1. Преобразователи частоты с непосредственной связью

Недостатки электромашинных преобразователей и развитие электронной базы привели к созданию статических преобразователей на основе использования тиристоров или транзисторов. По структуре схемы статических преобразователей ча­стоты сходны с аналогичными схемами электромашинных преобразователей и могут быть представлены двумя основ­ными классами: с непосредственной связью и с проме­жуточным звеном постоянного тока. Преобразователь с непосредственной связью предназна­чен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы с раздельным управлением (рис. 1). В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрям­ления; каждая фаза преобразователя состоит из двух та­ких встречно включенных выпрямителей. Группу из трех вентилей, имеющих общий катод, называют положительной или выпрямительной, а группу с общим анодом — отрица­тельной или инверторной. Вентильные группы могут управ­ляться раздельно либо совместно. Во избежание короткого замыкания управляющие им­пульсы при раздельном управлении должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп, в соответствии с на­правлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство, исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время, когда ток проходит в другой группе. В преобразователях с совместной работой вентильных групп необходимо включение дополнительных реакторов, ограничивающих уравнительный ток между вентилями каждой группы, а углы управления положительной, и отри­цательной групп изменяются по определенному закону, исключающему появление постоянной составляющей урав­нительного тока. Преобразователи с совместным управле­нием работой вентильных групп обладают большой установ­ленной мощностью силовых элементов. Рисунок 1 - Преобразователь частоты с непосредственной связью В течение одного полупериода выходного напряжения преобразователя пропускают ток выпрямительные группы, а в течение другого — инверторные. Выходное напряжение состоит из отрезков волн напряжения питающей сети. На рисунке 2 показана кривая выходного напряжения при не­изменном угле включения вентилей ? = 0. Рисунок 2 - Форма выходного напряжения трехфазного преобразова­теля частоты с непосредственной связью К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести: 1) однократное преобразование энергии и, следо­вательно, высокий КПД (около 0,97—0,98); 2) возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на вы­ходе от частоты; 3) свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно; 4) отсутствие ком­мутирующих конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети.) К недостаткам рассмотренного преобразователя частоты относятся: 1) ограниченное регулирование выходной ча­стоты (от 0 до 40 % частоты сети); 2) сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими; 3) невысокий коэффициент мощности — максимальное зна­чение на входе преобразователя около 0,8). Этот преобразова­тель может быть применен в случае использования тихоход­ного безредукторного привода, когда возникает необходи­мость в плавном регулировании угловой скорости (напри­мер, в приводе шаровых мельниц, где номинальная угловая скорость двигателя соответствует 12—15 Гц и регулируется вниз; при этом частота питающей сети составляет 50 Гц). Кроме того, данный тип преобразователя целесообразно применить для регулирования угловой скорости асинхрон­ного двигателя с фазным ротором, работающего в режиме двойного питания, когда статор его присоединен к сети, а ротор питается от той же сети через преобразователь частоты. 2 Статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока Широкое применение в АЭП имеет статический преобразователь частоты с проме­жуточным звеном постоянного тока, структурная схема ко­торого приведена на рисунке 3. Преобразователь состоит из двух силовых элементов — управляемого выпрямителя УВ и инвертора И. На вход УВ подается нерегулируемое на­пряжение переменного тока промышленной частоты; с вы­хода УВ постоянное регулируемое напряжение подается на инвертор И, который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит еще систему управления, состоящую из блока управления вы­прямителем БУВ и блока управления инвертором БУИ. Выходная частота регулируется в широких пределах и опре­деляется частотой коммутации тиристоров инвертора, кото­рая задается блоком управления инвертором БУИ. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осущест­вить при помощи блока задания скорости БЗС требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах асинхронного двигателя. Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе. Рисунок 3 - Структурная схема статического преобразователя частоты с промежуточным эвеном постоянного тока: УВ — управляемый выпрямитель; И — инвертор; БУВ, БУН—соответ­ственно блок управления выпрямителей и инвертором; БЗС — блок задавания скорости Примером принципиальной электрической схемы статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока, выполненного на тиристорах для привода неболь­шой мощности (до 5 кВт), может служить схема, приведен­ная на рисунке 4. В качестве управляемого выпрямителя используются два тиристора (VS7 и VS8) и два диода (VD15 и VD16), включен­ные в так называемую полууправляемую мостовую схему для получения двухполупериодного выпрямленного напря­жения, среднее значение которого можно регулировать обычным способом, воздействуя на угол включения тиристоров VS7 и VS8. Автономный инвертор напряжения (АBН) состоит из шести тиристоров (VS1 — VS6), шести последова­тельно включенных с ними диодов (VD9 — VD14) и шести дио­дов, включенных по трехфазной мостовой схеме (VD18 — VD3) и, наконец, шести колебательных контуров LС. Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляется коммутацией тиристоров VS1 — VS6, работающих в определенной последовательности. Время открытого состояния каждого тиристора составляет 2/3 полупериода выходного напряжения (длительность откры­того состояния тиристоров равна 120°); последователь­ность включения тиристоров отвечает их нумерации по схеме, т.е. сначала включается VS1, через 60° включается VS2 и т. д. до VS6. После VS6 вновь VS1 и т. д. через каждую 1/6 периода выходного напряжения. В каждый момент времени вне коммутации открыты одновременно два тиристора. Включение тиристоров осуществляется подачей положи­тельного импульса на управляющий электрод от БУИ. Для выключения тиристоров необходимо ток, протекающий через него, довести до нуля. Это достигается с помощью коммутирующих контуров LС; например, при включении VSЗ через ранее открытый V1 происходит разряд конденса­тора С и VS1 закрывается. Рисунок 4 - Схема статического преобразователя частоты с промежуточ­ным звеном постоянного тока. Выходное напряжение при чисто активной нагрузке имеет ступенчатую форму (рис.5), и длительность каж­дой ступени соответствует 1/6 периода выходного напряже­ния. Рисунок 5 - Форма выходного на­пряжения при чисто активной нагрузке Диоды VD9…VD14 служат для отделения коммутирующих конденсаторов от нагрузки, что дает возможность сущест­венно снизить их емкость по сравнению с обычным парал­лельным инвертором. Через мост VD18… VD23 реактивная энергия двигателя возвращается конденсатору С1. Напряжение на выходе инвертора регулируется изменением напря­жения на его входе — управляемым выпрямителем, а часто­та — изменением частоты подачи импульсов на тиристоры. Достоинствами однофазной схемы выпрямления явля­ется меньшее количество тиристоров по сравнению с трех­фазной схемой выпрямления, а также более простое управ­ление, что снижает стоимость преобразователя. Поэтому при небольшой мощности привода и малом диапазоне регу­лирования напряжения целесообразно использовать одно­фазный выпрямитель, хотя пульсации выпрямленного на­пряжения получаются довольно большими, что требует применения сглаживающего реактора значительной индук­тивности. Для преобразователей большей мощности с относительно большим диапазоном регулирования выпрямленного напряжения (до 20 : 1) используются трех­фазный полностью управляемый выпрямитель, обычно вы­полняемый по мостовой схеме. При больших диапазонах регулирования напряжения целесообразно для средней мощности преобразователя (до 20 кВт) применять мостовую схему с трехфазным полу­управляемым выпрямителем, который содержит три тиристора и три диода. В данном случае схема оказывается более простой по сравнению с полностью управляемым вы­прямителем.