В современных электроприводах для электроснабжения и управления электродвигателями используются полупроводниковые преобразователи. В их основе лежит принцип деления управляющего напряжения на отдельные прямоугольные импульсы, который осуществляется сверхбыстрыми полупроводниковыми ключами - IGBT транзисторы.
Полупроводниковый преобразователь состоит из неуправляемого одно- или трехфазной мостовой схемы (однофазная схема используется только для малых мощностей). На входе преобразователя устанавливается выпрямитель напряжения (пассивный – диодный или активный - управляемый транзисторный), который через трансформатор или сетевой дроссель подключается к сети электроснабжения. На выходе преобразователя устанавливается автономный инвертор напряжения.
Современные полупроводниковые ключи отличаются исключительно высокой скоростью перехода из открытого состояния в закрытое, что проявляется в высокой скорости нарастания напряжения (du/dt) до 10 кВ/мкс. Резкий рост напряжение (переднего фронта) сокращает срок службы двигателей, так как вызывает чрезмерные нагрузки на изоляцию обмоток, дополнительные потери в статоре и повреждение подшипников двигателя. Для обеспечения высокого КПД полупроводниковых преобразователей необходимо иметь минимальное время переключения силовых компонентов. Скорость нарастания напряжения при коммутации IGBT последнего поколения составляет порядка 12 кВ/мкс. Однако, допустимая для двигателей скорость изменения напряжения (du/dt), в зависимости от типа двигателя, не должна превышать 1000 В/мкс.
Выходное напряжение преобразователя частоты формируется «нарезанием», т.е. циклическим включением/выключением постоянного напряжения выпрямителя. Таким образом, выходное напряжение состоит из прямоугольных блоков, пиковое значение которых всегда равно постоянному выпрямленному напряжению.
Выходное напряжение инвертора имеет форму высокочастотной последовательности импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся скважностью. Амплитуда напряжения на выходе инвертора определяется отношением времени включения ко времени выключения транзисторов. Это отношение при широтно-импульсной модуляции синусоидального сигнала, мало в начале и конце полуволны, и велико в середине. Это делает возможным получить синусоидальную форму с минимальным числом гармоник.
При малых значениях синусоиды генерируются узкие импульсы, содержащие небольшое количество энергии. Ближе к максимуму синусоиды ширина импульсов увеличивается. После прохождения максимума ширина импульсов снова уменьшается до нуля. Аналогичный процесс наблюдается и при отрицательных значениях синусоиды, меняется только полярность напряжения.
Как видно из рисунка 3, ток через обмотку двигателя может протекать только когда, по меньшей мере, один из верхних (T1,T3 и T5) и один из нижних транзисторов (T4, T6 и T2) открыты. Одновременно включены всегда три транзистора, диаграмма включения показана на рисунке 4. Посредством циклического переключения силовых ключей, осуществляемого программным управлением, изменяются значения токов в трех выходных фазах, которые постоянно сдвинуты на 120° относительно друг друга. Получается симметричная трехфазная система, частота которой зависит от длительности цикла срабатывания выходных ключей инвертора.
Типичный трехфазный синусоидальный источник электропитания уравновешен и симметричен при нормальных условиях. Таким образом, напряжение нейтрали всегда равно нулю. Однако в трехфазном источнике электропитания с ШИМ коммутацией возникает несимметрия по фазам. Даже при том, что основные гармоники выходных напряжений являются симметричными и сбалансированными, невозможно сделать сумму трех выходных напряжений в каждый момент времени равной нулю.
Типичный трехфазный синусоидальный источник электропитания уравновешен и симметричен при нормальных условиях. Таким образом, напряжение нейтрали всегда равно нулю. Однако в трехфазном источнике электропитания с ШИМ коммутацией возникает несимметрия по фазам. Даже при том, что основные гармоники выходных напряжений являются симметричными и сбалансированными, невозможно сделать сумму трех выходных напряжений в каждый момент времени равной нулю.
Происходит это потому, что в момент отключения транзистора ток не может резко упасть до нуля из-за высокой индуктивности обмоток электродвигателя. При этом индуктивность обмоток каждой фазы может отличаться друг от друга из-за несимметрии магнитной системы статора, вызванной:
- несоостностью статора и ротора;
- геометрической асимметрией статора, возникающей при сборке и запрессовке сердечника;
- асимметрией витков, возникающей при намотке обмоток статора.
Так же, внутреннее сопротивление транзисторов и время их закрытия не могут быть абсолютно одинаковыми. Все это приводит к тому, что в нейтральной точке появляется напряжение отлично от нуля. Для решения этой задачи используются антипараллельные диоды, которые могут быть коммутированы на ток в момент открытия/закрытия транзисторов, однако это позволяет полностью устранить негативные последствия. Полные графики токов и напряжений для одной фазы U показаны на рисунке 5.
Напряжение в нейтральной точке является источником синфазной помехи. Цепь синфазной помехи — это замкнутый контур для циркулирующего тока, текущего в пределах всей системы, включая преобразователь, кабель питания, двигатель и его подшипники, нагрузку (красные стрелки на рисунке 6). В любой момент времени, когда один из трех выходов преобразователя изменяет потенциал, ток, пропорциональный этому изменению напряжения, вынужден течь на землю через емкостные связи с землей всех компонентов выходной цепи. Контурный ток, возникающий из-за разницы в индуктивности фаз и времени открытия ключей, должен попасть обратно в преобразователь через заземляющий проводник и емкости.
Для того чтобы зашунтировать контурный ток синфазной помехи с ротора электродвигателя на землю
применяются специальные заземляющие кольца JUVTEK K27.
Заземляющие кольца устанавливаются на торцевой щит двигателя со стороны насоса
и обеспечивают защиту подшипников от повреждения электроискровыми разрядами.
