Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

Большинство современных ПЧ от долей киловатта до сотен и тысяч киловатт построены одинаково (рис. 6.21): сеть переменного тока – неуправляемый (или управляемый) выпрямитель В – шины постоянного тока – конденсатор LC фильтра – автономный инвертор напряжения АИН с широтно – импульсной модуляцией (ШИМ) – асинхронный двигатель АД, к которому приложено переменное трёхфазное напряжение с регулируемой частотой и амплитудой ; управление инвертором осуществляется специальным блоком управления СУИ.

В ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока осуществляется двукратное преобразование электрической энергии питающей сети. Сначала она преобразуется выпрямителем В в энергию постоянного напряжения , а затем с помощью автономного инвертора АИ – в энергию переменного тока. Между выпрямителем В и инвертором АИН устанавливается силовой фильтр LC, служащий для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Рис. 6.21. Типовая схема преобразователя частоты

Выходная частота ПЧ может регулироваться в широких пределах как вверх, так и вниз от частоты напряжения питающей сети. Это свойство, а также простота схем и сравнительно небольшое число силовых элементов, сделали подобные преобразователи основной структурой при построении широко регулируемых электроприводов переменного тока. Основной недостаток таких преобразователей - двукратное преобразование энергии, что снижает КПД и увеличивает массу и габариты.

В инверторах применяются те же схемы построения, что и в выпрямителях – однофазные и многофазные. Широкое применение имеют трёхфазная мостовая схема инвертора для питания асинхронных и синхронных двигателей. Для мощных высоковольтных электроприводов применяются многоуровневые инверторы.

Принцип работы автономного инвертора проиллюстрируем на примере простейшей однофазной схемы с четырьмя идеальными ключами 1-4 и активной нагрузкой R (рис. 6.22,а).

При попарной коммутации ключей 1,2 -3,4 – 1,2 и т.д. через время T/2 (рис. 6.22,б) к резистору R будет прикладываться переменное напряжение прямоугольной формы с частотой . ток при активной нагрузке будет повторять форму напряжения. Изменяя коммутационный промежуток T/2, можно менять частоту в любых пределах.

При активно-индуктивной нагрузке размыкание ключей недопустимо без дополнительных мер, поскольку энергия, накопленная в индуктивности L, при разрыве цепи вызывает большое перенапряжение и сделает устройство полностью неработоспособным. Следовательно, при размыкании ключей должны оставаться контуры, по которым продолжал бы протекать ток прежнего направления и запасалась бы энергия в других элементах (например, в конденсаторе C), переданная из разряжающейся индуктивности. На рис. 6.23,а представлена схема однофазного инвертора напряжения, выполненного на управляемых вентилях (например, IGBT) VT1 – VT4. Нагрузка АИ активно-индуктивная. Диоды D3,D4 и D1,D2 создают цепь для подзаряда конденсатора С при размыкании ключей VT1, VT2 и VT3,VT4 (ток ). Из диаграммы рис. 6.23,б нетрудно видеть, что формы напряжения и тока существенно различны, и ток в силу индуктивного характера нагрузки отстаёт от напряжения.

Рис. 6.22. Однофазный инвертор, работающий на активное сопротивление R (а), и диаграмма его работы (б)

Рис. 6.23. Схема (а) и диаграммы тока и напряжения на нагрузке