Тема 1.3 напівпровідникові перетворювачі частоти

Лекція 8. Перетворювачі частоти (ПЧ) змінного струму. Призначення, класифікація, режими роботи.

Типові схемні рішення та принцип роботи напівпровідникових ПЧ з автономними інверторами напруги і струму.

Завдання на СРС. Принцип роботи системи керування ПЧ. Побудова вихідної характеристики автономного інвертора.

Література: 1, с.66-73; 1а, с.277-284; 1б, с.172-177.

Питання для самоконтролю:

1. Керовані вентильні перетворювачі частоти із проміжною ланкою постійного струму. Призначення, принцип роботи, побудова кривої вихідної напруги, переваги та недоліки, діапазон регулювання частоти.

2. Типові схемні рішення силової частини перетворювачів частоти із проміжною ланкою постійного струму, комутація тиристорів.

Найбільш гнучкі в керуванні і надійні регульовані електроприводи мають у своєму складі асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором; кутова швидкість цих двигунів регулюється при зміні частоти напруги живлення. При регулюванні частоти постає необхідність регулювання амплітуди напруги джерела живлення. Економічні вигоди частотного регулювання особливо істотні в приводах з повторно-короткочасним режимом, коли часто змінюється напрям обертання з інтенсивним гальмуванням.

Для частотного регулювання кутової швидкості застосовують перетворювачі, у яких на виході відповідно до вимог змінюється співвідношення або незалежно змінюються як частота, так і амплітуда напруги. Перетворювачі частоти можна розділити на електромашинні та вентильні. Було розроблено багато модифікацій електромашинних перетворювачів частоти, але всім їм властиві певні недоліки: надто велика установлена потужність перетворювача; низький ККД; невисока швидкодія електропривода.

На цей час використовуються головним чином транзисторні та тиристорні перетворювачі частоти (ПЧ). Структурні схеми ПЧ поділяються на такі види:

• ПЧ з проміжною ланкою постійного струму;

• ПЧ з широтно – імпульсною модуляцією;

• ПЧ з безпосереднім зв’язком з мережею.

Розглянемо докладніше принципи технічної реалізації, переваги та недоліки, області використання даних видів ПЧ.

1.3.1 Пч з проміжною ланкою постійного стуму

ПЧ з проміжною ланкою постійного стуму складається з керованого випрямляча (КВ), автономного інвертора (АІ), а також систем керування випрямлячем (СКВ) і інвертором (СКІ) (див. рис. 1.3.1).

Керований випрямляч (КВ) перетворює трифазну синусоїдальну напругу мережі в випрямлену регульовану напругу, яка в подальшому визначає амплітуду вихідної напруги ПЧ U₁, що надходить на статор АД. Величина U₁ визначається кутом відкривання тиристорів КВ і змінюється за допомогою послідовності імпульсів, які формуються системою імпульсно – фазового керування, яка входить до СКВ.

Випрямлена напруга перетворюється АІ в трифазну синусоїдальну напругу зі змінною частотою. Частота f₁ вихідної напруги залежить від інтервалу роботи ключів АІ.

Для невеликих потужностей замість керованого випрямляча може використовуватися некерований, а за допомогою АІ із системою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) одночасно регулюється як напруга, так і частота.

Рис. 1.3.1

Принцип роботи автономного інвертора з регульованою вхідною напругою пояснюється рис. 1.3.2. Ключі АІ комутуються попарно у наступному порядку: 1 – 2, 2 – 3, 3 – 4, 4 – 5, 5 – 6, 6 – 1, 1 – 2 і т.д. Напруга і струм в навантаженні R_н, X_н мають імпульсний характер.

Рис. 1.3.2

На рис. 1.3.3 показана циклограма роботи ключів АІ, яка пояснює принцип побудови змінної вихідної напруги. В верхній частині циклограми наведені номери одночасно працюючих ключів.

Рис. 1.3.3. Циклограма роботи АІ

На рисунку позначені: U_A, U_B, U_C – фазні напруги; U_AB – лінійна напруга на виході інвертора.

З циклограми рис. 1.3.3 видно, що при способі керування з одночасно відкритими двома тиристорами лінійна напруга більш нагадує синусоїдальну, ніж фазна.

На вході інвертора струму послідовно вмикається індуктивність, а на вході інвертора напруги, паралельно - ємність.

Для створення магнітного поля АД та обміну реактивною енергією з джерелом живлення між КВ і АІ встановлюють накопичувач енергії. Таким накопичувачем може бути конденсатор або дросель, що вмикаються паралельно або послідовно. Згідно до обраного накопичувача енергії АІ працює або в режимі джерела напруги (АІН), або джерела струму (АІС). В АІН та АІС, відповідно, напруга або струм не можуть змінюватися стрибком.

Полярність напруги на вході інвертора дозволяє відкрити будь-який тиристор в будь-який момент часу за допомогою подачі керуючого імпульсу на відповідний керуючий електрод.

Закривання тиристорів у даній схемі можливе лише примусовим шляхом. Використовують два варіанти реалізації примусового закривання тиристорів - з міжфазовою комутацією та з індивідуальною комутацією.

При міжфазовій комутації для закривання тиристора до нього прикладається напруга попередньо зарядженого конденсатора протилежної полярності за рахунок відкривання сусіднього тиристора (з сусідньої фази) (див. рис. 1.3.4).

Рис. 1.3.4

При відкритті тиристора VS1 конденсатор C1 заряджається до полярності вказаної на рисунку. Причому величина напруги приблизно дорівнює U.

При подачі керуючого імпульсу на VS3 він відкривається і напруга на C1 через VS3 прикладається до VS1. Сумарний струм через VS1 спадає до нуля і він закривається.

Схема трьохфазного інвертора з міжфазовою комутацією і відсікаючими діодами представлена на рис. 1.3.5.

Рис. 1.3.5

Відсікаючі діоди VD1…VD6 немов би відокремлюють навантаження (двигун) від інвертора. Такий підхід призводить до необхідності використання окремих конденсаторів для тиристорів верхньої групи і нижньої. При цьому суттєво зменшується ємність необхідних конденсаторів.

Величина конденсаторів вибирається таким чином, щоб перенапруга на них не перевищувала допустимі значення, час заряду був порівняно недовгим, а часу розряду вистачало для поновлення запираючих властивостей тиристорів.

В якості прикладу розглянемо принципову схему електропривода по системі ПЧ-АД з автономним інвертором струму, представлену на рис. 1.3.6.

Рис. 1.3.6

Статорна обмотка АД з короткозамкненим ротором живиться від перетворювача частоти, який надає змогу змінювати амплітуду та частоту напруги живлення. Перетворювач виконано за схемою з проміжною ланкою постійного струму. Він складається з керованого випрямляча, який дозволяє змінювати амплітуду напруги пропорційно сигналу завдання амплітуди та керованого інвертора струму, який дозволяє змінювати частоту напруги пропорційно сигналу завдання частоти . Дросель забезпечує згладжування пульсацій випрямленого струму.

Відкривання тиристорів випрямляча здійснюється природним шляхом. Запирання тиристорів інвертора здійснюється примусово комутуючими конденсаторами при відпиранні сусідніх тиристорів. Відсікаючі діоди дозволяють значно зменшити ємності комутуючих конденсаторів.

Завдання швидкості обертання двигуна визначається положенням рухомого контакту потенціометра . Функціональний перетворювач ФП дозволяє встановити певну залежність між частотою і амплітудою, тобто сформувати бажаний вигляд механічної характеристики двигуна.

При індивідуальній примусовій комутації тиристорів в схемі АІ застосовують додаткові вузли Uz1, за допомогою яких до кожного з силових тиристорів також підключаються відповідні попередньо заряджені конденсатори (див. рис. 1.3.7).

Рис. 1.3.7

Принцип роботи вузла примусової комутації пояснюється на рис. 1.3.8.

Рис. 1.3.8

Нехай конденсатор попередньо заряджений до полярності, вказаної без дужок. Тоді для того, щоб закрити VS1 достатньо подати керуючий імпульс на VS2. При цьому, через відкритий VS2 до VS1 прикладається зворотна напруга конденсатора. Фактично сумарна напруга на VS1 буде близькою до нуля, тому струм через VS1 спаде до нуля і він закриється. В той же час поки відкрито VS2 виникає коло для заряду конденсатора «+» - С1 – VS2 – VD1 – R_Σ – «–». Внаслідок цього конденсатор заряджається до напруги близької до Е з полярністю вказаною в дужках. Резистор R_Σ враховує опір навантаження, трансформатора, діодів випрямляча.

Коли конденсатор зарядиться, струм через VS2 i C1 спаде до нуля і VS2 закриється. В момент відкриття VS1 виникає коло перезаряду конденсатора C1 – VS1 – VD – L1. У цьому колі виникли б коливальні перехідні процеси по напрузі і струму (синусоїдальні). Але внаслідок наявності відсікаючого діода VD1 ці перехідні процеси обмежуються лише половиною періоду синусоїди. Тобто, коли полярність, вказана в дужках, змінюються на протилежну (без дужок), коло розривається і конденсатор С1 є підготовленим до наступного запирання VS1.

Оскільки, в схемі з індивідуальною комутацією для кожного тиристора використовується окрема схема закривання, то на її основі можна реалізувати як раніше вказаний спосіб, так і керування на основі принципу ШІМ (див. докладніше п. 1.2.2).

Структурна схема системи формування керуючих імпульсів АІ показана на рис. 1.3.9.

Рис. 1.3.9

Частота імпульсів f на виході генератора прямо пропорційна постійній напрузі на його вході. Фактично ця частота визначає тривалість періоду і є базовою, до якої прив’язуються керуючі імпульси тиристорів.

Розподільник імпульсів розподіляє цю послідовність по 6-ти каналам. В кожному каналі частота в 6 разів менша, ніж базова. При цьому, між сусідніми каналами існує зсув по фазі на 60 ел. град. Вихідні підсилювачі забезпечують бажану тривалість і амплітуду керуючих імпульсів, а також гальванічну розв’язку силових кіл і кіл керування.

Розглянемо принцип роботи розподільника імпульсів на базі JK – тригерів. Логічні умови роботи розподільника імпульсів:

де а – сигнали на відкривання тиристорів. Принципова схема та циклограма роботи розподільника імпульсів показані на рис. 1.3.10, 1.3.11, відповідно.

Рис. 1.3.10

Рис. 1.3.11

Схема вихідного підсилювача на основі оптронного тиристора представлена на рис. 1.3.12.

Рис. 1.3.12