Преобразовательная техника
.pdfПри активно-индуктивной нагрузке инвертора рабочий ток после выключения силового вентиля переходит на вентиль обратного тока, а уже затем на очередной вентиль, . е. коммутационный процесс проходит в две ступени(двухступенчатая коммутация). Коммутационный узел может быть предусмотрен на каждый силовой вентиль инвертора (повентильная коммутация), на два вентиля, работающих в одной фазе(пофазная коммутация), на группу тиристоров в мостовой схеме(групповая коммутация) и весь инвертор (общая коммутация).
В качестве примера рассмотрим однофазный мостовой инвертор напряжения с пофазной двухступенчатой коммутацией (рис. 4.38). Здесь для запирания рабочих тиристоровT1 - T4 служат два колебательных контура Lk Ck , управляемые коммутирующими тиристорами T1k - T4k . Предположим, что от предыдущей коммутации на конденсаторахCk
остался заряд, полярность которого указана без скобок, а ток проводят |
|
|||||||||||
тиристоры T1 и T3 . В нужный момент времени для запирания тиристо- |
|
|||||||||||
ров T1 и T3 |
открываются |
тиристоры T1k и T3k |
и начинается колеба- |
|
||||||||
тельный перезаряд |
конденсаторовCk |
по |
цепямLk1 - T1 - T1k |
и |
|
|||||||
L2k - T3 - T3k , в результате чего тиристоры T1 и T3 закрываются, когда |
|
|||||||||||
ток колебательного контура достигает тока нагрузки, а затем процесс |
|
|||||||||||
перезарядки будет продолжаться уже по цепи вентилей B1 и B3 вместо |
|
|||||||||||
закрывающихся |
тиристоров T1 |
и |
T3 , |
которые |
в |
это |
время |
|
||||
восстанавливают управляющие свойства, т. к. к ним приложены в |
|
|||||||||||
запирающем направлении прямые падения напряжения на вентиляхB1 |
|
|||||||||||
и B3 . В |
|
результате |
перезаряда |
полярность |
напряжения |
на |
||||||
конденсаторах Ck1 и Ck 2 |
изменяется на противоположную, а тиристо- |
|
||||||||||
ры T1 и T3 закрываются. И когда откроются тиристоры T2 и T4 , то для |
|
|||||||||||
их запирания |
достаточно |
открыть коммутирующие тиристорыT2k |
и |
|
||||||||
T4k , в результате чего |
конденсаторыCk1 |
и |
Ck 2 |
перезарядятся |
до |
|
||||||
исходной полярности. |
|
|
тиристоров T1 и |
T3 не связано |
с |
|
||||||
Таким |
образом, |
включение |
|
|||||||||
включением |
тиристоров T2 и T4 |
и |
выходное |
напряжение |
инвертора |
|
||||||
может иметь вид, представленный на рис. 4.39.
Это позволяет осуществить в инверторах с двухступенчатой коммутацией методы широтно-импульсного регулирования(ШИР), когда выходное напряжение инвертора формируется в виде импульсов одинаковой длительности, а регулирование напряжения осуществляется
151
изменением соотношения длительности импульсовtи |
длительности |
||
паузы tп . |
|
|
|
Uн |
T |
|
|
tп |
tи |
tп |
|
tи |
|
t |
|
Рис. 4.39. Выходное напряжение инвертора |
|
||
с двухступенчатой коммутацией |
|
||
Еще одним важным достоинством двухступенчатой коммутации является возможность широтно-импульсной модуляции(ШИМ), когда выходное напряжение формируется в виде импульсов переменной за период длительности, модулируемых по заданному закону(синусоидальному, трапецеидальному и т. д.), что позволяет снизить содержание высших гармоник. По способам формирования сигналов с ШИМ различают пять родов, из которых в силовой преобразовательной технике применяется только два: ШИМ первого рода и ШИМ второго рода. Рассмотрим принцип формирования сигналов с ШИМ первого рода.
Предположим, |
что |
нужно |
модулировать |
прямоугольные |
||
импульсы |
по |
какому-либо |
зако, напримеру, синусоидальному |
|||
(рис. 4.40, а). |
Для этого формируются опорные, тактовые импульсы |
|||||
Uм
t |
Uоп |
t |
Uвых |
t
Рис. 4.40. Широтно-импульсная модуляция первого рода
152
пилообразной (треугольной) формы, строго синхронизированные с модулируемыми импульсами (рис. 4.40, б), на которые накладывается модулирующий сигнал.
Длительность |
модулированных |
импульсов |
определяется |
|||
временем, необходимым |
|
для |
нарастания |
тактов, опгорного |
||
треугольного сигнала Uоп |
до величины, которую имел модулирующий |
|||||
сигнал в тактовый момент времени(в момент начала формирования |
||||||
треугольного сигнала). |
|
|
|
|
|
|
Принцип формирования сигнала с ШИМ второго рода поясняется |
||||||
на рис. 4.41. Так же, как и |
в предыдущем случае, формируются |
|||||
тактовые, опорные импульсы треугольной формы, синхронизированные |
||||||
с модулируемыми импульсами, |
на которые накладывается модулирую- |
|||||
щий сигнал Uм .
Длительность модулированных импульсов определяется точками
пересечения |
модулирующего |
сигнала |
с |
треугольным |
опорным |
|||
напряжением |
(рис. 4.41, б) и |
|
равна |
времени, необходимому |
для |
|||
нарастания |
треугольного |
сигнала |
до |
величины |
модулирующего |
|||
напряжения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uм
t |
Uоп |
t |
Uвых |
t
Рис. 4.41. Широтно-импульсная модуляция второго рода
При оценке несинусоидальности кривых выходного напряжения инверторов обычно используют коэффициент гармоник
åU k2
kг = |
k ®¥ |
, |
(4.45) |
|
|||
|
U1 |
|
|
153
где Uk – действующее значение высшей гармоники с порядковым номером k. Обычно для большинства элементов электрооборудования требование к коэффициенту гармоник устанавливается на уровне не более 5 %.
Для улучшения кривой выходного напряжения, кроме методов
ШИМ, используются |
методы |
амплитудно-импульсной |
модуляции |
(АИМ), а также различные схемы фильтров. |
|
||
4.4. МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ
Существует три способа регулирования выходного напряжения
автономных инверторов. |
|
|
|
|
|
1. При |
помощи |
изменения |
напряжения |
источника |
питания |
автономного |
инвертора. |
Этот способ |
широко |
применяется |
в тех |
случаях, когда в качестве источника питания используется управляемый |
|||||
выпрямитель, но может применяться и в других случаях, когда между |
|||||
инвертором и источником питания устанавливаются специальные регуляторы постоянного напряжения.
2. Регулирование путем воздействия на процессы в инверторе, влияющие на его выходное напряжение. Реализация этого способа
зависит |
от схемы |
инвертора. Так, в инверторах тока, у которых |
выходное |
напряжение |
зависит от параметров нагрузки, регулирование |
может быть осуществлено введением в цепь нагрузки регулируемых активных и реактивных элементов. В инверторах напряжения часто
применяются схемы регулирования выходного напряжения, основанные |
||||||
на изменении |
величины |
реактивной мощно, сбрасываемойти в |
||||
источник |
питания, |
что |
может |
быть |
достигнуто, например, |
|
использованием |
в |
качестве |
вентилей |
обратного тока управляемых |
||
вентилей. В инверторах с двухступенчатой коммутацией широкое |
||||||
применение находят импульсно-модуляционные методы регулирования |
||||||
выходного напряжения (ШИМ, АИМ и др.). При двух или более |
инвер- |
торах можно применить геометрическое суммирование |
выходных |
напряжений отдельных инверторов (рис. 4.42). |
|
|
|
||
3. Регулирование |
напряжения |
на |
нагрузке |
при |
помощи |
стабилизаторов переменного напряжения, устанавливаемых между |
|||||
нагрузкой и инвертором. Этот способ |
применяется |
редко |
из-за |
||
ухудшения массогабаритных показателей, а также из-за недостатков самих стабилизаторов.
154
Uпит |
АИ1 |
q |
Uи1 |
Zн 
Uн
q
АИ2 |
Uи2 |
q
Uи2 
Uн
Uи1
Рис. 4.42. Геометрическое суммирование напряжений двух инверторов
Контрольные вопросы
1.Поясните принцип действия зависимого инвертора.
2.Можно ли выполнить зависимый инвертор на неуправляемых
ключах?
3.Какие условия необходимо выполнить, чтобы перевести управляемый выпрямитель в режим зависимого инвертора?
4.Каковы особенности коммутационных процессов в зависимых инверторах?
5.Что такое угол опережения в зависимом инверторе?
6.Что такое «опрокидывание» инвертора?
7.Как нужно изменить угол опережения, если напряжение источника питания зависимого инвертора уменьшилось?
8.Объясните входную характеристику зависимого инвертора.
9.Объясните ограничительную характеристику зависимого инвертора.
10.Что такое «критическое значение» входного тока зависимого инвертора?
155
11.Что такое «критическое значения» противо ЭДС зависимого инвертора?
12.Физический смысл угла запаса зависимого инвертора.
13.Чем определяется коэффициент мощности зависимого инвер-
тора?
14.Почему в зависимых инверторах не применяют«нулевой вентиль» для улучшения энергетических показателей?
15.Области применения зависимых инверторов.
16.Отличительные особенности автономного инвертора тока.
17.Отличительные особенности автономного инвертора напряже-
ния.
18. Почему параллельный инвертор тока неустойчиво работает
сбольшой нагрузкой?
19.Почему последовательный инвертор тока неустойчиво работает с малой нагрузкой?
20.Объясните вид внешней характеристики параллельного инвертора тока.
21.Как строится ограничительная характеристика инверторов
тока?
22.Зачем в схемы автономных инверторов тока иногда вводят отсекающие вентили?
23.Назначение вентилей обратного тока в автономных инверторах напряжения.
24.Зачем вентили обратного тока в автономных инверторах иногда делают управляемыми?
25.Изобразите схему трехфазного нулевого параллельного инвертора тока.
26.Что такое «резонансные инверторы»?
27.Способы построения коммутационных узлов в автономных инверторах.
28.Способы регулирования выходного напряжения автономных инверторов.
29.Что такое широтно-импульсное регулирование(ШИР) и ши- ротно-импульсная модуляция (ШИМ)?
156
ГЛАВА 5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
|
Преобразователями |
частоты |
называют устройства, преобразую- |
|
||
щие |
электрическую |
энергию |
переменного |
тока |
одной |
частоты |
в электрическую энергию переменного тока другой частоты. |
|
|
||||
|
Преобразователи частоты подразделяются на две группы: |
|
|
|||
1.Со звеном постоянного тока.
2.Без звена постоянного тока или непосредственные преобразователи частоты.
5.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Преобразователи |
|
частоты |
|
|
со |
|
|
звеном |
постоянного |
тока |
||||||||
представляют собой совокупность выпрямителя и автономного инвер- |
|
|||||||||||||||||
тора (рис. 5.1). Поэтому преобразователям этого класса присущи все |
|
|||||||||||||||||
особенности |
|
выпрямителей |
и |
|
автономных |
инверторов, уже |
|
|||||||||||
рассмотренных выше. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
U2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
U1 |
|
|
B |
|
|
AИ |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
f1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f2 |
|
|
||||
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рис. 5.1. Преобразователь частоты |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
со звеном постоянного тока |
|
|
|
|
||||||||||||
|
5.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ |
|
|
|||||||||||||||
|
С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ |
|
|
|||||||||||||||
Преобразователи |
|
частоты |
|
|
|
с |
непосредственной |
связью |
||||||||||
осуществляют |
|
преобразование |
|
|
энергии |
|
непосредственно, без |
|
||||||||||
промежуточного выпрямления (рис. 5.2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НПЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
f1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
f2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.2. Преобразователь частоты с непосредственной связью
Рассмотрим принцип действия этого класса преобразователей на примере схемы (рис. 5.3). Она представляет собой две взаимообратные
157
вентильные группы 1 и 2, питающиеся от сети (U1, f1 ). Нагрузка Zн включена между средними точками уравнительных дросселей L1 и L2 .
L1 |
Zн |
L2 |
|
Рис. 5.3. Трехфазно-однофазный преобразователь частоты |
|
|||||
|
|
|
с непосредственной связью |
|
|||
Предположим, что в момент q = 0 (рис. 5.4) на вентили группы 1 |
|||||||
начинают поступать импульсы управления с угломa . Вентильная |
|||||||
группа |
1 |
начинает |
работать |
как |
обыкновенный |
управляемый |
|
выпрямитель и на нагрузке будет напряжениеUн , среднее значение |
|||||||
которого Uн ср = 2,34U1 cos a . |
|
|
|
||||
Uн , |
a |
U |
н |
i |
|
|
|
iн |
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
wtв |
b |
|
a |
|
|
|
|
wT 2 |
wtи |
wtп |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
Рис. 5.4. Диаграмма, поясняющая работу трехфазно-однофазного |
|||||||
|
преобразователя частоты с непосредственной связью |
|
|||||
Такое положение будет сохраняться в течение интервала wtв . За это время ток нагрузки iн в предположении активно-индуктивного ее характера, изменяясь по экспоненциальному закону, достигает iн max .
158
В момент wtв |
прекращается |
подача |
на вентили |
группы1 импульсов |
|
||
управления выпрямительным режимом, и она переводится в режим |
|
||||||
зависимого инвертора; при этом импульсы управления будут поступать |
|
||||||
с углом опережения , βа вентильная группа1 будет формировать |
|
||||||
противоЭДС току нагрузкиiн , который вследствие этого начинает |
|
||||||
уменьшаться и через интервалwtи |
станет равным нулю. Последние, |
|
|||||
проводившие ток вентили группы1, закрываются и в течение бестоко- |
|
||||||
вой паузы wtп |
восстанавливают свои управляющие свойства. После |
|
|||||
этого в точке ω T2 все описанные процессы повторяются, |
но со второй |
|
|||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
вентильной |
группой 2, |
вентили |
|
которой |
в |
течение |
всего |
рассматриваемого интервала ω T2 находились в закрытом состоянии. |
|
||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Uн , |
wT |
|
|
|
|
|
|
iн |
2 |
|
|
|
|
|
|
wtи |
wt |
wtи |
wt |
|
|
|
|
iн |
|
п |
|
|
||
|
Uн |
|
|
п |
|
|
|
|
Uн ср |
|
|
|
|
|
|
|
wtв |
|
|
wtв |
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
wT 2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.5. Раздельное управление вентильными группами НПЧ |
|
||||||
Таким образом, на нагрузке будет напряжение, близкое к прямоугольному (если пренебречь пульсациями на выходе вентильных групп), с амплитудой Uн ср = 2,34U1 cos a в интервалеwtв и
¢ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uн ср = -2,34U1 cos a в интервале wtи (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 |
напряженияT > T |
и, |
|||||
следовательно, частота на выходе преобразователя |
f2 < f1 , |
2 |
1 |
|
|||||
что является |
|||||||||
принципиальной |
особенностью |
рассматриваемых |
. |
схемВторой |
|||||
принципиальной особенностью является свободный обмен энергией |
|||||||||
между питающей |
сетью |
и |
нагрузкой. Действительно, на |
участке wtв |
|||||
159
вентильная группа 1 работает как выпрямитель, и энергия направлена из питающей сети в нагрузку; на участке wtи группа 1 работает как зависимый инвертор и реактивная энергия, накопленная в нагрузке, направлена в питающую сеть.
5.2.1.Способы управления преобразователями 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 wtв и wtи , так как при заданной выходной частоте f2 недостаточная длительность wtи 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 wtи выбирается из наиболее неблагоприятных условий, когда реактивная энергия нагрузки будет иметь максимальное значение, и, следовательно, потребуется наибольшая длительность wtи 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 |
ω |
T2 |
подаются импульсы управления выпрями- |
|
||||
|
|
2 |
|
|
тельным |
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 q = 0 в |
нагрузке существовал ток, противо- |
положный |
по |
направлению |
выпрямленному напряжению1-й груп- |
пы U1, то |
вентили 1-й группы |
остаются закрытыми, а ток нагрузки |
|
будет протекать через вентили2-й группы, преодолевая создаваемую ими противоЭДС U2 .
В точке q1 ток нагрузки станет равным нулю, а затем откроются вентили 1-й группы, и под действием выпрямленного напряженияU1 потечет ток iн в направлении, противоположном предыдущему, и в
160