шпоры билоус1. 1 вопрос Место силовых преобразователей в электроприводе
 Скачать 5.01 Mb.
|
|
Частотно- импульсное регулирование (ЧИР), когда время tр - постоянное, а частота - переменная; Широтно-частотное регулирование, когда время tр и частота - переменные. Чаще всего используется первый способ регулирования выходного напряжения. Его мы будем рассматривать. Таким образом время рабочего импульса и время паузы связаны с соотношениями: tр = (4-69) t0= (1- ) (4-70) На рис 65 изображена схема диаграммы напряжения и тока при активно- индуктивной нагрузке с противо-ЭДС. Это может иметь место при идеальной сглаженности тока (если Lн = ). Uн I tр = Eн I tр + I2 Rн tр + WL (1) WL = Eн I t0 + I2 Rн t0 Uн I tр = Eн I + I2 Rн (2 Uн tр = Eн + I Rн Разделим левую и правую части на , тогда: Uн = Eн + I Rн = (Eн + I Rн )/ Uн (4-71) I = (Uн - Eн )/ Rн (4-72)  Рис 65 Уравнение (1) представляет собой уравнение баланса поступающей в нагрузку из сети энергии за время одного рабочего импульса (tр) и энергии, тратящейся в нагрузке за время . WL - энергия, накапливаемая в индуктивности за время tр. Этой энергии достаточно для поддержания тока в нагрузке, равного I за время паузы (t0). Прибавив к правой части уравнения значение WL , получаем уравнение баланса энергии (2). Дальнейшие действия ясны без пояснений. Уравнение (4-71) дает связь переменной с переменными I ,Uн ,Eн . Уравнение (4-72) показывает, что регулирование тока в цепи нагрузки можно осуществлять изменением при неизменных Rн ,Uн ,Eн. 32вопрос Принципы действия некоторых тиристорных ключей импульсных преобразователей Принцип импульсного регулирования напряжения. В основе работы импульсных преобразователей лежит следующий принцип. Предположим, что нагрузка подключена к источнику напряжения через ключевой элемент “к”, который периодически замыкается и размыкается. Время замкнутого (tр) и разомкнутого (t0) состояний ключа можно автоматически изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления “СУ”. В результате к нагрузке будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме, представленной на рис 64б. Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояний ключа К.  Согласно определению среднего значения напряжения можно записать:  (4-67)где Ud - среднее значение напряжения на нагрузке; = tр + t0 - период переключения ключа или время цикла регулирования; = 1/ - частота переключения ключа. Отношение (tр /) = (4-68) называют коэффициентом заполнения периода рабочим импульсом. Изменяя , можно регулировать выходное напряжение на нагрузке. Иногда рассматривается обратная величина q = (1/ ) = ( / tр), которая называется скважностью работы ключа. При установлении соотношений между входным и выходным напряжениями, выявляя зависимость тока импульсного преобразователя от регулирующей переменной мы будем использовать коэффициент . Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения коэффициента можно рассматривать как широтно-импульсное регулирование напряжения на нагрузке. Возможны три способа регулирования напряжения:
Чаще всего используется первый способ регулирования выходного напряжения. Его мы будем рассматривать. Таким образом время рабочего импульса и время паузы связаны с соотношениями: tр = (4-69) t0= (1- ) (4-70) Схема регулирования напряжения и диаграмма, изображенные на рис 64, могут быть реализованы лишь при активном сопротивлении нагрузки. При использовании импульсного регулирования в системах электропривода нагрузка имеет активно- индуктивный характер и часто в составе нагрузки присутствует источник ЭДС. В таком случае должен быть предусмотрен обратный вентиль. Он обеспечивает непрерывность тока в нагрузке при разрыве цепи импульсным элементом (ключом). На рис 65 изображена схема диаграммы напряжения и тока при активно- индуктивной нагрузке с противо-ЭДС. На основании баланса энергии, поступающей в нагрузку из сети (от Uпит) и энергии, которая тратится в нагрузке, выявим зависимость, (связь) между средним значением тока, напряжением питания Uпит , ЭДС нагрузки Eн и коэффициентом . При получении этой зависимости введем допущение, что среднее и действующее значение тока в нагрузке равны. Это может иметь место при идеальной сглаженности тока (если Lн = ). Uн I tр = Eн I tр + I2 Rн tр + WL (1) WL = Eн I t0 + I2 Rн t0 Uн I tр = Eн I + I2 Rн (2) Uн tр = Eн + I Rн Разделим левую и правую части на , тогда: Uн = Eн + I Rн = (Eн + I Rн )/ Uн (4-71) I = (Uн - Eн )/ Rн (4-72) Рис 65 Уравнение (1) представляет собой уравнение баланса поступающей в нагрузку из сети энергии за время одного рабочего импульса (tр) и энергии, тратящейся в нагрузке за время . WL - энергия, накапливаемая в индуктивности за время tр. Этой энергии достаточно для поддержания тока в нагрузке, равного I за время паузы (t0). Прибавив к правой части уравнения значение WL , получаем уравнение баланса энергии (2). Дальнейшие действия ясны без пояснений. Уравнение (4-71) дает связь переменной с переменными I ,Uн ,Eн . Уравнение (4-72) показывает, что регулирование тока в цепи нагрузки можно осуществлять изменением при неизменных Rн ,Uн ,Eн. Способы реализации импульсных элементов (ключей). Импульсные элементы (бесконтактные ключи) могут быть реализованы на базе тиристоров или силовых транзисторов, работающих в режиме переключения. Тиристоры являются приборами с неполной управляемостью, поэтому для выключения тиристора, включенного на постоянное напряжение, необходимо использовать искусственную коммутацию, для чего в коммутирующем устройстве должен быть элемент, запасающий энергию в виде электрического или магнитного поля (емкость, или эл. магнитный элемент). Эта энергия используется для выключения тиристора, проводящего ток. 33 вопрос Широтно- импульсные преобразователи для управления двигателями постоянного тока.  Упрощенная принципиальная схема широтно-импульсного преобразователя (ШИП) представлена на рис 68. Она содержит четыре ключа ТК1 - ТК4. В диагональ моста, образованного силовыми ключами, включена нагрузка. Нагрузкой является якорь двигателя постоянного тока. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, например, неуправляемого выпрямителя. Наиболее простым способом управления ШИП по цепи якоря является, так называемый, симметричный способ управления. При этом способе в состоянии одновременного переключения находятся все четыре силовых ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом.  В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение Uя на выходе ШИП равно нулю, когда относительная продолжительность включения 0 = 0.5. Временные диаграммы работы ШИП при симметричном способе управления приведены на рис 69. Симметричный способ управления обычно используется в маломощных электроприводах постоянного тока. Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостатком ШИП с симметричным управлением является знакопеременное напряжение на нагрузке и в связи с этим повышенные пульсации тока в якоре двигателя. Стремление исключить этот недостаток привело к разработке способов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим из них является несимметричный. Несимметричное управление представлено на рис 70а) и 70б). В этом случае (рис 70а) переключаются силовые ключи ТК3 и ТК4 (ключи ТК1 и ТК2 при противоположной полярности входного сигнала), силовой ключ ТК1 постоянно открыт, а ключ ТК2 постоянно закрыт. Силовые ключи ТК3 и ТК4 переключаются в противофазе. При включенных ТК1 и ТК4 формируется напряжение, поступающее на якорь двигателя. Одновременное включение ТК1 и ТК3 необходимо при рекуперации энергии в сеть. Это происходит при включенных ТК1 и ТК4, когда Eдв >Un . Ток проходит по обратным диодам этих ключей. Когда же выключается ТК4 и включается ТК3, ток не прерывается, он течет по пути: -левая щетка двигателя М - обратный диод ключа ТК1- ключ ТК3 - правая щетка двигателя- якорь двигателя. При работе в двигательном режиме на выходе ШИП формируются знакопостоянные импульсы и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения ключа ТК4 = 0. Недостатком рассмотренного способа управления является то, что загрузка ключей рабочим током неодинакова. Этот недостаток устранен при поочередном управлении, временные диаграммы которого изображены на рис 71а) и 71б).     Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре силовых ключа моста, однако, частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе. Чем ниже частота переключения силовых ключей, тем ниже дополнительные потери мощности в них, т.е. пониженная частота переключения силовых элементов является достоинством ШИП. Управляющее напряжение силовых ключей ТК1, ТК2 и ТК3, ТК4 постоянно находится в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходного напряжения . Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме. При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы Uу1 и Uу4 длительностью t1 = (1+) подаются на диагонально расположенные ключи со сдвигом на полпериода (рис 71а), а управляющие импульсы Uу2 и Uу3 длительностью t2 = (1- ) также со сдвигом на полпериода подаются на силовые элементы противоположной диагонали (ТК2, ТК3). В этом случае на интервале нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1- ) нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних ключей, если работа преобразователя происходит в инверторном режиме. При изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный (рис 71б). При поочередном управлении на нагрузке формируются знакопостоянные импульсы длительностью . 34 вопрос Преобразователи частоты. Классификация. Автономный инвертор. Для реализации частотного управления электропривода переменного тока наиболее перспективными являются полупроводниковые преобразователи частоты. Классификация Общим главным достоинством полупроводниковых ПЧ является возможность экономичного регулирования частоты вращения наиболее массового, дешевого и надежного асинхронного электропривода с двигателем, имеющим короткозамкнутый ротор. В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты- амплитуда напряжения, или тока нагрузки Um, Im и частота изменения напряжения или тока fn. Соответственно двум выходным координатам ПЧ располагает двумя входными координатами–сигналом управления напряжением, или током Uу.н. (Uу.т.) и сигналом управления частотой Uу.f. (рис 75). Современные ПЧ можно разделить на два основных класса: двухзвенные ПЧ с автономными инверторами (с промежуточной цепью постоянного тока) и ПЧ с непосредственной связью нагрузки с сетью (непосредственные ПЧ). 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. Автономный инвертор тока. Автономный инвертор функционально отличается от выпрямителя только направлением преобразования. Электрическая энергия цепи постоянного тока преобразуется в энергию 3-х фазной системы переменного тока. Автономный инвертор функционально не отличается от инвертора, ведомого сетью. Схема включения тиристоров последнего остается той же, что и у управляемого выпрямителя. Точно так же основу 3-х фазного автономного инвертора составляет такая же, как и для выпрямителя мостовая схема с шестью рабочими управляемыми тиристорами. Аналогичной будет и диаграмма очередности включения рабочих тиристоров, в соответствии с которой включающие импульсы поступают на вентильную группу с фазовым сдвигом 60 один относительно другого. В отличие от ТП постоянного тока, в котором рабочий интервал составляет 120 () в автономном На рис 78 приведена схема 3-х фазного АИТ с интервалом проводимости =120. Кроме рабочих тиристоров VS1 -VS6 в схему входят реактор L, обеспечивающий постоянство входного тока Id, конденсаторы С13, С15, С35, С42, С62, С46, участвующие в искусственной коммутации, и отделительные диоды VD1 - VD6, исключающие разряд конденсаторов через нагрузку в рабочие интервалы тиристоров. Процесс запирания тиристоров происходит следующим образом. Пусть рабочий ток пропускают VS1 и VS2, а С13 заряжен с положительным зарядом на левой обкладке. Сигналом на выключение VS1 является включающий импульс, подаваемый на VS3. При этом VS3 включается, а VS1 запирается конденсатором С13. Ток разряда этого конденсатора проходит по цепи: - левая обкладка- С13 - VS1 (в непроводящем направлении) - VS3 - правая обкладка С13.  Рис.78 Этот процесс- первый этап коммутации тока в фазах нагрузки. Второй этап должен закончиться снижением до нуля тока в фазе “а” и возрастанием тока в фазе “b” до значения Id. После выключения VS1 рабочий ток продолжает протекать по фазе “а”, но уже через VS3, С13 и VD1. Конденсатор С13 перезаряжается рабочим током, и при изменении полярности на его обкладках ток в фазе “а” (ia) начинает уменьшаться, а ток в фазе “b” (ib) - увеличиваться. Снижение “ia” обусловлено тем, что напряжение С13 при его перезаряде направлено встречно протекающему через емкость току “ia”. Процесс заканчивается, когда (ia = 0), а (ib = Id), при этом С13 полностью перезаряжен с положительным зарядом на правой обкладке. разницей, что его выходной координатой будет не вектор Iп, а вектор ЭДС ПЧ Eп, который относительно фаз двигателя поворачивается дискретно так же, как и вектор Iп в АИТ.  Рис.79Автономный инвертор напряжения. На рис 80 дана схема АИН с рабочим интервалом включенного состояния тиристоров =180. В отличие от АИТ схема АИН имеет обратный диодный мост VD1 - VD6, который создает цепь для обратного направления тока в процессе коммутации тиристоров, а также в режиме рекуперации энергии АИН.  Рис. 80 Различие схем АИН с =120 и =180 состоит в коммутирующих устройствах. В схеме с =120 в коммутации поочередно участвуют два тиристора из одной и той же группы- анодной или катодной. В схеме с =180 коммутируются тиристоры из разных групп: один из анодной, другой из катодной, но относящиеся к одной фазе. Процесс выключения тиристоров осуществляется следующим образом. Пусть рабочий ток протекает через включенный VS1. При этом конденсатор С1 разряжен, а С4 - заряжен с положительным потенциалом на верхней обкладке. Для запирания VS1 подается включающий импульс на VS4. Через включенный VS4 происходит разряд С4. Изменение тока в нижней части коммутирующего реактора Lk вызывает в его верхней части появление ЭДС, направленной встречно Ud, под действием которой протекает ток по цепи: Lk - VS1 - С1 - Lk. Этот ток через VS1 проходит в непроводящем направлении. Он выключает этот тиристор. Конденсатор С1, более не закороченный VS1, заряжается так, что (Uc1 + Uc2 = Ud) и (ic1 = ic4), а ток нагрузки в фазе “а” двигателя (ia = ic1 + ic4 - iVS4). Процесс коммутации заканчивается, когда (Uc4 = 0), а (Uc1 = Ud), хотя некоторое время занимает еще послекоммутационный период затухания тока реактора в короткозамкнутом контуре Lk - VS4 - VD4 - Lk. Далее , когда (ic1 = ic4 = 0), через VS4 протекает рабочий ток фазы “а” противоположного направления. Для получения информации о форме, величине и фазе выходной ЭДС инвертора строят диаграммы работы АИН, исходя из очередности включения тиристоров с учетом, что =180. (рис 81).  Рис. 81 При работе АИН с =180 в каждый момент времени включены только три тиристора: два из одной группы и один из другой. Шести состояниям инвертора (рис 81) соответствует шесть положений вектора En относительно выводов нагрузки (рис 81г). Линейное напряжение на нагрузке из-за поочередного потенциального объединения двух выводов может принимать одно из двух значений: Ud и 0 (рис 81д). При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному. При соединении в звезду две фазы оказываются включенными параллельно между собой и последовательно с третьей фазой. Следовательно, фазное напряжение может быть равным по абсолютному значению 1/3Ud или 2/3Ud (рис 81е). Таким образом, выходная координата у ПЧ- мгновенный ток ia (АИТ) или мгновенная ЭДС en (АИН)- имеет две формы: прямоугольную для линейного тока АИТ и линейной ЭДС АИН с =180 и пирамидальную для фазной ЭДС АИН с =180 в схеме нагрузки * и фазного тока АИТ в схеме нагрузки . Главными преимуществами двухзвенных ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока являются:
Основные недостатки ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:
Анализ истории развития ДПЧ позволяет выделить три характерных этапа. 35 вопрос Двухзвенные ПЧ. Этапы развития двухзвенных ПЧ. 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. Н  а рис 76 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 Ud или ток Id промежуточной цепи осуществляется системой, которую можно назвать управляемым источником (УИ) соответственно, напряжения (УИН), или тока (УИТ). Рис.75  Рис.76 Значение Ud или Id на выходе УИ определяют задающим сигналом Uз.н. или Uз.т. При этом, за счет обратных связей по напряжению или току, входящих в состав УИ, значения Ud или Id можно считать стабилизированными, т.е. независимыми от колебаний напряжения сети и изменения тока нагрузки для Ud, от колебаний напряжения сети и момента нагрузки для Id. Значения Ud и Id являются входными энергетическими величинами автономного инвертора. При этом автономный инвертор выполняется как инвертор напряжения (АИН) с выходными координатами Un и fn , если получает питание от управляемого источника напряжения, или как инвертор тока (АИТ) с выходными координатами In и fn , если получает питание от управляемого источника тока. Выходные величины Un, In, fn 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 Ud = const может быть обеспечено с помощью отрицательной обратной связи по напряжению. В том случае, если УИ является источником напряжения полярность Ud изменяться не должна. Ud должно регулироваться от нуля до Ud 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 Id . 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 Id независимо от скорости асинхронного двигателя - нагрузки ПЧ. Ток Id должен определяться только величиной Uз.т. на входе УИ. При постоянной величине Uз.т. условию Id = 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 Id 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 со значений < 90 на значения > 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. Анализ истории развития ДПЧ позволяет выделить три характерных этапа. Первый этапхарактеризуется освоением серийного производства и промышленным использованием ДПЧ, выполненных по схеме «управляемый тиристорный выпрямитель–LC фильтр–автономный тиристорный инвертор напряжения с принудительной коммутацией». Такие ДПЧ рассмотрены нами в параграфах 5.1.0–5.1.3. Основные недостатки преобразователей, освоенных на первом этапе, это несинусоидальность выходного тока и неравномерность вращения двигателя при малых частотах, что ограничивает диапазон регулирования скорости. К недостаткам нужно отнести ограничение быстродействия, связанное с наличием силового фильтра в системе амплитудного регулирования выходного напряжения, несинусоидальность тока, потребляемого из сети и низкий «сетевой» коэффициент мощности. Последнее обусловлено свойствами управляемого выпрямителя (УИ) с естественной коммутацией и фазовым управлением. Второй этап характеризуется разработкой новых двухзвеньевых полупроводниковых преобразователей частоты, выполненных по схеме: «неуправляемый выпрямитель–LC фильтр–транзисторный автономный инвертор с широтно–импульсной модуляцией выходного напряжения» (рис.82). Понятие «широтно–импульсная модуляция» отличается от «широтно–импульсного регулирования» тем, что оно включает в себя процесс создания желаемой формы регулируемой переменной (напряжения или тока). Эта форма создается как средняя величина за каждый последующий интервал повторяемости при широтно–импульсном регулировании. Например, если необходимо получить переменное напряжения синусоидальной формы, оно формируется из последовательности импульсов малой длительности у основания синусоиды и широких импульсов вблизи амплитудного значения синусоиды (рис.83).  Рис.82. Двухзвенный преобразователь частоты с неуправляемым выпрямителем и транзисторным АИН  Рис.83. Диаграмма напряжения к понятию широтно–импульсная модуляция. В рассматриваемой системе за счет усложнения алгоритма переключения силовых ключей на инвертор возложена функция как регулирования частоты и амплитуды основной гармоники, так и формирование синусоидального выходного напряжения инвертора. При этом в звене постоянного тока напряжение остается неизменным. Переход от амплитудно–импульсного к широтно–импульсному способу формирования и регулирования выходного напряжения существенно изменил свойства преобразователей частоты. Во–первых, существенно приблизилась к синусоиде форма выходного тока и соответственно улучшилась равномерность вращения двигателей, расширился диапазон регулирования скорости. Во–вторых, значительно повысилось быстродействие электропривода, т.к. силовой фильтр на выходе нерегулируемого выпрямителя оказался фактически исключенным из каналов регулирования параметров выходного напряжения преобразователя. И, наконец, существенно улучшается коэффициент мощности преобразователя, как потребителя электроэнергии. На основе таких преобразователей оказалось возможным создание -усовершенствованных регулируемых электроприводов как массового применения, так и специализированных, удовлетворяющих весьма высоким требованиям, например, транзисторных частотно–регулируемых асинхронных электроприводов подачи металлорежущих станков с диапазоном регулирования скорости порядка 1:1000. Быстро росло количество фирм–производителей преобразовательной техники для электропривода переменного тока, расширилась номенклатура изделий, улучшилось их качество. Интенсивному развитию преобразователей частоты на этом этапе способствовали значительные успехи в создании новых силовых полупроводниковых приборов, интегрированных схем и других средств микропроцессорного управления. Тем не менее на данном этапе оказались недостаточно полно проработаны некоторые вопросы энергосбережения и качества энергопотребления. Так выпрямитель не позволяет осуществлять работу электропривода с рекуперацией энергии в сеть, что ограничивает его возможности. Третий этапхарактеризуется помимо достоинств ДПЧ второго этапа решением вопросов энергосбережения. Эти вопросы решаются на базе использования в звене постоянного тока выпрямителей на полностью управляемых полупроводниковых приборах. Эти выпрямители получили название активных выпрямителей. Структуру силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем напряжения иллюстрирует рис.84 .    Рис.84. Структура силовых цепей ДПЧ с активным выпрямителем и автономным инвертором напряжения.В силовой цепи последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВН), фильтр Ф и автономный инвертор напряжения (АИН). Силовые полупроводниковые переключающиеся элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей. Выпрямитель АВН, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока Ud на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно–импульсной модуляции (ШИМ) и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе АИН с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей. Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Помимо функций преобразования электроэнергии переменного напряжения в постоянное, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжения фильтрового конденсатора Ud в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А1, В1 и С1. Эти зажимы связаны с питающей сетью посредством буферных реакторов БР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения, которая создается в точках А, В, С, формируемая частота напряжения на зажимах переменного тока активного выпрямителя напряжения (точки А1, В1, С1) постоянная и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения на зажимах А1, В1, С1 воспринимаются буферными реакторами БР, являющимися неотъемлемыми элементами системы. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока (точки А1, В1, С1), имеют благоприятный гармонический состав, в котором основная гармоника и высшие гармоники существенно отличаются по частоте. Это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети буферными реакторами. Таким образом, решается задача потребления из сети практически синусоидального тока. Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя. Варьируя с помощью системы управления АВН фазовыми параметрами основной гармоники его переменного напряжения на зажимах А1, В1, С1, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например, близким к единице, либо «опережающим», либо «отстающим». Поэтому преобразователь частоты с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности. Как коммутатор тока активный выпрямитель напряжения преобразует потребляемый из сети переменный, близкий к синусоидальному ток, в пульсирующий выходной ток, содержащий постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая замыкается через буферный конденсатор, который ограничивает пульсации напряжения Ud в звене постоянного тока. Эти пульсации связаны и определяются переменной составляющей выходного тока АВН. Заметим, что данный конденсатор выполняет ту же функцию и по отношению к переменной составляющей тока потребляемого автономным инвертором (АИН) двухзвенного ПЧ. Постоянная составляющая выходного тока АВН подпитывает конденсатор, компенсируя расход постоянного тока, отдаваемого во входную цепь АИН. Имеется литература, в которой описываются эти взаимосвязанные процессы и рассматриваются математические модели АИН и АВН. Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока АИН обладает чрезвычайно ценным свойством – возможностью двухстороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство сохраняется и в инверсной схеме включения АИН в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двухсторонний энергетический обмен между питающей сетью и электродвигателем. Благодаря этому возможно построение энергосберегающих систем электропривода в различных сферах применения с высоким качеством потребления электроэнергии. Аналогичные результаты обеспечивает применение активных выпрямителей и в двухзвенных ПЧ с автономным инвертором тока. В них используются те же принципы, что и в ПЧ с автономным инвертором напряжения, поэтому такую систему мы подробно не рассматриваем. 36 вопрос 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 (рис 82). В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: 1- катодную (V1; V2; V3) и 2- анодную (V4; V5; V6). Допустим, что нагрузка zн 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- . 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 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), ни спадет до нуля. Основными достоинствами НПЧ с естественной коммутацией являются:
Основные недостатки НПЧ:
В связи с этим НПЧ получили применение в основном для регулируемых тихоходных синхронных и асинхронных электроприводов средней и большой мощности. Здесь используются НПЧ с естественной коммутацией, получившие название циклоконверторы. Параллельно с циклоконверторами разрабатывались НПЧ с принудительной коммутацией, реализация которых ориентирована на полностью управляемые ключи переменного тока. 38 вопрос 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. Защита от перенапряжений и самопроизвольного включения тиристоров. Тиристоры, плохо противостоят действию перенапряжений, зачастую сами являются их источниками. В связи с этим в тиристорных электроприводах должны быть предусмотрены меры для предупреждения и ограничения перенапряжений и средства для защиты тиристоров от действия последних. Перенапряжения бывает внутренними и внешними и обусловлены действием целого ряда причин: 1 Коммутационное перенапряжение, возникающие в момент выключения вентиля заканчивающей работу фазы, когда обратный ток, проходящий через индуктивность обмоток трансформатора, разрывается большим внутренним сопротивлением выключаемого вентиля. 2 Отключение питающих трансформаторов с первичной стороны, особенно при холостом ходе. 3 Отключение выключателя или перегорание предохранителя в цепи выпрямленного тока при индуктивной нагрузке. 4 Резонансные явления при включении трансформатора. 5 Перенапряжения в питающей сети. 6 Возрастание ЭДС двигателя при быстром увеличении потока. 6.2.1. Защита с помощью R-C цепочек. Такая защита от перенапряжений является наиболее употребительной. Она применяется как от внутренних, так и внешних перенапряжений. Для устранения внутренних перенапряжений, возникающих в момент выключения вентилей, применяются R-C цепочки, включаемые параллельно вентилям по схеме (рис. 6-87). В момент выключения тиристора обратный ток из цепи вентиля коммутируется в R-C цепочку, благодаря чему скорость уменьшения тока в индуктивности цепи, а вместе с тем и величина ЭДС самоиндукции ограничивается. Последовательно включенные резисторы R служат для ограничения толчков разрядного тока конденсатора через вентиль, при включении последнего. Величины емкости (С= 0,25-4 мкф) и сопротивления (R= 5-80 Ом) устанавливают в соответствии с рекомендациями каталогов на основании опыта, так как определить расчетным путем их значения затруднительно. R-C цепочки, подключаемые параллельно тиристорам, ограничивают одновременно и скорость нарастания прямого напряжения, предотвращая тем самым самопроизвольное включение тиристора от превышения параметра (dU/dt)кр. Для защиты тиристоров от внешних перенапряжений используется такие же защитные R-C цепочки. Так как внешние перенапряжения могут быть значительными, требуются ёмкости очень большой величины. В связи с этим установка R’-C’ цепочек на стороне переменного тока (на рис.90 показано пунктиром) применяется редко, так как требуется применение дорогих и громоздких конденсаторов, способных работать на переменном токе. Кроме того, мощность рассеяния резисторов R’, в этом случае также велика. Поэтому в ТП защитный конденсатор c1 включают на стороне постоянного тока через вспомогательный выпрямитель Вз на маломощных диодах. Подобное включение позволяет применять малогабаритные и дешёвые электролитические конденсаторы. Резистор R1 ограничивает броски зарядного тока при перенапряжениях. Его величина составляет 1-5 Ом. Резистор R2 обеспечивает постоянное протекание через выпрямитель небольшого тока, чтобы он был всегда готов пропустить на конденсатор С1 импульс перенапряжения. Параметры защитной R1-C1 цепочки определяется из наиболее опасного режима отключения трансформатора на холостом ходу.  сеть Рис. 90 6.2.2. Защита от перенапряжений, возникающих при отключении нагрузки с большой индуктивностью. При отключении обмоток возбуждения крупных электрических машин защита от перенапряжений с помощью R-C цепочек оказываются непригодной, так как для её реализации требовались бы конденсаторы чрезмерно большой ёмкости. В подобных случаях используют устройства, схема которого приведена на рисунке 91. В рабочем режиме напряжение, действующее в установке, ниже напряжения включения переключающего диода (динистора) «Д», и управление тиристорами 1-6 производится от СИФУ (на схеме не показано). При отключении автомата «А» на стороне переменного тока в нагрузке возникает большая ЭДС самоиндукции. Как только повышающееся напряжение превысит по величине напряжение включения динистора «Д», последний включается и на управляющие электроды тиристоров анодной группы ТП поступят включающие импульсы и образуется разрядный контур, через работающий тиристор катодной группы и один из тиристоров анодной группы (например, через тиристоры 1 и 4). В этом контуре рассеивается энергия, запасённая в нагрузке. Вместо динистора иногда используют лавинный диод «ДЛ» (показано пунктиром).  |