник Л.Т. Дискретно-регулируемый преобразователь частоты для электроприводов переменного тока // Известия вузов. Проблемы энергетики. -2004.- № 5-6.- С. 48-55.
5. Каганов И. Л. Промышленная электроника.- М.:«Высшая школа», 1968.
Поступила 31.01.2005
