Назначение и применение частотных преобразователей “Omron”

1.3 Назначение и применение частотных преобразователей “Omron”

Частотные преобразователи “Omron” предназначены для регулирования частоты вращения вала АД в широких пределах. Фирма “Omron” предлагает широкую линейку моделей, способных эффективно работать с двигателями от 100 Вт до 300 кВт.

Частотные преобразователи “Omron”, получившие широкое распространение, являются инверторами напряжения, хотя фирма выпускает ещё также и инверторы тока. Это объясняется тем, что инверторы напряжения могут работать в многодвигательном приводе, и, самое главное, имеют более широкий диапазон изменения выходной частоты. Последнее обстоятельство открывает дорогу данным устройствам не только в производственную, но и в коммунальную сферу, где, например, нагрузка на водопровод крайне неравномерная. Частотные преобразователи помогают эффективно решить проблему необоснованного перерасхода – когда давление в трубах нормализуется, инвертор автоматически снижает момент на валу насоса, экономя при этом до 30 % энергии.

1.4 Принцип работы инвертора

1.4.1 Принцип широтно-импульсного (ШИМ) управления и формирования выходного напряжения в электроприводах асинхронных двигателей

U, f – входные напряжение и частота; OUT A – аналоговый выход; OUT D – цифровой выход; IN A - аналоговый вход; IN D – цифровой вход; УПР – внешнее управление; ПДУ – пульт дистанционного управления; ДУ – дистанционное управление; АД – асинхронный двигатель; ПЧ – преобразователь частоты; СУ – система управления; ПУ – пуль управления; БВ – блок включения управления тиристоров; В (УВ) – выпрямитель (управляемый выпрямитель);

ФИ – усилитель – формирователь; БТ – блок тормозной; Ф_1,Ф₂,Ф₃ – фильтр; ПКА – блок выходных программ; ВБ – блок вентиляторов; ИП – многоканальный источник питания; Д – блок датчиков; ДН, ДТ – блок защит; МК – программный микроконтроллер; ДЧВ – датчик частоты вращения; РА – блок линейной автоматики; ИРПС – каналы интерфейсной связи.

Рисунок 1 – Функциональная схема инвертора с векторным управлением.

В – выпрямитель; L_d – дроссель фильтра Ф (см. рисунок 3); I_d – активная составляющая тока фильтра; C_d – ёмкость фильтра; U_d – напряжение фильтра; ω^* - задание на входе инвертора; F^* , U^*- частота и значение выходного напряжения соответственно, согласно V/f – характеристике; САР – система автоматического регулирования; СУИ ШИМ – система управления широтно-импульсной модуляцией; АИН ШИМ – автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Рисунок 2 – Упрощённая функциональная схема АИН.

C_d – ёмкость входного фильтра;V₁- V₆ – IGBT – транзисторы; Д₁-Д₆ – диоды; АД – асинхронный двигатель.

Рисунок 3 – Электрическая схема инвертора на IGBT – транзисторах.

Рисунок 4 – Формы кривых напряжения и тока на выходе АИН.

Рисунок 5 – Базовые коммутационные векторы инвертора.

U_d – напряжение в цепи постоянного тока АИН; A,B,C – сопротивления фаз АД.

Рисунок 6 – Цепи протекания тока в течение периода повторяемости при ШИМ.

U_пр – промежуточный вектор; U₁ – проекция промежуточного вектора на основной; i – угол промежуточного вектора.

Рисунок 7 – Промежуточный вектор в системе базовых.

АИН обладает характеристиками источника напряжения, его выходным регулируемым параметром является напряжение на зажимах АД. Современные АИН выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов - запираемых GTO-тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. Рассмотрим 3-х фазную мостовую схему (смотри рисунок 3). Классификационные признаки схемы – наличие ёмкостного входного фильтра C_d и включенных встречно-параллельно управляемым ключам V₁ – V₆ диодов обратного тока Д₁ – Д₆. За счёт поочередного переключения вентилей V₁ – V₆, постоянное входное напряжение U_d преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение.

Регулирование выходного напряжения АИН можно осуществлять двумя способами: амплитудным (АР) за счёт изменения величин входного напряжения U_d и широтно-импульсным (ШИМ) за счёт изменения программы переключения вентилей V₁ – V₆при U_d - const.

Через управляемые ключи V₁ – V₆ протекает активная составляющая тока АД, через диоды Д₁ – Д₆ – реактивная составляющая тока АД. Конденсатор фильтра является источником реактивной мощности, потребляемой АД, через него замыкается переменная составляющая входного тока инвертора.

Специальный алгоритм ШИМ управления АИН осуществляет кроме регулирования также улучшение гармонического состава выходного напряжения, что обеспечивает высокую степень синусоидальности тока АД.

ЭП на основе ПЧ на основе АИН ШИМ содержит неуправляемый диодный силовой выпрямитель В и АИН ШИМ (смотри рисунок 2). Регулирование гармоник f₁ и величины выходного напряжения U₁ осуществляется в АИН за счёт использования алгоритмов высокочастотного ШИМ-управления. Частота ШИМ обычно составляет от 2 до 12 кГц, т.е. на порядок превосходит выходную частоту АИН.

Форма кривой выходного напряжения при этом представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (смотри рисунок 4). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока – тока АД практически синусоидальна.

К силовым ключам АИН ШИМ предъявляются требования высокого быстродействия и малых динамических потерь.

В тормозном режиме ЭП АИН из режима инвертирования переводится в режим выпрямления (работает мост диодов обратного тока, через управляемые ключи подводится энергия возбуждения АД). Полярность напряжения на входе АИН сохраняется, а ток меняет своё направление. Поэтому для реализации тормозного режима приведенная схема ЭП должна быть дополнена силовыми элементами – либо обратным управляемым выпрямителем (работает в режиме зависимого сетевого инвертора) для регенерации энергии в сеть, либо управляемым ключом (блок БТ на рисунке 1) и тормозным резистором в цепи постоянного напряжения для осуществления электродинамического торможения.

В режиме U_d = const регулирование значения и изменение формы выходного напряжения возможно только путем трансформирования вида коммутационной функции методами широтно-импульсного регулирования (ШИР) и широтно-импульсной модуляции (ШИМ), требующих использования более сложных алгоритмов переключения с многократным переключением вентилей. Многократность предполагает многократный переход из проводящего состояния в закрытое и обратно вентилей, участвующих в протекании тока из цепи постоянного напряжения АИН в фазы АД в течение периода повторяемости (смотри рисунок 6). Для этих целей ШИР, в качестве дополнительного, используется переключение, переводящее АИН в одно из нулевых состояний (1,3,5 или 2,4,6).

Это приводит к появлению нулевых пауз на соответствующих интервалах коммутационной функции и обеспечивает регулирование действующего значения выходного напряжения в диапазоне от “0” до “max”.

Для более сложных алгоритмов управления, основанных на применении широтно-импульсной модуляции ШИМ, применяемых с целью улучшения качества формы выходного напряжения (его гармонического состава) используется метод коммутационного вектора. Целью метода является формирование управляющей последовательности, обеспечивающей более плавное изменение выходных напряжений при смене периодов повторяемости по сравнению со ступенчатой формой напряжения, образуемого в результате работы алгоритма поочередного управления вентилями. Т.к. в рассматриваемых схемах возможны только 6 рабочих (формирующих выходное напряжение) и 2 нулевых состояний вентилей, требуемая форма выходного напряжения может быть получена только в результате комбинационного действия различных состояний в течение периода повторяемости.

Рассмотрим векторную диаграмму, на которой шесть рабочих состояний представляются в виде векторов, смещенных относительно друг друга на π/3 рад (60⁰). Нулевые состояния представляются в виде векторов нулевой длительности, расположенные в начале координат. Эти 8 векторов называются базовыми векторами (смотри рисунок 5). Область, заключенная между двумя соседними осями, определяет соответствующий период повторяемости.

Метод коммутационного вектора предполагает наличие, помимо базовых, некоторого количества промежуточных векторов U_пр, располагающихся внутри сегментов. Положение каждого промежуточного вектора определяется его смещением относительно базового вектора для данного сегмента на угол i (смотри рисунок 7). Промежуточный вектор может быть разложен на составляющие путем проецирования на базовые векторы. Каждый период повторяемости разбивается на определенное число интервалов (векторов) с длительностью T_шим.

В результате действия данного алгоритма форма выходного напряжения сглаживается.