Контрольная работа по дисциплине : «Электротехнические комплексы, системы и сети»

 

 

 

Поведение и  свойства электродвигателей переменного  тока при пита-нии от источника напряжения регулируемой частоты достаточно подробно были известны уже в 60-е годы прошлого века, но практического применения  частотно-управляемые ЭП в то время не получили из-за отсутствия элемент-ной базы для разработки статических ПЧ.

Исключением были высокоскоростные частотно-управляемые  ЭП, вы-полненные на высокочастотных короткозамкнутых АД и электромеханичес-ких ПЧ.

Электромеханические ПЧ.

Классический  вариант электромеханического ПЧ, выполненного на двух синхронных машинах М1 и М2 и двух машинах постоянного тока М3 и М4 показан на рис. 2.7, а. Электромашинный агрегат М1, М3 (агрегат посто-янной скорости ω₁ = const) является источником напряжения постоянного тока, значение и полярность которого задаются током возбуждения I₃, и кото-рое определяет скорость ω₂ агрегатов М2, М4, т.е. частоту f₂ и напряжение U₂ на выходе ПЧ. Ток возбуждения I₂ машины М2 регулируется в небольших пределах для получения желаемых законов частотного управления.

 

 

 

 

 

Отметим две  основные особенности работы ПЧ в  системе ЭП пере-менного тока:

• возможность работы электродвигателя во всех четырех квадрантах электромеханических характеристик (реверсивность ПЧС);
• наличие в системе ЭП источника реактивной энергии, обеспечиваю-щего работу электродвигателя при коэффициенте мощности не рав-ном единице, что в общем случае характерно для электродвигателей переменного тока.

На рис. 2.7, б и в показаны диаграммы активной и реактивной мощ-ности ЭП с электромеханическим ПЧ для двигательного режима (рис. 2.7, б) и генераторного режима (рис. 2.7, в) электродвигателя М.

В первом случае машины М1 и М4 работают в двигательном режиме, М2 и М3 – в генераторном. Во втором – М1 и М4 работают генераторами, М2 и М3 – двигателями. Реактивная энергия в обоих случаях циркулирует между сетью и машиной М1 и между машинами М2 и М.

Переход в  генераторный режим электродвигателя М возможен при ак-тивном моменте на его валу или при выполнении генераторного частотного торможения.

При активном моменте на валу электродвигателя М угловая скорость ω₂ увеличивается, возрастает ЭДС машины М4, ток в якорной цепи меняет направление (I_г на рис. 2.7, а), и в соответствии с диаграммой, показанной на рис. 2.7, в, избыточная активная мощность Р₁ автоматически передается в питающую сеть.

Для выполнения генераторного частотного торможения уменьшают ток возбуждения I₃ и далее регулируют его в функции угловой скорости ω двигателя М (обычно поддерживается постоянным его абсолютное скольже-ние в генераторной области). Режим работы машин ПЧ соответствуют при этом также рис. 2.7, в.

Находят применение и варианты электромеханического ПЧ. Так для регулирования мощных высокоскоростных электродвигателей нереверсив-ных ЭП применяется электромеханический ПЧ, в котором вместо агрегатов М1, М3 используется регулируемы ТП постоянного напряжения. В маломощ-ных станочных высокоскоростных ЭП используется нерегулируемый элек-тромеханический ПЧ, в котором машины М1 и М3 отсутствуют, двигатель М4 – асинхронный короткозамкнутый, питается непосредственно от сети, а в качестве генератора М2 применен индукционный генератор.

Основные  достоинства электромеханического ПЧ:

• синусоидальное выходное напряжение;
• естественная реверсивность ЭП;
• устойчивость работы ПЧ в режимах перегрузки и аварийных режимах двигателя М;
• простота обслуживания.

 

 

 

 

Вместе с  тем очевидны недостатки электромеханического ПЧ:

• плохие массогабаритные показатели;
• большая инерционность контура регулирования частоты f₂ и напряже-ния U₂;
• высокий уровень шума;
• значительные потери, вызванные 4-кратным преобразованием энергии.

Статические ПЧ.

Указанные недостатки практически отсутствуют у статических ПЧ, выполненных на ключевых электронных элементах: тиристорах, запираемых тиристорах и силовых транзисторах (биполярных, биполярных с изолирован-ным затвором и полевых). Использование ключевого режима приводит к тому, что выходное напряжение U₂ у всех без исключения видов статических ПЧ несинусоидально и кроме основной (первой) гармоники содержит обыч-но целый спектр высших гармонических составляющих, а в некоторых ПЧ еще и низкочастотные субгармонические составляющие. Ток, потребляемый из сети статическими ПЧ, также несинусоидален и может вызывать искаже-ния напряжения питающей сети. Эти обстоятельства приходится учитывать при выборе типа статического ПЧ.

Принципы  построения статических ПЧ для регулируемого ЭП извест-ны достаточно давно. В настоящее время в зависимости от мощности и тех-нологических требований к ЭП используется один из трех типов статических ПЧ:

• непосредственный ПЧ;
• двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения;
• двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока.

Двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения состоит  из трех основных элементов: выпрямителя (В), автономного инвертора напря-жения (АИН) и промежуточного контура постоянного тока, включающего конденсатор С, который является источником реактивной мощности для двигателя (рис. 2.8). В ПЧ этого типа происходит двукратное преобразование

электрической энергии: сначала пе-ременное напряжение с частотой f₁ выпрямляется, а затем постоянное напряжение U_d преобразуется (ин-вертируется) АИН в переменное с заданной амплитудой первой гар-моники  U_21m и частотой f₂. В качес-тве ключевых элементов в АИН в настоящее время практически всегда используются транзисторы. На рис. 2.9. показана схема ПЧ, в котором АИН выполнен на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Здесь показаны только основные силовые элементы ПЧ, необходимые для процесса преобразования.

 

Принцип инвертирования напряжения АИН состоит в следующем. В каждой фазе АИН всегда открыт один из двух ключевых элементов, и  потен-циал фазы на выходе АИН всегда равен потенциалу положительной или отрицательной шины на входе АИН. Таким образом, амплитуда линейного напряжения на выходе АИН всегда равна входному напряжению U_2m = U_d. Частота выходного напряжения однозначно определена частотой переключе-ния транзисторов и для ЭП не имеет ограничения сверху, так как у мощных современных транзисторов достигает значения f_max =20÷40 кГц, поэтому в ПЧ с АИН для формирования выходного напряжения с заданными частотой f₂ и амплитудой первой гармоники U_21m исключительное применение находит способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения с постоянной  частотой коммутации, или с переменной  частотой коммутации в системах прямого цифрового управления моментом.

Частота, форма  и амплитуда модулирующего напряжения при ШИМ определяют форму гладкой  составляющей напряжения на выходе АИН, ам-плитуду первой гармоники U_21m и ее частоту f₂. Для получения синусоидаль-ной гладкой составляющей выходного напряжения  форма модулирующего напряжения может быть также синусоидальной. Но линейное напряжение на выходе АИН с ШИМ в бестрансформаторной схеме при этом равно (первая гармоника):

                                                                                                 (2.38)

т.е. даже при µ = 1, U₂₁ = 0,87U₁, и двигатель ЭП  не может быть использован в номинальном режиме. Поэтому модулирующее напряжение u_м обычно име-ет форму, соответствующую уравнению:

                                                                   (2.39)

На рис. 2.10 модулирующее напряжение показано для трех значений коэффициента модуляции µ = 0,1; 0.5; 1,0. Линейное напряжение (первая гар-моника) на выходе ПЧ в этом случае при µ = 1 равно сетевому напряжению на входе U₂₁ = U₁. А благодаря трехпроводной системе подсоединения двига-теля к ПЧ третья гармоника отсутствует в линейном, и в фазном напряжении.

Формы линейного  напряжения и линейного тока при  работе ПЧ с АИН на нагрузку с  отстаю-щим коэффициентом мощности приведены на рис. 2.11. При ре-гулировании частоты f₂ и напря-жения u₂ изменяется скважность импульсов, частота которых равна частоте переключения f_к (коммутации) транзисторов в АИН, а их амплитуда остается постоянной и равной U_d. Гармо-нический состав выходного на-пряжения при его регулирова-нии от нуля до максимального значения (µ = 0 ÷ 1) соответствует графикам, показанным на рис. 2.12, где

f_к – частота переключения (коммута-ции) транзисторов в АИН;

f_к*= f_к/f₂ – ее относительное значение;

ν = f_ν/f₂ – относительные частоты

гармонических составляющих;

U_νm* = U_νm/U_21m – относительные ам-плитуды гармонических составляю-щих по отношению к максимальной амплитуде (µ = 1) первой гармоники.

     Частота коммутации транзисторов f_к выбирается обычно равной 3-6 кГц, т.к. с ее увеличением растут потери в АИН, а с уменьшением – в двигателе, и для значений выходной частоты f₂<60 Гц относительная частота ком-

                                                                     мутации f_к* > 50.

 

 

 

 

 

 

Характерные особенности спектра выходного  напряжения ПЧ с АИН:

• амплитуда первой гармоники напряжения при изменении коэффициен-та модуляции (µ = 0 – 1) линейно возрастает от нуля до максимального значения (U_1* = 0 – 1);
• наибольшие амплитуды имеют гармонические составляющие напряже-ния, частоты коммутации которых практически равны частоте комму-тации транзисторов в АИН;
• гармонические составляющие низкочастотной области спектра (ν = 5, 7, 11…) пренебрежимо малы.

Гармонические составляющие напряжения столь высоких  частот из-за фильтрации индуктивностями  рассеяния обмоток двигателя  не создают боль-ших гармонических составляющих в выходном токе АИН, и его форма близ-ка к синусоидальной  даже при отсутствии фильтров на выходе ПЧ (см. рис. 2.12). Однако такие фильтры используются для уменьшения скорости  изме-нения напряжения на обмотке двигателя (чаще при мощности двигателя 50 кВт и более) и для уменьшения перенапряжений на выходе ПЧ при работе на длинный соединительный кабель (30 м и более).

В ПЧ с АИН  невозможен обмен реактивной энергией с питающей сетью, и реактивная составляющая тока двигателя циркулирует в  контуре электродвигатель – АИН  – входной конденсатор С, наличие которого вместе с диода-ми, шунтирующими в обратном направлении транзисторы АИН, является обязательным для схемы инвертора напряжения.

Схема с АПЧ, показанная на рис. 2.9, – нереверсивная  из-за неревер-сивности выпрямителя. При возникновении режима генераторного торможе-ния избыточная энергия идет на заряд конденсатора С, напряжение на кото-ром нарастает лавинообразно, и для предотвращения аварии используется защита, контролирующая это напряжение. Возможны схемные решения с использованием диодно-тиристорного или тиристорного реверсивного выпрямителя. Но в промышленных установках такие схемы применяются очень редко. Если же в системе ЭП может возникать необходимость экстрен-ного торможения, то используется схема ПЧ с дополнительным транзисто-ром и тормозным резистором, который устанавливается вне корпуса ПЧ (рис. 14, а). Управление транзистором, включающим тормозной резистор, может быть организовано автономно от управления АИН с контролем абсолютно-го  значения напряжения U_d (рис. 2.13, б), где U_вкл и U_откл – уровни срабатыва-ния порогового элемента, управляющего тормозным транзистором, t_вкл и t_откл – соответственно время его включенного и отключенного состояний.

Коэффициент мощности ПЧ с АИН благодаря нерегулируемому  вы-прямителю на входе близок к единице k_м = 0,92 – 0,96. Во время работы из сети потребляется в основном активная мощность нагрузки ЭП и мощность потерь в ПЧ и в электродвигателе. Поэтому входной ток уменьшается при уменьшении выходной частоты и выходного напряжения и равен:

, где η – КПД ПЧ.                           (2.40)

Основные  достоинства ПЧ с АИН:

• широкий диапазон выходных частот (от 0 до 1000 Гц и более);
• возможность формирования необходимой кривой тока (обычно синусоидальной);
• простота силовой схемы ПЧ.