6.3.4. Электропривод переменного тока на основе преобразователей частоты с непосредственной связью
Преобразователем частоты с непосредственной связью (НПЧ) называется прямой преобразователь, в котором энергия источника переменного тока передаётся в нагрузку непосредственно на проводящих интервалах силовых ключей схемы. Наиболее широкое применение преобразователи, выполненные на тиристорах, находят в электроприводе для управления низкоскоростными двигателями очень большой мощности. Основой силовой части таких преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристоров, каждая из которых может работать в выпрямительном или инверторном режимах.
Такие преобразователи
могут выполняться с естественной и
искусственной коммутацией тиристоров.
Рассмотрим на примере однофазного
непосредственного преобразователя
частоты принцип работы НПЧ с естественной
коммутацией ( см. рис. 6.32,а). В схеме две
группы тиристоров: катодная, вентили
VS1,
VS2,
VS3;
анодная, вентили VS4
VS5
VS6.
Пусть нагрузка Zн=
Rн,
т.е. активная. Управляющие импульсы от
системы управления СУ поступают на
тиристоры катодной и анодной группы
поочерёдно. Когда импульсы, синхронизированные
по частоте с напряжением питающей сети
,
подаются последовательно на тиристоры
VS1,VS2,VS3
катодной группы, она работает в режиме
выпрямления (по трёхфазной нулевой
схеме), формируя на нагрузке положительную
полуволну напряжения относительно
нулевой точки трансформатора (см. рис.
6.32,б). Когда проводят ток тиристоры
VS4,VS5,VS6,
формируется отрицательная полуволна
выходного напряжения . В результате
циклической работы катодной и анодной
групп выпрямления создаётся переменное
напряжение на нагрузке , с частотой
основной гармоники более низкой, чем
частота питающей сети .
Выходное напряжение на нагрузке определяется соотношением
,
(6.36)
где - число фаз питающей сети (трансформатора);
– угол управления;
.
Из рис. 6.32,б видно, что частота выходного напряжения ниже, чем частота , и что
,
где n=0,1,2,3… - число участков синусоид в полуволне.
Так
как
,
то выходная частота в общем случае
определится
.
(6.37)
Рис. 6.32. Преобразователь частоты с непосредственной связью: а – схема; б – диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке без паузы между коммутацией групп 1 и 2
Согласно (6.37) частота выходного напряжения может иметь только дискретные значения, например, для трёхфазно-однофазной схемы НПЧ при n=3
Гц,
для шестипульсной однофазной схемы ( см. рис. 6.33,а)
,
где p=2 – пульсность схемы выпрямления,
Гц.
Рис. 6.33. Преобразователь с непосредственной связью на базе трёхфазной мостовой (шестипульсной) схемы: а – схема; б – диаграмма выходного напряжения
На диаграмме
выходного напряжения (см. рис. 6.32,а и
6.33,а) кривая
представляет
первую гармонику напряжения,
соответствующего частоте .
При активно-индуктивной нагрузке для рекуперации энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки (обмотки статора АД и СД), тиристорные группы поочерёдно переводят из выпрямительного режима в инверторный: 1-ая группа при отрицательных напряжениях, 2-ая группа при положительных напряжениях с углом >90˚(см. рис. 6.34).
Для получения плавного регулирования частоты НПЧ необходимо вводить паузу между выключением и включением первой и второй групп тиристоров. При этом выходная частота
.
(6.38)
Эта пауза необходима и при активной нагрузке для предотвращения одновременной проводимости выключающегося вентиля группы, выходящей из работы, и вентиля группы, вступающей в работу. Длительность этой паузы не должна быть меньше времени восстановления запирающих свойств тиристоров ( см. рис. 6.34).
На рис. 6.35 приведена принципиальная схема НПЧ, выполненная на встречно-параллельных выпрямителях по 3-х фазной мостовой схеме выпрямления, работающих на статорную обмотку синхронного двигателя.
Рис. 6.34. Диаграммы напряжений и тока НПЧ, работающего на активно-индуктивную нагрузку
Здесь ВВ – высоковольтный выключатель, ТР – силовые трансформаторы, В1,В2…В5,В6 – встречно-параллельно включённые мостовые выпрямителя, работающие на статорные обмотки СД, L – реакторы для уменьшения взаимного влияния коммутационных процессов мостовых выпрямителей, ДТ – датчики тока, ДН – датчики напряжения, Ф - фильтр высших гармонических (4 и 5 гармоники), QF1, QF2 – автоматические выключатели, ТВ – тиристорный возбудитель.
6.35. Принципиальная схема частотно-регулируемого электропривода по системе НПЧ СД |
