ЭМПС / Лекции ЭМПС / Преобразователи частоты

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Источником постоянного напряжения для инверторов может служить аккумулятор, например в установках га­рантированного питания. Однако чаще всего источником энергии является промышленная сеть пере­менного тока (одно- или трехфазная с частотой 50 Гц), когда постоянное напряжение, необходимое для инверто­ра, получается с помощью выпрямителя. В результате образуется составной (двухзвенный) преобразователь, на­зываемый обычно преобразователем частоты со звеном постоянного тока (ПЧ со ЗПТ), в котором имеет место двукратное пре­образование энергии; такой преобразователь, входная сеть которого имеет частоту f₁ (как правило, 50 Гц) и число фаз m₁ (как правило, 1 или 3), выходная сеть – частоту f₂ (зависящую от назначения преобразователя и, как прави­ло, регулируемую) и число фаз m₂ (как правило, 1 или 3), показан на рис. 1. Так как форма кривых тока и напряжения, получаемых на выходе выпрямителя, в большинст­ве случаев не пригодна для непосредственного питания инвертора из-за большого содержания высших гармониче­ских обычно между выпрямительным устройством 1 и ин­вертором 3 включают дополнительные элементы, которые образуют звено постоянного тока 2.

Рис. 1. Структурная схема преобразователя частоты со звеном по­стоянного тока:

1 - выпрямительное устройство; 1.1 - выпрямитель; 1.2 - регулятор постоянного напряжения или батарея; 2 - звено постоянного тока со сглаживающим фильт­ром и развязывающим устройством; 3 - инвертор

Важнейшей составной частью звена постоянного тока является сглаживающее и развязывающее устройство, ко­торое в зависимости от типа используемого инвертора со­стоит из реактора и конденсатора (для инвертора напряжения) или только из одного сглаживающего реактора (для инвертора тока).

В заключение несколько замечаний о выпрямителе 1. Если не требуется режим рекуперации, т. е. возврат энер­гии из цепи нагрузки во входную сеть, для питания инвертора напряжения может при­меняться неуправляемый выпрямитель, в котором регули­ровка выходного напряжения осуществляется внутренни­ми средствами, например за счет изменения длительности импульсов напряжения. При использовании регулируемо­го трансформатора или регулятора постоянного напряжения (звено 1.2 на рис. 1) неуправляемый выпрямитель можно применять и для питания нерегулируемого инверто­ра, при этом выходное напряжение последнего регулиру­ется путем изменения питающего напряжения. Однако, в случае регулируемого трансформатора получается низкое быстродействие или же за счет потерь мощности при до­полнительном преобразовании энергии в регуляторе сни­жается КПД. В то же время использование неуправляемо­го выпрямителя выгодно из-за незначительного потребле­ния от питающей сети реактивной мощности и токов выс­ших гармоник.

Управляемый выпрямитель используется для питания инверторов напряжения с регулировкой выходного напря­жения за счет изменения постоянного напряжения, если также не требуется изменения направления потока мощно­сти. Использование управляемого выпрямителя, допускаю­щего перевод в инверторный режим при изменении поляр­ности напряжения у инвертора тока, позволяет осущест­вить реверс потока мощности.

Другая возможность осуществить реверс потока мощ­ности основана на использовании инвертора напряжения, работающего с импульсным регулированием выходного напряжения и включенного встречно-параллельно на вхо­де неуправляемого и управляемого выпрямителей. При этом в случае рекуперации энергии управляемый выпря­митель работает в режиме зависимого инвертора.

Достоинства преобразователей частоты со звеном постоянного тока:

1. На выходе ПЧ формируется напряжение переменного тока постоянной (наиболее простой случай) или регулируемой частот причем U_вых и f_вых могут изменяться по любому закону;

2. в схеме могут быть достигнуты соотношения и .

Недостаток ПЧ со ЗПТ - двукратное преобразование энергии и связанные с этим повышенные потери. Кроме того, ПЧ с ЗПТ требуют более сложной схемы управления, но в настоящее время это не являет­ся серьезным препятствием для их использования. ПЧ с ЗПТ могут легко выполняться многофазными.

НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) - это устройства, предназначенные для одноступенчатого преобразования энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой, обычно более низкой. В НПЧ кривая выход­ного напряжения формируется из участков входного напряжения благодаря осуществлению с помощью управляемых вентилей (тиристо­ров) непосредственной связи цепи нагрузки с входной сетью. Иногда НПЧ называют циклоконверторами. Как правило, в НПЧ используется естественная коммутация тиристоров, хотя встречаются схемы с при­нудительной и комбинированной коммутацией.

К достоинствам НПЧ с естественной коммутацией, наряду с высо­ким КПД, относятся:

возможность без специальных мер осуществлять двухстороннюю передачу энергии, т. е. обеспечивать рекуперативное торможение электродвигателей, питающихся от НПЧ;

плавное регулирование амплитуды и частоты основной гармоники выходного напряжения от нуля до номинала;

возможность получения выходного напряжения с синусоидальной формой огибающей, что особенно важно при использовании в качестве нагрузки двигателей большой и средней мощности.

Недостатки НПЧ:

относительно низкий коэффициент мощности, потребляемой из питающей сети, и высокий уровень гармоник в кривой входного тока;

ограничение верхнего предела выходной частоты величиной, обычно не превышающей ;

относительно большое число силовых элементов - 18...36 для трехфазно-трехфазных схем, что ведет к удорожанию силовой части и схемы управления.

Основным видом нагрузки НПЧ, в том числе в судовых условиях, обычно являются электродвигатели переменного тока в электроприво­де гребного винта, валогенераторных установках, вентильном элект­роприводе и т. п.

Все НПЧ могут быть классифицированы по ряду признаков, но ос­новными из них являются два - по числу фаз на стороне питающей сети и на выходе и по виду управления (совместное и раздельное).

Простейшая схема трехфазно-однофазного НПЧ аналогична схеме двухкомплектного тиристорного реверсивного преобразователя с встречно-параллельно включенными мостами (см. рис. 2).

Нагрузка обычно имеет активно-индуктивный характер. Путем управления тиристорами обеих групп в выпрямительном и инверторном режимах при циклическом изменении угла управления на выходе НПЧ может быть получено напряжение переменного тока, амплитуда и частота основной гармоники которого определяются параметрами сигнала управления. В результате кривая выходного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Рис. 2. Принципиальная схема трехфазно-однофазного непосредст­венного преобразователя частоты:

1 - источник сигнала уставки; 2 - регулятор напряжения, 3 - логический блок; 4 - регулятор тока, 5 - блок фазоимпульсного управления, 6 - переключатель импульсов, 7 - реверсивный преобразователь

Если бы НПЧ работал на чисто активную нагрузку, то группы (мос­ты) I и II работали бы по очереди только в режиме выпрямления.

При формировании полуволны выходного напряжения положи­тельной полярности будет работать группа тиристоров I, причем угол должен изменяться за этот интервал времени от 90° до нуля и обратно, а при формировании отрицательной полуволны выходного напряже­ния в таком же режиме должен работать комплект II (). В любой момент нагрузка потребляет ток от источника (сети) поочеред­но через оба моста.

Если угол изменять не до нуля (в каждый полупериод выходного напряжения), а до какого-то промежуточного значения, например до 30°, то амплитуда выходного напряжения будет меньше амплитуды входного, т. е. таким образом можно регулировать величину выходного напряжения.

Так как каждая полуволна выходного напряжения формируется из нескольких полупериодов входного, то выходная частота будет меньше входной и может меняться дискретно. Однако при большой разности между f₁ и f₂ и при использовании многофазных силовых схем эта дискретность будет незаметной, и можно считать, что f₂ меняется плавно. При этом следует учитывать возможность появления несимметрии положительных и отрицательных полуволн тока и напряжения на нагрузке, а при некратных частотах возможно возникновение низкочастотной модуляции.

Если нагрузка носит индуктивный характер, то при работе тиристорного преобразователя, как ранее упоминалось, имеются интервалы, когда напряжение и ток находятся в противофазе, т. е. имеет место инверторный режим. На рис. 3, а приведена кривая выходного напряжения, а на рис. 3, б - характер изменения во времени углов и для НПЧ, формирующего синусоидальное выходное напряжение. Из диаграммы видно, что в интервале времени тиристорная группа I работает в режиме выпрямления, а в интервале - в режиме инвертирования. Мост II работает так: в интервале - выпрямление, в интервале - инвертирование. Естественно, на интервалах инвертирования энергия, накопленная в индуктивности нагрузки, возвращается в питающую сеть через тот или другой мост. Из диаграммы видно, что в данном случае отношение частот .

Рис. 3. Диаграмма работы НПЧ

Ранее указывалось, что реверсивные тиристорные преобразователи могут иметь раздельное или согласованное управление тиристорными группами (мостами). Для НПЧ большее распространение получило раздельное управление.

При раздельном управлении комплектами не нужны уравнитель­ные реакторы (нет уравнительных токов), повышаются энергетичес­кие показатели НПЧ (нет потерь в реакторах), но, как указывалось раньше, требуются токовые паузы между окончанием работы тиристо­ров одного моста и началом работы другого. Для этой цели наиболее целесообразно применение датчика тока или датчика состояния вен­тилей. Они позволяют оптимизировать длительность бестоковой паузы и снизить требования к коэффициенту мощности преобразователя. На рис. 3 эти паузы не показаны, но они должны предусматривать­ся после момента (отключается комплект I) и после момента - для гарантированного отключения комплекта II. Однако с учетом того, что время выключения современных тиристоров на частоте 50 Гц составляет , а на частоте пренебрежимо мало, этим недостат­ком можно пренебречь. Несколько ухудшается этот показатель при частоте сети 400 или 1000 Гц, а о таких параметрах можно говорить как о перспективных.

Так как среднее значение выходного напряжения для любого тиристорного преобразователя, работающего на индуктивную нагруз­ку, зависит от угла регулирования : , то без учета пульсирующей составляющей для НПЧ среднее значение напряжения на выходе, например моста I, будет равно

,

где - максимальное выходное напряжение при , для трех­фазной мостовой схемы , - периодическая функция изменения от времени.

Чтобы получить синусоидальное выходное напряжение НПЧ, необ­ходимо изменять и по арккосинусоидальному закону:

; .

В выражениях для и коэффициент определяет глубину регулирования амплитуды выходного напряжения. При , что соответствует максимальному выходному напряжению, углы и следует менять по линейному закону (в пределах от 0 до , рис. 3, б).

В интервале , когда формируется восходящая часть полу­волны напряжения U_н положительной полярности, углы отпирания тиристоров моста I изменяются от 90° до 0, а моста II - от 90° до 180°; мост I работает выпрямителем, мост II - инвертором до тех пор, пока ток I_н не изменит знака. В интервале режим работы комплек­тов сохраняется, но здесь , а . Полуволна на­пряжения U_н отрицательной полярности формируется аналогично, но режимы комплектов изменяются на противоположные.

Если , то углы и меняются в меньших пределах (не доходят соответственно до нуля и 180°), а при .

При закон изменения во времени углов и отличается от линейного (рис. 3, б).

Рассмотренные режимы работы НПЧ не учитывали явление коммутации. С ее учетом необходимо иметь в виду, что для восстановления запирающих свойств тиристора в НПЧ, как и в выпрямителях и инвер­торах, минимальные значения углов и не должны быть меньше суммы углов коммутации и угла . Таким образом, реальный диапазон изменения углов и менее 180°, а предельное значение составляет 0.9 ... 0.95.

Арккосинусоидальный закон формирования углов сложно осуществить технически. Поэтому, когда к выходному напряжению НПЧ не предъявляется требование строгой синусоидальности, его можно сформировать в виде трапецеидального. Тогда и закон изменения тоже будет иметь вид трапеции. Однако следует иметь в виду что структура схемы управления упростится незначительно.

Для получения трехфазного выходного напряжения применяют три однофазных преобразователя (рис. 4). Соответственно возрастает в 3 раза число блоков (2-6) системы управления (см. рис. 2), в то время как блок 1 является общим и вырабатывает многофазное (трехфаз­ное) напряжение уставки.

Рис. 4. Трехфазно-трехфазный непосредственный преобразова­тель частоты

При прямоугольной форме напряжения уставки выход­ное напряжение непосредственного преобразователя имеет трапецеидальную форму.

Существенное преимущество непосредственных преоб­разователей частоты состоит в том, что при питании от промышленной сети 50 Гц могут применяться силовые блоки и регулирующие устройства, разработанные для ре­версивных преобразователей постоянного тока.

Если непосредственный преобразователь частоты с трехфазным выходом реализован в виде трех реверсивных преобразователей, то выходная мощность

,

где - выходная мощность одного реверсивного преоб­разователя.

Для управления и регулирования непосредственных преобразователей частоты все в большей степени исполь­зуются микропроцессорные системы.