Непосредственные преобразователи частоты

Преобразователи частоты с непосредственной связью нагрузки с сетью, получившие название «непосредственные преобразователи частоты» (НПЧ), характеризуются однократным преобразованием энергии. Потребляемая из сети переменного тока электроэнергия с неизменными напряжением и частотой преобразуется в одном силовом устройстве в энергию переменного тока с регулируемыми по амплитуде и частоте напряжением и током нагрузки, в качестве которой служит трехфазный двигатель. В структурном отношении НПЧ весьма прост, его основу составляет реверсивный ТП постоянного напряжения. Если изменять управляющее напряжение ТП по синусоидальному закону с определенной частотой, то на выходе преобразователя получим выпрямленную ЭДС, синусоидально изменяющуюся с той же частотой и приложенную к однофазной нагрузке переменного тока. Изменяя частоту и амплитуду управляющего сигнала, будем изменять соответственно частоту и амплитуду выходной ЭДС. Очевидно, что для трехфазной нагрузки потребуется три комплекта реверсивных ТП, работающих с синхронизированным сдвигом фаз в 120° по выходной частоте НПЧ.

Число фаз входного и выходного напряжений НПЧ является весьма существенным признаком их классификации, т.к. оно в значительной мере определяет структуру построения схемы преобразователя.

Рассмотрим принцип работы НПЧ с естественной коммутацией на примере трехфазно-однофазной схемы (рис. 12.11).

В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: катодную (V₁; V₂; V₃) и анодную (V₄; V₅; V₆).

Допустим, что нагрузка z_н активная. Включающие импульсы в процессе работы поступают на тиристоры катодной и анодной групп поочередно. Когда включающие импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети, подаются последовательно на тиристоры V₁, V₂, V₃ катодной группы, она работает в режиме выпрямления (по трехфазной нулевой схеме), формируя на нагрузке положительную полуволну выходного напряжения относительно нулевого вывода трансформатора. Угол управления тиристоров – a.

При работе тиристоров V₄, V₅, V₆ анодной группы на нагрузке относительно нулевого вывода трансформатора формируется отрицательная полуволна напряжения. В результате цикличной работы анодной и катодной групп на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники f₂, более низкой, чем частота питающей сети f₁.

Рис. 12.11. Схема преобразователя частоты с непосредственной связью нагрузки с сетью

Частота f₂ определяется временем, в течение которого проводят ток тиристоры каждой группы. Изменением угла a можно регулировать выходное напряжение. Для исключения постоянной составляющей в напряжении на нагрузке время работы катодной и анодной групп должно быть одинаковым. На рис. 12.12 представлена диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке.

Из диаграммы видно, что тиристоры катодной группы вступают в работу только после спада до нуля полуволны напряжения, формируемой анодной группой, и наоборот. Тиристор находится во включенном состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Этот момент отслеживается системой управления, и только затем поступают управляющие сигналы на тиристоры другой группы.

Рис. 12.12. Диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке

Основными достоинствами НПЧ с естественной коммутацией являются:

1. Относительно высокий КПД, что достигается благодаря однократному преобразованию электрической энергии.

2. Возможность двухстороннего обмена энергией между питающей сетью и двигателем, что обеспечивает как двигательные, так и тормозные режимы электропривода с рекуперацией энергии в сеть.

3. Возможность использования естественной коммутации вентилей с неполным управлением, что позволяет отказаться от устройств принудительной коммутации, снижающих экономичность, надежность, перегрузочную способность и ухудшающих массогабаритные показатели преобразователя частоты.

4. Возможность получения сколь угодно низких частот выходного напряжения преобразователя и обеспечения равномерного вращения двигателя на малых скоростях.

5. Практически неограниченная мощность НПЧ.

6. Возможность конструирования преобразователей по блочно–модульному принципу, обеспечивающему удобство эксплуатации и резервирования.

Основные недостатки НПЧ:

1. Ограничение максимальных значений выходной частоты на уровне порядка 0,5 от частоты сети.

2. Возможность появления субгармоник и постоянных составляющих выходного напряжения и тока при неблагоприятных соотношениях частот на входе и выходе преобразователя.

3. Низкий коэффициент мощности, несинусоидальность входных токов преобразователя частоты как потребителя в системе электроснабжения.

4. Сложность (многоэлементность) силовых цепей и цепей управления, что является оправданным лишь при выполнении ПЧ на сравнительно большие мощности.

В связи с этим НПЧ получили применение в основном для регулируемых тихоходных синхронных и асинхронных электроприводов средней и большой мощности. Здесь используются НПЧ с естественной коммутацией, получившие название циклоконвертеры.

Параллельно с циклоконвертерами разрабатывались НПЧ с принудительной коммутацией, реализация которых ориентирована на полностью управляемые ключи переменного тока.

Дата добавления: 2015-07-15