Преобразователи электроэнергии
Выпрямители. Выпрямление — преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Принцип электронного силового выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентильных приборов проводить однонаправленный ток. Процессы при выпрямлении определяются:
видом вентильного прибора и способом его управления;
характером нагрузки на стороне постоянного тока;
техническими характеристиками источника энергии переменного тока.
При рассмотрении принципа выпрямления примем следующие основные допущения:
на стороне переменного тока включен источник напряжения синусоидальной формы со стабильной частотой;
в качестве вентильных приборов рассматриваем диод VD или тиристор VS с «идеальными» характеристиками;
нагрузка представляется сосредоточенными элементами;
дополнительные потери в схеме выпрямления отсутствуют.
Для более детального представления зависимости процессов выпрямления от различных факторов рассмотрим однофазную мостовую схему выпрямления с активной нагрузкой Rd.
Однофазный неуправляемый выпрямитель (мостовая схема): а –схема; б, в, г, д, е, ж –токи и напряжения на элементах схемы при работе на активную и активно –индуктивную нагрузку
На временных диаграммах здесь и далее будем использовать в качестве временного параметра угол = t, где — угловая частота источника переменного напряжения.
На процессы выпрямления существенное влияние оказывает характер нагрузки на стороне постоянного тока, в частности наличие индуктивности в нагрузке выпрямителя. Подобный режим встречается в случае включения в цепь нагрузки индуктивного фильтра (размыканием ключа К) или определяется самим характером потребителя (например, обмотки возбуждения электрических машин). Чем больше индуктивность Ld, тем меньше переменная составляющая в кривой id и тем больше сглажен выпрямленный ток.
При замене диодов VP , а на тиристоры VS получаем управляемый выпрямитель. Управляющие импульсы должны подаваться одновременно на два тиристора схемы, расположенных диагонально.
Инверторы и преобразователи частоты. Инвертирование — преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин «инвертор» происходит от латинского слова «inversio» — переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в силовой электронике был введен для обозначения процесса, обратного выпрямлению. При этом поток энергии меняет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь инвертором, ведомым сетью. Последнее обусловлено тем, что коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети. Поскольку электрические параметры преобразователя в этом случае полностью определяются параметрами внешней сети переменного тока, его также иногда называют зависимым инвертором.
Принцип действия инвертора.
Однополупериодный инвертор: а –схема; б и в –диаграммы токов и напряжений на элементах схемы и выпрямленном и инверторном режимах
В электроэнергетике средних и больших мощностей применяются в основном трехфазные комбинированные инверторы, аналогичные по схемотехнике мощным выпрямителям. Основной целью повышения числа фаз выпрямителей и инверторов является улучшение гармонического состава потребляемого переменного тока и снижение уровня пульсаций выходного напряжения. Внедрение мощных полностью управляемых силовых приборов облегчило решение этой задачи посредством использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, перспективными считаются многоуровневые модульные схемы преобразователей, которые в сочетании с ШИМ открыли новые возможности улучшения технико-экономических показателей мощных преобразователей высокого напряжения.
Автономные инверторы. Автономный (самокоммутируемый, независимый) инвертор — инвертор, в котором коммутация вентилей осуществляется либо выключением и включением полностью управляемых приборов (транзисторов и запираемых тиристоров), либо с помощью устройств принудительной коммутации, входящих в состав схемы преобразователя и создающих коммутирующее напряжение, обеспечивающее выключение не полностью управляемых приборов (тиристоров). В автономных инверторах выходные параметры (форма, частота напряжения) определяются схемой инвертора и его системой управления в отличие от зависимых инверторов, выходные параметры которых соответствуют параметрам сети.
В настоящее время не существует единой общепринятой системы классификации схем автономных инверторов. Наиболее часто их классифицируют по следующим признакам:
характеру электромагнитных процессов, протекающих в схеме;
способу коммутации тиристоров или схеме включения коммутирующих элементов;
схеме преобразования (конфигурации соединений элементов силовой части).
В стандарте МЭК на термины силовой электроники для автономных инверторов приводятся следующие определения:
инвертор напряжения — инвертор, питаемый от цепи постоянного тока с преобладающими свойствами (характеристиками) источника напряжения;
инвертор тока — инвертор, питаемый от цепи постоянного тока с преобладающими свойствами источника тока.
Автономные инверторы используются преимущественно в автономной энергетике малой и средней мощности.
Преобразователи частоты. Преобразователь частоты — преобразователь, предназначенный для преобразования тока одной частоты в ток другой частоты с возможным изменением значения напряжения и числа фаз.
Преобразователи частоты классифицируются по мощности, напряжению, числу фаз входного и выходного напряжений, схеме преобразования и т.п. Преобразователи частоты выполняются с фиксированным соотношением частот входного и выходного напряжений и с переменным их соотношением или с регулируемой частотой. Преобразователи с регулируемой частотой нашли широкое применение в области электропривода для регулирования скорости асинхронных двигателей.
При классификации преобразователей частоты выделяют два основных типа:
преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (непрямые преобразователи);
преобразователи с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки, которые в литературе иногда называются преобразователями с неявно выраженным звеном постоянного тока.
Преобразователем частоты с непосредственной связью называется прямой преобразователь, т.е. преобразователь, в котором энергия источника переменного тока передается в нагрузку непосредственно на проводящих интервалах силовых ключей схемы преобразователя. Наиболее широкое практическое применение такие преобразователи, выполненные на тиристорах, находят в электроприводе для управления низкоскоростными двигателями очень большой мощности. Основой силовой части таких преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристров, каждая из которых может работать в выпрямительном или инверторном режиме.
Чаще всего такие преобразователи выполняются с естественной коммутацией тиристоров и поэтому имеют частоту выходного напряжения меньшую, чем частота питающей сети. Это обстоятельство обусловило их широкое применение в области электропривода для частотного регулирования скорости двигателей путем изменения частоты выходного напряжения в диапазоне низких частот (ниже частоты промышленной сети).
Структурная схема преобразователя частоты с промежуточеным звеном постоянного тока
Переменное напряжение U1 с частотой f1 поступает на вход выпрямителя В. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром Ф и поступает на вход автономного инвертора АИ, имеющего выходное напряжение U2 с частотой f2. В преобразователях данного типа частота выходного напряжения не зависит от частоты питающей сети и может быть как больше, так и меньше этой частоты.
Следует отметить, что преобразователи частоты с инвертором тока в настоящее время в основном применяются для управления синхронными двигателями очень большой мощности. В преобразователях малой и средней мощности с регулируемой в широком диапазоне частотой выходного напряжения, предназначенных обычно для питания электродвигателей, звено АИ выполняется, как правило, по схеме инвертора напряжения.