2.7. Преобразователи частоты с непосредственной связью с сетью

Данный класс ПЧ, получивших название непосред­ственных преобразователей (НПЧ), характерен однократ­ным преобразованием энергии. Потребляемая из сети переменного тока электроэнергия с неизменными напря­жением и частотой преобразуется в одном силовом уст­ройстве в энергию переменного тока с регулируемыми по амплитуде и частоте напряжением и током нагрузки (обычно трехфазного двигателя). В струк­турном отношении НПЧ весьма прост, его основу состав­ляет реверсивный УП постоянного тока, в качестве которого наиболее часто используется рассмотренный раньше тиристорный выпрямитель. Если изменять синусоидально с определенной час­тотой управляющее напряжение УП, то на его выходе получим выпрямленную ЭДС, синусоидально изменяющуюся с той же частотой и приложенную к однофазной на­грузке переменного тока. Изменяя частоту и амплитуду управляющего сигнала, будем изменять соответственно частоту и амплитуду ЭДС. Очевидно, что для трехфазной нагрузки потребуется три комплекта реверсивных УП, работающих с синхронизированным сдвигом фаз в 120° по выходной ЭДС НПЧ.

С труктурная схема НПЧ изображена на рис. 2.37. Но­вым элементом в этой схеме по сравнению с управляемым выпрямителем оказы­вается лишь задающее устройство ЗУ, которое формирует в соответствии с заданием на амплитуду U_зА и ча­стоту U_зf управляющие напряжения U_у1, U_у2, U_у3, обра­зующие трехфазную систему.

Схема соединения вентильных групп НПЧ приведена на рис. 2.38. Каждая вентильная группа (IВГ, IIВГ, IIIВГ), предназначенная для одной фазы нагрузки, со­стоит из двух подгрупп (ВГ1 и ВГ2) и собрана по трех­фазной реверсивной нулевой схеме. Трехфазная симмет­ричная нагрузка позволяет исключить нулевой провод, который требуется в однофазном варианте НПЧ. В отличие от нулевой схемы управляемого выпрямителя для нагрузки постоянного тока, НПЧ может работать и без трансформатора, если не требуется согласования напряжений сети и нагрузки. Для ограничения уравнительных токов при совместном управлении вентильными подгруппами включаются уравнительные реакторы УР1 и УР2. Данная схема содержит 18 тиристоров, что превышает число силовых вентилей в ПЧ с автономным инвертором. При желании уменьшить пульсации от высших гармонических в составе напряжения и тока нагрузки и повысить коэффициент мощности НПЧ применяют мостовые схемы вентильных подгрупп, как показано на рис. 2.39.

В ентильная группа для каждой фазы нагрузки состо­ит из двух подгрупп - ВГ1 ВГ2, образующих два мо­ста, соединенных встречно-параллельно. Если вентильные группы подключены параллельно к одному источнику питания, как показано на рис. 2.39, то фазы нагрузки должны быть гальванически развязаны друг от друга. При электрически объединенной трехфазной нагрузке с тремя выводами вентильные группы IВГ, IIВГ, IIIВГ должны были бы соединяться между собой в звезду или треугольник. Это привело бы к появлению короткозамкнутых цепей для питающей сети через соединенные меж­ду собой вентильные группы. Поэтому при электрически объединенной трехфазной нагрузке для устранения короткозамкнутых контуров IВГ, I1ВГ и 111ВГ получают питание от индивидуальных вторичных обмоток трансформатора. Большое число управляемых вентилей (36 штук) делает мостовую схему НПЧ сложной и дорогостоящей. Применение ее оправдано для электроприводов большой мощности (сотни киловатт и более). Приведенные на рис. 2.38 и 2.39 схемы упрощаются при раздельном управлении вентильными группами, не требующем уравнительных реакторов.

С одной стороны, выходная фазная ЭДС НПЧ, усредненная на интервале проводимости, определяется согласно (2.9)

E_п = E_docos. (2.83)

С другой стороны, для выходной ЭДС принимаем синусоидальную форму с требуемыми значениями амплитуды E_пm и частоты  = 2 / T_п

E_п = E_пmsin_пt. (2.84)

Из (2.83) и (2.84) находим необходимый за­кон изменения угла открывания вентильной группы од­ной фазы

. (2.85)

Данный закон регулирования угла открывания реали­зуется с помощью СИФУ, характеристика управления которого определяется (2.54) и (2.57). Тогда для косину-соидальной формы опорного напряжения U_оп = U_пmcos напряжение управления с учетом (2.54) и (2.85) будет

, (2.86)

а для пилообразной линейной формы опорного напряжения

. (2.87)

Таким образом, задавая на входе СИФУ периодичес­кие функции напряжения управления (2.86) или (2.87), получаем на выходе НПЧ синусоидально изменяющуюся ЭДС. При этом частота ЭДС равна частоте напряжения управления, которая, в свою очередь, определяется соот­ветствующим задающим напряжением

_п = k_пfU_зf, (2.88)

где k_пf - передаточный коэффициент, 1/(В с).

Выражение (2.88) можно рассматривать как форму­лу характеристики управления НПЧ по каналу частоты. Амплитуда ЭДС определяется амплитудой U_у согласно (2.86) и (2.87) соответственно:

; (2.89)

. (2.90)

Выражения (2.89) и (2.90) математически описывают характеристики управления НПЧ по каналу ЭДС, кото­рые совпадают с характеристиками управления для вы­прямленной ЭДС управляемого выпрямителя. Синусоидальная форма ЭДС соответствует так назы­ваемой гладкой составляющей ЭДС, то есть усредненным на интервалах проводимости значениям. В действитель­ности кривая мгновенной ЭДС формируется из кусочно-синусоидальных импульсов.

Н а рис. 2.40 показано изменение выпрямленной ЭДС на группе вентилей с общими катодами в зависимости от изменения напря­жения управления. Аналогичная диаграмма может быть построена и для ЭДС группы вентилей с общими анодами. Тогда средняя выходная фазная ЭДС цепи нагрузки будет определяться как алгебраическая сумма сред­них ЭДС вентильных групп с общими катодами и с общими анодами.

В составе выходной ЭДС НПЧ содержится широкий спектр высших гармоник, определяемый как частотой питающей сети, так и частотой цепи нагрузки. Этот приводит к до­полнительному снижению коэффициента мощности. Рас­сматривая НПЧ как управляемый выпрямитель с синусоидально изменяющейся выпрямленной ЭДС, имеем коэффициент сдвига k_c (основную составляющую коэффициента мощности) от изменения угла открывания управляе­мых вентилей:

, (2.91)

где  - угол коммутации вентилей.

Подстановка  из (2.85) в (2.91) при Е_пm =Е_do и без учета  дает

.

Таким образом, изменение  приводит к перио­дическому изменению k_с от 0 до 1. Очевидно, в среднем за полупериод k_с = 2/ = 0,64. Снижение Е_пm /Е_do приво­дит к еще большему уменьшению k_с. Индуктивность нагрузки и несинусоидальность токов нагрузки снижают допол­нительно результирующий коэффициент мощности НПЧ. Для повышения коэффициента мощности НПЧ могут применяться компенсирующие средства в виде конден­саторов, устанавливаемых на первичной стороне.

Особенность НПЧ как управляемого источника часто­ты - это однозонное регулирование частоты вниз от ча­стоты питающей сети. Период выходной ЭДС НПЧ T_п составляется из интервалов проводимости вентильных групп T_с /p, число которых N превышает пульсность выпрямления p вентильной группы. Если принять, что в период T_п укладывается целое число интервалов проводимости, то

, (2.92)

где T_с - период напряжения сети; n = 0, 1, 2, З...

Теоретически при п = 0 T_п= T_с , то есть максимально воз­можная частота НПЧ равна частоте сети. Однако практически период T_п должен превышать возможный дрейф частоты управляющего сигнала _f и бестоковую паузу _o при переключении вен­тильных групп с раздельным управлением. При сделан­ном допущении о целом числе интервалов проводимости в периоде T_п и с учетом того, что и , по­лучим для минимального T_п в соответствии с (2.92) для трехфазного НПЧ, вентильная группа которого имеет p = 3

.

Таким образом, максимальная частота, практически реализуемая в НПЧ, примерно в два раза меньше частоты питающей сети. Это является определенным недостатком для НПЧ, используемых в системах электропривода. Сниженная частота НПЧ по сравнению с номинальной частотой сети приводит к недоиспользованию двигателя по скорости, а следовательно, и по мощности. Поэтому целесообразно применение асинхронных дви­гателей с номинальной частотой меньше 50 Гц. Одно­кратное преобразование энергии переменного тока с вы­соким КПД делает НПЧ перспективным преобразовате­лем, управляющим наиболее массовым и дешевым типом двигателя - асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Структурная идентичность НПЧ с ревер­сивным управляемым выпрямителем является предпосылкой для схемной и конструктивной унификации данных преобразователей. Выполненная в виде унифицированного блока-модуля шестивентильная управляемая группа может использоваться как составляющая часть при построении управляемых выпрямителей, а также при построении НПЧ.

При инженерных расчетах преобразователь частоты с непосредственной связью с питающей сетью в линейном приближении по каналу регулирования амплитуды выходной ЭДС имеет передаточные функции, аналогичные передаточным функциям управляемого выпрямителя (2.62) – (2.64). По каналу регулирования частоты такой преобразователь приближенно можно считать безынерционным звеном.

Преобразователи частоты с непосредственной связью и их характеристики подробно рассмотрены в /1/.