3. Тиристорные преобразователи переменного тока

Основные сведения

Асинхронные двигатели наряду с существенными преимуществами имеют худшие

по сравнению с двигателями постоянного тока пусковые и регулировочные характеристи-

ки.

Эти недостатки в значительной степени устраняются при частотном управлении асинхронными двигателями при помощи тиристорных преобразователей частоты ( ТПЧ ).

Различают два вида ТПЧ:

1. с непосредственной связью питающей сети и обмотки статора двигателя;

2. с промежуточным ( явновыраженным ) звеном постоянного тока.

ТПЧ с непосредственной связью питающей сети и нагрузки

ТПЧ c непосредственной связью так называются потому, что источник питания ( на рис. 230 – это вторичная обмотка трансформатора Тр ) и нагрузка Z связаны непосред

ственно ( гальванически ) через тиристоры ( VS1…VS6 ).

Вначале рассмотрим принцип работы ТПЧ на примере одной фазы ( рис.230 ).

Рис. 230. Принципиальная схема 1-фазного ТПЧ с непосредственной связью

К основным элементам схемы относятся :

Тр – согласующий трансформатор, для получения необходимого напряжения на нагрузке Z ;

VS1…VS6 - тиристоры;

L1…L2 – сглаживающие дроссели;

Z - сопротивление нагрузки, например, фазная обмотка 3-фазного асинхронного двигателя.

Тиристоры VS1…VS6 разделены на 2 группы: группу I и группу II.

Группа I называется катодной, потому что катоды тиристоров этой группы соедине

ны в одну общую точку.

Группа II называется анодной, потому что аноды тиристоров этой группы соедине

ны в одну общую точку.

Принцип действия ТПЧ состоит в следующем ( рис. 231 ).

Рис. 231. Кривые фазных напряжения вторичной обмотки трансформатора и нагруз

ки: U , U , U - фазные напряжения; U - напряжение нагрузки

Схема управления тиристорами ( не показана ) поочерёдно включает группы тири-

сторов I и II подачей импульсов на управляющие электроды тиристоров.

Пусть, например, включена группа I. С момента включения тиристоры этой груп-

пы начинают работать как диоды в схеме однополупериодного выпрямления.

В такой схеме диоды переключаются поочерёдно напряжением питающей сети. Каждый диод открыт 1/6 периода переменного тока.

Пока левый диод открыт ( отрезок времени 1-2 ), он пропускает через себя полувол

ну напряжения к сопротивлению нагрузки. Через 1/3 полупериода ( точка 2 ) открывается средний диод , который пропускает ток в течение времени 2-3. Ещё через 1/3 полупериода открывается правый диод ( точка 3 ), пропускающий ток в течение времени 3-4.

При этом на отрезке времени 1-4 формируется положительная полуволна напряже-

ния на нагрузке.

В точке 4 схема управления отключает группу тиристоров I и включает группу II.

Тиристоры этой группы работают так же, как тиристоры группы I, за одним исклю

чением : они пропускают через себя и сопротивление нагрузки не положительные, а отри

цательные полуволны фазных напряжений.

Иначе говоря, при включённых тиристорах группы I полуволны выпрямленного тока протекали в направлении сверху вниз, группы II – снизу вверх.

Тем самым тиристоры группы II формируют отрицательную полуволну напряже-

ния на нагрузке.

Частота напряжения на сопротивлении нагрузки

f = f m / ( 2 n + m – 2 ),

где: f – частота тока питающей сети; m – число фаз напряжения питающей сети;

n – число участков синусоид, располагаемых в кривой полупериода напряжения нагрузки;

m – число тактов выпрямления ( m = m для нулевой схемы; m = 2 m -для мосто-

вой схемы; m - число фаз питающей сети ).

На рис. 229 изображена схема с использованием нулевой точки, поэтому m =

= m =3, на рис. 230 n = 3, т.к. на кривой полупериода напряжения нагрузки расположены три участка синусоид, 1-2, 2-3 и 3-4 .

Следовательно, в данном случае

f = f m / ( 2 n + m – 2 ) = 50*3 / ( 2*3 + 3 – 2 ) = 150 / 7 = 21, 4 Гц.

Рис. 232. Принципиальная схема 3-фазного ТПЧ с непосредственной связью

В схеме 3-фазного преобразователя ( рис. 232 ) схема управления переключает груп

пы тиристоров каждой фазы со сдвигом 120º. При этом в каждой фазной обмотке статора формируется кривая напряжения как на рис. 231, но кривая напряжения фазы В сдвинута на 120º, а фазы С – на 240º по отношению к кривой напряжения фазы А.

Поэтому через обмотку статора протекает 3-фазный переменный ток.

Особенности ТПЧ:

1. ток в обмотке статора имеет несинусоидальный характер, при этом увеличивают-

ся тепловые потери в обмотке статора и уменьшается вращающий момент двигателя;

2. к.п.д. ТПЧ довольно высокий ( η= 96-98% ), что объясняется сравнительно не-

большими потерями энергии в тиристорных группах I и II;

3. частота напряжения на выходе

f ₂ ≤ 0,3 f₁,

где f₁ – частота напряжения на входе.

Иначе говоря, регулирование частоты выходного напряжения возможно только в пределах от нуля до 30% частоты питающей сети, что объясняется ухудшением условий коммутации тиристоров на высоких частотах.

ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока

Основными элементами этого вида ТПЧ являются:

1. выпрямитель УВ, предназначенный для выпрямления переменного напряжения питающей сети;

2. автономный ( независимый от сети ) инвертор, предназначенный для преобразо-

вания выпрямленного напряжения в трехфазное напряжение регулируемой частоты.

В качестве инверторов применяют инвертор напряжения ( для высокоомной нагру

зки ) или инвертор тока ( для низкоомной нагрузки ).

ТПЧ с инвертором напряжения

ТПЧ с инвертором напряжения изображен на рис. 233.

Рис. 233. Схема ТПЧ с инвертором напряжения

В состав ТПЧ с инвертором напряжения входят:

1. управляемый выпрямитель УВ с фильтром L - C ;

2. автономный инвертор напряжения АИ с группами вентилей прямого ПТ и обрат-

ного ОТ тока;

3. ведомого инвертора ВИ с фильтром L - C .

Управляемый выпрямитель предназначен для выпрямления и регулирования напря

жения ТПЧ.

Автономный инвертор АИ служит для преобразования выпрямленного напряжения в трехфазное и регулирования частоты переменного тока на его выходе.

Значение этой частоты может превышать частоту питающей сети. Как правило, при частоте сети 50 Гц максимальная частота на выходе составляет 60 Гц. Это позволяет

использовать один и тот же ТПЧ для регулирования скорости двигателей в сетях с часто-

тами 50 Гц ( подавляющее большинство стран ) и 60 Гц ( США, Япония и некоторые дру-

гие ).

Ведомый инвертор ВИ возвращает в сеть активную и реактивную энергию, выраба-

тываемую асинхронным двигателем при его переходе в режим рекуперативного торможе-

ния ( например, при спуске тяжелого груза ).

ТПЧ с инвертором тока

ТПЧ с инвертором тока изображен на рис. 234.

Рис. 234. Схема ТПЧ с инвертором тока

ТПЧ с инвертором тока ( рис. 234 ) более прост по устройству и состоит из следую

щих элементов:

1. управляемого выпрямителя УВ с индуктивным фильтром L ;

2. автономного инвертора АИ;

3. блока управления выпрямителем БУВ;

4. датчика скорости ДС;

5. функционального преобразователя ФП.

Принцип действия ТПЧ состоит в следующем.

Датчик скорости ДС закреплен на валу асинхронного двигателя.

С выхода этого датчика напряжение, пропорциональное скольжению двигателя Δω, а значит, току обмотки статора, поступает на вход функционального преобразователя ФП.

В результате на выходе ФП появляется сигнал в виде тока управления I , который в узле суммирования ( обозначен в виде перечеркнутого кружка ) сравнивается с сигналом в виде тока I .

Последний пропорционален действительному значению тока силовой цепи.

С выхода узла суммирования разностный сигнал ΔI = I - I поступает на вход БУВ, изменяющий выпрямленное при помощи УВ напряжение таким образом, чтобы за-

данная скорость двигателя не изменялась.

Применяемые в схеме датчики скорости недостаточно надежны, поэтому ТПЧ дан-

ного типа не получили широкого распостранения.

Ниже рассматриваются схемы бесконтактного управления тиристорными электро-

приводами, в которых регулирование скорости происходит не в результате изменения ча-

стоты тока питающей сети, а за счет изменения числа пар полюсов обмотки статора асин-

хронного двигателя.

Основным элементом силовой части схемы являются тиристорные коммутаторы.