22. Преобразователи частоты

Преобразователем частоты называют полупроводниковый преобразователь, осуществляющий преобразование энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты.

Преобразователи частоты классифицируются по мощно­сти, напряжению, числу фаз входного и выходного напряже­ний, схеме преобразования. Работа преобразователя и его технико-экономические характеристики в основном опреде­ляются схемой преобразования, от которой зависят: парамет­ры выходного напряжения; коэффициент мощности преобра­зователя по входу и выходу; форма кривой переменного тока, потребляемого из питающей сети; внешняя характеристика; КПД.

Существуют различные схемы статических преобразова­телей частоты (ПЧ), каждая из которых удовлетворяет кон­кретным требованиям по мощности, диапазону регулирова­ния частоты вращения двигателя, КПД, простоте осуществле­ния регулирования и др. Подавляющее большинство наибо­лее распространенных схем можно разделить на два класса: ПЧ с непосредственной связью питающей сети и цепей на­грузки и ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.

Принцип действия ПЧ с непосредственной связью с сетью заключается в том, что напряжение питающей сети непо­средственно подается на статорные обмотки двигателя через вентили, когда они открыты. Частота напряжения на фазах двигателя регулируется последовательностью включения вен­тилей, а амплитуда — изменением утла их включения.

В ПЧ с непосредственной связью с сетью энергия источ­ника переменного тока передается в нагрузку непосредст­венно на проводящих интервалах силовых ключей схемы преобразователя.

Функциональная схема ПЧ с непосредственной связью показана на рис. 5.17, а. Система управления (СУ) обеспечи­вает нужную последовательность включения вентилей сило­вой части (СЧ). Линии трехфазной сети до ПЧ обозначены буквами Л, В, С, а после ПЧ — а, в, с. Графики изменения линейных напряжений U_AB, U_BC, U_CA изображены на рис. 5.17, б. На примере формирования напряжения U_ab рассмотрим, какую последовательность работы СЧ должна обеспечить СУ, чтобы на выходе ПЧ получить частоту напряжения меньше, чем на входе. Напряжения U_bc и U_ca образуются аналогично. Для простоты сначала рассмотрим работу ПЧ при угле включения вентиля α = 0. Напряжение U_ab будет иметь меньшую частоту по сравнению с U_AB, если время, в течение которого оно положительно, и время, в течение которого оно отрицательно, больше, чем у напряжения U_AB. Как видно из рис. 5.17, в такое напряжение будет обес­печено, если СЧ в интервалах Δt₁, Δt₂, Δt₃ к линиям а и в подключит соответственно линии А и В, В и С, С и А. Таким образом, напряжение U_ab будет положительным более дли­тельное время, чем U_AB. Для получения отрицательного зна­чения U_ab той же длительности необходимо в интервалах Δt₄, Δt₅, Δt₆. к линиям а и b подключить соответственно линии С и А, А и В, В и С. Далее все повторить. Кривая напряжения, полученного на выходе ПЧ при угле включения вентилей α = 0, состоит из отрезков полуволн напряжения сети (рис. 5.17, в). Если к ПЧ присоединить фильтр Ф, то можно выделить первую гармонику, изображенную на рис. 5.17, в пунктирной синусоидой. Из рисунка видно, что частота напряжения U₁, подаваемого на двигатель, меньше частоты питающей сети. Если изменить угол включения вентилей а, то на каждом очередном полупериоде питающего на­пряжения можно одновременно с частотой изменить как амплитуду напряжения на выходе ПЧ, так и получить напря­жение, более близкое к синусоидальному. При этом упро­щается конструкция фильтра и увеличивается КПД элек­тропривода. Изменение амплитуды напряжения на выходе ПЧ при α = α₁ по сравнению с α = 0 показано на рис. 5.17, г.

Преобразователь частоты с непосредственной связью в общем виде представляет собой совокупность включенных в каждую фазу и работающих согласованно реверсивных ти-ристорных преобразователей постоянного тока.

Основным достоинством ПЧ с непосредственной связью является естественная коммутация вентилей под действием напряжения питающей сети, как это происходит в управляе­мых тиристорных преобразователях, используемых в элек­троприводе постоянного тока. Благодаря возможности пере­вода преобразователя из выпрямительного режима в инверторный возможно рекуперативное торможение двигателя.

Преимуществом ПЧ с непосредственной связью является также однократное преобразование энергии, благодаря чему достигается высокий КПД. К недостаткам следует отнести ограниченный (до 0,4 f₁) диапазон регулирования частоты, а также наличие большого числа вентилей и сложной системы их управления. Вследствие малого диапазона регулирования частоты такие ПЧ находят применение в электроприводах с небольшим диапазоном регулирования частоты вращения ва­ла двигателя.

Преобразователи на тиристорах с непосредственной свя­зью подразделяются на ПЧ с естественной коммутацией ти­ристоров (под воздействием напряжения питающей сети), называемые циклоконверторами, и ПЧС с искусственной (принудительной) коммутацией тиристоров.

Для электроприводов с большим диапазоном регулирова­ния частоты вращения используют ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. В таких ПЧ напряжение сети пере­менного тока вначале выпрямляется, а затем снова преобра­зуется в напряжение переменного тока, но уже требуемой регулируемой частоты и амплитуды. Преобразователи часто­ты с промежуточным звеном постоянного тока бывают с управляемым и неуправляемым выпрямителем.

Функциональная схема ПЧ с управляемым выпрямителем показана на рис. 5.18, а. На вход управляемого выпрямителя УВ поступает переменное напряжение сети. На выходе УВ напряжение сети преобразуется в напряжение U_п постоянно­го тока, значение которого определяется сигналом управле­ния, поступающим на УВ от блока управления выпрямителем БУВ. Выход УВ непосредственно связан со входом инвертора АИ, который преобразует поступающее на его вход напря­жение постоянного тока в напряжение переменного тока. Причем частота f₁ выходного напряжения U₁ зависит от управляющего сигнала, поступающего на инвертор АИ от блока управления инвертора БУИ. Управляющие сигналы, поступающие на БУВ и БУИ, формируются в блоке задания скорости БЗС напряжением U₃, соответствующим заданной частоте вращения. Таким образом, на статорные обмотки двигателя поступает напряжение, амплитуда которого фор­мируется управляемым выпрямителем, а частота — инверто­ром, т.е. можно независимо регулировать частоту и амплиту­ду питающего напряжения, что является существенным пре­имуществом.

Схема выпрямителя выбирается из условия обеспечения требований: регулирования выходного напряжения; влияния на источник переменного напряжения, питающего ПЧ; допустимому уровню пульсаций выпрямленного напряжения и др.

При питании ПЧ от промышленной сети выпрямитель ча­ще всего выполняется по трехфазной мостовой схеме. Для уменьшения пульсаций напряжения на его выходе устанав­ливается фильтр (на рис. 5.18 не показан), основные функции которого заключаются в максимальном уменьшении напря­жения высших гармоник при минимальном ослаблении пер­вой (основной гармоники) выходного напряжения. Существу­ет большое разнообразие фильтров, при этом структуры фильтров АИН и АИТ различны. Если автономный инвертор выполнен по схеме АИН, то фильтр должен иметь емкостной характер, а при выполнении инвертора по схеме АИТ — ин­дуктивный характер.

В ПЧ с регулируемой в широком диапазоне частотой вы­ходного напряжения, предназначенных для питания асин­хронных двигателей, звено инвертора выполняется, как пра­вило, по схеме АИН.

В ПЧ очень часто, наряду с регулированием частоты, тре­буется регулирование уровня выходного напряжения. В зави­симости от схемы инвертора, входящего в ПЧ, могут быть использованы различные схемы регулирования выходного напряжения. Их можно разделить на следующие группы:

1. Регулирование напряжения на входе.

2. Регулирование путем воздействия на процессы в инвер- торе, влияющие на выходное напряжение.

Способы первой группы основаны на пропорциональности выходного напряжения инвертора входному. Они применя­ются в том случае, когда источником постоянного тока явля­ется управляемый выпрямитель.

В АИН регулирование выходного напряжения наиболее целесообразно осуществлять путем изменения длительности проводящего состояния ключей инвертора, используя для этого различные способы модуляции напряжения, например, широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Этот способ моду­ляции основан на непрерывном изменении (модуляции) по заданному закону (например, синусоидному) длительности t_и высокочастотных импульсов несущей частоты f_и = 1/T_и, обра­зующих кривую выходного напряжения инвертора, рис. 5.19. Закон модуляции должен обеспечить получение заданной ам­плитуды основной гармоники выходного напряжения.

Содержание высших гармоник в выходном напряжении инвертора при использовании ШИМ сводится к минимуму, если использовать модуляцию по синусоидальному закону. При этом роль выходных фильтров в обеспечении синусои­дальности напряжения сводится к минимуму, поскольку от­носительное содержание высших гармоник очень мало.