3.3.2. Преобразователи
С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ
Преобразователи с непосредственным преобразованием имеют наиболее простую силовую часть и не обладают промежуточным звеном постоянного тока. До настоящего времени НПЧ, имеющие также второе наименование – циклоконверторы
Рис. 3.14. Принципиальная схема силовой части преобразователя НПЧ
[40], строились в основном на большие мощности на базе использования тиристоров. Схема силовой части НПЧ в варианте преобразования из трехфазного тока в трехфазный представлена на рис. 3.14. Она состоит из трех троек полупроводниковых приборов в анодной части схемы (I-III) и соответственно трех троек (IV-VI) в катодной части. Эти тройки работают поочередно, создавая трехфазный вариант схемы. Внутри троек также осуществляется поочередное включение приборов. В итоге вторичное напряжение пониженной частоты создается из отрезков синусоидальных, кривых первичного сетевого напряжения частотой 50 Гц. Если при этом не управлять напряжением, создаваемым отдельными силовыми приборами, то практически на вторичной стороне будем иметь прямоугольную форму результирующего напряжения (рис. 3.15). В результате во
Рис. 3.15. Напряжение на выходе НПЧ при отсутствии регулирования
напряжения
вторичной цепи будет существовать множество нечетных гармонических составляющих, создающих существенные потери в питаемом двигателе. Поэтому необходимо хотя бы простейшее управление приборами, изменяющее последовательно угол регулирования каждого вновь вступающего в работу тиристора или непосредственно напряжение на выходе силового транзистора. Снижением среднего напряжения в начале и конце работы группы приборов можно получить трапецеидальное или приближающееся к нему по форме вторичное напряжение. Используя силовые транзисторы и цифровое управление, можно обеспечить близкую к синусоиде форму напряжения с минимальным содержанием высших гармоник. В современных системах для регулирования напряжения используется широтно-импульсная модуляция. Следует отметить, что, как видно из рис. 3.16, одна часть приборов в системе работает в выпрямительном режиме, а вторая в инверторном.
Основным недостатком системы с НПЧ является невозможность работы ее при частоте выше чем 0,5 ƒ1ном. Нормальный диапазон ее работы от нулевой частоты до 20-25 Гц. Причиной этого является то обстоятельство, что из отрезков синусоидальных кривых сетевой частоты нельзя составить кривую напряжения для частоты, мало отличающейся от исходной частоты сети ƒ1. При целом числе отрезков получим полупериод или больше, или меньше необходимого T/2 = 1/2ƒ Соответственно в небольших пределах будет изменяться частота и в электромеханической системе возникнут колебания низкой частоты. Несколько улучшить положение можно, используя искусственную коммутацию за счет применения блока конденсаторов, подключаемых к выходу преобразователя посредством тиристорных или транзисторных ключей. При этом общее число полупроводниковых аппаратов возрастет до 24, а достижимый эффект будет
Рис. 3.16. Напряжение на выходе НПЧ при регулировании напряжения
незначительным. Выходом из положения может быть использование на первичной стороне повышенной частоты 100-200 Гц, питая установку не от сети, а от специального генератора повышенной частоты, которые широко применяются в автономных установках (на лесозаготовках и в сельском хозяйстве).
Также к недостаткам преобразователя НПЧ относят большое число полупроводниковых приборов - 18 для трехфазной установки. Однако это впечатление кажущееся, обусловленное тем, что все они сосредоточены в одном месте. Если взять, к примеру, систему с АПН, то во всех узлах ее суммарно будем иметь тоже количество приборов: 6 (АПН), 6 (Выпр), 6 (Инв), всего 18.
Весьма привлекательна система с НПЧ с позиций ее использования в следящих системах так как основной ее режим - малые частоты, а следовательно, низкие скорости вращения двигателя. Система с НПЧ, как и системы постоянного тока, может работать в двух режимах: совместном и раздельном. При совместном режиме все приборы всегда подготовлены к работе и не проводят ток только за счет организации соответствующего режима. При нулевой частоте преобразователь подготовлен для управления двигателем в любом из двух направлений. Однако при этом неизбежна циркуляция уравнительных токов. Для ограничения их, как правило, последовательно в выходные цепи включают дроссели. Можно полагать, что построение систем с НПЧ на базе силовых транзисторов позволит существенно уменьшить уравнительные токи и в результате окажется возможным построение следящих систем на базе использования НПЧ.
Раздельное включение блоков НПЧ мало пригодно для следящих систем и вообще для прецизионных электромеханических систем, так как при его использовании возникает бестоковая пауза и соответственно зона нечувствительности.