книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

ка у инвертора, второе слагаемое определяет подъем входной характе­ ристики. Повышение входного напряжения £/р с ростом входного тока id объясняется добавлением коммутационной площадки к синусои­ дальному выходному напряжению холостого хода.

Из описания работы инвертора следует, что мощность, отдаваемая инвертором в сеть, может регулироваться тремя способами:

1)изменением угла опережения р при постоянном входном напря­ жении Un, при этом с увеличением Р уменьшается внутренняя проти- во-э. д. с. инвертора £/ро, растет ток id и увеличивается мощность, по­ требляемая от источника питания;

2)изменением напряжения источника питания U„ при неизменном угле опережения Р;

3)изменением напряжения переменного тока, подводимого от сети

спомощью отпаек трансформатора TV.

Так как внутренняя противо-э. д. с. инвертора £/р0 пропорцио­ нальна э. д. с. сети, то при уменьшении э. д. с. сети падает £/ро, растут входной ток инвертора и передаваемая им мощность.

При всех способах регулирования угол б !> бкр. Верхнее ограни­ чение входных характеристик определяется величинами токов, при которых послекоммутациоиный угол б при заданном угле р становится равным бкр, т. е. равен углу, достаточному для надежного восстанов­ ления запирающих свойств тиристоров!

Характерными особенностями инверторов, ведомых сетью и режи­ мов их работы являются:

а) инвертор может быть построен только на тиристорах, так как большую часть нерабочего интервала к ним приложено положитель­ ное напряжение; б) угол отпирания а должен превышать 90°; в) по­ лярность напряжения на стороне постоянного тока противоположна полярности выпрямителей; г) во всем диапазоне изменения тока на­ грузки и входного напряжения должно выполняться условие р >

>У + бКр.

Инвертор, ведомый сетью, может быть выполнен и по трехфазным схемам. Трехфазные инверторы рассчитываются по выражениям (7.1) — (7.3), в которых соответственно подставляются для схемы со средней точкой т2 = 3, а для мостовой схемы т2 = 6. Угол опере­ жения отсчитывается от точки естественного включения тиристоров.

7.4.Непосредственные преобразователи частоты

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) подразделя­ ются на: а) преобразователи частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией тока тиристоров (НПЧ с ЕК); б) преобразо­ ватели частоты с непосредственной связью и искусственной коммута­ цией тока тиристоров (НПЧ с ИК).

НПЧ с ЕК предназначены для преобразования т1— фазного на­ пряжения сети % частоты Д в т 2-фазное выходное напряжение и2 пониженной частоты Д < Д. В НПЧ с ЕК кривая выходного напря­ жения формируется из отрезков кривых напряжения питающей сети при циклическом подключении нагрузки в течение определенного

281

времени к различным фазам питающей сети. В зависимости от числа фаз питающей сети и нагрузки НПЧ подразделяются на: однофазно-одно­

рис. 7.9, г, д) и т. д. Если т2 = 1, то силовая схема НПЧ с ЕК анало­ гична силовой схеме реверсивного преобразователя постоянного на­ пряжения той же фазности и включает в себя вентильные группы, со­ стоящие из ключей переменного тока. Каждая вентильная группа мо­ жет быть собрана по схеме со средней точкой (рис. 7.9, б, г) или по мостовой схеме (рис. 7.9, а, в, д) (однофазной при тх = 1 или трехфаз­ ной при т1 = 3).

В основе работы СУ тиристорными НПЧ лежит вертикальный прин­ цип управления, основные положения и схемная реализация которо­ го детально рассмотрена в гл. 3. К особенностям СУ НПЧ с ЕК сле­ дует отнести то, что каждый тиристор силовой части преобразователя управляется индивидуальными СУФ, частоту выходного напряжения определяет частота изменения задающего сигнала управления Х у,

аформа и амплитуда выходного напряжения преобразователя зависят

иот характера изменения задающего сигнала Х у, и от характера изме­ нения опорного развертывающего напряжения Ue. Изменяя форму опорного напряжения и характер изменения задающего сигнала Х у можно получить требуемые форму, амплитуду и частоту выходного напряжения преобразователя. Наиболее широко в СУ НПЧ с ЭК ис­ пользуется линейная и косинусоидальная форма опорного разверты­ вающего напряжения.

ВНПЧ с ЕК возможно согласованное или раздельное управление работой вентильных групп. Принцип работы НПЧ с ЕК при различ-

282

ных способах управления рассмотрим на примере трехфазно-однофаз- ной мостовой схемы (рис. 7.10).

При согласованном управлении тиристоры одной группы (напри­ мер, VS1...VS6) работают в выпрямительном режиме (В) с углом от­

пирания а ^ -у (угол отсчитывается от момента естественного отпира­ ния вентилей), а другой группы (VS7...VS12) в инверторном (И) с углом отпирания (5 -у. Изменяя углы отпирания тиристоров с оп­

ределенной частотой в выпрямительном и инверторном режимах, на нагрузке НПЧ получаем переменное напряжение, амплитуда и ча­ стота основной гармоники которого определяется амплитудой и часто­ той сигнала управления Х у.

НПЧ с ЕК с согласованным управлением может работать на на­ грузку с любым коэффициентом мощности, так как импульсы управле­ ния подаются одновременно на тиристоры обеих групп. При этом от­ сутствует перерыв в работе НПЧ с ЕК при циклическом переходе тока от одной группы тиристоров к другой.

При отпирании тиристоров первой группы формируется положи­ тельная полуволна тока нагрузки i„ (на рис. 7.11 показана кривая первой гармоники тока нагрузки /2(D), а второй — отрицательная. В составе внутренних э. д. с. е2 и е2 групп тиристоров кроме низкоча­ стотных составляющих, определяемых законом изменения а (/), содер­ жатся также высокочастотные составляющие. При согласованном управлении обеими группами тиристоров в любой момент времени сред­

ние значения внутренних э. д. с. равны между собой, т. е. Е2 = Е2. Однако мгновенные значения этих э. д. с. различны, вследствие чего во внутреннем контуре, минуя нагрузку, под действием уравнитель­

ной э. д. с. еУр = е2 + е2 протекает уравнительный ток /ур. Этот ток увеличивает потери, дополнительно загружает тиристоры и уменьшает коэффициент мощности. Величина уравнительного тока может быть

283

' Уравнительные токи можно исключить, если применить раздель­ ное управление тиристорами групп преобразователя. При раздельном управлении импульсы управления подаются только на работающую группу тиристоров, а тиристоры неработающей группы запираются. Запертая группа тиристоров начинает работать только после того, как закончила работу первая группа, при этом СУ осуществляет задержку включения очередной группы тиристоров на время, необходимое для восстановления запирающих свойств тиристоров первой группы (см. рис. 7.11, б). В момент времени t2 импульсы управления, соответству­ ющие выпрямительному (В) режиму, начинают подаваться на тиристо­ ры первой группы. В момент времени /3 с помощью системы управле­ ния тиристоры первой группы переводятся в инверторный (И) режим,

284

в котором находятся до момента времени /4, соответствующего спада­ нию тока нагрузки до нуля (на рисунке показана только первая гар­ моника тока нагрузки I'2(D)- Реальный ток нагрузки, если последняя активно-индуктивная, спадает до нуля раньше, чем его первая гармо­ ника. С этого момента времени импульсы управления снимаются с ти­ ристоров первой группы и после спада тока нагрузки до нуля выдер­ живается пауза В момент времени tbимпульсы управления, соответ­ ствующие выпрямительному’ режиму, подаются на тиристоры второй группы и т. д. Таким образом, тиристоры первой группы формируют положительную полуволну выходного напряжения, а второй группы — отрицательную.

В СУ с раздельным управлением нет необходимости в применении устройств, реагирующих на переход тока нагрузки через нуль, так как преобразователь должен быть предварительно настроен на определен­ ный, наперед заданный коэффициент мощности нагрузки, который определяет требуемое время задержки подачи импульсов управления. Изменение коэффициента мощности нагрузки (в сторону увеличения) ухудшает форму кривой выходного напряжения и коэффициент мощ­ ности преобразователя. При уменьшении коэффициента мощности на­ грузки ток нагрузки к моменту /4 может не достичь нуля, что приводит к броску уравнительного тока во внутреннем контуре НПЧ.

Определение гармонического состава кривой выходного напряже­ ния НПЧ с ЕК представляет собой сложную задачу, разрешаемую в общем случае только с помощью ЭВМ. Основные закономерности можно получить, если предположить, что Д Д (бесконечно большое число пульсаций в кривой выходного напряжения, т. е. т„ = о о ). В этом случае выходное напряжение НПЧ с ЕК определяется соотно­ шениями:

Из выражения (7.4) видно, что для получения синусоидальной фор­ мы выходного напряжения зависимость угла управления от времени

глубины модуляции; Xj = Xy/Xymax.

При линейной фазовой характеристике мгновенное значение вы­

285

Коэффициент мощности трехфазно-однофазного мосто­ вого НПЧ с ЕК определяет­ ся выражением

сдвига тока нагрузки на ча­ стоте /2.

Из выражения (7.8) следу­ ет, что при низком cos ф„ на­ грузки и глубоком регулиро­ вании (р -► 0) коэффициент мощности НПЧ с ЕК со сто­ роны питающей сети мал, что является одним из недостат­ ков этого типа преобразова­ телей.

Повысить коэффициент мощности НПЧ можно, если

применить искусственную коммутацию тока тиристоров. Наличие узла коммутации позволяет производить коммутацию тиристоров в любые мо­ менты времени в течение периода частоты питающей сети, а также ока­ зывает влияние на энергетические показатели преобразователя часто­ ты, гармонический состав токов и напряжений. Преобразователи часто­ ты с непосредственной связью и искусственной коммутацией тиристоров (НПЧ с ИК) выполняются по таким же структурным схемам, как НПЧ с ЕК. Эти преобразователи позволяют: преобразовывать напряжение одной частоты (неизменной или изменяющейся) в другую (ниже или выше входной, неизменную или регулируемую); преобразовывать число фаз питающей сети (фазорасщепители); осуществлять управление фазой входного или выходного тока (компенсаторы реактивной мощ­ ности).

НПЧ с ИК позволяют осуществлять преобразование частоты раз­ личными способами, т. е. с различными законами переключения управ­ ляемых вентилей, различной степенью приближения кривой выход­ ного напряжения к желаемой или заданной форме. Наиболее широкое распространение получили преобразователи частоты с непосредствен­ ной связью и квазиоднополосной модуляцией (НПЧ с КМ), алгоритм управления ключами которого (в простейшем случае) обеспечивает циклическое подключение через равные интервалы времени 7*„ = = И(!мтпх) (/м — частота переключения ключей, частота модуляции) фаз питающей сети к фазам нагрузки.

Выходное напряжение требуемой частоты НПЧ с КМ получается путем суммирования нескольких модулированных с соответствующим фазовым сдвигом напряжений в общем контуре.

На рис. 7.12 приведена схема трехфазно-однофазного преобразова­ теля с суммированием напряжений в общем контуре. Схема содержит три идентичных инвертора на ключах с двухсторонней проводимостью

287

(SAJ — SA4), нагруженных на силовые трансформаторы TV1 — TV3, вторичные обмотки которых соединены последовательно и образуют общий выход. Для получения трехфазного выходного напряжения необходимо три идентичных комплекта. В таких преобразователях целесообразно использовать режим работы, когда частота основной гармоники выходного напряжения (i)2(t) равна разности частоты моду­ ляции (управления) сом и частоты питающей сети сос. Выходное напря­ жение преобразователя в этом случае определяется выражением

=f (йтгsin№*+!)“»- “ сП.

где Um— амплитудное значение фазного напряжения питающей сети; s = ...—2, —1,0, + 1, + 2 , ... .

7.5.Двухзвенные преобразователи частоты

выходную частоту в широком диапазоне как вверх, так и вниз от ча­ стоты питающей сети. В качестве автономного инвертора может быть использована одна из ранее рассмотренных схем инверторов. Данный тип преобразователей частоты проще, чем непосредственные преобра­ зователи, проще также и схемы управления ими.

Недостатком двухзвенных преобразователей является двойное пре­ образование энергии, что приводит к уменьшению к. п. д., увеличе­ нию установленной мощности и веса преобразователя.

В связи с тем что в ДПЧ применяются ключевые элементы (тран­ зисторы и тиристоры), выходное напряжение, как правило, отличается

Процесс формирования (синтезирования) кривой выходного на­ пряжения ДПЧ с требуемым гармоническим составом может быть непрерывным или дискретным (им­

пульсным).

Непрерывное синтезирование кри­ вой напряжения на нагрузке полу­ чают путем введения в схему ДПЧ электрических фильтров. Электриче­ ские фильтры могут быть внутренни­ ми и внешними. Внутренняя фильтра­ ция может осуществляться в инверто-

288

pax тока и резонансных инверторах. В инверторах напряжения, яв­ ляющихся составной частью двухзвенных ПЧ, улучшение выходного напряжения достигается с помощью внешних электрических фильтров. Дискретное синтезирование подразумевает аппроксимацию выход­ ного сигнала, например кусочно-постоянной функцией, реализация которой представляет собой периодическую последовательность им­ пульсов в общем случае прямоугольной формы, модулированную по закону выходного сигнала. Модуляции подлежат следующие парамет­ ры импульсов: амплитуда, длительность, фаза и частота. При этом может иметь место время-ипульсная модуляция (ВИМ), широтно импульсная модуляция (ШИМ), амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), амплитудно-широтно-импульсиая модуляция (АШИМ), сту­ пенчатая модуляция (СМ) с одинаковыми или различными по длитель­ ности ступенями, импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Наибольшее распространение получили ШИМ, АИМ и ее разновидность АШИМ, СМ и ИКМ. Методы дискретного синтезирования позволяют получить любую частоту и величину выходного напряжения, регулируемые как дискретно, так и плавно в широком диапазоне.

Все виды ШИМ базируются на изменении длительности импульсов равной амплитуды, следующих через равные интервалы времени в со­ ответствии с заданным законом формирования выходного сигнала. Различают двухполярную ШИМ (ДШИМ) (полярность импульса на­ пряжения изменяется в течение тактового интервала), однополярную ШИМ (ОШИМ) (полярность импульсов в течение тактового интервала неизменна), одностороннюю ШИМ (модуляции подлежит временное расположение только одного фронта) и двустороннюю ШИМ (модули­ руется временное расположение обоих фронтов импульсов). Однопо­ лярная ШИМ обеспечивает лучший гармонический состав выходного напряжения по сравнению с двухполярной ШИМ.

С целью получения высококачественного напряжения в подавляю­ щембольшинстве случаев в ДПЧ с ШИМ предусматривают использо­ вание энергетических выходных фильтров, что ограничивает примене­ ние этого вида модуляции.

При реализации АИМ преобразовательный тракт ПЧ можно пред­ ставить как соединенные определенным образом управляемые венти­ ли и трансформаторы, причем сочетания этих элементов не являются чисто механическими, их можно трактовать как некоторые трансфор­ маторно-ключевые исполнительные структуры (ТКИС), подобные ИО при релейном управлении.

Наиболее общий подход к проблеме построения ТКИС, обладающих возможностью использования в преобразователях различного функ­ ционального назначения, заключается в оптимизации структуры по коэффициенту эффективности использования ключевых элементов, который представляет собой отношение числа реализуемых уровней выходного напряжения к числу ключевых элементов. Однако при проектировании ТКИС необходимо учитывать и другие критерии, на­ ходящиеся в прямой зависимости от степени рациональности структу­ ры. Это — точность воспроизведения выходного напряжения, диапа­ зон регулирования его параметров, качество стабилизации, массо-га-

289