Преобразователи частоты

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) предназначены для одноступенчатого преобразования энергии переменного тока частоты в энергию переменного тока другой (обычно более низкой) частоты . В этих преобразователях кривая выходного напряжения составляется из участков напряжений сети благодаря осуществлению с помощью тиристоров непосредственной связи цепи нагрузки с сетью переменного тока. Непосредственные преобразователи частоты выполняются с однофазным или трёхфазным выходом и с однофазным или трёхфазным входом. Для получения более качественной формы кривой выходного напряжения (с малым содержанием высших гармонических) преобразователи обычно питаются от сети трёхфазного тока.

Принцип действия однофазного НПЧ, работающего на активную нагрузку, показан на рис. 9.4.16 при питании от однофазной сети через трансформатор со средней точкой.

Схема (рис. 9.4.16 а) по сути является реверсивным однофазным управляемым выпрямителем, который подробно рассмотрен выше.

Этот реверсивный выпрямитель управляется по определённой программе, представленной на (рис. 3.16 б). Первоначально проводят тиристоры Т1 и Т2 при изменении угла включения в диапазоне , а тиристоры Т3 и Т4 закрыты, т. к. их угол включения . В последующем временном интервале проводят тиристоры Т3 и Т4; ( ), а тиристоры Т1 и Т2 закрыты,

т. к. .

На (рис. 9.4.16 б) показаны временные зависимости напряжения сети и напряжения на выходе НПЧ.

Схема трёхфазно-однофазного НПЧ, состоящая из двух мостовых тиристорных групп, соединённых встречно-параллельно, приведена на рис. 9.4.17.

251 Электронные аппараты

Рис. 9.4.16. Однофазно-однофазный НПЧ

Нагрузка преобразователя имеет активно-индуктивный характер (индуктор низкочастотного нагрева, низкоскоростные асинхронные двигатели в преобразователях с трёхфазным выходом, сеть переменного тока частоты и т. д.

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 252

Рис. 9.4.17. Трёхфазно-однофазный НПЧ

Вид кривой выходного напряжения преобразователя показан на рис. 9.4.18 а. Она формируется при последовательном вступлении в работу тиристоров обеих групп, но при циклическом изменении во времени углов отпирания тиристоров (рис. 9.4.18 б).

В результате кривая выходного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

253 Электронные аппараты

Рис. 9.4.18. Напряжение на выходе (а) и алгоритм управления

(б) трёхфазно-однофазного НПЧ

При активно-индуктивной нагрузке имеются интервалы времени, в течение которых первая гармоника напряжения (1) и первая гармоника тока (1) находятся в противофазе (интервалы 0 - , - ). В указанных интервалах времени обеспечивается работа соответствующей тиристорной группы в режиме инвертирования. Так, например, на интервале - - тиристорная группа работает в режиме выпрямления, а при достижении точки она переводится в режим инвертирования, который продолжается до момента времени . На интервале от точки до 2 тиристорная группа работает в режиме выпрямления, а инверторному режиму работы тиристорной группы соответствует интервал от 2 до . На тех участках, где напряжение (1) и ток (1) находятся в противофазе и тиристорные группы работают в режиме инвертирования, энергия, накопленная в реактивных элементах нагрузки, возвращается в сеть переменного тока частоты .

Для управления НПЧ, как правило, используется так называемый раздельный способ. Суть этого способа управления состоит в разнесённом во времени управлении тиристорными группами и . При этом осуществляют задержку (блокировку) в подаче отпирающих импульсов на тиристоры вступающей в работу группы, что необходимо для исключения короткого замыкания вторичных обмоток трансформатора через тиристоры обеих групп. Так например, после того, как тиристорная группа проработала сначала в режиме, а затем на интервале - (рис. 9.4.18 а) - в режиме

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 254

инвертирования, управляющие импульсы в момент времени снимаются с тиристоров группы (используется сигнал датчика тока, определяющего момент снижения до нуля тока нагрузки или тока тиристоров). К тиристорам этой группы прикладываются напряжения в обратном направлении. Под действием этих напряжений тиристоры первой группы выключаются. Подачу управляющих импульсов к тиристорам группы осуществляют с некоторой задержкой относительно момента времени, гарантирующей завершение процесса восстановления запирающих свойств ранее проводивших тиристоров группы . Рассмотренная особенность работы НПЧ при раздельном управлении обуславливает появление токовых пауз после моментов времени , (на рис. 9.4.18 а не показаны). Вместе с тем, токовые паузы, определяемые главным образом временем выключения используемых тиристоров малы (до сетевой частоты 50 Гц, а по отношению к периоду выходной частоты – ещё меньше) и практически их можно не учитывать при анализе процессов в схеме.

Согласованность режима раздельного управления тиристорными группами при формировании кривой выходного напряжения НПЧ обуславливается связью углов управления и в соответствии с равенствами = , = . Возможный диапазон изменения углов и при формировании кривой выходного напряжения (если исключить из рассмотрения интервалы и ) близки к .

Регулировочные, внешние (нагрузочные) и энергетические характеристики непосредственного преобразователя частоты зависят от формы и амплитуды модулирующей функции управления углами и . Модулирующая функция чаще всего бывает треугольной (как на рис. 9.4.18 б) трапецеидальной или синусоидальной.

Относительную амплитуду модулирующей функции обозначим через . Коэффициент определяет глубину регулирования амплитуды выходного напряжения. При = 1, то соответствует максимальному выходному напряжению, углы и необходимо изменять в пределах от 0 до по линейному закону, которому отвечают сплошная и пунктирная ломаные линии и на рис. 9.4.18 б. Характеру изменения угла при = 1 соответствует построенная на рис. 9.4.18 а криваянапряжения ( ).

В течение первой четверти периода частоты (рис. 9.4.18 а,б), когда формируется восходящая часть полуволны напряжения положительной полярности, углы отпирания тиристоров группы изменяются от до 0, а = , что соответствует режиму выпрямления тиристорной группы . В течение второй четверти периода, когда образуется нисходящая часть той же полуволны напряжения режим работы групп сохраняется, но при этом он связан с увеличением углов от 0 до .

255 Электронные аппараты

Полуволна напряжения отрицательной полярности формируется аналогичным образом. Однако, теперь тиристорная группа работает в режиме выпрямления с диапазоном изменения углов от до 0 и затем вновь до .

Уменьшение коэффициента позволяет осуществить регулирование амплитуды выходного напряжения преобразователя. При <1 углы , изменяются в меньших пределах и им соответствуют значения минимальных углов, большие нуля, и значения максимальных углов, меньшие 180 градусов.

Коммутация тока в НПЧ рассматриваемого типа осуществляется так же, как в выпрямителях и ведомых инверторах, под действием напряжения питающей сети. Поэтому минимальные значения углов и не должны быть меньше суммы углов коммутации и угла восстановления запирающих свойств тиристоров = 2 . Таким образом, реально возможный диапазон изменения углов , при формировании кривой выходного напряжения получается меньше 180 градусов. Верхнему пределу регулирования напряжения соответствует коэффициент = 0,9 – 0,95.

Трёхфазные непосредственные