6.3.4. Непосредственные преобразователи частоты

Непосредственные преобразователи частоты предназначены для одноступенчатого преобразования энергии переменного тока частоты f₁ в энергию переменного тока другой (обычно более низкой) частоты f₂. В этих преобразователях кривая выходного напряжения составляется из участков напряжений сети благодаря осуществлению с помощью тиристоров непосредственной связи цепи нагрузки с сетью переменного тока. Непосредственные преобразователи частоты выполняются с однофазным или трехфазным выходом и с однофазным или трехфазным входом. Для получения более качественной формы кривой выходного напряжения (с малым содержанием высших гармонических) преобразователи обычно питаются от сети трехфазного тока.

Принцип действия однофазного НПЧ, работающего на активную нагрузку, показан на рис. 6.54 и рис. 6.55 при питании от однофазной сети через трансформатор со средней точкой.

Схема (рис. 6.54) по сути является реверсивным однофазным управляемым выпрямителем, который подробно рассмотрен выше.

Рис. 6.54. Принципиальная схема тиристорного однофазного НПЧ

Этот реверсивный выпрямитель управляется по определенной программе, представленной на рис. 6.55. Первоначально проводят тиристоры VS1 и VS2 при изменении угла включения ₁ в диапазоне π_minπ, а тиристоры VS3 и VS4 закрыты, т. к. их угол включения α₂ = π. В следующем временном интервале проводят тиристоры VS3 и VS4; (₂ = π_minπ), а тиристоры VS1 и VS2 закрыты, т. к. α₁ = π.

Рис. 6.55. Временные диаграммы работы однофазного НПЧ

На (рис. 6.55) показаны временные зависимости напряжения сети и напряжения на выходе НПЧ.

Схема трехфазно-однофазного НПЧ, состоящая из двух мостовых тиристорных групп, соединенных встречно-параллельно, приведена на рис. 6.56.

Рис. 6.56. Трехфазно-однофазный НПЧ

Нагрузка Z_H преобразователя имеет активно-индуктивный характер (индуктор низкочастотного нагрева, низкоскоростные асинхронные двигатели в преобразователях с трехфазным выходом, сеть переменного тока частоты f₂, и т. д.).

Вид кривой выходного напряжения преобразователя показан на рис. 6.57, а. Она формируется при последовательности вступления в работу тиристоров обеих групп, но при циклическом изменении во времени углов отпирания тиристоров (рис. 6.57, б).

В результате кривая выходного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

При активно-индуктивной нагрузке имеются интервалы времени, в течение которых первая гармоника напряжения U_H(1) и первая гармоника тока I_H(1) находятся в противофазе (интервалы 0 – ₂t₁, π – ₂t₂). В указанных интервалах времени обеспечивается работа соответствующей тиристорной группы в режиме инвертирования. Так, например, на интервале ₂t₁ ÷ π тиристорная группа I работает в режиме выпрямления, а при достижении точки π она переводится в режим инвертирования, который продолжается до момента времени ₂t₂. На интервале от точки ₂t₂ до 2π тиристорная группа II работает в режиме выпрямления, а инверторному режиму работы тиристорной группы II соответствует интервал от 2π до ₂t₁. На тех участках, где напряжение U_H(1) и ток I_H(1) находятся в противофазе и тиристорные группы работают в режиме инвертирования, энергия, накопленная в реактивных элементах нагрузки, возвращается в сеть переменного тока частоты f₁.

Рис. 6.57. Напряжение на выходе (а) и алгоритм управления (б) трехфазно-однофазного НПЧ

Для управления НПЧ, как правило, используется так называемый раздельный способ. Суть этого способа управления состоит в разнесенном во времени управлении тиристорными группами I и II. При этом осуществляют задержку (блокировку) в подаче отпирающих импульсов на тиристоры вступающей в работу группы, что необходимо для исключения короткого замыкания вторичных обмоток трансформатора через тиристоры обеих групп. Так, например, после того, как тиристорная группа I проработала сначала в режиме выпрямления, а затем в интервале  – ₂t₂ (рис. 6.57, а) – в режиме инвертирования, управляющие импульсы в момент времени ₂t₂ снимаются с тиристоров группы I (используется сигнал датчика тока, определяющего момент снижения до нуля тока нагрузки i_H или тока тиристоров). К тиристорам этой группы прикладываются напряжения в обратном направлении. Под действием этих напряжений тиристоры первой группы выключаются. Подачу управляющих импульсов к тиристорам группы II осуществляют с некоторой задержкой относительно момента времени, гарантирующей завершение процесса восстановления запирающих свойств ранее проводивших тиристоров группы I. Рассмотренная особенность работы НПЧ при раздельном управлении обуславливает появление токовых пауз после моментов времени ₂t₁, ₂t₂ (на рис. 6.57, а не показаны). Вместе с тем, токовые паузы, определяемые главным образом временем выключения используемых тиристоров, малы (до 1° сетевой частоты 50 Гц, а по отношению к периоду выходной частоты – еще меньше) и практически их можно не учитывать при анализе процессов в схеме.

Согласованность режима раздельного управления тиристорными группами при формировании кривой выходного напряжения НПЧ обуславливается связью углов управления _I и _II в соответствии с равенствами _I = β_II, _II = β_Ι. Возможный диапазон изменения углов _I и _II при формировании кривой выходного напряжения (если исключить из рассмотрения интервалы γ и ) близки к 180°.

Регулировочные, внешние (нагрузочные) и энергетические характеристики непосредственного преобразователя частоты зависят от формы и амплитуды модулирующей функции управления углами _I и _II. Моделирующая функция чаще всего бывает треугольной (рис. 6.57, б), трапецеидальной или синусоидальной.

Относительную амплитуду модулирующей функции обозначим через ξ. Коэффициент ξ определяет глубину регулирования амплитуды выходного напряжения. При ξ = 1, что соответствует максимальному выходному напряжению, углы _I и _II необходимо изменять в пределах от 0 до 180° по линейному закону, которому отвечают сплошная и пунктирная ломаные линии _I и _II на рис. 6.57, б. Характеру изменения угла _I при ξ = 1 соответствует построенная на рис. 6.57, a кривая напряжения U_H (u₁).

В течение первой четверти периода частоты f₂ (рис. 6.57), когда формируется восходящая часть полуволны напряжения положительной полярности, углы _I отпирания тиристоров группы I изменяются от 180° до 0, а _II = 180°, что соответствует режиму выпрямления тиристорной группы I. В течение второй четверти периода, когда образуется нисходящая часть той же полуволны напряжения U_H, режим работы групп сохраняется, но при этом он связан с увеличением углов _I от 0 до 180°.

Полуволна напряжения отрицательной полярности формируется аналогичным образом. Однако, теперь тиристорная группа II работает в режиме выпрямления с диапазоном изменения углов от 180° до 0 и затем вновь до 180°.

Уменьшение коэффициента ξ позволяет осуществлять регулирование амплитуды выходного напряжения преобразователя. При ξ < 1 углы _I, _II изменяются в меньших пределах и им соответствуют значения минимальных углов, большие нуля, и значения максимальных углов, меньшие 180 градусов.

Коммутация тока в НПЧ рассматриваемого типа осуществляется так же, как в выпрямителях и ведомых инверторах, под действием напряжения питающей сети. Поэтому минимальные значения углов α и β не должны быть меньше суммы угла коммутации и угла восстановления запирающих свойств тиристоров _min = 2f₁t_B. Таким образом, реально возможный диапазон изменения углов _I, _II при формировании кривой выходного напряжения получается меньше 180 градусов. Верхнему пределу регулирования напряжения соответствует коэффициент ξ = 0,9  0,95.

Трехфазные непосредственные преобразователи частоты выполняют на основе трех однофазных. Необходимый фазовый сдвиг выходных напряжений в 120 градусов здесь осуществляется путем сдвига на указанный угол сигналов, управляющих изменением углов трех преобразователей. Одновременно с регулированием выходного напряжения в преобразователях, как правило, осуществляется регулирование выходной частоты. Нижний предел регулирования частоты может быть близок к нулю. Верхний предел ограничивается отношением питающей частоты к выходной частоте f₁/f₂ которое обычно не бывает ниже двух. Это объясняется существенными искажениями формы кривой выходного напряжения при переходе на более высокие частоты f₂. Непосредственный преобразователь частоты генерирует высшие гармоники как в токе питания, так и в выходном напряжении и токе.