Устройства силовой электроники. Учебное пособие

Фильтр Ф сглаживает пульсации выпрямленного напряжения и тока. Более подробно работа фильтров рассмотрена в учебном пособии [1].

Далее автономный инвертор АИ преобразует постоянное напряжение в переменное с необходимым числом фаз m2 требуемой ча-

стоты f2 и амплитуды U2. Функцию регулирования выходной ча-

стоты выполняет автономный инвертор. В зависимости от решаемой задачи может использоваться автономный инвертор напряжения, автономный инвертор тока или резонансный автономный инвертор. При использовании неуправляемого выпрямителя функцию регулирования амплитуды выходного напряжения также осуществляет автономный инвертор.

Недостатки схемы: снижение КПД вследствие двойного преобразования энергии и завышенная типовая мощность преобразователя. Из достоинств можно отметить, что данный принцип построения схемы приводит к относительной простоте силовой части и системы управления преобразователями.

3.2. ПЧ с промежуточным звеном переменного тока

Преобразователь частоты с промежуточным звеном переменного токапозволяетполучитьулучшенныйгармоническийсоставвыходного напряжения. Структурная схема ПЧ этого типа изображена на рис. 46.

Входное сетевое напряжение с числом фаз m1, частотой f1 и амплитудой U1 преобразуется в энергию постоянного тока управляемым или неуправляемым выпрямителем В.

Рис. 46. ПЧ с промежуточным звеном переменного тока

Сглаженное фильтром постоянное напряжение с помощью автономного инвертора АИ (АИН, АИТ или АИР) преобразуется в пере-

менное напряжение промежуточной частоты fпр. С помощью непосредственного преобразователя частоты НПЧ промежуточная частота

51

преобразуется в выходную частоту f2. Обязательное условие: про-

межуточная частота должна быть больше выходной частоты. Функцию регулирования амплитуды выходного напряжения вы-

полняет либо управляемый выпрямитель, либо автономный инвертор. Регулирование частоты выходного напряжения осуществляет НПЧ.

Недостатками данного принципа построения ПЧ являются: тройное преобразование энергии, что ведет к снижению КПД; достаточная сложность силовой части и системы управления, что снижает надежность работы системы в целом.

3.3.Непосредственные преобразователи частоты

Внепосредственном преобразователе частоты (НПЧ) кривая выходного напряжения формируется из участковнапряжения сети, так как нагрузка через тиристоры непосредственно связана с сетью.

Работу НПЧ рассмотрим на примере трехфазно-однофазного НПЧ с естественной коммутацией тиристоров, схема силовой части которого изображена на рис. 47.

Рис. 47. Схема НПЧ

52

Силовая часть НПЧ состоит из двух вентильных групп, собранных по трехфазной мостовой схеме и включенных встречно-параллельно. При активно-индуктивной нагрузке одна из вентильных групп работает в выпрямительном, а другая – в инверторном режиме, но в разные моменты времени.

При совместном управлении возникают большие уравнительные токи и недопустимо большие падения напряжения на ограничительных реакторах L1…L4, что снижает область применения этого метода управления.

В НПЧ получило распространение согласованное раздельное управление вентильными комплектами. Углы отпирания различных тиристоров изменяются во времени по определенному закону.

Рис. 48. Временны´ е диаграммы НПЧ с естественной коммутацией

В моменты времени t1, t3 сигнал с датчика тока при токе нагрузки,

равном нулю, определяет переключение управляющих импульсов на вентильные комплекты.

Выходное напряжение НПЧ определится следующими соображе-

изменения углов отпирания первого комплекта тиристоров. Введем коэффициент, характеризующий глубину регулирования выходного

53

При этом выходное напряжение НПЧ будет иметь требуемый закон изменения:

Uн Uнmax sin ( 2t).

Учитывая, что при согласованном управлении 1 2 . Тогда

закон изменения углов управления для тиристоров второго комплекта определится соотношением

2 (t) arccos( sin ( 2t)).

При глубине регулирования < 1 закон изменения 1(t), 2 (t)

нелинеен. Коммутация в этом случае естественная. На диапазон регулирования углов управления накладываются ограничения так же, как в инверторах, ведомых сетью. Обычно максимальная величина глубины

регулирования выходного напряжения составляет от 0,9 до 0,95. Временны´ е диаграммы, поясняющие работу схемы, изображены на

рис. 48, где показано, как происходит переключение фазных напряжений в нагрузку для формирования кривой выходного напряжения.

Ток нагрузки отстает от напряжения на угол 2t1. Из рисунка

видно, что НПЧ формирует улучшенный гармонический состав выходного напряжения по сравнению с другими типами преобразователей частоты.

Трехфазные непосредственные преобразователи частоты выполняются на основе трех однофазных схем НПЧ. Необходимый фазовый сдвиг осуществляется путем сдвига сигналов управления на каждый преобразователь. Диапазон регулирования частот изменяется практи-

чески от нуля до f1 / f2 2, где f1, f2 – входная и выходная частота НПЧ соответственно.

НПЧ с искусственной коммутацией тиристоров

При использовании искусственной коммутации тиристоров с помощью узлов принудительной коммутации или применения управляемых силовых ключей-транзисторов НПЧ позволяет: преобразовывать одну частоту в другую (выше или ниже); преобразовывать число фаз; управлять фазой входного или выходного тока, т. е. работать как компенсатор реактивной мощности.

54

k2 1,05...1,2 – коэффициентзапасапонапряжению, учитывающий

неполное открывание тиристоров при максимальном управляющем сигнале;

k3 1,0...1,05 – коэффициентзапасапонапряжению, учитывающий

падение напряжения в силовой цепи.

Для расчета типовой мощности трансформатора необходимо опре-

делить: U2 , I2ном, I1ном, kтр.

Коэффициент трансформации и действующие значения тока вторичной и первичной обмотки трансформатора определяются из следующих соотношений:

Значения коэффициентов kсх, b, с, q для различных схем выпрям-

ления приведены в табл. 1.

При активно-индуктивном характере нагрузки номинальный ток в

ней определится по закону Ома: Id ном Ud ном / Rd . При работе выпрямителя на двигатель постоянного тока (ДПТ) номинальный ток в

нагрузке определится номинальным током якоря, который можно рассчитать из паспортных данных ДПТ:

Id ном Pном / (Uном ном),

где ном – номинальный КПД двигателя; Pном – номинальная мощность двигателя;

Uном – номинальное напряжение якоря ДПТ.

Таблица 1

Коэффициенты для различных схем выпрямления

57

Типовой мощностью трансформатора принято считать среднее значение между мощностями, рассчитанными по параметрам первич-

ных S1 и вторичных S2 обмоток. Тогда типовая мощность трансформатора определится по формуле

Sт (S1 S2 ) / 2 ,

где S1 m1U1I1ном ,

S2 m2U2 I2ном .

Здесь mi – число фаз первичной или вторичной обмотки трансфор-

матора;

U1, U2 – действующие значения фазного напряжения первичной и

вторичной обмотки трансформатора;

I1ном, I2ном – действующие значения тока первичной и вторичной

обмотки.

Рассчитывается типовая мощность трансформатора и по каталогу выбирается ближайший по мощности трансформатор для выпрямителя, обеспечивающий необходимое напряжение на вторичной обмотке.

Если в паспортных данных трансформатора отсутствуют значения приведенных к вторичной обмотке сопротивлений, то далее необходимо рассчитать приведенные к вторичной обмотке активное и реактивное сопротивление одной фазы трансформатора по следующим формулам:

где Pка % (1 3,5)% – потери активной мощности в режиме КЗ; Uк% (4 10)% – напряжение КЗ трансформатора.

Если в каталоге на трансформаторы присутствуют параметры Pка %, Uк%, RТ, X Т, то необходимо в дальнейших расчетах использовать их,

а не указанные соотношения, так как последние являются приблизительными.

58

Нижеприведены техническиехарактеристики трансформаторовдля трехфазной мостовой (табл. 2), трехфазной нулевой (табл. 3) и шестипульсной нулевой (табл. 4) схем выпрямления.

Расшифровка обозначения трансформатора ТСТ1-230/40-М1 из табл. 2: ТСТ – трансформатор сухой трехфазный; 1 – номинальное первичное напряжение 380 В; 230 – номинальное выпрямленное напряжение 230 В; 40 – номинальный выпрямленный ток 40 А; М – предназначен для питания мостовой схемы выпрямления; 1 – первая модификация.

Расшифровка обозначения трансформатора ТСТ1-115/40-Н1 из табл. 3: ТСТ – трансформатор сухой трехфазный; 1 – номинальное первичное напряжение 380 В; 115 – номинальное выпрямленное напряжение 115 В; 40 – номинальный выпрямленный ток 40 А; Н – предназначен для питания нулевой схемы выпрямления; 1 – первая модификация.

59

Окончание табл. 3

Расшифровка обозначения трансформатора Т6Т-2/0,104-04 из табл. 4: Т6Т – трансформатор трехфазный для шестипульсных схем выпрямления; 2 – типовая мощность 2 кВ · А; 0,104 – номинальное линейное напряжение вторичной обмотки 104 В; 04 – четвертая модификация.

Таблица 4

Технические характеристики трансформаторов

Расчет и выбор анодного реактора

Для мостовой схемы выпрямления, если коэффициент трансформации приблизительно равен единице, необходимо использовать бестрансформаторный вариант. Это улучшает массогабаритные и экономические показатели преобразователя.

При бестрансформаторном варианте выпрямителя силовые цепи подключаются к сети через анодные реакторы. Анодный реактор выбирается (табл. 5) по действующему значению номинального тока фазы

выпрямителя I1ном bId ном и номинальному напряжению сети U1.

60