Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Практически применяются два вида частотно-регулируемых ЭП:

1) асинхронный короткозамкнутый двигатель (АД), питающийся от преобразователя частоты;

2) вентильный двигатель (ВД), т.е. синхронный двигатель, также питающийся от ПЧ.

Преимущества электроприводов первого типа, то есть АД с ПЧ - простота и надежность, а также низкая стоимость АД. Недостатки: низкий соs φ асинхронных двигателей, а также необходимость принудительной коммутации инверторной частоты (рассматриваются ПЧ со звеном постоянного тока) во всем диапазоне частот вращения АД, что требует применения силовых транзисторов или, при больших мощностях, двухоперационных (запираемых) тиристоров.

В электроприводах второй группы собственно двигатель представляет собой синхронную машину, ротор которой имеет возбуждение от постороннего возбудителя (возбудитель может быть на одном валу с двигателем) или от постоянных магнитов. Естественно, ВД оказывается дороже, чем АД, однако он имеет следующие преимущества:

- соs φ синхронного двигателя, в зависимости от нагрузки и величины потока возбуждения, может быть опережающим, равным единице или отстающим, что позволяет использовать свободную мощность ВД для регулирования реактивной мощности сети (если в ПЧ возможен двухсторонний поток энергии), либо форсировкой возбуждения увеличивать перегрузочную способность двигателя;

- зазор между ротором и статором в синхронных машинах значительно больше, чем у АД, что определяет большую механическую надёжность синхронного двигателя;

- в ВД с постоянными магнитами отсутствуют электрические потери в роторе, поэтому коэффициент полезного действия у них принципиально выше, чем в асинхронных машинах;

- механические характеристики ВД абсолютно жесткие, пусковой момент выше, чем у АД, что (в сочетании с "вытянутой" конструкцией ротора с постоянными магнитами) определяет их высокое быстродействие, сравнимое с быстродействием приводов постоянного тока с высокомоментными двигателями.

Кроме того, синхронная машина может обеспечить естественную коммутацию ПЧ, от которого она питается. Однако последнее возможно лишь при частотах вращения ω > 0,1ω_ном. При пуске, то есть при ω < (0,1 ÷ 0,15)ω_ном, коммутация инверторной части ПЧ должна быть принудительной, поэтому в известных ВД инвертор либо выполняется на полностью управляемых элементах (транзисторы, запираемые тиристоры, обычные тиристоры с конденсаторной коммутацией), либо в области низких частот вращения двигателя запирание инвертора осуществляется кратковременным переводом выпрямителя в область глубокого инвертирования с целью уменьшения тока до нуля. Но инвертор на полностью управляемых элементах значительно дороже, чем инвертор с естественной коммутацией, а кратковременный перевод выпрямителя в инверторный режим приводит к пульсациям момента, что в области низких частот вращения в большинстве случаев недопустимо.

Автором предложен принципиально новый способ коммутации инвертора, позволяющий выполнять ПЧ на обычных тиристорах, а значит, заведомо удешевить и упростить ВД в целом, повысить его надежность и снять ограничения по диапазону мощностей электропривода.

Суть предложенного способа состоит в том, что часть энергии на коммутацию тиристоров выпрямителя (получаемая непосредственно от питающей сети) передаётся в контур коммутации инвертора, обеспечивая его успешную коммутацию на любых частотах вращения привода, в том числе и на близких к нулю. Такой алгоритм коммутации оказывается возможным, если коммутация тиристоров инвертора совпадает по времени с моментами коммутации тиристоров выпрямителя.

Легко установить, что для любой "m"-фазной питающей сети упомянутое совпадение определяется следующим дискретным рядом частот:

,        (1)

где f₂ - частота на выходе ПЧ; f₁ - частота сети; k - любое целое число. Таким образом, для m = 3:

 ; (2)

Из (1) и (2) следует, что чем ниже частота вращения двигателя, тем меньше относительная разность между соседними ступенями частот вращения. Иными словами, пуск и регулирование частоты вращения двигателя в диапазоне 0 < ω < 0,1ω_ном осуществляется достаточно плавно для большинства практических случаев, а при ω > (0,1 ÷ 0, 15)ω возможна естественная коммутация инвертора, то есть бесступенчатое регулирование частоты вращения ВД.

Особенностью предлагаемого привода является логическая схема, в которой реализуется логика "И" совпадений моментов коммутации выпрямителя и инвертора.

После разгона двигателя до  логическая схема блокирует сигнал с тахогенератора, а коммутация инвертора в дальнейшем осуществляется естественным путем за счет ЭДС двигателя, как и в известных схемах ВД. Регулирование частоты вращения с этого момента становится бесступенчатым.

Описанный принцип коммутации инвертора может применяться и для АД с ПЧ, однако в этом случае весь диапазон регулирования будет дискретным в соответствии с (1) и (2). Регулировочные характеристики и частотный диапазон в этом случае будут примерно совпадать с аналогичными характеристиками частотного электропривода на основе непосредственного преобразователя частоты (НПЧ), однако "классический" НПЧ содержит три комплекта реверсивных трехфазных мостов, то есть втрое больше, чем в описанной схеме, что говорит о её бесспорных преимуществах.

Более того, описанный принцип коммутации инвертора в составе ПЧ со звеном постоянного тока может быть с успехом применен для "надсинхронных" вентильных каскадов, где этот принцип легко решает основную проблему: переход через синхронную скоростью.

Действительно, в зоне скольжений, близких к нулю, ЭДС ротора асинхронного двигателя становится недостаточной для естественной коммутации роторного выпрямителя. Требуется принудительная коммутация, которая может быть осуществлена частичным отбором энергии коммутации ведомого сетью инвертора в соответствии с описанным выше алгоритмом и схемой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Магазинник Л.Т. Новый способ коммутации инвертора в преобразователях частоты для питания // Изв. вузов. Электромеханика, № 5. 2004.