Преобразовательная техника

При t = t2 принудительно открываются тиристоры VS2, VS3 и к тиристорам VS1, VS4 оказывается приложенным обратное напряжение, равное напряжению, до которого успел зарядиться конденсатор С к этому моменту времени (см. рис. 5.16, г). В результате пара тиристоров VS1, VS4 закрывается, а выходной ток АИТ меняет свое направление. На интервале времени t2 < t < t3 к тиристорам VS1 и VS4 приложено уменьшающееся напряжение конденсатора С. Этот интервал представляет собой схемное время выключения тиристоров. При t = t3 напряжение конденсатора С уменьшается до нуля, меняет полярность и в схеме устанавливается исходное состояние, представленное на рис. 5.16, а.

Рассмотренный АИТ формирует на выходе кривую тока в виде прямоугольных импульсов чередующейся полярности. Вид кривой напряжения при этом определяется параметрами нагрузки, которая, напомним, имеет в целом (с учетом коммутирующего конденсатора С) активноемкостной характер. При малых активных сопротивлениях нагрузки постоянная времени RC-цепи будет невелика, и перезаряд конденсатора С будет происходить быстро (на рис. 5.17, б). При больших активных сопротивлениях нагрузки постоянная времени RC-цепи будет значительна, и перезаряд конденсатора будет происходить медленно (рис. 5.17, а). Обратим внимание на то, что при малых активных сопротивлениях нагрузки время, в течение которого к запираемой паре тиристоров будет приложено обратное напряжение, существенно снижается. Это может привести к тому, что времени окажется недостаточно для восстановления вентильных свойств, и пара тиристоров, которая должна закрыться, самопроизвольно откроется в тот момент времени, когда напряжение на них изменит полярность и станет прямым. Это приведет к короткому замыканию источника питания, потому что открытыми окажутся сразу две пары тиристоров. Такой режим является аварийным и называется опрокидыванием инвертора.

Форма тока, которая получается на выходе рассмотренного АИТ, в большинстве случаев не может удовлетворять требованиям по качеству питания потребителя (нагрузки), потому что содержит высшие гармоники и сильно отличается от синусоидальной формы. Для обеспечения синусоидальности выходного тока в АИТ используются электрические фильтры, подключаемые параллельно на выходные зажимы. Эти фильтры – несколько параллельных ветвей, каждая из которых представляет собой последовательно соединенные емкость и индуктивность, настроенные в резонанс напряжений на частоте одной из высших гармоник. Поскольку сопротивление каждой такой ветви на частоте заданной гармоники близко к нулю, то все высшие гармонические шунтируются, т. е. замыкаются в обход потребителя.

91

Рис. 5.17. Кривые напряжения на нагрузке:

а– при малых нагрузках; б – при номинальной нагрузке

Винженерной практике для расчета инверторных схем часто используют метод основной гармоники, при котором в токах и напряжениях преобразователя выделяют основные гармоники, считая их синусоидальными. Это позволяет воспользоваться методами расчета и анализа цепей синусоидального тока. Характеристики, полученные этим методом, пригодны для практических инженерных расчетов, так как мало отличаются от характеристик, полученных более точным способом – путем решения дифферен-

принятых допущений схему однофазного мостового параллельного инвертора тока можно представить эквивалентной схемой замещения (рис. 5.18, а), которой соответствует векторная диаграмма (рис. 5.18, б).

Рис. 5.18. Упрощенная схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) однофазного мостового параллельного инвертора тока

92

плитуда первой (основной) гармоники этого тока

Действующее значение первой гармоники тока:

Мощность, потребляемая инвертором от источника постоянного напряжения

Мощность нагрузки определяется выражением

Pd Pн ,

где – коэффициент полезного действия преобразователя.

Для анализа параметров нагрузки введем понятие коэффициента нагрузки B, определяемого выражением

Подставив (3) и (4) в (2), получаем уравнение внешней характеристики

Для получения уравнения входной характеристики однофазного мостового параллельного инвертора тока I(1) f (B) воспользуемся векторной диаграммой (рис. 5.18, б). Из векторной диаграммы следует, что

93

Учитывая, что ток нагрузки Iн Uн , получаем выражение входного

Rн

тока для параллельного инвертора:

Используя выражения (1) и (5), получим уравнение входной характеристики инвертора

На практике при построении внешней и входной характеристик используют метод относительных единиц, вводя безразмерное значение напряжения на нагрузке, определяемое как

По выражениям (5) и (6) построены внешняя характеристика (рис. 5.19, а) и входная характеристика (рис. 5.19, б) однофазного мостового параллельного инвертора тока.

Рис. 5.19. Внешняя или выходная (а) и входная (б) характеристики однофазного мостового параллельного инвертора тока

94

шении B объясняется тем, что при холостом ходе и идеальных элементах схемы инвертора внутренние потери энергии отсутствуют. При каждой коммутации тиристоров от источника питания потребляется дополнительная энергия, идущая на перезаряд конденсатора Ск . Поскольку между

мен энергией, напряжение на конденсаторе, а следовательно, и на тиристорах возрастает, что может привести к их пробою.

При возрастании B, т. е. уменьшении Rн , уменьшается время разряда конденсатора Ск на нагрузку, что приводит к снижению напряжения Uн и

уменьшению угла запирания . Таким образом, однофазный мостовой параллельный инвертор тока удовлетворительно работает только в определенном диапазоне изменения коэффициента нагрузки B. Для стабилизации напряжения на нагрузке используют различные схемные решения, рассмотрение которых выходит за рамки данного учебного пособия.

В заключение сформулируем особенности АИТ:

1.Сильная зависимость величины и формы выходного напряжения от величины и характера нагрузки.

2.Ограниченность диапазона изменения нагрузки, при которой обеспечивается удовлетворительная работа инвертора.

3.Необходимость входного дросселя со значительной индуктивностью, что существенно увеличивает массогабаритные показатели преобразователя в целом.

4.Большая инерционность регулирования выходного напряжения изза большой постоянной времени входного дросселя.

5.Простота силовой части инвертора и возможность исполнения ее на дешевых однооперационных тиристорах.

5.5. Преобразователи частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) представляют собой полупроводниковые устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения одной величины и частоты в переменное напряжение другой, как правило регулируемой, величины и частоты. ПЧ позволяют, в частности, осуществлять так называемое частотное регулирование (или частотное управление) асинхронными двигателями. Известно, что асинхронные двигатели, по сравнению с двигателями постоянного тока, более просты по конструкции, надежны, недороги и не требуют особого ухода в эксплуатации. Однако широкое внедрение асинхронного двигателя в регулируемый элек-

95

тропривод, в том числе в тяговый электропривод, длительное время сдерживалось отсутствием надежной и недорогой полупроводниковой элементной базы (тиристоров, транзисторов), которая позволяла бы реализовать способ регулирования скорости вращения АД за счет регулирования частоты питающего напряжения. Развитие технологии производства полупроводниковых приборов открыло возможность создания компактных и надежных преобразователей частоты, которые в настоящее время позволяют реализовывать все преимущества асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе.

ПЧ могут осуществлять преобразование переменного напряжения постоянной или регулируемой величины и частоты в переменное напряжение другой постоянной или регулируемой величины и частоты при любом соотношении количества фаз источника питания и потребителя.

По способу связи нагрузки с питающей сетью ПЧ подразделяются на два больших класса: ПЧ с непосредственной связью (НПЧ) и ПЧ со звеном постоянного тока.

В НПЧ формирование кривой напряжения нагрузки осуществляется за счет прямого (непосредственного) подключения потребителя к питающей сети, откуда и происходит наименование этого класса ПЧ. В качестве примера на рис. 5.20, а приведена схема силовой части простейшего варианта НПЧ – преобразователя однофазного тока в однофазный. В таком варианте схема состоит из прямого и обратного тиристорных мостов, обозначенных римскими цифрами I и II. На вход НПЧ подается синусоидальное напряжение u1 неизменной амплитуды и частоты f1 (рис. 5.20, б), изменяющееся с периодом Твх = 1/f1. При отпирании тиристоров прямого моста (1, 4 или 2, 3) на нагрузке формируется положительный полупериод напряжения uн подобно тому, как это делается в выпрямителях. При отпирании тиристоров обратного моста (1′, 4′ и 2′, 3′) на нагрузке формируется отрицательный полупериод напряжения. Обратим внимание на то, что положительный и отрицательный полупериоды напряжения на нагрузке uн формируются из полуволн питающего напряжения u1. Изменяя количество таких полуволн в каждом полупериоде, можно регулировать период Твых и частоту f2 = 1/Твых напряжения на нагрузке. Для получения плавного регулирования выходной частоты можно вводить регулируемую паузу между моментами времени включения тиристоров прямого и обратного мостов. Величину выходного напряжения можно регулировать, изменяя угол отпирания тиристоров α подобно тому, как это делается в управляемых выпрямителях.

Несмотря на кажущуюся простоту рассмотренного варианта, силовые схемы реальных НПЧ весьма сложны. Например, НПЧ трехфазного тока в трехфазный, выполненный по мостовой схеме, состоит из шести трехфазных мостов (по два – прямой и обратный – на каждую фазу), т. е.

96

содержит 36 тиристоров. Это приводит к пропорциональному усложнению и системы управления таким преобразователем. Кроме того, НПЧ характеризуются повышенным содержанием высших гармонических составляющих в кривой потребляемого тока и выходного напряжения и относительно невысоким коэффициентом мощности.

Рис. 5.20. Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) однофазного тока в однофазный

Более широкое распространение в современном регулируемом электроприводе получили ПЧ со звеном постоянного тока, которые представляют собой комбинацию выпрямителя и автономного инвертора. Структурная схема ПЧ со звеном постоянного тока, обеспечивающего управление асинхронным двигателем представлена на рис. 5.21.

Основными структурными единицами таких преобразователей являются выпрямитель В, сглаживающий фильтр СФ в звене постоянного тока, автономный инвертор АИ и система управления СУ.

97

тому, что к обмоткам асинхронного двигателя прикладываются импульсы напряжения с крутыми фронтами, что приводит к усложнению условий работы изоляции обмоток, повышению требований к изоляции и удорожанию двигателя. ПЧ со звеном постоянного тока и высокочастотной ШИМ оказывают более существенное влияние на условия радиоприема, создавая помехи и шумы. При высоких частотах ШИМ в кабелях, соединяющих ПЧ с асинхронным двигателем, могут возникать волновые процессы, поэтому рекомендуется иметь длину соединительного кабеля не более 10–15 м. Несмотря на отмеченные недостатки, система «ПЧ – асинхронный двигатель» признана в настоящее время наиболее перспективной как для общепромышленного, так и для специального электропривода, в том числе тягового, гребного и т. п.

Библиографический список

1. Зиновьев Г. С. Силовая электроника / Г. С. Зиновьев. – Москва : Юрайт. –

2012.

2.Пронин М. В. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов ; под ред. Е. А. Крутякова. – Санкт-Петербург : Электросила, 2003. – 172 с.

3.Пронин М. В. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение) / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, П. Н. Калачиков, А. П. Емельянов ; под ред. Е. А. Крутякова. – Санкт-Петербург : Силовые машины «Электросила», 2004. – 252 с.

4.Розанов Ю. К. Силовая электроника / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. – Москва : ИД МЭИ, 2010.

5.Розанов Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем : учеб. пособие для студентов высших учебных заведений / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова. – Москва : Изд. центр «Академия», 2004. – 272 с.

6.Семенов Б. Ю. Силовая электроника / Б. Ю. Семенов. – Москва : СОЛОН-

Пресс, 2008. – 416 с.

7.Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студентов высших учебных заведений / Г. Г. Соколовский. – Москва : Изд. центр «Академия», 2006. – 272 с.

99