56. Нпч Совместное и раздельное управление.

Преобразователи частоты с непосредственной связью осуществляют преобразование энергии непосредственно, без промежуточного выпрямления. Рассмотрим принцип действия этого класса преобразователей на примере схемы (рис.5.3). Она представляет собой две взаимообратные вентильные группы 1 и 2, питающиеся от сети (U₁,f₁). Нагрузка Z_н включена между средними точками уравнительных дросселей L₁ и L₂.

Предположим, что в момент θ = 0 (рис.5.4) на вентили группы 1 начинают поступать импульсы управления с углом α. Вентильная группа 1 начинает работать как обыкновенный управляемый выпрямитель и на нагрузке будет напряжение U_н, среднее значение которого U_{н ср} = 2.34U₁cosα .

Такое положение будет сохраняться в течение интервала ωt_в. За это время ток нагрузки i_н в предположении активно-индуктивного ее характера, изменяясь по экспоненциальному закону, достигает i_{н max}. В момент ωt_в прекращается подача на вентили группы 1 импульсов управления выпрямительным режимом, и она переводится в режим зависимого инвертора; при этом импульсы управления будут поступать с углом опережения β, а вентильная группа 1 будет формировать противо ЭДС току нагрузки i_н, который поэтому начинает уменьшаться и через интервал ωt_и станет равным нулю. Последние, проводившие ток вентили группы 1, закрываются и в течение бестоковой паузы ωt_п восстанавливают свои управляющие свойства. После этого, в точке все описанные процессы повторяются, но со второй вентильной группой 2, вентили которой в течение всего рассматриваемого интерваланаходились в закрытом состоянии.

Таким образом, на нагрузке будет напряжение, близкое к прямоугольному (если пренебречь пульсациями на выходе вентильных групп), с амплитудой в интервале ωt_в и в интервале ωt_и (pиc.5.5). При этом коммутация силовых вентилей в обеих вентильных группах происходит естественным путем – за счет переменного напряжения питающей сети. Поэтому такие преобразователи называются непосредственными преобразователями частоты с естественной коммутацией (НПЧ с ЕК).

Период изменения выходного напряжения Т₂ > Т₁ и, следовательно, частота на выходе преобразователя f₂  < f₁, что является принципиальной особенностью рассматриваемых схем. Второй принципиальной особенностью является свободный обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой. Действительно, на участке ωt_в вентильная группа 1 работает как выпрямитель, и энергия направлена из питающей сети в нагрузку; на участке ωt_и группа 1 работает как зависимый инвертор и реактивная энергия, накопленная в нагрузке, направлена в питающую сеть.

Рис. 5.5

Способы управления преобразователей частоты с непосредственной связью

Описанный способ управления преобразователем получил название раздельного, т.к. обе вентильные группы работают и управляются раздельно.

Значительной трудностью при реализации этого способа является выбор соотношения между ωt_в и ωt_и, так как при заданной выходной частоте f₂ недостаточная длительность ωt_и приведет к тому, что к моменту включения второй вентильной группы, ток в первой вентильной группе еще не снизился до нуля, в результате чего возникнут внутренние короткозамкнутые контуры, замыкающие накоротко питающую сеть через открытые вентили обеих групп. Поэтому в случае раздельного управления ωt_и выбирается из наиболее неблагоприятных условий, когда реактивная энергия нагрузки будет иметь максимальное значение, и, следовательно, потребуется наибольшая длительность ωt_и для перекачки этой энергии в сеть.

Обычно, кроме описанного способа, часто применяют и совместное управление вентильными группами. Сущность его ясна из рис.5.6 и заключается в следующем: на вентили 1-й группы в течение половины периода подаются импульсы управления выпрямительным режимом с углом управления α, а в это же время на вентили 2-й группы поступают импульсы управления инверторным режимом с углом опережения β.

Если до момента θ=0 в нагрузке существовал ток, противоположный по направлению выпрямленному напряжению 1-й группы U₁, то вентили 1-й группы остаются закрытыми, а ток нагрузки будет протекать через вентили 2-й группы, преодолевая создаваемую ими противо ЭДС U₂.

В точке θ₁ ток нагрузки станет равным нулю, а затем откроются вентили 1-й группы, и под действием выпрямленного напряжения U₁ потечет ток i_н в направлении, противоположном предыдущему, и в точке достигнетi_{н max}. В этой точке импульсы управления вентильными группами изменяются: группа 1 переводится в инверторный режим, а группа 2 – в выпрямительный. До точки θ₂ ток нагрузки будет протекать по вентилям 1-й группы, уменьшаясь до нуля за счет противо ЭДС U₁, а затем перейдет на вентили 2-й группы, возрастая в отрицательном направлении под действием напряжения U₂. В точке ωТ₂ процессы повторяются. Таким образом, в любой момент времени управление подается на обе вентильные группы, в результате чего из-за неравенства мгновенных значений ЭДС на выходе вентильных групп возникают броски уравнительного тока во внутренних короткозамкнутых контурах. Для ограничения этих токов здесь необходимы дроссели L₁ и L₂. Достоинством этого способа является возможность нормальной работы без перестройки системы управления в любом диапазоне изменения параметров нагрузки. Если в течение угол управления одной вентильной группы и угол опережения β другой не оставлять постоянным, то среднее значение напряжения на выходе вентильных групп можно регулировать. В частности, для получения синусоидального выходного напряжения:

U_н=U_нmsinθ, (5.1)

необходимо, чтобы среднее значение напряжения на выходе вентильной группы (допустим, 1)

U₁=2.34U₁cosα₁ (5.2)

изменялось по закону (5.1)

2.34U₁cosα₁ = U_нmsinθ.

Отсюда находим α₁

, (5.3)

где– глубина модуляции выходного напряжения. Очевидно, что, т.к.U₂ изменяется в противофазе с U₁.

Таким образом, для получения синусоидального выходного напряжения угол управления вентильными группами нужно изменять по арккосинусоидальному закону. Принцип формирования синусоидального выходного напряжения в этом случае иллюстрируется на рис.5.7.

Здесь импульсы управления, смещаемые по арккосинусоидальному закону, формируются в момент равенства модулирующего U_у и опорного U_оп напряжений. Поскольку получение синусоидального модулирующего напряжения регулируемой частоты и амплитуды довольно сложно, то часто используют другие законы изменения углов α₁ и α₂, реализация которых проще, а форма выходного напряжения приемлема.