Преобразователи частоты без звена постоянного тока

В преобразователях частоты без звена постоянного тока электрическая энергия, потребляемая преобразователем из сети переменного тока, преобразуется в электрическую энергию переменного тока другой частоты, отличной от частоты питающей сети, без какого – либо промежуточного преобразования [3], [9].

Преобразователи частоты без звена постоянного тока (или преобразователи частоты с непосредственной связью цепей нагрузки и питающей сети) (ПЧН) можно разделить на два подкласса:

– ПЧН с естественной коммутацией вентилей (ПЧНЕ);

– ПЧН с искусственной коммутацией вентилей (ПЧНИ).

ПЧН с естественной коммутацией вентилей.Для управления ПЧНЕ находят применение два способа управления:

– совместный способ;

– раздельный способ.

Силовая схема однофазного ПЧНЕ аналогична схеме реверсивного вентильного преобразователя электропривода постоянного тока.

На рис.113 приведена схема преобразователя частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей, преобразующий трехфазное напряжение питающей сети в однофазное напряжение. Схема содержит два трехфазных однотактных выпрямителя, включенных параллельно. Группу из трех вентилей, имеющих общий катод, называют «катодной», а группу с общим анодом – «анодной».

Рис. 113. Преобразователь частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей (ПЧНЕ 3/1)

Рассмотрим принцип работы этого преобразователя.

При подаче импульсов управления на тиристоры VS2, VS4 и VS6 с углом регулирования 0⁰<α₁<90⁰, на нагрузке формируется положительная полуволна выходного напряжения. Длительность этой полуволны определяется длительностью интервала подачи импульсов управления на эти тиристоры. После прекращения подачи импульсов управления на тиристоры VS2, VS4, VS6 импульсы управления подают на тиристоры VS1, VS3, VS5 с тем же значением угла регулирования α₁ и в течение такого же интервала времени, что и при подаче импульсов управления на тиристоры VS2, VS4 и VS6. На нагрузке формируется отрицательная полуволна выходного напряжения. Совершенно очевидно, что частота выходного напряжения меньше частоты напряжения питающей сети. Регулирование частоты выходного напряжения осуществляется путем регулирования интервала времени подачи импульсов управления на катодные и анодные группы вентилей при формировании положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения. Величина выходного напряжения регулируется путем изменения угла управления α₁.

Фазовая коммутация вентилей в одной группе, т.е. запирание одного вентиля и отпирание другого, происходит подобно переключению в трехфазной однотактной схеме выпрямления, без применения коммутирующих емкостей.

Для получения выходного напряжения, близкого к синусоидальному, иногда осуществляют управление вентилями со скользящим углом регулирования, так, чтобы среднее за полупериод питающей сети значение напряжения изменялось в течение периода выходного напряжения по синусоидальному закону. Переключение от «катодной» группы к «анодной» целесообразно производить в моменты прохождения тока (а не напряжения) через нуль. В этом случае и активная и реактивная энергия могут проходить через преобразователь частоты в обоих направлениях. Это обстоятельство является одной из важных особенностей преобразователя частоты с непосредственной связью.

Для получения приемлемой формы выходного напряжения частота питающей сети должна быть в несколько раз выше частоты выходного напряжения.

При совместном способе управления управляющие импульсы поступают на тиристоры обеих вентильных групп одновременно. Причем, если на тиристоры первой вентильной группы поступают импульсы управления, соответствующие выпрямительному режиму (0^о<α₁<90^о), то на тиристоры второй вентильной группы поступают импульсы управления, соответствующие инверторному режиму (90^о<α₂<180^о). Значения углов α₁ и α₂ должны быть согласованы между собой. Условие согласования углов управления вентильными группами определяется соотношением:

α₂=180^о- α₁=β₁. (242)

Выполнение этого условия обеспечивает равенство средних значений напряжения на выходе вентильных групп и исключает возможность протекания уравнительных токов между вентильными группами.

Сумма углов регулирование обеих вентильных групп всегда должна быть равна 180^о.

Путем циклического изменения углов регулирования тиристоров с определенной частотой при согласованном управлении в выпрямительном и инверторном режимах на выходе преобразователя будет получено переменное напряжение, амплитуда и частота основной гармоники которого определяется амплитудой и частотой сигнала управления (модулирующего сигнала) системы управления. На форму кривой выходного напряжения ПЧНЕ существенное влияние оказывает форма кривой модулирующего сигнала системы управления. Отметим, что и в этом случае, как и при управлении инвертором напряжения, модулирующий сигнал может иметь синусоидальную форму или форму «прямоугольного синуса».

Благодаря тому, что при совместном способе управления импульсы одновременно подаются на вентили обеих вентильных групп, преобразователь частоты обеспечивает возможность работы на нагрузку с любым коэффициентом мощности. Это нетрудно установить из диаграммы, приведенной на рис. 114. На этой диаграмме построены кривые основных гармоник выходного напряжения и тока при активно–индуктивном и активно–емкостном характере нагрузки.

При активном характере нагрузки кривая тока нагрузки совпадает по фазе с кривой напряжения нагрузки, т.е. угол нагрузки, φ_нг=0. Ток нагрузки протекает через вентили, работающие в выпрямительном режиме: на первом полупериоде (0<ωt<π) через вентили катодной группы, а на втором полупериоде (π<ωt<2π) через вентили анодной группы.

При активно – индуктивном характере нагрузки ток отстает от напряжения на угол φ_L. На интервале времени φ_L <ωt<(π+ φ_L) рабочий ток протекает через тиристоры первой группы, работающий на интервале времени φ_L <ωt<π в выпрямительном режиме, а на интервале времени

π <ωt<(π+ φ_L), когда напряжение и ток нагрузки имеют противоположные знаки, в инверторном режиме. Тиристоры второй группы также часть времени (интервал времени 0<ωt< φ_L) работают в инверторном режиме, а на интервале времени (π + φ_L)<ωt<2π – в выпрямительном режиме.

Рис. 114. Временные диаграммы напряжения и тока нагрузки

При активно – емкостном характере нагрузки работа преобразователя протекает аналогичным образом с той лишь разницей, что тиристоры каждой группы вентилей вначале работают в инверторном режиме, а затем в выпрямительном.

Таким образом, ток нагрузки в каждый момент времени как бы сам выбирает необходимую группу тиристоров.

Как было сказано выше, при согласованном управлении обеими вентильными группами в любой момент времени их средние значения напряжения равны между собой. Однако мгновенные значения напряжений различны. Вследствие этого во внутреннем контуре преобразователя действует знакопеременное напряжение, частота и амплитуда которого зависят от схемы преобразователя, числа фаз и частот питающей сети (f₁) и цепи нагрузки (f₂). Это напряжение принято называть уравнительным напряжением (u_ур). Под воздействием этого уравнительного напряжения протекает уравнительный ток, для ограничения которого необходимо установить уравнительный реактор (L_ур). Индуктивность уравнительного реактора приходится выбирать, исходя из двух противоречащих друг другу условий: удовлетворительного ограничения уравнительного тока (I_ур) при приемлемой величине падения вторичного напряжения преобразователя

(напряжения нагрузки), I_ур):

L=(A₁U_ур) /(ω₁I_ур); (243)

L=(А₂ΔU₂)/ (ω₂I₂); (244)

где I₂– ток на вторичной стороне преобразователя (ток нагрузки);

А₁ и А₂ – коэффициенты, зависящие от принятой силовой схемы преобразователя.

Приравнивая правые части выражений, можно определить один из параметров (I_ур или ΔU₂), задавшись значением другого параметра.

Раздельный способ управления.Если в систему управления преобразователя установить быстродействующее бесконтактное переключающее устройство, которое в момент перехода тока нагрузки через ноль обеспечит снятие импульсов управления с тиристоров той группы, через которую до этого момента протекал ток нагрузки, с последующей подачей импульсов управления на тиристоры группы, вступающей в работу. Таким образом, при раздельном способе управления в любой момент времени импульсы управления поступают на вентили только одной группы и уравнительные токи отсутствуют, поэтому в ПЧНЕ с раздельным способом управления уравнительные реакторы не нужны. Иногда с целью уменьшения высших гармонических в кривой выходного напряжения оказывается целесообразным сохранить реакторы с относительно небольшой величиной индуктивности.

Рассмотрим принцип реализации раздельного способа управления на примере ПЧНЕ, схема которого приведена на рис. 113. Для этого воспользуемся временными диаграммами, приведенными на рис. 115. На рис. 115 приведены кривые выходного напряжения (u₂) и тока (i₂). Здесь же показаны временные интервалы режимов работы вентильных групп. Анодная группа вентилей (ВГ1) включает в себя тиристоры VS2, VS4, VS6, а катодная группа вентилей (ВГ2) – тиристоры VS1, VS3, VS5. На временном интервале 0<t<t₁, на котором знак выходного напряжения и тока положительны, на тиристоры ВГ1 подаются импульсы выпрямительного режима. На нагрузке формируется положительная полуволна выходного напряжения. Этот режим продолжается до момента t₁. В момент времени t=t₁ тиристоры вентильной группы ВГ1 с помощью системы управления переводятся в инверторный режим, в котором находятся до момента времени t=t₂, соответствующего спаду тока нагрузки до нуля. В этот момент времени импульсы управления полностью снимаются с тиристоров вентильной группы ВГ1. Далее следует бестоковая пауза, интервал t_п=t₃-t₂. Это пауза необходима для восстановления запирающих свойств тиристоров, после этой паузы, в момент t=t₃, управляющие импульсы, соответствующие выпрямительному режиму, начинают подаваться на тиристоры вентильной группы ВГ2. Далее работа преобразователя продолжается аналогичным образом.

В преобразователях с раздельным управлением обычно каждая полуволна выходного напряжения состоит из целого числа интервалов проводимости силовых вентилей преобразователя, вследствие чего частота выходного напряжения является величиной дискретной.

Рис.115. Временные диаграммы, поясняющие раздельный способ управления ПЧНЕ

.

Рис. 116. Временные диаграммы выходных напряжений ПЧНЕ при алгоритме управления без паузы (а) и с паузой (б)

Определим связь частоты выходного напряжения (f₂) с частотой питающей сети (f₁) для ПЧНЕ, питающегося от m₁– фазной сети переменного тока, воспользовавшись при этом временными диаграммами, приведенными на рис.116, а.

Необходимым условием удовлетворительной работы ПЧНЕ, особенно при работе на асинхронную машину, является равенство длительностей полупериодов выходного напряжения. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы длительность каждого из полупериодов выходного напряжения, Т₂/2 состояла бы из n интервалов длительностью Т₁/m₁ и одного интервала длительностью Т₁/2, т.е.:

Т₂/2=nТ₁/m₁+ Т₁/2, (245)

где Т₁– период напряжения питающей сети, Т₁=1/f₁;

Т₂– период напряжения выходной сети, Т₂=1/f₂;

n=0,1,2,3,….– последовательный ряд чисел.

Из (245) получим требуемое соотношение между частотами f₂ и f₁:

f₂= f₁m₁/(2n+m₁). (246)

По формуле (246) определим «разрешенные» частоты выходного напряжения при условии:

m₁=3, f₁=50 Гц и различных значений числа интервалов длительностью Т₁/m₁. Результаты расчетов сведем в табл. 13.

Таблица 13. «Разрешенные» значения частоты выходного напряжения ПЧ

Данные табл. 13 подтверждают, что регулирование частоты выходного напряжения ПЧНЕ носит дискретный характер.

Для получения плавного регулирования частоты выходного напряжения необходимо вводить паузу (φ_п) между закрытием и открытием очередных групп вентилей. Тогда выходная частота определяется по формуле (247).

(247)

Определим действующее значение выходного напряжения ПЧНЕ при «прямоугольном синусе» формы кривой модулирующего сигнала.

Среднее значение импульса полуволны выходного напряжения, U_ср.2α:

(248)

где U₁– действующее значение напряжения фазы питающей сети.

Амплитуда первой (основной) гармоники выходного напряжения, U₂₍₁₎ определяется по формуле (249):

, (249)

а действующее значение напряжения на выходе ПЧНЕ при «прямоугольном синусе» модулирующего сигнала:

(250)

Таким образом, при изменении угла регулирования α в пределах 0< α<90^о, действующее значение выходного напряжения регулируется в пределах от

U_2max=[4m₁U₁/π²]sin(π/m₁) до нуля.

На рис.116 приведена схема преобразователя частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей с трехфазным выходом, каждая выходная фаза которого выполнена по схеме, подобной схеме, приведенной на рис. 113.

Рис. 117. Схема ПЧНЕ с трехфазным выходом

ПЧНЕ с трехфазным выходом имеет систему импульсно – фазового управления (СИФУ), которая вырабатывает импульсы управления, подаваемые на вентили силовой схемы (VS1,…,VS18). На выходе ПЧНЕ формируется трехфазное напряжение, фазы которого (U_2а,_. U_2в, U_2с) имеют между собой 120–ти градусный временной сдвиг.

Отметим достоинства и недостатки ПЧНЕ.

Достоинства ПЧНЕ:

- коммутация тока в тиристорах преобразователя происходит за счет напряжения питающей сети, вследствие чего не требуется применения каких – либо специальных коммутирующих устройств, например, конденсаторов;

- ПЧНЕ позволяет осуществлять двусторонний обмен энергии: из питающей сети в цепь нагрузки и обратно, из цепи нагрузки в питающую сеть. Благодаря этому преобразователь обеспечивает любой режим работы нагрузки (двигательный или генераторный) и при любом значении коэффициента мощности нагрузки без применения каких–либо специальных компенсирующих устройств;

- ПЧНЕ позволяет осуществлять плавное регулирование напряжения на выходе преобразователя;

- кривая тока нагрузки ПЧНЕ может быть приближена к синусоидальной путем применения соответствующих алгоритмов управления.

Недостатки ПЧНЕ:

- ПЧНЕ потребляет из питающей сети значительную реактивную мощность, что оказывает существенное влияние на величину коэффициента мощности преобразователя. Причем, чем глубже диапазон регулирования величины выходного напряжения, тем меньше коэффициент мощности преобразователя;

- диапазон регулирования частоты выходного напряжения существенно ограничен. На практике максимальная частота выходного напряжения не превышает одной трети частоты питающей сети;

- для исключения постоянной составляющей и субгармоник в кривой выходного напряжения регулирование частоты выходного напряжения приходится изменять дискретно;

- преобразователь содержит большое количество вентилей, что удорожает преобразователь и усложняет его схему управления;

- выходное напряжения ПЧНЕ имеет в своем составе большое количество высших гармоник, что приводит к увеличению потерь мощности в двигателе и повышает температуру его нагрева.

Если провести сравнение способов управления ПЧНЕ, то можно видеть, что в ПЧНЕ с раздельным способом управления принципиально отсутствуют уравнительные токи и преобразователь характеризуется меньшей установленной мощностью элементов силовой схемы и более высокими энергетическими характеристиками. Однако следует отметить и недостатки ПЧНЕ с раздельным способом управления.

Так, при малых нагрузках ПЧНЕ c раздельным способом управления в режиме прерывистых токов увеличивается коэффициент искажения формы кривой выходного напряжения. Искажение кривой выходного напряжения также увеличивается с ростом выходной частоты. Одновременно в кривой выходного напряжения появляются субгармонические составляющие, обусловленные дискретностью работы вентилей и не кратностью частот питающей сети и выходной сети. С учетом сказанного выше, для электроприводов, где к качеству кривой выходного напряжения ПЧНЕ предъявляются высокие требования, целесообразно применять совместный способ управления, принимая одновременно меры по оптимизации параметров внутреннего контура схемы ПЧНЕ [9].

В заключение этого раздела можно отметить, что в настоящее время существует достаточно много решений, позволяющих в той или иной мере уменьшить недостатки ПЧНЕ.

Так, например, в [10] рассмотрена схема ПЧНЕ, которая дополнена неуправляемым выпрямителем и зависимым инвертором, что позволило уменьшить величину уравнительных токов, возникающих в ПЧНЕ при совместном способе управления в моменты смены полярности полуволны выходного напряжения, и увеличить верхний предел частоты выходного напряжения.

Широкому внедрению частотного ЭП во многом способствует выпуск промышленностью полупроводниковых ПЧ самого разнообразного исполнения.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему при частотном способе регулирования необходимо также и из­менять величину частоту подводимого к АД напряжения?

2. Перечислите типы ПЧ, которые находят применение в асинхронных частотно- управляемых ЭП.

3. Приведите схемы ПЧ со звеном постоянного тока и поясните принцип работы их.

4. Перечислите достоинства и недостатки ПЧ со звеном постоянного тока.

5. Приведите схемы ПЧ с непосредственной связью и поясните принцип действия их.

6. Перечислите достоинства и недостатки ПЧ с непосредственной связью.

7.3. Квазичастотное управление АД [1]

Частотное управление АД, обес­печивая качественное и экономичное регулирование скорости асинхронных ЭП, требует для своей реализации использования до­статочно дорогих и функционально сложных ПЧ. Наладка и экс­плуатация таких ЭП, особенно при невысокой квалификации об­служивающего персонала и в сложных условиях, связаны с опре­деленными трудностями. Желание сохранить преимущества час­тотного способа регулирования скорости при использовании бо­лее простых схем преобразователей привело к разработке так на­зываемого квазичастотного (подобного частотному) способа управ­ления АД.

Этот способ управления характерен тем, что позволяет получать пониженную регулируемую частоту напряжения на статоре АД с помощью тиристорных регуляторов напряжения, рассмотренных в разд. 5.4, и обеспечивает получение низких скоростей асинхронно­го ЭП, которые необходимы при работе, например, различных гру­зоподъемных механизмов.

Рис.118. Схема (а), временные диаграммы (б) и механические характеристики (в)

при квазичастотном управлении АД.

Основу схемы асинхронного ЭП с квазичастотным управлением (рис. 117, а) составляет стандартный тиристорный регулятор напряжения (ТРН) 7, состоя­щий из трех пар встречно-параллельно включенных тиристоров VS1... VS6 и блока управления 2. Сигнал управления U_у, поступаю­щий на вход блока управления, формируется с помощью специально­го блока квазичастотного управления 3, обеспечивающего такое уп­равление тиристоров VS1... VS6, при котором частота подводимо­го к асинхронному двигателю 4 напряжения оказывается ниже часто­ты сети f₁.

На рис. 118, б показаны кривые фазных напряжений сети u_a, u_в, u_с и графики напряжений u_с1, u_c2 и u_с3 на зажимах С1, С2 и СЗ об­мотки статора, сформированные из сетевого напряжения за счет соответствующего управления тиристорами VS1... VS6. Как видно, напряжение фаз статора АД имеет несинусоидальную форму и из­меняется с частотой, меньшей частоты сети. Рассматриваемый прин­цип получения пониженной частоты во многом повторяет принцип действия ПЧ с непосредственной связью, одна­ко в этом случае регулирование частоты достигается с помощью более простой схемы преобразователя.

Регулируемая частота на статоре АД может принимать дискрет­ные значения в соответствии с формулой f_рег=аf₁/(a + b), где а и b- произвольные целые числа от 1 до 15. Из этой формулы следует, что регулирование частоты при квазичастотном управлении АД может происходить от уровня 0,5f₁ и ниже.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятию «квазичастотное управления».

2. Приведите схему и временные диаграммы, поясняющие реализацию квазичастотного способа управления АД.