Математическое описание и динамическая модель асинхронного двигателя. Регулирование напряжения на выходе двухзвенных преобразователей частоты, страница 7

с  и соединении обмоток по схеме «звезда»

При рассмотренных способах управления силовыми ключами АИН осуществляется амплитудно-импульсная модуляция выходного напряжения АИН [1], когда регулирование амплитуды основной гармоники напряжения на выходе АИН осуществляется изменением , т. е. регулированием управляемого выпрямителя на входе АИН, а регулирование частоты – изменением длительности открытого состояния ключей.

Напряжение на выходе АИН с амплитудно-импульсной модуляцией содержит высокий состав высших гармоник. Спектральный состав фазных напряжений описывается выражением [11]

Наличие высших гармоник напряжения приводит к появлению высших гармоник тока в обмотках статора двигателя.

Рис. 2.3. Фиксированные положения результирующего вектора

Высшие гармоники тока приводят к увеличению нагревания двигателя и создают пульсирующие составляющие электромагнитного момента, определяемые взаимодействием гармоник токов и потокосцеплений с разными частотами. Пульсации момента снижают среднее (эффективное) значение момента на валу двигателя и вызывают пульсации скорости. При работе на низких скоростях может наступить шаговый режим работы двигателя.

Наличие управляемого выпрямителя, необходимого для регулирования U_d, приводит к снижению коэффициента мощности преобразователя частоты, выполненного на основе АИН с амплитудно-импульсной модуляцией, т. к. коэффициент мощности управляемого выпрямителя по основной гармонике примерно пропорционален , где α – угол управления выпрямителя.

2.2. Широтно-импульсная модуляция

В современных частотно-управляемых электроприводах переменного тока используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения АИН.

При этом напряжение на выходе выпрямителя U_dнеизменно, а напряжение на нагрузке регулируется изменением ширины его импульсов при высокой частоте следования этих импульсов. Наличие неуправляемого выпрямителя обеспечивает высокий коэффициент мощности ПЧ, а ШИМ позволяет обеспечить формирование выходного напряжения АИН с низким уровнем высших гармоник напряжения.

Наилучший гармонический состав фазных напряжений U_1a, U_1b,U _1cили линейных напряжений U_1ab, U_1bc, U_1caвыходе АИН с ШИМ обеспечивает синусоидальная ШИМ [1]. При такой модуляции три сформированных системой управления синусоидальных управляющих сигнала заданной частоты сравниваются с опорным напряжением U_oп(t)несимметричной или симметричной пилообразной формы (применение опорного напряжения в форме симметричной пилы приводит к снижению пульсаций тока в статорных обмотках). Моменты равенства U_oп(t)с сигналами  определяют моменты начала переключения силовых ключей.

Ширина (длительность) импульсов модулируется так, чтобы основные гармоники напряжений изменялись по синусоидальным законам.   Так, например, модуляция импульсов управления тиристорами VT1 и VT4

(рис. 2.1), а та сигналом обеспечивает формирование основной гармоники напряжения  в соответствии с законом

где – амплитудное значение выходного напряжения .

Рассмотрим более подробно принцип формирования напряжения при применении ШИМ с опорным сигналом симметричной пилообразной формы. На рис. 2.4 показаны опорный сигнал U_опи управляющие (модулирующие) сигналы . Там же приведены коммутационные функции , характеризующие логику управления транзисторами соответственно.

При ШИМ основное управление транзисторами производится так же, как и при амплитудно-импульсном управлении, с углом коммутации . При этом в течение каждой  периода частоты выходного напряжения АИН открыты один транзистор в четной или нечетной группе и два транзистора в противоположной группе.

Так в соответствии с рис. 2.2, вначале открыты VT1, VT5, VT6          (т. е. один транзистор четной группы и два транзистора нечетной), затем    в открытом состоянии будут находиться VT1, VT2, VT6 и т. д.

Широтно-импульсная модуляция осуществляется за счет дополнительных переключений транзисторов той группы, в которой открыт один транзистор. Два транзистора противоположной группы при этом постоянно открыты. Для обеспечения многократного переключения (включения и выключения) одного транзистора в течение 1/6 периода частоты  напряжения на выходе АИН частота f_oпопорного напряжения выбирается существенно большей частоты . В современных преобразователях отношение  достигает нескольких десятков и сотен (f_oп  20 кГц).