Раздел: Документация

0 ... 21 22 23 24 25 26 27 ... 49

технико-экономические характеристики в основном определяются схемой преобразования. От схемы преобразования непосредственно зависят:

1)параметры выходного напряжения;

2)коэффициент мощности преобразователя по входу и выходу;

3)форма кривой переменного тока, потребляемого из питающей сети;

4)внешняя (нагрузочная) характеристика преобразователя;

5)КПД.

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:

1)преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока;

2)преобразователи с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки, которые в литературе иногда называются преобразователями с неявно выраженным звеном постоянного тока.

Преобразователи с непосредственной связью подразделяются на преобразователи с естественной коммутацией тиристоров (под воздействием напряжения питающей сети), называемые также циклоконверторами, и преобразователи с искусственной (принудительной) коммутацией тиристоров.

3.3.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном приведена на рис. 3.22. Переменное напряжение Г/i с частотой /, 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.

Схема выпрямителя в обычно выбирается из условий обеспечения требований по регулированию его выходного

Вход\] Выход

Рис. 3.22. Структурная схема преоб- и*>f*! разователя частоты с промежуточным1

I

звеном постоянного тока! I

в Ш Ф

АИ

напряжения, влиянию на источник переменного напряжения, питающий преобразователь, допустимому уровню пульсаций выпрямленного напряжения и др. Требования к снижению уровня пульсаций выпрямленного напряжения связаны с влиянием их на качество выходного напряжения инвертора, которое проявляется обычно в виде модуляции (периодического изменения амплитуды) выходного напряжения инвертора. При питании преобразователя от промышленной сети выпрямитель в чаще всего выполняется по трехфазной мостовой схеме. Для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя обычно устанавливают фильтр ф.

Если звено аи выполнено по схеме инвертора напряжения, то необходимость в фильтре обусловлена также особенностью работы инвертора напряжения (см. § 3.2) на активно-индуктивную нагрузку. При такой нагрузке должен происходить возврат энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки, в источник постоянного тока через обратные диоды. Поскольку в рассматриваемом преобразователе источником постоянного тока является выпрямитель, обладающий односторонней проводимостью, то функции приемника возвращаемой энергии выполняет обычно фильтр, имеющий в таком случае емкостный выход. Емкость конденсатора, включенного на выходе фильтра, в этом случае должна рассчитываться не только из условия обеспечения требуемого коэффициента сглаживания пульсаций выпрямителя, но и из условия обеспечения требуемого уровня пульсаций, вызванных периодическим возвратом энергии из индуктивных элементов нагрузки через обратные диоды инвертора.

Если звено аи выполнено по схеме инвертора тока, то фильтр ф лолжен иметь индуктивный выход для обеспечения непрерывнгЛти инвертируемого тока (или образования колебательного процесса изменения этого тока в резонансных инверторах). В этом случае выходная индуктивность фильтра, как правило, относится непосредственно к инверторному звену и учитывается при его проектировании в виде индуктивности сглаживающего реактора ld. В большинстве случаев в подобного типа преобразователях фильтр имеет Т-образную структуру, состоящую из Г-образного LC-фильтра на выходе выпрямителя и индуктивности сглаживающего реактора ld на выходе инвертора.

В зависимости от требований, предъявляемых к преобразователю частоты, звено аи выполняется по различным схемам. Преобразователи с фиксированной частотой выходного напряжения (обычно частоты от 400 Гц до 1 кГц) и с высокими требованиями к синусоидальности выходного напряжения целесообразно выполнять по схеме инвертора тока. В преобразователях высокой частоты (10 кГц и выше) звено аи часто выполняется по схеме резонансного инвертора.

---

В преобразователях с регулируемой в широком диапазоне частотой выходного напряжения, предназначенных обычно для питания двигательной нагрузки, звено АИ выполняется, как правило, по схеме инвертора напряжения. К большинству таких преобразователей не предъявляются высокие требования по синусоидальности выходного напряжения. Поэтому инвер-торное звено в них или не имеет выходного фильтра, или вводится фильтр небольшой установленной мощности. При необходимости улучшения синусоидальности кривой выходного напряжения применяют специальные схемные решения или широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения по синусоидальному закону (подробнее об обеспечении синусоидальности выходного напряжения см. в § 3.5).

3.3.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ

Преобразователи частоты с непосредственной связью по своему схемному исполнению сходны с реверсивными преобразователями (§ 3.1). Основой силовой части таких преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристоров, 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 /=50 Гц).

Число фаз входного и выходного напряжений в преобразователях с непосредственной связью является весьма существенным признаком их классификации, так как оно в значительной мере определяет структуру построения схемы преобразователя. Следует отметить, что многофазные преобразователи этого класса обладают удовлетворительными технико-экономическими характеристиками и получили большое распространение.

Рассмотрим принцип работы преобразователя с непосредственной связью и естественной коммутацией на примере трехфазно-однофазной схемы (рис. 3.23, а). В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: группу I—катодную (VSU VS2, F53) и II —анодную (VS4, VS5, VS6). Допустим, что нагрузка ZH — активная. Управляющие импульсы в процессе работы поступают на тиристоры анодной и катодной групп поочередно. Когда управляющие импульсы, синхронизированные тю частоте с напряжением питающей сети, подаются последовательно на тиристоры VSi, VS2, VS3

Рис. 3.23. Преобразователь частоты с непосредственной связью: а—схема, б—диаграмма выходного напряжения прн активной нагрузке без паузы между

коммутацией групп I и II

катодной группы, она работает в режиме выпрямления (по трехфазной схеме со средней точкой), формируя на нагрузке положительную полуволну напряжения относительно нулевого вывода трансформатора (рис. 3.23, б). Управляющие импульсы поступают на тиристоры со сдвигом относительно линейных напряжений питающей сети на угол а. При работе тиристоров VS4, VS5, VS6 анодной группы на нагрузке относительно нулевого вывода трансформатора формируется отрицательная полуволна напряжения. В результате цикличной работы групп I и II на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники /2 более низкой, чем частота питающей сети ft.

Частота /2 определяется временем, в течение которого проводят ток тиристоры каждой группы. Изменением угла а можно регулировать выходное напряжение. Для исключения постоянной составляющей в напряжении на нагрузке времени работы анодной и катодной групп должны быть равны между собой. На рис. 3.23, б представлена диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке. Из рис. 3.23, б видно, что тиристоры катодной группы вступают в работу только после снижения до нуля полуволны напряжения, формируемой анодной группой, и наоборот. Это объясняется тем, что тиристор находится во включенном состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него (в рассматриваемом случае ток совпадает по фазе с напряжением), не спадет до нуля.

В трехфазно-однофазной схеме тиристоры каждой группы коммутируют между собой (внутригрупповая коммутация) через интервал времени, равный я/3. Поэтому без учета интервала коммутации можно записать следующее выражение для длительности одной полуволны выходного напряжения:

1 2л / 2л \ л,.„.

= „ + j = (2„+1),. (3.52)

---

где п — число участков синусоид в полуволне; я — 2я/3— угол, обусловленный спаданием до нуля заднего фронта полуволны выходного напряжения.

В общем случае при числе фаз питающей сети, равном тх, связь частот выходного и входного напряжений выражется соотношением

/* = г5г->(3-53)

где fx и /2—частоты входного и выходного (основной гармоники) напряжений.

Из (3.53) видно, что частота выходного напряжения/2 может принимать только дискретные значения при изменении числа п (« = 1,2,3...). Например, при числе фаз питающей сети тх = 3 и частоте fx = 50 Гц частота /2 может принимать значения 30; 23,5; 16 2/3 Гц и т. д. Для обеспечения плавного изменения частоты необходима пауза срп между окончанием работы предыдущей группы и началом работы последующей группы (рис. 3.23, б). В этом случае связь частот fx и /2 может быть выражена соотношением

Л- „-•(3-54)

jt(2H + mi) + (pnmi

При активно-индуктивной нагрузке моменты прохождения через нуль полуволны выходного напряжения не соответствуют нулевым значениям токов нагрузки, так как индуктивность нагрузки обуславливает запаздывание тока относительно напряжения. Для того чтобы в этом случае обеспечить протекание тока из цепи нагрузки в питающую сеть (что соответствует возврату в сеть энергии, накопленной в индуктивности, т. е. ее рекуперации), соответствующую тиристорную группу переводят в инверторный режим работы. Например, если группа тиристоров I работала в выпрямительном режиме с углом управления а, то, начиная с определенного момента, управляющие импульсы тиристоров группы I начинают поступать со сдвигом относительно напряжений питающей сети на угол (3 в сторону опережения. Такое следование импульсов соответствует инверторному режиму работы тиристоров (см. § 3.1). Источником постоянного напряжения, под воздействием которого протекает инвертируемый ток, в данном случае является нагрузка, а точнее, ее индуктивная составляющая. В результате инверторного режима работы части тиристоров группы I происходит возврат в сеть энергии, накопленной в индуктивности, и снижение тока нагрузки до нуля. Затем система управления преобразователем обеспечивает паузу ф„, после которой начинает работать в выпрямительном режиме группа тиристоров

II, часть из которых переходит в заданный программой управления момент в инверторный режим. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются.

Трехфазно-однофазный преобразователь с непосредственной связью может быть выполнен также на основе двух групп тиристоров, каждая из которых имеет конфигурацию мостовой трехфазной схемы. Существует также много вариантов схем с непосредственной связью, позволяющих получить на выходе трехфазную систему напряжений.

Схемы преобразователей с непосредственной связью и естественной коммутацией тиристоров сравнительно просты (имеется в виду силовая часть схемы) и имеют относительно малые удельные массогабаритные показатели. Существенным их недостатком является низкое качество выходного напряжения в части гармонического состава, т. е. высокое значение коэффициента искажения. Кроме того, из принципа действия подобного типа преобразователей следует, что они могут использоваться только для получения напряжений более низкой частоты, чем частота питающей сети.

При необходимости получить на выходе преобразователя с непосредственной связью напряжение более высокой частоты, чем частота питающей сети, прибегают к искусственной коммутации тиристоров.

На рис. 3.24 представлена схема трехфазно-однофазного преобразователя с непосредственной связью и искусственной коммутацией, осуществляемой под воздействием конденсатора Сж, установленного на выходе преобразователя. Принцип работы схемы следующий. Ток нагрузки попеременно проводят тиристоры rjjynn I, И и HI, IV. Внутригрупповая коммутация тиристоров,* например тиристоров VSXA, VSXB и VSXC группы I, происходит под л воздействием напряжения питающей сети так же, как и в схемах с естественной коммутацией. Конденсатор Сх позволяет практически мгновенно произвести коммутацию между группами тиристоров (межгрупповую коммутацию) и тем самым изменить полярность тока, поступающего в нагрузку (включающую в себя конденсатор CJ. При включении сглаживающихреакторов Ld и Ld их индуктивности

vs.,

™ЯЯЯ*

111

ад

vs..

VS-.

v3vj

ЯЛ

vs.

vsa

IV

VSat

vsza

VSgc

Рис. 3.24. Схема преобразователя частоты с искусственной коммутацией тиристоров

0 ... 21 22 23 24 25 26 27 ... 49