Раздельный способ управления

Если в систему управления преобразователя установить быстродействующее бесконтактное переключающее устройство, которое в момент перехода тока нагрузки через ноль обеспечит снятие импульсов управления с тиристоров той группы, через которую до этого момента протекал ток нагрузки, с последующей подачей импульсов управления на тиристоры группы, вступающей в работу. Таким образом, при раздельном способе управления в любой момент времени импульсы управления поступают на вентили только одной группы и уравнительные токи отсутствуют, поэтому в ПЧНЕ с раздельным способом управления уравнительные реакторы не нужны. Иногда с целью уменьшения в кривой выходного напряжения оказывается целесообразным сохранить реакторы с относительно небольшой величиной индуктивности.

Рассмотрим принцип реализации раздельного способа управления на примере ПЧНЕ, схема которого приведена на рисунке 50. Для этого воспользуемся временными диаграммами, приведенными на рисунке 52. На рисунке 52 приведены кривые выходного напряжения (u₂) и тока (i₂). Здесь же показаны временные интервалы режимов работы вентильных групп. Вентильная группа 1 включает в себя тиристоры Т2,Т4,Т6, а вентильная группа 2- тиристоры Т1,Т3, Т5. На временном интервале 0<t<t₁, на котором знак выходного напряжения и тока положительны, на тиристоры ВГ1 подаются импульсы выпрямительного режима. На нагрузке формируется положительная полуволна выходного напряжения. Этот режим продолжается до момента t₁. В момент времени t=t₁ тиристоры вентильной группы ВГ1 с помощью системы управления переводятся в инверторный режим, в котором находятся до момента времени t=t₂, соответствующего спаду тока нагрузки до нуля. В этот момент времени импульсы управления полностью снимаются с тиристоров вентильной группы ВГ1. Далее следует бестоковая пауза, интервал t_п=t₃-t₂. Это пауза необходима для восстановления запирающих свойств тиристоров, после этой паузы, в момент t=t₃, управляющие импульсы, соответствующие выпрямительному режиму, начинают подаваться на тиристоры вентильной группы ВГ2. Далее работа преобразователя продолжается аналогичным образом.

Рисунок 52. Временные диаграммы, поясняющие раздельный способ управления ПЧНЕ

В преобразователях с раздельным управлением обычно каждая полуволна выходного напряжения состоит из целого числа интервалов проводимости силовых вентилей преобразователя, вследствие чего частота выходного напряжения является величиной дискретной.

Рисунок 53. Временные диаграммы выходных напряжений ПЧНЕ при алгоритме управления без паузы (а) и с паузой (б)

Определим связь частоты выходного напряжения (f₂) с частотой питающей сети (f₁) для ПЧНЕ, питающегося от m₁-фазной сети переменного тока, воспользовавшись при этом временными диаграммами, приведенными на рисунке 53,а.

Необходимым условием удовлетворительной работы ПЧНЕ, особенно при работе на асинхронную машину, является равенство длительностей полупериодов выходного напряжения. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы длительность каждого из полупериодов выходного напряжения, Т₂/2 состояла бы из n интервалов длительностью Т₁/m₁ и одного интервала длительностью Т₁/2, т.е.:

Т₂/2=nТ₁/m₁+ Т₁/2, (122)

где Т₁- период напряжения питающей сети, Т₁=1/f₁;

Т₂- период напряжения выходной сети, Т₂=1/f₂;

n- последовательный ряд чисел.

Из (120) получим требуемое соотношение между частотами f₂ и f₁:

f₂= f₁m₁/(2n+m₁). (123)

По формуле (123) определим «разрешенные» частоты выходного напряжения при условии:

m₁=3, f₁=50Гц и различных значений числа интервалов длительностью Т₁/m₁. Результаты расчетов сведем в таблицу 6.

«Разрешенные» значения частоты выходного напряжения ПЧНЕ

Таблица 6

Данные таблицы 6 подтверждают, что регулирование частоты выходного напряжения ПЧНЕ носит дискретный характер.

Для получения плавного регулирования частоты выходного напряжения необходимо вводить паузу (φ_п) между закрытием и открытием очередных групп вентилей. Тогда выходная частота определяется по формуле (124).

(124)

Определим действующее значение выходного напряжения ПЧНЕ при «прямоугольном синусе» формы кривой модулирующего сигнала.

Среднее значение импульса полуволны выходного напряжения, U_ср.2α:

(125)

где U₁- действующее значение напряжения фазы питающей сети.

Амплитуда первой (основной) гармоники выходного напряжения, U₂₍₁₎ определяется по формуле (126):

, (126)

а действующее значение напряжения на выходе ПЧНЕ при «прямоугольном синусе» модулирующего сигнала:

(127)

Таким образом, при изменении угла регулирования α в пределах 0< α<90⁰, действующее значение выходного напряжения регулируется в пределах от

U_2max=[4m₁U₁/π²]sin(π/m₁) до нуля.

На рисунке 54 приведена схема преобразователя частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей с трехфазным выходом, каждая выходная фаза которого выполнена по схеме, подобной схеме, приведенной на рисунке 50.

Рисунок 54. Схема ПЧНЕ с трехфазным выходом

ПЧНЕ с трехфазным выходом имеет систему импульсно- фазового управления (СИФУ), которая вырабатывает импульсы управления, подаваемые на вентили силовой схемы (V1,…,V18). На выходе ПЧНЕ формируется трехфазное напряжение, фазы которого (U_2а,_. U_2в, U_2с) имеют между собой 120-ти градусный временной сдвиг.

Отметим достоинства и недостатки ПЧНЕ.

Достоинства ПЧНЕ.

1 Коммутация тока в тиристорах преобразователя происходит за счет напряжения питающей сети, вследствие чего не требуется применения каких – либо специальных коммутирующих устройств, например, конденсаторов.

2 ПЧНЕ позволяет осуществлять двусторонний обмен энергии: из питающей сети в цепь нагрузки и обратно, из цепи нагрузки в питающую сеть. Благодаря этому преобразователь обеспечивает любой режим работы нагрузки (двигательный или генераторный) и при любом значении коэффициента мощности нагрузки без применения каких- либо специальных компенсирующих устройств.

3 ПЧНЕ позволяет осуществлять плавное регулирование напряжения на выходе преобразователя.

4 Кривая тока нагрузки ПЧНЕ может быть приближена к синусоидальной путем применения соответствующих алгоритмов управления.

Недостатки ПЧНЕ.

1 ПЧНЕ потребляет из питающей сети значительную реактивную мощность, что оказывает существенное влияние на величину коэффициента мощности преобразователя. Причем, чем глубже диапазон регулирования величины выходного напряжения, тем меньше коэффициент мощности преобразователя.

2 Диапазон регулирования частоты выходного напряжения существенно ограничен. На практике максимальная частота выходного напряжения не превышает одной трети частоты питающей сети.

3 Для исключения постоянной составляющей и субгармоник в кривой выходного напряжения регулирование частоты выходного напряжения приходится изменять дискретно.

4 Преобразователь содержит большое количество вентилей, что удорожает преобразователь и усложняет его схему управления.

5 Выходное напряжения ПЧНЕ имеет в своем составе большое количество высших гармоник, что приводит к увеличению потерь мощности в двигателе и повышает температуру его нагрева.

Если провести сравнение способов управления ПЧНЕ, то можно видеть, что в ПЧНЕ с раздельным способом управления принципиально отсутствуют уравнительные токи и преобразователь характеризуется меньшей установленной мощностью элементов силовой схемы и более высокими энергетическими характеристиками. Однако следует отметить и недостатки ПЧНЕ с раздельным способом управления.

Так, при малых нагрузках ПЧНЕ c раздельным способом управления в режиме прерывистых токов увеличивается коэффициент искажения формы кривой выходного напряжения. Искажение кривой выходного напряжения также увеличивается с ростом выходной частоты. Одновременно в кривой выходного напряжения появляются субгармонические составляющие, обусловленные дискретностью работы вентилей и не кратностью частот питающей сети и выходной сети. С учетом сказанного выше, для электроприводов, где к качеству кривой выходного напряжения ПЧНЕ предъявляются высокие требования, целесообразно применять совместный способ управления, принимая одновременно меры по оптимизации параметров внутреннего контура схемы ПЧНЕ [9].

В заключение этого раздела можно отметить, что в настоящее время существует достаточно много решений, позволяющих в той или иной мере уменьшить недостатки ПЧНЕ. Так, например, в [10] рассмотрена схема ПЧНЕ, которая дополнена неуправляемым выпрямителем и зависимым инвертором, что позволило уменьшить величину уравнительных токов, возникающих в ПЧНЕ при совместном способе управления в моменты смены полярности полуволны выходного напряжения, и увеличить верхний предел частоты выходного напряжения.