Преобразователи частоты
Полупроводниковые преобразователи частоты служат для преобразования электрической энергии одной частоты и действующего напряжения в электрическую энергию другой частоты и действующего напряжения. На входе и на выходе преобразователя частоты может применяться однофазная, трехфазная и многофазная система тока.
Преобразователи частоты имеют большие перспективы применения в тяговом приводе, в цепях вспомогательных машин и в технологических установках технического обслуживания, ремонта подвижного состава, а также для обеспечения микроклимата, освещения, работы электроприборов в цехах, административных и бытовых помещениях.
Конструктивно применяют преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока и преобразователи частоты с непосредственной связью. Преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока получили более широкое применение на практике из-за более простой технической реализации управления, из-за более широких функциональных возможностей, а также из-за более высоких энергетических характеристик и возможности решения проблем электромагнитной совместимости. Тяговый привод электровозов и электропоездов с двойной системой питания от контактных сетей переменного и постоянного тока возможен при использовании преобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока.
В состав преобразователей частоты с промежуточным контуром постоянного тока входят выпрямители и рекуператоры электрической энергии, контур постоянного тока с дросселем и накопителем электрической энергии, инверторы с обратным диодным мостом. На электроподвижном составе нагрузкой преобразователя частоты являются тяговые электродвигатели переменного тока. В технологических установках локомотивного депо нагрузкой преобразователей являются индукторы электротермические для индукционных плавильных печей, для нагрева материалов под пластическую деформацию, для поверхностной закалки, для высокочастотной пайки и сварки, индукторы плазматронов, магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели ультразвуковых установок, озонаторы, высокочастотные камеры для диэлектрического нагрева, сушки изоляционных и других материалов, для диагностических устройств.
Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), которые иногда называют циклоконверторами, не требуют дополнительное промежуточное преобразование электрической энергии. В НПЧ широко применяется коммутация силовых полупроводниковых приборов за счет переменного напряжения на входе преобразователей, из которого формируется переменное напряжение на выходе преобразователей. Частота переменного напряжения на выходе зачастую изменяется дискретно, а ее максимальное значение не превышает 1/3 частоты напряжения в питающей сети.
Реализация различных законов частотного управления электроприводом обеспечивается определенным соотношением частоты и действующего напряжения на выходе преобразователя частоты. Существует несколько способов изменения действующего напряжения на выходе преобразователей частоты.
Разработка преобразователей частоты с промежуточными контурами постоянного тока началась с использования управляемых выпрямителей для плавного изменения среднего значения напряжения в промежуточном контуре постоянного тока и для плавного изменения действующего напряжения на выходе преобразователя. Управление силовыми полупроводниковыми приборами обычно выполняется импульсно-фазовым способом. Такие преобразователи частоты продолжают изготавливаться заводами и в настоящее время. Коэффициент мощности технологических установок, оснащенных данными преобразователями частоты, снижается до нуля с увеличением глубины регулирования, так же как у всех управляемых выпрямителей. Остается нерешенной проблема их электромагнитной совместимости, то есть проблема отрицательного воздействия преобразователей на показатели качества электрической энергии в питающей сети и на работу других потребителей электрической энергии.
Другим способом регулирования действующего напряжения на выходе преобразователей частоты является способ переключения секций обмоток преобразовательного трансформатора. Применение данного способа регулирования приобретает особую актуальность, если в технологической установке трансформатор необходимо применять для согласования напряжения в питающей сети и напряжения потребителей электрической энергии, например, в тяговом электроприводе подвижного состава. Данный способ регулирования позволяет изменять входное электрическое сопротивление электроподвижного состава и улучшать его энергетические показатели, снижать нелинейные искажения потребляемого тока.
Импульсные способы регулирования действующего напряжения на выходе преобразователей частоты получили широкое применение в настоящее время в связи с разработкой и совершенствованием запираемых тиристоров и силовых транзисторов. В таких преобразователях частоты электрическая энергия переменного напряжения из питающей сети поступает через диодные мосты в контур постоянного тока, а с помощью автономных инверторов импульсными способами регулирования изменяется частота и действующее напряжение. Автономные инверторы могут быть однофазными, трехфазными и многофазными. Получили применение широтно-импульсное регулирование (ШИР) действующего напряжения и способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для плавного изменения частоты и действующего напряжения на выходе преобразователей.
Широтно-импульсное регулирование частоты и действующего значения напряжения заключается в формировании одного импульса напряжения на выходе инвертора в течение одного полупериода при постоянной амплитуде импульса U. За счет изменения продолжительности полупериодов переменного напряжения регулируется частота, а за счет изменения угла проводящего состояния силовых полупроводниковых приборов инвертора β (рис. 5.1а) в течение полупериода – регулируется действующее значение переменного напряжения на выходе инвертора.
Максимальное действующее значение напряжения получается при β=180 эл. градусов. С уменьшением угла проводимости СПП инвертора до β = 0 действующее значение переменного напряжения снижается до нуля, а паузы между интервалами проводимости СПП увеличиваются. Прямоугольно–ступенчатую форму переменного напряжения (рис. 5.1) можно разложить в ряд Фурье, который содержит нечетные гармоники. Амплитуда первой гармоники достигает 1,28 от амплитуды прямоугольных импульсов Um при β = 180 эл. град и снижается до нуля при β = 0 эл. град.
Рис. 5.1. Временные диаграммы напряжения на выходе однофазного инвертора при широтно-импульсном регулировании
Амплитуда третьей гармоники достигает наибольшего значения 0,42Um при β = 60 и β = 180 эл. град. и равна нулю при β = 0, β = 120 эл. град. Амплитуда пятой гармоники достигает 0,3Um при β = 36, β = 108 и β = 180 эл. град и снижается до нуля при β = 0, β = 72, β = 144 эл. град. Амплитуда седьмой гармоники напряжения не превышает 0,18Um .
Широтно-импульсное регулирование в автономных трехфазных инверторах выполняется с максимальными углами проводимости СПП β=180 эл. град., β = 150 эл. град. и β = 120 эл.град. С уменьшением угла проводимости СПП до β = 60 эл. град. действующее переменное напряжение на выходе трехфазных инверторов снижается до нуля, причем амплитуда первой гармоники трехфазного напряжения достигает 0,636Um при β = 180 эл.град. Третья гармоника в системе трехфазного напряжения отсутствует, а при максимальном угле проводимости β = 150 эл. град. и пятая гармоника напряжения равна нулю.
На интервале одного полупериода выходного напряжения транзисторы инвертора напряжения (рис. 3.4) могут отпираться и запираться многократно с частотой fH, которая превышает частоту основной гармоники выходного напряжения f1 в нечетное число раз (рис. 5.1б). Данное прямоугольное ШИР обеспечивает снижение уровня и сокращение гармонических составляющих в выходном напряжении по сравнению с одноимпульсным ШИР.
Регулирование частоты и действующего значения напряжения с использованием широтно-импульсной модуляции выполняется путем формирования последовательности импульсов различной ширины за полупериод переменного напряжения. Частота переменного напряжения регулируется изменением длительности полупериодов, а действующее значение переменного напряжения – изменением ширины последовательности импульсов в каждый полупериод переменного напряжения. Широтно-импульсное модулирование выходного напряжения инвертора можно выполнять по синусоидальному закону. Для электропривода переменного тока на практике получила применение однополярная реверсивная модуляция (ОРМ).
Принцип формирования алгоритма управления СПП инвертора (рис. 3.4) с широтно-импульсной модуляцией результирующего коммутационного напряжения на выходе рассмотрим на примере модулирующей функции uМ1.
uM1 = Um1·sinωMt,
где Um1 – амплитуда модулирующей синусоидальной функции;
ωМ = 2π/T – круговая тактовая частота результирующей коммутационной функции.
Реализация алгоритма управления транзисторами VT1 – VT4 обеспечивается с помощью второй модулирующей функции uM2, смещенной по фазе на 180 электрических градусов относительно uM1 и несущего развертывающего сигнала треугольной формы uH (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Временные диаграммы напряжений при реализации широтно-импульсной модуляции
Частота несущего сигнала uH превышает частоту основной гармоники результирующего напряжения на выходе инвертора в нечетное число раз и определяется коэффициентом модуляции КШИМ = fH/fМ. Для рассматриваемого примера КШИМ = 5.
Если обозначить амплитуду несущего сигнала Umн, то отношение амплитуды несущего сигнала к амплитуде модулирующего сигнала Um1 называется глубиной модуляции μ. Глубина модуляции может изменяться от 1 до 0.
.
На интервале времени 0-t1 мгновенные значения напряжения uМ1 и uM2 меньше мгновенных значений несущего сигнала uн и на затвор транзисторов VT3, VT4 подается логическая 1, они находятся в проводящем состоянии, а напряжение на нагрузке инвертора равно нулю uвых = 0. Ток нагрузки iH может протекать под действием ЭДС самоиндукции нагрузки через VT3 и VD4 или – через VT4 и VD3.
На интервале t1-t2 на затворы транзисторов VT1, VT3 подается логическая единица и к нагрузке прикладывается импульс положительной полярности с амплитудой, равной среднему значению напряжения в контуре постоянного тока Ud.
На интервале t2–t3 отпираются транзисторы VT1, VT2 и напряжение на нагрузке равно нулю uвых = 0, а под действием ЭДС самоиндукции нагрузки ток нагрузки протекает через VD2 и VT1 – или через VD1 и VT2.
В течение первого полупериода формируются импульсы напряжения на выходе инвертора положительной полярности, а ширина импульсов получается в середине полупериода больше, чем в начале и в конце полупериода. Во второй полупериод на выходе автономного инвертора формируются импульсы отрицательной полярности различной ширины. Таким образом, ширина импульсов напряжения на выходе инвертора изменяется по синусоидальному закону. Амплитуда основной гармоники напряжения на нагрузке равна Um1 = μ·Ud, а ее частота определяется частотой несущего сигнала и коэффициентом модуляции ωM = ωH/КШИМ. С увеличением частоты несущего сигнала форма тока нагрузки iH в большей мере приближается к синусоидальной.