9.4. Спч с промежуточным звеном постоянного тока

Рис. 9.17. Укрупненная функциональная схема электропривода с частотным управлением.

Преобразование частоты возможно по схеме электромашинного преобразователя: приводной двигатель с регулируемой частотой вращения — синхронный генератор. Однако такая схема для управления электроприводом применяется значительно реже из-за громоздкости и низких энергетических показателей. Практически все ПЧ строятся на основе полупроводниковых элементов — транзисторов, тиристоров и т.д., которые получили название статических преобразователей частоты (СПЧ). Широкое распространение СПЧ объясняется их высокими технико-экономическими показателями. Помимо регулируемого электропривода СПЧ (рис. 9.17) применяют в источниках бесперебойного питания, установках для высокочастотного нагрева металла и т.д.

Статические преобразователи частоты со звеном постоянного тока состоят из следующих основных блоков (рис 9.18, а): управляемого выпрямителя (УВ) 1 со схемой управления 2, автономного инвертора (АИ) 3 со схемой управления 4 и фильтра 5 в звене постоянного тока. Напряжение сети (Uc,f_c) в СПЧ преобразуется в напряжение U_s регулируемой частоты f_s. Амплитуда этого напряжения регулируется системой управления выпрямителем (СУВ), а его частота — системой управления инвертором (СУИ). В зависимости от схемы фильтра Ф (рис. 9.18, б, в) в звене постоянного тока АИ делятся на инверторы напряжения (АИН) и тока (АИТ). АИН являются источниками напряжения, для чего фильтр кроме индуктивности Lф содержит конденсатор С_ф относительно большой емкости (порядка (2...5)10³ мкФ). Это обеспечивает АИН жесткую характеристику (зависимость напряжения от нагрузки). Управляющими воздействиями на двигателе в СПЧ-АИН являются амплитуда и частота напряжения.

Рис:9.18. Схема статического преобразователя частоты (а) и схемы фильтров (б, в) в звене постоянного тока.

В схеме СПЧ на основе АИТ в звено постоянного тока включается реактор L_d с большой индуктивностью (рис. 9.18, в), что делает такой инвертор источником тока. Поэтому в схеме СПЧ-АИТ управляющими воздействиями на двигатель являются частота и ток статора. Эти особенности предопределяют структуры замкнутых систем регулирования, которые будут рассмотрены ниже.

Рассмотрим подробнее процесс формирования напряжения и схемы СПЧ-АИН. Процесс выпрямления напряжения сети U_c с помощью УВ не отличается от процесса в электроприводах постоянного тока.

Рассмотрим работу АИН на примере трехфазной мостовой схемы (рис. 9.19) с подключением обмоток АД, соединенных в звезду (соединение обмоток в треугольник не меняет принципа работы АИН).

Рис. 9.19. Принципиальная схема силовой части автономного инвертора напряжения (устройства коммутации тиристоров VS1 ...VS6 не показаны)

Тиристоры VS1...VS6 осуществляют поочередное подключение источника постоянного напряжения U_d к точкам А, В и С, являющимся выходами инвертора. На схеме не изображены устройства принудительной коммутации тиристоров; взамен тиристоров могут применяться также транзисторы. Наиболее простую структуру системы управления имеют АИН с фиксированным значением угла проводящего состояния тиристоров = 120^е: эл. и = 180° эл. Получение формы выходного напряжения при , = 180° эл. можно показать следующим образом. Последовательным включением двух конденсаторов С1 и С2 равной емкости на; входе инвертора образуем нулевую точку, как показано на рис. 9.19, потенциал которой равен нулю. Тогда фазные напряжения инвертора u_аи, и_bи и u_си, равные потенциалам точек А, В и С относительно нуля, зависят от состояния тиристоров VS1...VS6. Например, для точки A , когда открыт VS1, и при от­крытом VS4. При = 180° эл. всегда открыты три тиристора од­новременно. Соответствующие построения фазных напряжений инвертора u_аи, и_bи и u_си, линейных напряжений и_аb, u_bc и и_са и фазных напряжений нагрузки и_а u_b и и_с при соединении в звезду показаны на рис. 9.19. Там же обозначены тиристоры, находящиеся в проводящем состоянии. Линейные напряжения равны:

; ;

Для нахождения фазных напряжений, и_а u_b и и_с на нагрузке при соединении звездой запишем систему уравнений:

(9.16)

С учетом того, что в симметричной системе и_а + u_b + и_с = 0, из (9.16) получим:

(9.17)

Необходимо заметить, что уравнения (9.17) не приемлемы для нахождения фазных напряжений инвертора, так как для последних не соблюдается условие равенства нулю суммы фазных напряжений ввиду наличия напряжения третьей гармоники.

Вентили VD1...VD6 обратного тока в схеме, приведенной на рис. 9.19, служат для возврата реактивной энергии АД в конденсатор Сф либо (частично) через открытый тиристор другой фазы в нагрузку. При угле проводимости тиристоров =120° эл. форма кривой фазного напряжения зависит от cos нагрузки и в целом имеет более сложный характер. При cos 0,558 напряжение

Рис. 9.20. Напряжение инвертора и нагрузки при = 180° эл.

аналогично (см. рис. 9.20), так как нулевая пауза в кривой напряжения заполняется из-за открытого состояния одного из диодов (VD1...VD6), через который в данный интервал времени осуществляется возврат энергии.

Предоставляем читателю возможность самостоятельно построить кривые напряжения, аналогичные кривым на рис. 9.20, но при = 120° эл. и = 150° эл. Интересно проследить изменение формы напряжения при различных значениях cos , например: cos = 0 и cos = 1.

Рис. 9.21. Схема силовой части СПЧ на основе АИН (а) и схема индивидуальной коммутации тиристора(б).

Амплитуда напряжения на входе инвертора регулируется тиристорами VS7...VS12 УВ; между УВ и АИН включен L_ф-С_ф-фильтр. Для коммутации тиристоров VS1...VS6 инвертора служат конденсаторы С и реакторы L. Отсекающие диоды VD7... VD12 предотвращают разряд коммутирующих конденсаторов через нагрузку. Частота коммутации тиристоров VS1...VS6, которая однозначно определяет выходную частоту инвертора, задается системой управления. Характерная особенность схемы заключается в том, что каждый из тиристоров VS1...VS6 может быть открыт в течение 1/3 периода, т.е. =120° эл. Рассмотрим этот вопрос более подробно. При отпирании очередного тиристора из группы VS1, VS3, VS5 или VS2, VS4, VS6 предшествующий тири­стор запирается. Допустим, открыты тиристоры VS1 и VS2. Коммутирующий конденсатор заряжается по цепи: -VS1- L-С-VD9 — нагрузка — VS2— ; по окончании процесса заряда на левой обкладке конденсатора имеется «+» (цепи заряда других конденсаторов не рассматриваем). Следующим по порядку работы включается тиристор VS3 (VS5 в этом такте включен быть не может, так как при открытом VS2 это приведет к короткому замыканию), после чего на короткое время прохождения обратного тока образуется цепь С⁺ - L - VS1 - VS3 – СН^- и тиристор VS1 запирается. В дальнейшем рассматриваемый конденсатор перезаряжается по цепи - VS3 - С - L - VD7 — нагрузка — VD8 — VS2 — . Некоторое время, определяемое параметрами коммутирующей цепи, на левой обкладке конденсатора сохраняется знак «+», что необходимо для восстановления запирающих свойств тиристора VSI.

Следующим будет включен тиристор VS4. Такая коммутация называется фазовой. Ограничением схем с фазовой коммутацией является фиксированный угол проводящего состояния тиристоров (120° эл., когда в проводящем состоянии находятся лишь два тиристора одновременно (рис. 9.21, а), или 180° эл. (схема не приводится). Этот недостаток устраняется применением схем с двухступенчатой коммутацией, в которых запирание очередного вентиля происходит в момент включения вспомогательного тиристора, подключающего источник коммутирующей ЭДС. При такой коммутации ток нагрузки кратковременно переводится на вспомогательный тиристор. Можно выделить следующие группы схем инверторов с двухступенчатой коммутацией:

1) с индивидуальной коммутацией тиристоров;

2) с групповой коммутацией;

3) с общим узлом коммутации.

Количество схем коммутации чрезвычайно велико. Приведем одну из них — схему с индивидуальной коммутацией, в которой каждый из силовых тиристоров инвертора имеет вспомогательный (коммутирующий) тиристор. Рассмотрим схему гашения лишь одного из силовых тиристоров (например, VS1 на рис. 9.21, а), которая изображена на рис. 9.21, б. Перед отпиранием основного тиристора VS1 предварительно отпирается коммутирующий тиристор VSK и конденсатор С заряжается по цепи U_d — С — VSK — VD1 — нагрузка и т.д. По окончании процесса заряда на левой обкладке конденсатора имеется «+» и тиристор VSK запирается, поскольку зарядный ток i_3ap через него прекращается. При отпирании основного тиристора VS1 (напоминаем, что рассматриваются лишь цепи коммутации) конденсатор перезаряжается по цепи С⁺—VSI—VDK—L—С^- (i_paзр — ток разряда). Параметры коммутирующей цепи L—С выбираются таким образом, чтобы обеспечить колебательный характер процесса, в результате которого на правой обкладке конденсатора будет положительный заряд. Теперь коммутирующая цепь подготовлена к своей основной функции — запиранию тиристора VS1. Это произойдет в нужный момент при отпирании коммутирующего тиристора VSK, когда «+» конденсатора прикладывается к катоду VS1; последний запирается, а процесс перезаряда конденсатора теперь уже с участием источника питания U_d происходит аналогично описанному выше. По его окончании на левой обкладке конденсатора будет положительный заряд и схема готова к следующему такту работы. Необходимо отметить, что процессы коммутации и зарядов-разрядов коммутирующих конденсаторов столь кратковременны, что не могут оказать существенного влияния на работу двигателя. Схема на рис.9.20, б содержит большое число вспомогательных элементов, что является ее недостатком. Этот недостаток устраняется в схемах с групповой коммутацией, которые здесь не рассматриваются.

В рассмотренных выше схемах СПЧ регулирование амплитуды напряжения на АД, необходимое при регулировании частоты, осуществляется с помощью УВ, который работает так же, как и в приводах постоянного тока. Напряжение u_ф на фазе двигателя и ток iф фазы при этом изменяются, как показано на рис. 9.21, а. Как видно, форма тока значительно отличается от синусоидальной. Высшие гармоники тока создают пульсирующие моменты, которые начинают сказываться на работе привода при частоте питания ниже 10 Гц. Это ограничивает возможности привода. Между тем применение принципов двухступенчатой коммутации, которая необходима для надежной работы инвертора (одна из возможных схем показана на рис. 9.21, б), позволяет регулировать напряжение внутри инвертора за счет изменения времени проводящего состояния силовых тиристоров. Это дает возможность вместо управляемого выпрямителя применять неуправляемый, выполненный на шести диодах. Кроме того, что уменьшается количество тиристоров, такой СПЧ предпочтительнее с точки зрения вредного влияния на питающую сеть. При регулировании внутри инвертора для уменьшения содержания высших гармоник в кривой выходного напряжения применяется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ), согласно которому, ширина импульсов изменяется по определенному закону (рис. 9.22, б, в) в течение интервала проводимости инвертора. Необходимо отметить, что на указанном рисунке дан упрощенный вид кривой, хотя он в достаточной мере иллюстрирует принцип регулирования. При прямоугольной модуляции (рис. 9.22, б), которая является частным случаем ШИМ, кривая напряжения состоит из нескольких импульсов одинаковой ширины. Время t₁ включенного состояния тиристора не изменяется в течение интервала 0...π (Т_ком = const и 0 < t₁ < Т_ком). Регулирование напряжения, первая гармоника u₁ которого показана на рисунке, заключается в изменении t₁.

Наилучшие показатели имеет синусоидальная ШИМ, при которой ширина импульса пропорциональна синусу текущего значения ω₀t. При этом ток в обмотках двигателя имеет форму, близкую к синусоидальной (рис. 9.22, в). Для получения синусоидального ШИМ-напряжения необходима достаточно сложная система управления инвертором; она реализуется на основе микропроцессоров.

Рис 9.22 . Напряжение фазы и_Ф и ток фазы i_Ф при питании от инвертора с фазовой коммутацией (а) и напряжения и токи при прямоугольной (б) и синусоидальной (в) ШИМ

Контрольные вопросы

1. Какие основные свойства у непосредственных преобразователей частоты (НПЧ)?

2. Какие известны типы непосредственных преобразователей частоты?

3. Какое условие согласования углов регулирования вентильными комплектами в НПЧ на тиристорах?

4. Каково предельное значение частоты выходного напряжения в НПЧ на тиристорах при полной модуляции?

5. Чем определяется предельное значение частоты выходного напряжения в НПЧ на транзисторах?

6. От каких параметров повышающе-понижающих НПЧ зависит предельное значение коэффициента преобразования по напряжению?

7. В каком типе НПЧ возможен практически синусоидальный входной ток, совпадающий по фазе с входным напряжением?

8. Что определяет коммутационная матрица выходных напряжений НПЧ?

9. Что определяет коммутационная матрица входных токов НПЧ?

10. Как связаны коммутационные матрицы выходных напряжений и входных токов НПЧ?

11. Какая особенность у внешних характеристик НПЧ на тиристорах?

12. Какие особенности у входных энергетических характеристик НПЧ на тиристорах?

13. Чем определяется характер внешней характеристики у НПЧ на транзисторах с циклическим управлением?

14. Какие дополнительные устройства требуются на входе НПЧ на транзисторах и циклическом управлении?

15. Какие дополнительные устройства требуются на входе повышающе-понижающего НПЧ?

16. Чем определяется ход внешней характеристики у повышающе-понижающего НПЧ?

17. Чем определяется ход регулировочной характеристики у повышающе-понижающего НПЧ?