Мартынов_Сил-электЧ2(Инверторы). Учебное пособие санктПетербург 2012
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
4.3. Преобразователи частоты без звена постоянного тока в преобразователе частоты без звена постоянного тока электрическая энергия, потребляемая преобразователем из сети переменного тока, преобразуется в электрическую энергию переменного тока другой частоты, отличной от частоты питающей сети, без какого- либо промежуточного преобразования [3, 9]. Преобразователи частоты без звена постоянного тока (или ПЧ с непосредственной связью цепей нагрузки и питающей сети – ПЧн) можно разделить на два подкласса ПЧн с естественной коммутацией вентилей (ПЧне); – ПЧн с искусственной коммутацией вентилей (ПЧни). 115 ПЧн с естественной коммутацией вентилей для управления ПЧне находят применение два способа управ- ления:совместный ираздельный. силовая схема однофазного ПЧне аналогична схеме реверсивного вентильного преобразователя электропривода постоянного тока. на рис. 50 приведена схема ПЧне, преобразующего трехфазное напряжение питающей сети в однофазное напряжение. схема содержит два трехфазных однотактных выпрямителя, включенных параллельно. Группу из трех вентилей, имеющих общий катод, называют катодной, а группу с общим анодом – «анодной». рассмотрим принцип работы этого преобразователя. При подаче импульсов управления на тиристоры Т, Т и Т с углом регулирования 0° < α 1 < 90° на нагрузке формируется положительная полуволна выходного напряжения. длительность этой полуволны определяется длительностью интервала подачи импульсов управления на эти тиристоры. После прекращения подачи импульсов управления на тиристоры Т, Т, Т импульсы управления подают на тиристоры Т, Т, Т стем же значением угла регулирования ив течение такого же интервала времени, что и при подаче импульсов управления на тиристоры Т, Т и Т. на нагрузке формируется отрицательная полуволна выходного напряжения. совершенно очевидно, что частота выходного напряжения меньше частоты напряжения питающей сети. регулирование частоты выходного напряжения осуществляется путем регулирования интервала времени подачи импульсов управления на катодные и анодные группы вентилей при формировании положительной и отрицательной по- луволн выходного напряжения. величина выходного напряжения регулируется путем изменения угла управления α 1 u 2 ; f 2 T2 T6 T4 T1 T3 T5 L c a b Z нг A B C 0 T y Рис. 50. Преобразователь частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей (ПЧне 3/1) фазовая коммутация вентилей водной группе, те. запирание одного вентиля и отпирание другого, происходит подобно переключению в трехфазной однотактной схеме выпрямления, без применения коммутирующих емкостей. для получения выходного напряжения, близкого к синусоидальному, иногда осуществляют управление вентилями со скользящим углом регулирования так, чтобы среднее за полупериод питающей сети значение напряжения изменялось в течение периода выходного напряжения по синусоидальному закону. Переключение от катодной группы к анодной целесообразно производить в моменты прохождения тока (а не напряжения) через ноль. в этом случае и активная, и реактивная энергии могут проходить через ПЧ в обоих направлениях. Это обстоятельство является одной из важных особенностей ПЧн. для получения приемлемой формы выходного напряжения частота питающей сети должна быть в несколько раз выше частоты выходного напряжения. Совместный способ управления При совместном способе управления управляющие импульсы поступают на тиристоры обеих вентильных групп одновременно. Причем, если на тиристоры первой вентильной группы поступают импульсы управления, соответствующие выпрямительному режиму (о < α 1 < ото на тиристоры второй вентильной группы поступают импульсы управления, соответствующие инверторному режиму (о < α 2 < о. значения углов α 1 и α 2 должны быть согласованы между собой. условие согласования углов управления вентильными группами определяется соотношением [9] α 2 = о – α 1 = выполнение этого условия обеспечивает равенство средних значений напряжения на выходе вентильных групп и исключает возможность протекания уравнительных токов между вентильными группами. сумма углов регулирования обеих вентильных групп всегда должна быть равна 180 о Путем циклического изменения углов регулирования тиристоров с определенной частотой при согласованном управлении в выпрямительном и инверторном режимах на выходе преобразователя будет получено переменное напряжение, амплитуда и частота основной гармоники которого определяются амплитудой и частотой сигнала управления (модулирующего сигнала) системы управления. на форму кривой выходного напряжения ПЧне существенное влияние оказывает форма кривой модулирующего сигнала системы управления. отметим, что ив этом случае, как и при управлении инвертором напряжения, модулирующий сигнал может иметь синусоидальную форму или форму прямоугольного синуса». благодаря тому, что при совместном способе управления импульсы одновременно подаются на вентили обеих вентильных групп, ПЧ обеспечивает возможность работы на нагрузку с любым коэффициентом мощности. Это нетрудно установить из диаграммы рис. 51), на которой построены кривые основных гармоник выходного напряжения и тока при активно-индуктивном и активно-ем- костном характере нагрузки. При активном характере нагрузки кривая тока нагрузки совпадает по фазе с кривой напряжения нагрузки, те. угол нагрузки ϕ нг = 0. ток нагрузки протекает через вентили, работающие в выпрямительном режиме на первом полупериоде (0 < ωt < π) – через вентили катодной группы, а на втором полупериоде (π < ωt < 2π) – через вентили анодной группы. При активно-индуктивном характере нагрузки ток отстает от напряжения на угол ϕ L . на интервале времени ϕ L < ωt < (π + ϕ L ) рабочий ток протекает через тиристоры первой группы, работающий на интервале времени ϕ L < ωt < π в выпрямительном режиме, а на интервале времени π < ωt < (π + ϕ L ), когда напряжение и ток нагрузки имеют противоположные знаки, – в инверторном режиме. тиристоры второй группы также часть времени (интервал времени 0 < ωt < ϕ L ) работают в инверторном режиме, а на интервале времени в выпрямительном режиме. Рис. 51. временные диаграммы напряжения и тока нагрузки π – ϕ c π + ϕ L 2π –ϕ c ϕ L u 2 i 2 i 2c u 2 i 2L При активно-емкостном характере нагрузки работа преобразователя протекает аналогичным образом стой лишь разницей, что тиристоры каждой группы вентилей вначале работают в инверторном режиме, а затем в выпрямительном. таким образом, ток нагрузки в каждый момент времени как бы сам выбирает необходимую группу тиристоров. как сказано выше, при согласованном управлении обеими вентильными группами в любой момент времени их средние значения напряжения равны между собой. однако мгновенные значения напряжений различны. вследствие этого во внутреннем контуре преобразователя действует знакопеременное напряжение, частота и амплитуда которого зависят от схемы преобразователя, числа фаз и частот питающей сети f 1 и цепи нагрузки f 2 . Это напряжение принято называть уравнительным напряжением u ур . Под воздействием этого уравнительного напряжения протекает уравнительный ток, для ограничения которого необходимо установить уравнительный реактор (L ур ). индуктивность уравнительного реактора приходится выбирать, исходя из двух противоречащих друг другу условий удовлетворительного ограничения уравнительного тока I ур при приемлемой величине падения вторичного напряжения преобразователя (напряжения нагрузки) I ур : L = (A 1 U ур )/(ω 1 I ур ); (120) L = (А, где Аи А – коэффициенты, зависящие от принятой силовой схемы преобразователя I 2 – ток на вторичной стороне преобразователя ток нагрузки). Приравнивая правые части выражений, можно определить один из параметров (I ур или ΔU 2 ), задавшись значением другого параметра. Раздельный способ управления для реализации раздельного способа необходимо 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 ненужны. иногда с целью уменьшить высшие гармонические в кривой выходного напряжения целесообразно сохранить реакторы с относительно небольшой величиной индуктивности. рассмотрим принцип реализации раздельного способа управления на примере ПЧне, схема которого приведена на рис. 50. для этого воспользуемся временными диаграммами (рис. 52) с кривыми выходного напряжения u 2 и тока i 2 . здесь же показаны временные интервалы режимов работы вентильных групп. анодная группа вентилей ВГ1 включает в себя тиристоры Т, Т, Та катодная группа вентилей ВГ2 – тиристоры Т, Т, Т. на временном интервале 0 < t < t 1 , на котором знаки выходного напряжения и тока положительны, на тиристоры ВГ1 подаются импульсы выпрямительного режима. на нагрузке формируется положительная полуволна выходного напряжения. Этот режим продолжается до момента t 1 . в момент времени t = t 1 тиристоры вентильной группы ВГ1 с помощью системы управления переводятся в инверторный режим, в котором находятся до момента времени t = t 2 , соответствующего спаду тока нагрузки до нуля. в этот момент времени импульсы управления полностью снимаются с тиристоров вентильной группы ВГ1. далее следует бестоковая пауза, интервал п = t 3 – Эта пауза необходима для восстановления запирающих свойств тиристоров, после нее, в момент t = t 3 , управляющие импульсы, соответствующие выпрямительному режиму, начинают подаваться на тиристоры вентильной группы ВГ2 и т. д. Рис. 52. временные диаграммы, поясняющие раздельный способ управления ПЧне u 2 i 2 Период выходного напряжения T t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 i 2 u 2 t п ВГ2 ВГ1 t ВР–ВГ1 ИР–ВГ2 ИР–ВГ1 ВР–ВГ2 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. определим связь частоты выходного напряжения f 2 с частотой питающей сети f 1 для ПЧне, питающегося от фазной сети переменного тока, воспользовавшись при этом временными диаграммами, приведенными на рис. 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 Т состояла бы из n интервалов длительностью Т и одного интервала длительностью Т, т. е. Т 2 /2 = Т + Т, где Т – период напряжения питающей сети, Т = 1/f 1 ; Т – период напряжения выходной сети, Т = 1/f 2 ; n = 0, 1, 2, 3, … – последовательный ряд чисел. из (122) получим требуемое соотношение между частотами f 2 и f 1 : f 2 = f 1 m 1 /(2n + m 1 ). Рис. 53. временные диаграммы выходных напряжений ПЧне при алгоритме управления без паузы (аи с паузой (б u 2 u 0 T 1/2 T 1/m T 1/ m T 1 T 2/2 T 2/2 u b u а u с ωt а) б) u 2 T 1/m T 1/ m T 1 T 2/2 T 2/2 u b u а ωt u с ϕ п По формуле (123) определим разрешенные частоты выходного напряжения при условии m 1 = 3, f 1 = 50 Гц и различных значениях числа интервалов длительностью Т. результаты расчетов сведем в табл. Таблица 6 Разрешенные значения частоты выходного напряжения ПЧне n 0 1 2 3 4 f 2 , Гц 30 21,428 16,666 данные табл. 6 подтверждают, что регулирование частоты выходного напряжения ПЧне носит дискретный характер. для получения плавного регулирования частоты выходного напряжения необходимо вводить паузу п между закрытием и открытием очередных групп вентилей. тогда выходная частота определяется по формуле 1 2 1 ï 1 2 ( ) f m f n определим действующее значение выходного напряжения ПЧне при прямоугольном синусе формы кривой модулирующего сигнала. среднее значение импульса полуволны выходного напряжения 2 1 1 2 sin cos где U 1 – действующее значение напряжения фазы питающей сети. амплитуда первой (основной) гармоники выходного напряжения определяется по формуле cð 2 2 1 m 4 ( ) U U α π = , а действующее значение напряжения на выходе ПЧне при прямоугольном синусе модулирующего сигнала 1 m 1 2 ñð 2 1 2 1 4 0 9 2 ( ) , sin cos . U m U U U m α π α π = = = (127) таким образом, при изменении угла регулирования α в пределах 0 < α < 90 ° действующее значение выходного напряжения регулируется в пределах от U 2max = [4m 1 U 1 /π 2 ]sin(π/m 1 ) до нуля. на рис. 54 приведена схема ПЧне с трехфазным выходом, каждая выходная фаза которого выполнена по схеме, подобной приведенной на рис. 50. данный ПЧ с трехфазным выходом имеет систему импульсно-фа- зового управления (сифу), которая вырабатывает импульсы управления, подаваемые на вентили силовой схемы (V1–V18). на выходе ПЧне формируется трехфазное напряжение, фазы которого (ас) имеют между собой градусный временной сдвиг. достоинства и недостатки ПЧне достоинства ПЧне. 1. коммутация тока в тиристорах преобразователя происходит за счет напряжения питающей сети, вследствие чего не требуется применять какие-либо специальные коммутирующие устройства, например, конденсаторы. Преобразователь позволяет осуществлять двусторонний обмен энергии из питающей сети в цепь нагрузки и обратно, из цепи нагрузки в питающую сеть. благодаря этому обеспечивается любой режим работы нагрузки (двигательный или генераторный) и при любом значении коэффициента мощности нагрузки без применения каких-либо специальных компенсирующих устройств. Преобразователь позволяет осуществлять плавное регулирование напряжения нагрузки. Рис. 54. схема ПЧне с трехфазным выходом AД A B C 0 V1 V3 V5 V4 V6 V2 V7 V9 V11 V10V12V8 V13V15V17V16V18V14 U 2a U 2b U 2c L у3 L L у1 у1 123 4. кривая тока нагрузки ПЧне может быть приближена кси- нусоидальной путем применения соответствующих алгоритмов управления. недостатки ПЧне. 1. Преобразователь 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. диапазон регулирования частоты выходного напряжения существенно ограниченна практике максимальная частота выходного напряжения не превышает одной трети частоты питающей сети. для исключения постоянной составляющей и субгармоник в кривой выходного напряжения регулирование частоты выходного напряжения приходится изменять дискретно. Преобразователь содержит большое количество вентилей, что удорожает его и усложняет 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 меньше установленная мощность элементов силовой схемы и более высокие энергетические характеристики. 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 некратностью 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 в заключение можно отметить, что в настоящее время существует достаточно много решений, позволяющих в той или иной мере уменьшить недостатки ПЧне. так, например, в работе [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. |