Связью нагрузки с сетью.

Данный класс ПЧ, получивший название «непосредственные преобразователи частоты» (НПЧ), характерен 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, которой служит 3-фазный 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 3-фазной 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. определяет структуру построения схемы преобразователя.

Рассмотрим принцип работы НПЧ с естественной коммутацией на примере трехфазно- однофазной схемы (рис.82). 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 3-фазной 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 катодной и анодной групп на нагрузке создается переменное напряжение с более низкой частотой основной гармоники f₂, чем частота питающей сети f₁.

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.83 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. 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 2p/3. В общем случае, при пульсности, равной m_n, этот интервал составляет 2p/m_n рад. Поэтому без учета угла коммутации можно записать следующее выражение для длительности одной полуволны выходного напряжения:

,

где n - число участков синусоид в полуволне выходного напряжения;

- угол, обусловленный подъемом от нуля до точки естественной коммутации переднего фронта полуволны выходного напряжения, а также обусловленный спадом до нуля заднего фронта этой полуволны.

В общем случае при пульсности выпрямленного напряжения m_n связь частот выходного и входного напряжений выражается соотношением

,

где f₁ и f₂ - частоты входного и выходного напряжений (основной гармоники).

Из (35) видно, что частота выходного напряжения f₂ может принимать только дискретные значения при изменении числа n (n= 1,2,3,4...). Например, при пульсности m_n = 3 и частоте f₁= 50 Гц частота f₂ может принимать значения 50; 30; 21,45; 16,66 Гц и т.д. При пульсности m_n = 6 и частоте f₁ =50 Гц частота f₂ может принимать значения 50; 37,5; 30; 25; 21,45; 18,75 и т.д.

Нужно иметь в виду, что при 3-фазной нагрузке необходимо обеспечить сдвиг фаз выходного напряжения на 120°. Поэтому далеко не все указанные частоты выходного напряжения могут быть использованы.

При активно-индуктивной нагрузке моменты прохождения через нуль полуволны выходного напряжения не соответствуют нулевым значениям токов нагрузки, т.к. индуктивность нагрузки обусловливает запаздывание тока относительно напряжения. Для того, чтобы в этом случае обеспечить протекание тока под действием ЭДС нагрузки в питающую сеть (что соответствует возврату в сеть энергии, накопленной в индуктивности, т.е. ее рекуперации), соответствующую тиристорную группу нужно перевести в инверторный режим работы. Например, если катодная группа тиристоров работала в выпрямительном режиме с углом управления a, то, начиная с определенного момента, включающие импульсы тиристоров этой группы начинают поступать со сдвигом относительно напряжений питающей сети на угол b в сторону опережения. Такое следование импульсов соответствует инверторному режиму работы тиристоров. 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 катодной группы происходит возврат энергии, накопленной в индуктивности, в сеть и спад тока нагрузки до нуля. Затем система управления преобразователем обеспечивает аппаратную паузу j_п после которой начинает работать в выпрямительном режиме анодная группа тиристоров, часть из которых переходит в заданный программой управления момент в инверторный режим. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются.

НПЧ часто выполняются на основе групп тиристоров, каждая из которых имеет конфигурацию 3-фазной мостовой схемы. В электроприводе используются обычно НПЧ с 3-фазной системой напряжения на выходе.

Структурная схема такого НПЧ приведена на рис.84. Новым элементом в этой схеме, по сравнению с реверсивным ТП, оказывается задающее устройство, которое формирует в соответствии с заданием на амплитуду U_{з А} и частоту U_{з f} управляющие напряжения U_у1, U_у2, U_у3, образующие 3-фазную систему.

Для частотного управления электропривода переменного тока средней и большой мощности применяются мостовые схемы вентильных групп (рис.85). Вентильная группа для каждой фазы нагрузки состоит из двух подгрупп ВГ1 и ВГ2, образующих два моста, соединенных встречно-параллельно. Если вентильные группы подключены параллельно к одному источнику питания, как показано на рис.85, то фазы нагрузки должны быть гальванически развязаны. При электрически объединенной 3-фазной нагрузке с целью устранения короткозамкнутых контуров вентильные группы 1ВГ, 2ВГ и 3ВГ должны получать питание от индивидуальных вторичных обмоток трансформатора.

Анализируя формулу (35), а также учитывая необходимость сдвига фаз выходного напряжения при 3-фазной нагрузке на 120°, получается, что максимальная частота, реализуемая в шестипульсных НПЧ, примерно в два раза меньше частоты питающей сети. Этот факт является недостатком НПЧ, используемых в системах электропривода. Сниженная частота НПЧ по сравнению с номинальной частотой сети приводит к недоиспользованию двигателя по скорости, а следовательно, и по мощности.

Поэтому целесообразно применение асинхронных двигателей с номинальной частотой питания меньше 50 Гц.

Однократное преобразование энергии переменного тока с высоким КПД делает НПЧ перспективным преобразователем, управляющим наиболее массовым и дешевым типом двигателя + асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.

Структурная идентичность НПЧ с реверсивным ТП постоянного тока является предпосылкой для схемной и конструктивной унификации данных преобразователей. Выполненная в виде унифицированного блока-модуля шестивентильная тиристорная группа может использоваться как составляющая часть при построении ТП постоянного тока, а также НПЧ.

Поэтому целесообразно применение асинхронных двигателей с номинальной частотой питания меньше 50 Гц.

Однократное преобразование энергии переменного тока с высоким КПД делает НПЧ перспективным преобразователем, управляющим наиболее массовым и дешевым типом двигателя - асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.

Структурная идентичность НПЧ с реверсивным ТП постоянного тока является предпосылкой для схемной и конструктивной унификации данных преобразователей. Выполненная в виде унифицированного блока- модуля шестивентильная тиристорная группа может пользоваться, как составляющая часть при построении ТП постоянного тока, а также НПЧ.

6.0.0. Аварийные режимы работы ТП и защита ТП от коротких замыканий, перегрузок и перенапряжений.

При эксплуатации ТП могут возникать по различным причинам аварийные режимы работы. В основном эти причины обусловлены выходом из строя элементов непосредственно в преобразователе и авариями в цепях нагрузки.

В первом случае характерными авариями (такие аварии называются внутренними) являются пробой тиристоров, исчезновение управляющих импульсов или нарушение программы их формирования, различного рода повреждения внутреннего монтажа преобразователя и т.д.

Типовыми авариями в цепях нагрузки (внешние аварии) являются короткие замыкания и обрывы цепей. При внешних авариях причина возникновения аварийного процесса не зависит от состояния полупроводниковых приборов и находится вне силовой части преобразователя. К ним относятся короткие замыкания на шинах переменного и выпрямленного тока, недопустимая перегрузка или короткое замыкание у потребителя, опрокидывание инвертора. Внешние аварии могут вызвать выход из строя одного или всех вентилей и развитие внутренней аварии.