Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

Преобразователи частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока имеют в своем составе выпрямитель и инвертор. Выпрямитель преобразует электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, а инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Очевидным достоинством ПЧ со звеном постоянного тока является независимость частоты выходного напряжения на выходе ПЧ от частоты питающей сети.

Рисунок 46. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором напряжения

Рисунок 47. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором тока

ПЧ со звеном постоянного тока могут выполняться по схеме с инвертором напряжения (рисунок 46) и с инвертором тока (рисунок 47). Регулирование частоты выходного напряжения ПЧ осуществляется путем изменения частоты переключения полупроводниковых ключей (транзисторов или полностью управляемых тиристоров) автономного инвертора. Величина выходного напряжения в этих схемах может регулироваться путем регулирования величины выходного напряжения управляемого выпрямителя (этот способ называется амплитудным способом).

В настоящее время в большей мере находит применение широтно – импульсный метод регулирования выходного напряжения инвертора, реализуемый путем применения соответствующего алгоритма управления вентилями автономного инвертора. Выпрямитель в этом случае выполняется неуправляемым.

Следует напомнить, что расчетные соотношения, устанавливающие связь между напряжением цепи постоянного тока инвертора напряжения и напряжением переменного тока на выходе инвертора приведены в разделе «инверторы напряжения».

Для обеспечения генераторного режима работы нагрузки ПЧ (электрической машины) необходимо обеспечить перевод управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. Поскольку тиристоры управляемого выпрямителя обладают односторонней проводимостью, в режиме инвертирования необходимо изменить полярность напряжения в цепи постоянного тока ПЧ. Схема ПЧ с инвертором напряжения (рисунок 46) содержит в цепи постоянного тока L-C сглаживающий фильтр. Поскольку полярность напряжения на конденсаторе фильтра изменять нельзя, управляемый выпрямитель в этой схеме ПЧ не может быть переведен в режим инвертирования.

ПЧ с инвертором тока содержит в цепи постоянного тока индуктивный фильтр, поэтому в этой схеме ПЧ нет никаких препятствий для перевода управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования.

Как уже было показано выше, из-за наличия во входной цепи инвертора дросселя со значительной индуктивностью пульсации входного тока пренебрежимо малы. Полупроводниковые ключи автономного инвертора, поочередно переключаясь, распределяют входной ток по фазам нагрузки. Ток каждой фазы нагрузки имеет прямоугольно- ступенчатую форму, причем форма тока не зависит от нагрузки и ее характера. Таким образом действующее значение тока нагрузки можно определить по известному (из раздела «выпрямители») соотношению

а первая гармоника этого тока

(114)

Напряжение на выходе автономного инвертора тока и его форма определяются нагрузкой и ее характером. Действующее значение первой гармоники напряжения фазы нагрузки можно определить из условия баланса мощностей, потребляемого инвертором и нагрузки. При пренебрежении потерями мощности на элементах схемы можно записать

(115)

где

U_ф(1) и I_ф(1)- действующие значения первых гармоник напряжения и тока нагрузки;

φ_нг(1)- угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока нагрузки.

Из (115) с учетом (114) получим

(116)

Таким образом, напряжение на нагрузке при постоянстве напряжения источника питания не сохраняется постоянным, а изменяется приблизительно обратно пропорционально коэффициенту мощности нагрузки. Если нагрузкой преобразователя является асинхронный двигатель, то изменение момента нагрузки на ее валу приводит к существенному изменению напряжения на ее обмотке статора, что в большинстве случаев недопустимо, поэтому в практических схемах преобразователей частоты с автономным инвертором тока необходимо использовать различные обратные связи для стабилизации напряжения на двигателе или регулирования его величины по заданному закону с целью обеспечения необходимого магнитного потока машины.

ПЧ с инвертором тока мощностью более 30-40 кВт на практике не нашли широкого применения из-за необходимости установки в цепи постоянного тока дросселя с очень большой индуктивностью, что существенно увеличивает не только объем преобразователя, но и его стоимость.

Для электроприводов переменного тока, у которых случаи рекуперации электрической энергии в питающую сеть достаточно редки, возможно применение схемы ПЧ, приведенной на рисунке 48. В этой схеме энергия нагрузки, рекуперируемая в цепь постоянного тока, рассеивается на балластном сопротивлении R_б при включении транзистора VT. Транзистор VT, который часто называют чопером, включается сигналом системы управления в том случае, когда напряжение на конденсаторе фильтра С повышается выше заранее установленного предела. В свою очередь повышение напряжения на конденсаторе С происходит при переходе нагрузки в генераторный режим. Совершенно очевидно, что при частых переходах электропривода в генераторный режим, мощность, рассеиваемая на балластном сопротивлении, существенно возрастает, а КПД установки в целом уменьшается. Невзирая на этот факт, можно найти примеры реализации этой схемы при мощности нагрузки до единиц меговатт.

Рисунок 48. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в цепь чоппера

Универсальной схемой для электроприводов большой мощности является схема ПЧ, приведенная на рисунке 45, которая содержит в своем составе кроме управляемого выпрямителя, инвертора напряжения, моста вентилей обратного тока еще и зависимый инвертор, вход которого подключен к выходу моста вентилей обратного тока, а выход – к сети переменного тока, питающей управляемый выпрямитель. Эта схема ПЧ позволяет обеспечить работу электропривода во всех четырех квадрантах механической характеристики, охватывающих двигательный и генераторный режимы работы электрической машины, как при отстающем, так и при опережающем характере тока нагрузки. Эта схема наиболее предпочтительна для электроприводов с частыми пусками, торможениями и реверсами. Примером такого электропривода может быть электропривод грузоподъемных механизмов - строительных кранов, портальных кранов и так далее.

Расчетные соотношения, необходимые для выбора элементов преобразователя частоты, выполненного по этой схеме, приведены в разделах «выпрямители», «зависимые инверторы», «сглаживающие фильтры» и «инверторы напряжения».

Рисунок 49. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в питающую сеть через зависимый инвертор

Число каскадов силовой схемы преобразователя частоты со звеном постоянного тока, способного рекуперировать электрическую энергию в питающую сеть может быть сокращено, если на входе преобразователя частоты установить активный выпрямитель. Схема будет иметь вид, приведенный на рисунке 46, но вместо управляемого выпрямителя должен стоять активный выпрямитель, а инвертор напряжения должен работать в режиме широтно- импульсной модуляции выходного напряжения и регулировать величину и частоты выходного напряжения. Перевод активного выпрямителя из режима выпрямления в режим инвертирования происходит практически автоматически при увеличении напряжения цепи постоянного тока преобразователя выше той величины, которая получается при выпрямлении напряжения сети переменного тока, питающей преобразователь, диодами обратного тока, включенными параллельно каждому транзистору активного выпрямителя.

Это напряжение цепи постоянного (U_d0) легко определить, если известно номинальное значение напряжения фазы питающей сети (U_{ф с}) и определена схема выпрямителя, а именно: ее коэффициент преобразования схемы (k_сх). Действительно,