1.1 Статические преобразователи частоты

Ста­тические ПЧ выполняют на ключевых электрон­ных элементах: тиристорах, запираемых тиристо­рах и силовых транзисторах (биполярных, бипо­лярных с изолированным затвором и полевых). Ис­пользование ключевого режима приводит к тому, что выходное напряжение U₂ у всех без исключе­ния видов статических ПЧ несинусоидально и кро­ме основной (первой) гармоники содержит обычно целый спектр высших гармонических составляю­щих. Ток, потребляемый из сети статическими ПЧ, также не синусоидален и может вызывать искажения напряжения питающей сети. Эти обстоятельства приходится обычно учи­тывать при выборе типа статического ПЧ.

Принципы построения статических ПЧ для ре­гулируемого ЭП известны достаточно давно. Различают три типа статических ПЧ:

• непосредственный ПЧ;

• двухзвенный ПЧ с автономным инвертором на­пряжения;

• двухзвенный ПЧ с автономным инвертором тока.

Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) в минимальной конфигурации содержит m₂ (по числу фаз двигателя) отдельных реверсивных преобразователей постоянного тока, управление которыми осуществляется переменным модули­рующим напряжением. Форма, частота и амплиту­да модулирующего напряжения определяют форму основной гармоники, частоту f₂ и амплитуду на­пряжения U₂ на выходе НПЧ. Регулирование выходного напряжения характеризуют коэффициен­том модуляции , который изменяется в пределах от 0 до 1 и является относительной амплитудой модулирующего напряжения. Напря­жения управления отдельными фазами НПЧ имеют одинаковые амплитуду и частоту, но сдвинуты одно относительно другого на угол 2π/т₂. На рис. 4 показана схема бестрансформаторного трехфазного НПЧ, в котором использованы мосто­вые реверсивные преобразователи постоянного то­ка, а фазы двигателя U_2A, U_2B, U_2C разъединены, чтобы избежать межфазных коротких замыканий.

Управление группами тиристоров, как и в ре­версивных преобразователях постоянного тока, мо­жет быть совместным или раздельным. В первом случае для ограничения уравнительных токов ис­пользуются реакторы L, как это показано на рис. 4. При раздельном управлении эти реакто­ры не ставятся, но используются датчики нуля тока (датчики состояния тиристоров).

Рис. 4. Трехфазный мостовой НЧП

В тиристорных НПЧ, как правило, использует­ся естественная коммутация. При этом выходное напряжение U₂ имеет периодический характер при частоте f₂ только для дискретных ее значе­ний:

(1.1)

где k — целые числа (1 < k < ), т₁ — число фаз питания НПЧ.

В табл. 1 приведены значения этих частот для т₁ = 3, 6, 12, f₁ = 50 Гц и k = 1-10.

Таблица 1

Значения частот выходного напряжения нпч f2, Гц

т1	k
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
3	37,5	30	25	21,4	18,75	16,7	15	13,6	12,5	11,5
6	42,8	37,5	33,3	30	27,3	25	23	21,4	20	18,75
12	46,2	42,8	40	37,5	35,3	33,3	31,6	30	28,6	27,3

При промежуточных значениях выходной час­тоты f₂, при которых k не является целым числом, в напряжении U₂ появляются низкочастотные субгармоники, влияние которых тем больше, чем бли­же значения частот f₂ и f₁. Появление низкочас­тотных субгармоник в напряжении питания электродвигателя приводит к колебаниям электромаг­нитного момента. Поэтому выходные частоты НПЧ в диапазоне, соответствующем k < 3, обычно не являются рабочими. Так, для НПЧ, выполненного по схеме, показанной на рис.4, максимальная вы­ходная частота f_2mах ≈ 25 Гц.

Увеличение числа фаз питающего напряжения до т₁ = 6 существенно сдвигает спектр высших гар­моник в сторону увеличения частот и одновременно уменьшает их амплитуды. Увеличение числа фаз до т₁ = 12 уменьшает амплитуды высших гар­моник напряжения настолько, что их влияние на работу электродвигателя можно не учитывать.

Увеличение числа фаз питания всегда улучшает гармонический состав выходного напряжения НПЧ, уменьшая содержание в нем и высокочастотных гармоник, и низкочастотных субгармоник. Но это достигается путем увеличения числа тиристорных групп, кото­рые питаются от дополнительных обмоток транс­форматора или от нескольких отдельных трансфор­маторов, что приводит к еще большему усложне­нию силовой схемы НПЧ.

Энергетические характеристики и влияние на питающую сеть НПЧ с естественной коммутацией фактически определены свойствами реверсивных ТП постоянного тока.

Основные достоинства НПЧ с естественной коммутацией:

• полная реверсивность;

• свободный обмен реактивной энергией между сетью и двигателем;

• однократное преобразование энергии (мини­мальное число вентилей, одновременно включен­ных между сетью и двигателем);

Недостатки НПЧ с естественной коммутацией:

• ограничение выходной частоты по верхнему пределу;

• низкий коэффициент мощности;

• сложность силовой схемы, особенно при т₁ > 3.

Двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения состоит из трех основных элементов: выпрямителя (В), автономного инвертора напряже­ния (АИН) и промежуточного контура постоянного тока, включающего конденсатор С (рис. 5).

Рис. 5. Двухзвенный преобразователь частоты