5.2 Двухзвенные пч с промежуточным звеном переменного тока.

Силовая схема преобразователей данного типа состоит из двух основных звеньев:

- преобразователя напряжения источника питания в переменное напряжение повышенной частоты;

- непосредственного преобразователя переменного напряжения повышенной частоты в переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды.

Пример выполнения принципиальной электрической схемы НПЧ с промежуточным звеном переменного тока приведен на рис. 5.2.1 Преобразователь данного типа по существу представляет собой НПЧ с естественной коммутацией, снабженный индивидуальным источником питающего напряжения повышенной частоты. В описанных в литературе разработках промежуточное звено переменного тока выполняется в виде обращенного НПЧ с принудительной емкостной коммутацией, работающего в режиме параллельного инвертора тока. Введение такого промежуточного звена позволяет устранить один из основных недостатков сетевых НПЧ с естественной коммутацией - увеличить верхний предел регулирования выходной частоты за счет увеличения частоты источника питания. Естественно, что при этом ухудшаются массогабаритные и энергетические показатели преобразователя в целом.

Тем не менее, в ряде случаев специального применения двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном переменного тока по комплексу предъявляемых требований оказываются конкурентоспособными с другими видами ПЧ. В качестве примера можно привести электроприводы механизмов некоторых автономных подвижных объектов с источником энергии в виде аккумуляторной батареи. Сходные принципы организации системы питания и частотного регулирования скорости двигателей переменного тока используются и в некоторых видах электрических передач транспортных механизмов с первичным источником энергии в виде теплового двигателя.

Рисунок 5.2.1 - Двухзвенный преобразователь частоты с промежуточным звеном повышенной частоты

В целом ПЧ с промежуточным звеном переменного тока не нашли широкого применения в электроприводе вследствие относительной сложности силовой схемы и системы управления, а также других отмеченных выше факторов.

Двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.

Основными звеньями данных преобразователей частоты являются

- выпрямитель с фильтром;

- инвертор.

Напряжение питающей сети (рис.5.2.1) сначала выпрямляется выпрямителем, а затем инвертируется, т.е. преобразуется в переменное напряжение (или ток) требуемой частоты с помощью инвертора. В системах частотного управления электродвигателями переменного тока применяются автономные инверторы (АИ). Они способны функционировать как при наличии, так и при отсутствии в цепи нагрузки источников, способных развивать ЭДС и генерировать активную энергию. В некоторых, например каскадных, системах регулирования скорости машин переменного тока используются ПЧ с зависимыми (ведомыми сетью) инверторами, которые способны функционировать только при наличии в цепи нагрузки источников активной энергии. Зависимые инверторы используются также в схемах двухкомплектных выпрямителей для обеспечения возможности двусторонней передачи энергии звеном постоянного тока. Автономный инвертор представляет собой коммутатор, для функционирования которого необходимы полностью управляемые переключающие элементы (ключи).

Наиболее подходящими для автономных инверторов являются полностью управляемые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы, запираемые тиристоры). В случае использования обычных тиристоров, т.е. приборов с неполным управлением, схема инвертора дополняется устройствами принудительной, как правило, емкостной коммутации.

Структура входных цепей и режим переключений коммутатора могут быть организованы таким образом, что свойства АИ как электрического генератора оказываются подобными свойствам либо генератора напряжения, либо генератора тока. Инверторы первого типа получили название автономные инверторы напряжения (АИН); второго типа - автономные инверторы тока (АИТ). Инверторы напряжения обеспечивают величину и форму выходного напряжения, не зависимые (или почти не зависимые) от параметров нагрузки. Величина и форма тока определяется параметрами нагрузки. В отличие от них инверторы тока формируют в цепи нагрузки ток, величина и форма которого не зависят от параметров нагрузки. Зависимыми от параметров нагрузки оказываются величина и форма выходного напряжения АИТ. Поэтому инверторы напряжения непосредственно совместимы только с нагрузкой активно-индуктивного характера, а инверторы тока - с нагрузкой активно-емкостного характера. В противном случае между инвертором и нагрузкой включаются буферные элементы индуктивного характера в первом случае и емкостного характера во втором.

Рисунок 5.2.2 - Двухзвенные тиристорные преобразователи частоты: а) с автономным инвертором напряжения; б) с автономным инвертором тока.

Главными преимуществами двухзвенных ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока являются:

- возможность получения на выходе преобразователя широкого диапазона частот, не зависимого от частоты питающей сети и полностью покрывающего потребности электроприводов различного назначения, в том числе высокоскоростных, среднескоростных и тихоходных, прецизионных электроприводов с широким и сверхшироким диапазоном регулирования скорости и др.;

- возможность использования относительно простых силовых схем и систем управления ПЧ для электроприводов с невысокими требованиями в части диапазона регулирования, быстродействия и других показателей;

- возможность наращивания сложности силовой части и системы управления преобразователя соразмерно уровню повышения требований к электроприводу, не допуская чрезмерной избыточности системы,

- возможность реализации в сравнительно малоэлементной структуре преобразователя разнообразных алгоритмов управления, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к электроприводам различного назначения;

- легкость трансформации преобразователя для работы в установках с питанием электрооборудования от автономных источников либо локальной сети постоянного тока.

Основные недостатки ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:

- двукратное преобразование энергии, что увеличивает потери энергии и ухудшает массогабаритные показатели преобразователя;

- наличие в звене постоянного тока силового фильтра как неотъемлемого элемента ДПЧ, содержащего батарею конденсаторов значительной емкости (в схемах ДПЧ с АИН) либо реактор со значительной индуктивностью (в системах ДПЧ с АИТ).

Элементы силового фильтра увеличивают массу и габариты преобразователя, причем электролитические конденсаторы фильтра не всегда удовлетворяют требованиям высокой надежности. Являясь реактивным накопителем энергии, силовой фильтр звена постоянного тока существенно влияет на динамику преобразователя частоты и ограничивает динамические возможности электропривода, особенно при амплитудно-импульсном (осуществляемом за счет выпрямителя) регулировании величины выходного напряжения ДПЧ. Это накладывает повышенные требования и усложняет структуру САР инверторных электроприводов, обеспечивающих нормированные процессы пуска, торможения и регулирования скорости при наличии силового фильтра в контуре регулирования.

Отмеченный недостаток преодолевается лишь при переходе от амплитудно-импульсного к широтно-импульсному формированию и регулированию выходного напряжения ДПЧ, осуществляемому за счет автономного инвертора.

Наиболее массовое практическое применение в системах регулируемых электроприводов переменного тока получили двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, а из них - преобразователи с автономными инверторами напряжения. Анализ истории развития двухзвенных ПЧ позволяет выделить три характерных этапа.

Первый этап характеризуется освоением серийного производства и промышленным использованием наиболее простых ДПЧ, выполненных по схеме "управляемый тиристорый выпрямитель - LC фильтр - автономный тиристорный инвертор напряжения с принудительной коммутацией". Первые модели (рис.3, а) имели однокомплектный управляемый выпрямитель, что не позволяло рекуперировать энергию в сеть в тормозных режимах двигателя. Инвертор напряжения выполнялся по трехфазный мостовой схеме с обратными и отсекающими неуправляемыми вентилями и работой тиристоров в режиме 120° управления. Это позволило использовать простую систему принудительной межфазовой коммутации рабочих тиристоров инвертора без применения вспомогательных коммутирующих тиристоров. Функция регулирования частоты выходного напряжения преобразователя возлагалась на автономный инвертор, а амплитуды выходного напряжения - на управляемый выпрямитель. Системой управления обеспечивался закон связи амплитуды и частоты выходного напряжения преобразователя, близкий к пропорциональному с возможностью коррекции в области малых частот. В системе предусматривались обратные связи, обеспечивающие ослабление отрицательного влияния силового фильтра на динамику электропривода.

Применялись более совершенные схемы принудительнойкоммутации автономного инвертора, реализующие режим 180 управления с улучшенной формой выходного напряжения. Усовершенствовались системы регулирования и защиты, конструктивное исполнение преобразователей. Параллельно с "преобразователями на базе инверторов напряжения развивались преобразователи частоты с инверторами тока. Существенным преимуществом последних является возможность рекуперации энергии в сеть при помощи однокомплектного управляемого выпрямителя (см.схему рис. 3,б). Преобразователи первого этапа сыграли важную роль в создании и расширении области применения экономичных регулируемых электроприводов переменного тока.

Основные недостатки преобразователей, освоенных на первом этапе, это несинусоидальность выходного тока и неравномерность вращения двигателя при малых частотах, что ограничивает диапазон регулирования скорости; ограничение быстродействия, связанное с наличием силового фильтра в канале амплитудного регулирования величины выходного напряжения; несинусоидальность тока, потребляемого из сети и низкий "сетевой" коэффициент мощности, что обусловлено свойствами управляемого выпрямителя с естественной коммутацией и фазовым управлением.

Второй этап характеризуется разработкой новых двухзвенных полупроводниковых преобразователей, выполненных по схеме "неуправляемый выпрямитель - LC фильтр - тиристорный либо транзисторный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения".