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 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. 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.

В трехфазно- однофазной схеме тиристоры каждой группы коммутируют между собой (внутригрупповая коммутация) через интервал, равный 2p/3. В общем случае, при пульсности, равной m_n этот интервал составляет (2p/m_n) радиан. Поэтому без учета угла коммутации можно записать следующее выражение для длительности одной полуволны выходного напряжения:

(5-77)

где: n- число участков синусоид в полуволне выходного напряжения.

(p-(2p/m_n))- угол, обусловленный подъемом от нуля до точки естественной коммутации переднего фронта полуволны выходного напряжения плюс угол, обусловленный спаданием до нуля заднего фронта этой полуволны.

В общем случае при пульсности выпрямленного напряжения m_n связь частот выходного и входного напряжений выражается соотношением:

(5-78)

где f₁ и f₂ - частоты входного и выходного напряжений (основной гармоники).

Из (5-78) видно, что 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.

Нужно иметь в виду, что при 3-х фазной нагрузке необходимо обеспечить сдвиг фаз выходного напряжения на 120°. Поэтому далеко на все указанные частоты выходного напряжения могут быть использованы.

При активно- индуктивной нагрузке моменты прохождения через нуль полуволны выходного напряжения не соответствуют нулевым значениям токов нагрузки, т.к. индуктивность нагрузки обусловливает запаздывание тока относительно напряжения. Для того, чтобы в этом случае обеспечить протекание тока под действием ЭДС нагрузки в питающую сеть (что соответствует возврату в сеть энергии, накопленной в индуктивности, т.е. ее рекуперации), соответствующую тиристорную группу нужно перевести в инверторный режим работы. Например, если группа тиристоров “1” работала в выпрямительном режиме с углом управления a, то, начиная с определенного момента, включающие импульсы тиристоров группы “1” начинают поступать со сдвигом относительно напряжений питающей сети на угол b в сторону опережения. Такое следование импульсов соответствует инверторному режиму работы тиристоров. Источником постоянного напряжения, под воздействием которого протекает инвертируемый ток, в данном случае является нагрузка, а точнее ее индуктивная составляющая. В результате инверторного режима работы части тиристоров группы “1” происходит возврат энергии, накопленной в индуктивности, в сеть и спадание тока нагрузки до нуля. Затем система управления преобразователем обеспечивает аппаратную паузу j_п после которой начинает работать в выпрямительном режиме группа тиристоров “2”, часть из которых переходит в заданный программой управления момент в инверторный режим. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются.

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.

Для частотного управления электропривода переменного тока средней и большой мощности применяется мостовые схемы вентильных групп (рис 88).

Вентильная группа для каждой фазы нагрузки состоит из двух подгрупп ВГ1 и ВГ2, образующих два моста, соединенных встречно- параллельно. Если вентильные группы подключены параллельно к одному источнику питания, как показано на рис 88, то фазы нагрузки должны быть гальванически развязаны друг от друга. При электрически объединенной 3-х фазной нагрузке с целью устранения короткозамкнутых контуров вентильные группы 1ВГ, 2ВГ и 3ВГ должны получать питание от индивидуальных вторичных обмоток трансформатора.

Входная коммутационная аппаратура, токоограничивающие реакторы и защитные цепи на схеме не показаны.

Анализируя формулу (5-78), а также учитывая необходимость сдвига фаз выходного напряжения при 3-х фазной нагрузке на 120° приходим к выводу, что максимальная частота, реализуемая в шестипульсных НПЧ, примерно в два раза меньше частоты питающей сети. Этот факт является недостатком НПЧ, используемых в системах электропривода. Сниженная частота НПЧ по сравнению с номинальной частотой сети приводит к недоиспользованию двигателя по скорости, а следовательно, и по мощности.

Рис.88

 

Поэтому целесообразно применение асинхронных двигателей с номинальной частотой питания меньше 50 Гц.

Однократное преобразование энергии переменного тока с высоким КПД делает НПЧ перспективным преобразователем, управляющим наиболее массовым и дешевым типом двигателя- асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.

Структурная идентичность НПЧ с реверсивным ТП постоянного тока является предпосылкой для схемной и конструктивной унификации данных преобразователей. Выполненная в виде унифицированного блока- модуля шестивентильная тиристорная группа может использоваться, как составляющая часть при построении ТП постоянного тока, а также НПЧ.

Основными достоинствами НПЧ с естественной коммутацией являются:

1. Относительно высокий КПД, что достигается благодаря однократному преобразованию электрической энергии.

2. Возможность двухстороннего обмена энергией между питающей сетью и двигателем, что обеспечивает как двигательные, так и тормозные режимы электропривода с рекуперацией энергии в сеть.

3. Возможность использования естественной коммутации вентилей с неполным управлением, что позволяет отказаться от устройств принудительной коммутации, снижающих экономичность, надежность, перегрузочную способность и ухудшающих массогабаритные показатели преобразователя частоты.

4. Возможность получения сколь угодно низких частот выходного напряжения преобразователя и обеспечения равномерного вращения двигателя на малых скоростях.

5. Практически неограниченная мощность НПЧ.

6. Возможность конструирования преобразователей по блочно–модульному принципу, обеспечивающему удобство эксплуатации и резервирования.

Основные недостатки НПЧ:

1. Ограничение максимальных значений выходной частоты на уровне порядка 0, 5 от частоты сети.

2. Наличие субгармоник и постоянных составляющих выходного напряжения и тока при неблагоприятных соотношениях частот на входе и выходе преобразователя.

3. Низкий коэффициент мощности, несинусоидальность входных токов преобразователя частоты как потребителя в системе электроснабжения.

4. Сложность (многоэлементность) силовых цепей и цепей управления, что является оправданным лишь при выполнении ПЧ на сравнительно большие мощности.

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.

6.0.0. 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.