Электропривод переменного тока на основе преобразователей частоты с непосредственной связью

Преобразователем частоты с непосредственной связью (НПЧ) называется прямой преобразователь, в котором энергия источника переменного тока передаётся в нагрузку непосредственно на проводящих интервалах силовых ключей схемы. Наиболее широкое применение преобразователи, выполненные на тиристорах, находят в электроприводе для управления низкоскоростными двигателями очень большой мощности. Основой силовой части таких преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристоров, каждая из которых может работать в выпрямительном или инверторном режимах.

Такие преобразователи могут выполняться с естественной и искусственной коммутацией тиристоров. Рассмотрим на примере однофазного непосредственного преобразователя частоты принцип работы НПЧ с естественной коммутацией ( см. рис. 6.32,а). В схеме две группы тиристоров: катодная, вентили VS1, VS2, VS3; анодная, вентили VS4 VS5 VS6. Пусть нагрузка Zн= Rн, т.е. активная. Управляющие импульсы от системы управления СУ поступают на тиристоры катодной и анодной группы поочерёдно. Когда импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети , подаются последовательно на тиристоры VS1,VS2,VS3 катодной группы, она работает в режиме выпрямления (по трёхфазной нулевой схеме), формируя на нагрузке положительную полуволну напряжения относительно нулевой точки трансформатора (см. рис. 6.32,б). Когда проводят ток тиристоры VS4,VS5,VS6, формируется отрицательная полуволна выходного напряжения . В результате циклической работы катодной и анодной групп выпрямления создаётся переменное напряжение на нагрузке , с частотой основной гармоники более низкой, чем частота питающей сети .

Выходное напряжение на нагрузке определяется соотношением

, (6.36)

где - число фаз питающей сети (трансформатора);

– угол управления;

.

Из рис. 6.32,б видно, что частота выходного напряжения ниже, чем частота , и что

,

где n=0,1,2,3… - число участков синусоид в полуволне.

Так как , то выходная частота в общем случае определится

. (6.37)

Рис. 6.32. Преобразователь частоты с непосредственной связью: а – схема; б – диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке без паузы между коммутацией групп 1 и 2

Согласно (6.37) частота выходного напряжения может иметь только дискретные значения, например, для трёхфазно-однофазной схемы НПЧ при n=3

Гц,

для шестипульсной однофазной схемы ( см. рис. 6.33,а)

,

где p=2 – пульсность схемы выпрямления,

Гц.

Рис. 6.33. Преобразователь с непосредственной связью на базе трёхфазной мостовой (шестипульсной) схемы: а – схема; б – диаграмма выходного напряжения

На диаграмме выходного напряжения (см. рис. 6.32,а и 6.33,а) кривая представляет первую гармонику напряжения, соответствующего частоте .

При активно-индуктивной нагрузке для рекуперации энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки (обмотки статора АД и СД), тиристорные группы поочерёдно переводят из выпрямительного режима в инверторный: 1-ая группа при отрицательных напряжениях, 2-ая группа при положительных напряжениях с углом >90˚(см. рис. 6.34).

Для получения плавного регулирования частоты НПЧ необходимо вводить паузу между выключением и включением первой и второй групп тиристоров. При этом выходная частота

. (6.38)

Эта пауза необходима и при активной нагрузке для предотвращения одновременной проводимости выключающегося вентиля группы, выходящей из работы, и вентиля группы, вступающей в работу. Длительность этой паузы не должна быть меньше времени восстановления запирающих свойств тиристоров ( см. рис. 6.34).

На рис. 6.35 приведена принципиальная схема НПЧ, выполненная на встречно-параллельных выпрямителях по 3-х фазной мостовой схеме выпрямления, работающих на статорную обмотку синхронного двигателя.

Рис. 6.34. Диаграммы напряжений и тока НПЧ, работающего на активно-индуктивную нагрузку

Здесь ВВ – высоковольтный выключатель, ТР – силовые трансформаторы, В1,В2…В5,В6 – встречно-параллельно включённые мостовые выпрямителя, работающие на статорные обмотки СД, L – реакторы для уменьшения взаимного влияния коммутационных процессов мостовых выпрямителей, ДТ – датчики тока, ДН – датчики напряжения, Ф - фильтр высших гармонических (4 и 5 гармоники), QF1, QF2 – автоматические выключатели, ТВ – тиристорный возбудитель.