34 Вопрос

Преобразователи частоты. Классификация. Автономный инвертор.

Для реализации частотного управления электропривода переменного тока наиболее перспективными являются полупроводниковые преобразователи частоты.

Классификация

Общим главным достоинством полупроводниковых ПЧ является возможность экономичного регулирования частоты вращения наиболее массового, дешевого и надежного асинхронного электропривода с двигателем, имеющим короткозамкнутый ротор. В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты- амплитуда напряжения, или тока нагрузки U_m, I_m и частота изменения напряжения или тока f_n. Соответственно двум выходным координатам ПЧ располагает двумя входными координатами–сигналом управления напряжением, или током U_у.н. (U_у.т.) и сигналом управления частотой U_у.f. (рис 75).

Современные ПЧ можно разделить на два основных класса: двухзвенные ПЧ с автономными инверторами (с промежуточной цепью постоянного тока) и ПЧ с непосредственной связью нагрузки с сетью (непосредственные ПЧ).

Основу данного класса ПЧ составляет автономный инвертор, выполненный в двух вариантах, - как АИН, или АИТ. Для варианта ПЧ с АИН в качестве управляемого источника напряжения (УИН) используется тиристорный преобразователь напряжения с малым внутренним сопротивлением, что должно обеспечить постоянство напряжения питания инвертора независимо от тока нагрузки.

Автономный инвертор тока.

Автономный инвертор функционально отличается от выпрямителя только направлением преобразования. Электрическая энергия цепи постоянного тока преобразуется в энергию 3-х фазной системы переменного тока. Автономный инвертор функционально не отличается от инвертора, ведомого сетью. Схема включения тиристоров последнего остается той же, что и у управляемого выпрямителя. Точно так же основу 3-х фазного автономного инвертора составляет такая же, как и для выпрямителя мостовая схема с шестью рабочими управляемыми тиристорами. Аналогичной будет и диаграмма очередности включения рабочих тиристоров, в соответствии с которой включающие импульсы поступают на вентильную группу с фазовым сдвигом 60 один относительно другого.

В отличие от ТП постоянного тока, в котором рабочий интервал составляет 120 () в автономном

На рис 78 приведена схема 3-х фазного АИТ с интервалом проводимости =120. Кроме рабочих тиристоров V_S1 -V_S6 в схему входят реактор L, обеспечивающий постоянство входного тока I_d, конденсаторы С₁₃, С₁₅, С₃₅, С₄₂, С₆₂, С₄₆, участвующие в искусственной коммутации, и отделительные диоды V_D1 - V_D6, исключающие разряд конденсаторов через нагрузку в рабочие интервалы тиристоров.

Процесс запирания тиристоров происходит следующим образом. Пусть рабочий ток пропускают V_S1 и V_S2, а С₁₃ заряжен с положительным зарядом на левой обкладке.

Сигналом на выключение V_S1 является включающий импульс, подаваемый на V_S3. При этом V_S3 включается, а V_S1 запирается конденсатором С₁₃. Ток разряда этого конденсатора проходит по цепи: - левая обкладка- С₁₃ - V_S1 (в непроводящем направлении) - V_S3 - правая обкладка С₁₃.

Рис.78

Этот процесс- первый этап коммутации тока в фазах нагрузки. Второй этап должен закончиться снижением до нуля тока в фазе “а” и возрастанием тока в фазе “b” до значения I_d. После выключения V_S1 рабочий ток продолжает протекать по фазе “а”, но уже через V_S3, С₁₃ и V_D1.

Конденсатор С₁₃ перезаряжается рабочим током, и при изменении полярности на его обкладках ток в фазе “а” (i_a) начинает уменьшаться, а ток в фазе “b” (i_b) - увеличиваться. Снижение “i_a” обусловлено тем, что напряжение С₁₃ при его перезаряде направлено встречно протекающему через емкость току “i_a”. Процесс заканчивается, когда (i_a = 0), а (i_b = I_d), при этом С₁₃ полностью перезаряжен с положительным зарядом на правой обкладке.

разницей, что его выходной координатой будет не вектор I_п, а вектор ЭДС ПЧ E_п, который относительно фаз двигателя поворачивается дискретно так же, как и вектор I_п в АИТ.

Рис.79

Автономный инвертор напряжения.

На рис 80 дана схема АИН с рабочим интервалом включенного состояния тиристоров =180. В отличие от АИТ схема АИН имеет обратный диодный мост V_D1 - V_D6, который создает цепь для обратного направления тока в процессе коммутации тиристоров, а также в режиме рекуперации энергии АИН.

Рис. 80

Различие схем АИН с =120 и =180 состоит в коммутирующих устройствах. В схеме с =120 в коммутации поочередно участвуют два тиристора из одной и той же группы- анодной или катодной. В схеме с =180 коммутируются тиристоры из разных групп: один из анодной, другой из катодной, но относящиеся к одной фазе.

Процесс выключения тиристоров осуществляется следующим образом. Пусть рабочий ток протекает через включенный V_S1. При этом конденсатор С₁ разряжен, а С₄ - заряжен с положительным потенциалом на верхней обкладке. Для запирания V_S1 подается включающий импульс на V_S4. Через включенный V_S4 происходит разряд С₄. Изменение тока в нижней части коммутирующего реактора L_k вызывает в его верхней части появление ЭДС, направленной встречно U_d, под действием которой протекает ток по цепи: L_k - V_S1 - С₁ - L_k. Этот ток через V_S1 проходит в непроводящем направлении. Он выключает этот тиристор. Конденсатор С₁, более не закороченный V_S1, заряжается так, что (U_c1 + U_c2 = U_d) и (i_c1 = i_c4), а ток нагрузки в фазе “а” двигателя (i_a = i_c1 + i_c4 - i_VS4). Процесс коммутации заканчивается, когда (U_c4 = 0), а (U_c1 = U_d), хотя некоторое время занимает еще послекоммутационный период затухания тока реактора в короткозамкнутом контуре L_k - V_S4 - V_D4 - L_k. Далее , когда (i_c1 = i_c4 = 0), через V_S4 протекает рабочий ток фазы “а” противоположного направления.

Для получения информации о форме, величине и фазе выходной ЭДС инвертора строят диаграммы работы АИН, исходя из очередности включения тиристоров с учетом, что =180. (рис 81).

Рис. 81

При работе АИН с =180 в каждый момент времени включены только три тиристора: два из одной группы и один из другой. Шести состояниям инвертора (рис 81) соответствует шесть положений вектора E_n относительно выводов нагрузки (рис 81г). Линейное напряжение на нагрузке из-за поочередного потенциального объединения двух выводов может принимать одно из двух значений: U_d и 0 (рис 81д).

При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному. При соединении в звезду две фазы оказываются включенными параллельно между собой и последовательно с третьей фазой. Следовательно, фазное напряжение может быть равным по абсолютному значению 1/3U_d или 2/3U_d (рис 81е). Таким образом, выходная координата у ПЧ- мгновенный ток i_a (АИТ) или мгновенная ЭДС e_n (АИН)- имеет две формы: прямоугольную для линейного тока АИТ и линейной ЭДС АИН с =180 и пирамидальную для фазной ЭДС АИН с =180 в схеме нагрузки * и фазного тока АИТ в схеме нагрузки .

Главными преимуществами двухзвенных ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока являются:

1. Возможность получения на выходе преобразователя плавно регулируемой частоты полностью покрывающей потребности электроприводов различного назначения.

2. Возможность использования относительно простых силовых схем и систем управления ПЧ.

3. Возможность наращивания сложности силовой части и системы управления преобразователя соразмерно уровню повышения требований к электроприводу, не допуская чрезмерной избыточности системы.

4. Легкость трансформации ПЧ для работы в установках с питанием электрооборудования от автономных источников, либо локальной сети постоянного тока.

Основные недостатки ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:

1. Двукратное преобразование энергии, что увеличивает потери энергии и ухудшает массогабаритные показатели преобразователя.

2. Наличие в звене постоянного тока силового фильтра, как неотъемлемого элемента системы регулирования напряжения. Являясь реактивным носителем энергии, силовой фильтр звена постоянного тока существенно влияет на динамику ПЧ и ограничивает динамические возможности электропривода. Это проявляется при амплитудно–импульсном (осуществляемом за счет выпрямителя) регулировании величины выходного напряжения ДПЧ. Отмеченный недостаток преодолевается лишь при переходе от амплитудно–импульсного к широтно–импульсному формированию и регулированию выходного напряжения ДПЧ, осуществляемому за счет автономного инвертора.

Анализ истории развития ДПЧ позволяет выделить три характерных этапа.