3577

Ступенчатый метод регулирования характеризуется ступенчатым изменением амплитуды (действующего значения) переменного напряжения, подводимого к нагрузке, без изменения формы его кривой. Этот метод осуществляют с помощью трансформатора, выводы от вторичной обмотки которого через включенные встречно-параллельно тиристоры связаны с нагрузкой (рис. 7.9, а). Отпирание тиристоров происходит при переходе переменного напряжения через нуль (рис. 7.9, б, в). Регулирование мощности в нагрузке (например, с целью изменения температуры печи в определенном диапазоне) осуществляется системой управления, которая производит избирательную подачу отпирающих импульсов на соответствующую пару включенных встречно-параллельно тиристоров. Сложная конструкция трансформатора, наличие большого количества тиристоров, а также невозможность плавного регулирования мощности в нагрузке являются недостатками данного метода регулирования.

Рис. 7.9. Схема преобразователя со ступенчатым регулировании переменного напряжения (а) и его временные диаграммы (в, г)

Преимущества метода — отсутствие искажений в кривой потребляемого от сети тока, а также фазового сдвига тока относительно напряжения питающей сети (при чисто активной нагрузке).

7.3. Широтно-импульсный метод регулирования переменного напряжения на пониженной частоте

t

Широтно-импульсный метод регулирования на пониженной частоте основывается на изменении числа периодов переменного напряжения, подводимого к нагрузке. Для его реализации требуется схема вида рис. 7.1, а или б, в. Диаграммы напряжений на рис. 7.10 иллюстрируют принцип работы преобразователя переменного напряжения при данном методе регулирования. Этот метод позволяет осуществить регулирование мощности в нагрузке в диапазоне от U2/Rн до нуля. Его недостатком является присутствие гармонических в токе сети с частотами ниже 50 Гц, что обусловливается импульсным характером потребления энергии от сети. Указанный недостаток в значительной степени ослабляется при питании от общей сети переменного тока группы из нескольких преобразователей, когда отсутствие потребления тока одним преобразователем компенсируется потреблением тока другими преобразователями.

Рис. 7.10. Временные диаграммы напряжений, иллюстрирующие принцип широтно-импульсного метода регулирования

на пониженной частоте

8. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

Автономные инверторы – устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку. В этом главное отличие автономных инверторов, также преобразующих постоянный ток в переменный, но работающих на сеть переменного тока. Нагрузкой автономного инвертора может быть единичный потребитель (двигатель переменного тока, электрическая установка) или разветвленная сеть потребителей (несколько нагрузок, обеспечивающих технологический процесс).

Основой автономного инвертора является вентильное переключающее устройство, которое может выполняться по однофазным и трехфазным схемам.

Вкачестве ключей в автономных инверторах служат силовые транзисторы и одно – или двух операционные тиристоры.

Всвязи с большим разнообразием схемных решений все автономные инверторы можно подразделить на автономные инверторы напряжения (АИН), автономные инверторы тока (АИТ) и автономные резонансные инверторы (АИР).

Характерной особенностью АИН является то, что источник питания работает в режиме источника напряжения (например, аккумуляторная батарея). При питании схемы от выпрямителя на входе АИН включают конденсатор большой емкости с целью шунтирования источника питания по переменному току для придания ему свойств источника напряжения.

ВАИТ конденсатор подключают параллельно нагрузке, а источник питания работает в режиме источника тока. Такой режим создается путем включения в цепь источника питания дросселя Ld с большой индуктивностью.

ВАИР конденсатор можно включить последовательно с нагрузкой. Характер протекающих процессов в главных цепях ключевой схемы обусловливается колебательным процессом перезаряда конденсатора в цепи

систочником питания и индуктивностью. В связи с этим ток в цепи нагрузки приближается по форме к синусоиде.

Основой автономного инвертора является вентильное переключающее устройство, которое может выполняться по однофазным и трехфазным схемам (с нулевым выводом или мостовым). Здесь в качестве ключей могут применяться транзисторы и тиристоры.

8.1.Автономные инверторы напряжения

По способу формирования выходного напряжения инверторы напряжения можно разделить на три основных категории.

1. ШИМ инверторы

Вних входное напряжение постоянно по величине. Для выпрямления переменного напряжения используется неуправляемый выпрямитель на диодах. Поэтому на инвертор возлагаются функции управления амплитудой и частотой переменного напряжения на выходе. Это достигается использованием широтно-импульсной модуляции (в английской транскрипции PWM – Pulse – Width – Modulated) для вентилей инвертора, поэтому такие инверторы называют инверторами с ШИМ. Существуют различные схемы модуляции вентилей инвертора для получения максимально близкой по форме к синусоидальной выходного переменного напряжения. Из этих схем подробно рассмотрим схему синусоидальной ШИМ.

2.Инверторы прямоугольного напряжения

Вэтих инверторах постоянное входное напряжение управляемо, так что регулируется и величина выходного переменного напряжения, поэтому инвертор контролирует только частоту выходного напряжения, которое имеет форму схожую с прямоугольной.

Для понимания характеристик инвертора переменного тока в одноплечевой схеме рис.8.2 будем предполагать, что входное постоянное напряжение Ud неизменно и для управления выходным напряжением используется ШИМ модуляция вентилей инвертора. Далее будет показано, что переключения по схеме прямоугольного сигнала являются особым случаем схемы переключений ШИМ.

Особенности работы автономных импульсных инверторов

Рассмотрим для примера одну из фаз инвертора, схематично изображенного на рис.8.1,а, где выходное напряжение отфильтровано, так что U0 можно считать синусоидальным.

При работе на активно – индуктивную нагрузку ток i0 будет отставать от U0, как показано на рис. 8.1,б, то есть на интервале 1 U0 и i0 положительны, тогда как на интервале 3 они оба отрицательны, так что на этих интервалах поток мгновенного значения мощности P0 U 0 i0 направлен со стороны источника постоянного тока к стороне переменного тока. Следовательно, такой режим характеризуется как инверторный.

а)

U0

I0

4 1 2 3

б)

i0

выпрямитель инвертор

U0

инвертор выпрямитель

в)

Рис. 8.1. Однофазный импульсный инвертор

На интервалах 2 и 4 U0 и i0 имеют противоположные знаки и поток энергии направлен от стороны переменного тока к стороне постоянного тока, то есть имеет место выпрямительный режим (режим рекуперации).

Поэтому импульсный инвертор (рис.8.1,а) должен работать во всех четырех квадратах плоскости i0 – U0, как показано на рис.8.1,в, во время каждого периода выходного напряжения.

Методы управления, обеспечивающие заданное качество и диапазон регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения преобразователя частоты, включают в себя различные способы формирования кривой выходного напряжения, закон модуляции угла управления вентилями при выбранной кратности несущей и модулирующей частот, алгоритмы управления основными и вспомогательными вентилями, последовательности переключения взаимно обратных групп.

Под способом формирования выходного напряжения следует понимать закон изменения во времени уровней напряжения на выходе преобразователя частоты. Каждый способ формирования реализуется путем последовательности операций над вентилем.

Так в преобразователях с выходным звеном в виде автономного инвертора тока (АИТ) формирование кривой выходного напряжения происходит при изменении моментов включения вентилей при сохранении примерно неизменной длительности протекания тока через вентиль, а в преобразователях с выходным звеном в виде автономного инвертора напряжения (АИН) формирование кривой выходного напряжения обеспечивается за счет изменения длительности проводящего состояния вентилей

(рис.8.2, 8.3).

Рис. 8.2. Формирование фазного напряжения АИТ: а – силовая цепь; б – диаграммы напряжения и тока

iн

б)

Рис. 8.3. Формирование фазного напряжения АИН

а– силовая цепь; б – диаграммы напряжения и тока

Сточки зрения методов управления целесообразно применять силовые схемы, позволяющие регулировать напряжение в пределах выходного звена преобразователей. АИН не позволяет производить переключения вентилей в течение полуволны выходного напряжения, поэтому в качестве выходных звеньев преобразователей инверторного типа применяются АИН, АИТ и непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

Процесс формирования тока в фазе ПЧ в течение полупериода выходной частоты обеспечивается либо переводом вентилей в различные режимы работы (например, при активно – индуктивной нагрузке по рис.8.1 осуществляются выпрямительные и инверторные режимы), либо разделением этих режимов построением силовой схемы (контуры принудительной коммутации и обратные диоды в АИН).

Эффективность ПЧ взаимосвязана с методами управления, которыми задается совокупность различных характеристик преобразователя, а практическая реализация производится в рамках определенных структур системы управления.

Всамом общем виде в составе СУ можно выделить три основные части (рис. 8.4):

-информационную;

-датчики контроля различных параметров;

-источник питания.

Источники питания обеспечивают питание напряжением заданного вида и качества различных узлов и блоков СУ. Обеспечение СУ информацией о состоянии преобразователя, энергии на входе и выходе осуществляется с помощью соответствующих датчиков.

Информационная часть

Управляющее системы управления воздействие

От источника питания

Рис. 8.4. Функциональные связи информационной части СУ ТПЧ

Информационная часть (под которой в дальнейшем будем понимать СУ) воспринимает управляющие сигналы извне, сигналы о состоянии преобразователя и формирует управляющие воздействия на вентили силовой части.

Методы управления, воспроизводимые СУ, влияют на качество энергии на входе и выходе преобразователя. Основным звеном СУ ПЧ, определяющим качество преобразованной энергии, является генератор модулирующей функции, который задает ―образ‖ выходного напряжения.

Улучшить качество преобразованной энергии можно как выбором вида модулирующей функции напряжения управления, так и построением силовой схемы преобразователя.

Применение фильтров на выходе тиристорных преобразователей с регулируемой частотой для улучшения качества преобразованного напряжения является нецелесообразным из-за существенного увеличения их установленной мощности. Поэтому общепризнанным является улучшение параметров выходного напряжения с помощью различных методов управления.

8.2. Анализ влияния методов управления на качество преобразованной энергии

При импульсно – фазовом управлении преобразование модулирующего сигнала во временной интервал можно представить в виде одного из уравнений:

где C(t) –параметр, зависящий от времени, но независящий от Uмод, т.е. несущий сигнал;

R(Uмод) – параметр, зависящий от Uмод, но независящий от време-

ни;

Q(Uмод.t) – параметр, зависящий от Uмод и t.

Уравнение (8.1) описывает функционирование СУ вертикального, (8.2) – горизонтального, а (8.3) – комбинированного принципов управления. В ПЧ с регулируемой выходной частотой находит применение только вертикальный способ управления.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения преобразователя частоты при вертикальном способе управления получается путем сравнения двух периодических сигналов: модулирующего и несущего. Модулирующий сигнал Uмод несет информацию о частоте, амплитуде и форме выходного напряжения (или тока). Несущий сигнал Uнес информирует о текущем значении угла управления вентилями.

Проанализируем влияния вида модулирующей функции напряжения управления на качество преобразованного напряжения, приняв допущение о бесконечно большой кратности частот модулирующего и несущего напряжений. При этом допущении будем считать, что фазное напряжение на входе преобразователя повторяет по форме модулирующую функцию напряжения управления [37].

Принимаем два способа соединения нагрузки и соответственно обозначим: UY0 – фазное напряжение на нагрузке при соединении ее в звезду с нулевым проводом (рис. 8.5,а); UY – фазное напряжение на нагрузке при соединении ее в звезду без нулевого провода (рис. 8.5,б).

При соединении нагрузки в звезду с нулевым проводом, фазное напряжение на нагрузке равно фазному напряжению на выходе преобразователя (Uвых).

UY0 = UвыхА;

UYВ = UвыхВ; (8.4)

UYC = UвыхС.

При соединении нагрузки в звезду без нулевого провода

Основные понятия и определения

Для сравнения различных видов модулирующего и выходного напряжений преобразователя необходимо ввести основные понятия.

Пилообразный сигнал Uпил на рис.8.6,а с частотой fs устанавливает частоту переключения вентилей (fs называют также несущей частотой). Сигнал управления Uупр с частотой f1 модулирует время работы вентилей.

Требуемая частота напряжения на выходе инвертора f1 называется модулирующей.

Коэффициент модуляции амплитуды ma определяется отношени-

ем

где Uупр – амплитуда сигнала управления.

Амплитуда сигнала несущего напряжения поддерживается обычно постоянной.

Коэффициент модуляции частоты m f определяется

Коэффициент использования напряжения, определяемый как от-

ношение амплитуды первой гармоники выходного напряжения (при ma =1) к максимальному значению питающего напряжения

Коэффициент гармоник (или нелинейных искажений), учитывающий содержание гармоник в кривой выходного напряжения

Относительная частота (номера гармоник) искажающих составляющих