Двухзвенные преобразователи частоты с автономными инверторами

Принцип действия этих ПЧ заключается в том, что переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем инвертируется, т.е. преобразуется в переменное напряжение (или ток) требуемой, регулируемой частоты посредством инвертора. В системах электропривода применяются автономные инверторы. Они способны функционировать как при наличии, так и при отсутствии в цепи нагрузки источников активной энергии.

Автономный инвертор представляет собой коммутатор, для работы которого необходимы полностью управляемые переключающие элементы (ключи). Наиболее подходящими для автономных инверторов являются полностью управляемые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы, запираемые тиристоры). В случае использовании обычных тиристоров, т.е. приборов с неполным управлением, схема инверторов дополняется устройствами принудительной, как правило, емкостной коммутации.

На рис.изображена функциональная схема ПЧ с автономным инвертором (АИ). Преобразование напряжения сети с неизменной, стандартной частотой (например, 50 Гц) и стандартным действующим напряжением (например 380 В) в регулируемые по величине выпрямленные напряжение U_d или ток I_d промежуточной цепи осуществляется системой, которую можно назвать управляемым источником (УИ) соответственно, напряжения (УИН), или тока (УИТ).

Значение U_d или I_d на выходе УИ определяют задающим сигналом U_з.н. или U_з.т. При этом, за счет обратных связей по напряжению или току, входящих в состав УИ, значения U_d или I_d можно считать стабилизированными, т.е. независимыми от колебаний напряжения сети и изменения тока нагрузки для U_d, от колебаний напряжения сети и момента нагрузки для I_d.

Значения U_d и I_d являются входными энергетическими величинами автономного инвертора. При этом автономный инвертор выполняется как инвертор напряжения (АИН) с выходными координатами U_n и f_n , если получает питание от управляемого источника напряжения, или как инвертор тока (АИТ) с выходными координатами I_n и f_n , если получает питание от управляемого источника тока. Выходные величины U_n, I_n, f_n управляются каналом частоты, в состав которого входит система управления инвертором СУИ. В системе частотного управления асинхронным двигателем каналы управления АИ и УИ взаимосвязаны. Задание на уровень напряжения и тока УИ формируется с помощью функционального преобразователя ФП в зависимости от частоты. Однако, изучение всей системы управления ПЧ для регулирования момента и скорости двигателя не входит в задачу дисциплины “Элементы АЭП”. Она будет рассмотрена в других специальных дисциплинах.

Основу данного класса ПЧ составляет автономный инвертор, выполненный в двух вариантах, - как АИН, или АИТ. Для варианта ПЧ с АИН в качестве управляемого источника напряжения (УИН) используется тиристорный преобразователь напряжения с малым внутренним сопротивлением, что должно обеспечить постоянство напряжения питания инвертора независимо от тока нагрузки. При значительном внутреннем сопротивлении ТП условие U_d = const может быть обеспечено с помощью отрицательной обратной связи по напряжению. В том случае, если УИ является источником напряжения полярность U_d изменяться не должна. U_d должно регулироваться от нуля до U_{d max} . Перевести УИ в режим работы приемника энергии, т.е. обеспечить рекуперацию энергии из цепи нагрузки в сеть переменного тока можно только при изменении направления тока I_d . Для этого УИ должен представлять собой реверсивный ТП с двумя комплектами вентильных групп. Данное обстоятельство усложняет схему и исполнение ПЧ с АИН, что является его недостатком.

Для варианта ПЧ с АИТ управляемый источник должен обеспечивать постоянство входного тока инвертора I_d независимо от скорости асинхронного двигателя - нагрузки ПЧ. Ток I_d должен определяться только величиной U_з.т. на входе УИ. При постоянной величине U_з.т. условию I_d = const соответствует работа УИ в режиме источника тока, что достигается с помощью обратных связей и введением в цепь постоянного тока реактора с большой индуктивностью. Так как направление тока I_d не должно изменяться, то для перевода УИ в инверторный режим работы, т.е. для рекуперации энергии в сеть, требуется изменение полярности напряжения на выходе УИ. Это условие может быть выполнено на нереверсивном ТП с одной вентильной группой путем перевода его в режим работы инвертора, ведомого сетью. Это, как известно, достигается изменением величины угла управления a со значений a< 90° на значения a> 90°. Данное обстоятельство является достоинством ПЧ с АИТ, т.к. его схема содержит меньшее число силовых вентилей, чем схема ПЧ с АИН. Однако ПЧ с АИТ не может работать без обратных связей по напряжению или скорости двигателя, которые должны обеспечить ему установившиеся режимы работы.

Преобразователи частоты с непосредственной 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, в качестве которой служит 3-х 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-х 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. оно в значительной мере определяет структуру построения схемы преобразователя.

Рассмотрим принцип работы НПЧ с естественной коммутацией на примере трехфазно- однофазной схемы.

В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: 1- катодную (V₁; V₂; V₃) и 2- 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-х 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 групп 1 и 2 на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники f₂, более низкой, 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. 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.

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

Структурная схема такого НПЧ изображена на рис 87. Новым элементом в этой схеме по сравнению с реверсивным ТП оказывается задающее устройство ЗУ, 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-х фазную систему.