2.7. Высшие гармонические первичного тока управляемых выпрямителей и ведомых сетью инверторов

Кривые тока сети управляемых выпрямителей и ведомых сетью инверторов при больших индуктивностях в нагрузке значительно от­личаются от синусоиды. Это свидетельствует о том, что рассматриваемые силовые преобразователи для сети переменного тока являются генераторами некоторого спектра высших гармонических, что отрица­тельно воздействует на сеть. Протекание высших гармоник по обмот­кам генераторов, питающих сеть, вызывает в них дополнительные потери и нагрев. Дополнительные потери создаются в передающих линиях и промежуточных трансформаторах. Падение напряжения от высших гармонических на внутренних импедансах питающей сети вызывает искажения формы питающего напряжения, что отрицатель­но сказывается на работе других потребителей. Искажение формы питающего напряжения особенно ощутимо, когда мощность сети со­измерима с мощностью силового преобразователя.

Исследование спектрального состава для рассматриваемых преоб­разователей и для всех последующих рассмотрений (когда это необ­ходимо) осуществляется с использованием пакета расширения Signal Processing Toolbox (SPTool). На рис. 2.15, в качестве примера, показан спектр тока потребления трехфазного мостового управляемого вып­рямителя.

Как видно, спектр потребляемого тока содержит 1, 5, 7, 11 гармони­ки. Относительные (по отношению к первой гармонике) амплитуды высших гармоник рассчитываются, как отношение , где υ — по­рядковый номер гармоники. Расчет абсолютных величин гармоник бу­дет описан далее в лабораторных работах.

Рис. 2.15. Спектральный состав тока потребителя управляемого выпрямителя

2.8. Непосредственные преобразователи частоты

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) 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. 2.16 при питании от однофазной сети через трансформатор со средней точкой.

Схема (рис. 2.16 а) по сути является реверсивным однофазным уп­равляемым выпрямителем, который подробно рассмотрен выше.

Этот реверсивный выпрямитель управляется по определенной программе, представленной на рис. 2.16 б. Первоначально проводят тиристоры Т1 и Т2 при изменении угла включения α₁ в диапазоне , а тиристоры ТЗ и Т4 закрыты, т. к. их угол включения α₂=π. В следующем временном интервале проводят тиристоры ТЗ и Т4; ( ), а тиристоры Т1 и Т2 закрыты, т. к. α₁ = π .

На рис. 2.16 б 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. 2.17.

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. 2.18 а. Она формируется при последовательности вступления в работу тиристоров обеих групп, но при циклическом изменении во времени углов отпирания тиристоров (рис. 2.18 б).

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

Рис. 2.16. Однофазно-однофазный НПЧ

Рис. 2.17. Трехфазно-однофазный НПЧ

Рис. 2.18. Напряжение на выходе (а) и алгоритм управления (б) трехфазно-однофазного НПЧ

При активно-индуктивной нагрузке имеются интервалы времени, в течение которых первая гармоника напряжения u_H(l) и первая гармоника тока i_H(l) находятся в противофазе (интервалы 0-ω₂t₁, π-ω₂t₂). В указанных интервалах времени обеспечивается работа соответствующей тиристорной группы в режиме инвертирования. Так, например, на интервале ω₂t₁-π тиристорная группа I работает в режиме выпрямления, а при достижении точки π она переводится в режим инвертирования, который продолжается до момента времени ω₂t₂ . На интервале от точки (ω₂t₂ до 2π тиристорная группа II работает в режиме выпрямления, а инверторному режиму работы тиристорной группы II соответствует интервал от 2π до ω₂t₁. На тех участках, где напряжение u_H(l) и ток i_H(l) находятся в противофазе и тиристорные группы работают в режиме инвертирования, энергия, накопленная в реактивных элементах нагрузки, возвращается в сеть переменного тока частоты f₁.

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 на интервале π-ω₂t₂(рис. 2.18 а) — в режиме инвертирования, управляющие импульсы в момент времени ω₂t₂ 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 ω₂t₁, ω₂t₂ (на рис. 2.18 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 α_I и α_II в соответствии с равенствами α_I=β_II, α_II=β_I. Возможный диапазон изменения уг­лов α_I и α_II при формировании кривой выходного напряжения (если исключить из рассмотрения интервалы γ и θ) близки к 180°.

Регулировочные, внешние (нагрузочные) и энергетические характе­ристики непосредственного преобразователя частоты зависят от фор­мы и амплитуды модулирующей функции управления углами α_I и α_II. Моделирующая функция чаще всего бывает треугольной (как на рис. 2.18 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 α_I и α_II необходимо изменять в преде­лах от 0 до 180° по линейному закону, которому отвечают сплошная и пунктирная ломаные линии α_I и α_II на рис. 2.18 б. Характеру изме­нения угла α_I при ξ = 1 соответствует построенная на рис. 2.18 а кривая напряжения u_H(u₁).

В течение первой четверти периода частоты f₂ (рис. 2.18 а, б), когда формируется восходящая часть полуволны напряжения поло­жительной полярности, углы α_I отпирания тиристоров группы I изме­няются от 180° до 0, а α_II=180°, что соответствует режиму выпрям­ления тиристорной группы I. В течение второй четверти периода, когда образуется нисходящая часть той же полуволны напряжения u_н, режим работы групп сохраняется, но при этом он связан с увели­чением углов α_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 α_I, α_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 . Таким обра­зом, реально возможный диапазон изменения углов α_I, α_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. Исследование спектральных характеристик преобразователя является достаточно важной задачей. Эта задача решается с использованием пакета расширения Signal Processing Toolbox.

На рис. 2.19, в качестве примера, показан спектральный состав вы­ходного тока однофазного НПЧ, питающегося от трехфазной сети при треугольной модуляции входного сигнала с частотой 5 Гц.

Здесь в выходном токе, кроме основной гармоники (5 Гц), присут­ствуют значительное количество гармоник высшего порядка. Ампли­туды этих гармоник в значительной степени зависят от характера на­грузки и формы модулирующего сигнала.

Рис. 2.19. Спектральный состав выходного тока однофазного НПЧ

72