Д.2.2 Перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму

Перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму (ПЧ з ЛПС) поєднують в собі випрямляч змінної напруги мережі (з f₁=const) у постійний струм та автономний інвертор, що робить перетворення постійної напруги в змінну напругу іншої частоти f₂, яка може бути сталою або регульованою. Між випрямлячем та інвертором вмикається згладжуючий L або LC фільтр. В залежності від типу випрямляча та інвертора ПЧ з ЛПС розділяються на ТПЧ з керованим та некерованим випрямлячем, з автономним інвертором струму або інвертором напруги.

Якщо випрямляч керований, то функцію регулювання напруги на виході ТПЧ бере на себе випрямляч, а функцію регулювання частоти – автономний інвертор. У випадку некерованого випрямляча обидві функції виконує автономний інвертор.

Б

Рис. Д.2.5

лок-схема ПЧ з ЛПС приведена на рис. Д.2.5, де В -випрямляч, АІ – автономний інвертор, Ф – фільтр, СКВ – система керування випрямлячем, СКАІ ‑ система керування автономним інвертором.

Випрямляч В може бути зібраний за любою із розглянутих вище нереверсивних схем ТП, але перевага надається трифазним мостовим схемам випрямлення, що забезпечує менші габарити фільтра. У випадку некерованого випрямляча блок СКВ відсутній. Схеми АІ, які найчастіше використовують в ПЧ з ЛПС, розглянуті нижче.

Роль СКВ та ж сама, що і роль СІФК в ТП постійного струму, а при­значення СКАІ заключається в тому, щоб забезпечити заданий алгоритм вмикання вентилів інвертора та тривалість роботи кожного з них, що дає можливість регулювати частоту f₂, а в ПЧ з некерованим випрямлячем СКАІ, крім того, реалізує ще спосіб регулюваня величини вихідної напруги.

ПЧ з ЛПС дозволяють регулювати вихідну частоту в широких межах як вверх, так і вниз від частоти мережі живлення, а також величину вихідної напруги від нуля до максимума.

Недоліком ПЧ з ЛПС є подвійне перетворення електричної енергії, що знижує ККД перетварювача та збільшує його масо-габаритні показники.

Автономні інвертори працюють на автономне (не зв’язане з мережею живлення змінного струму) навантаження.

В залежності від характеру електромагнітних процесів, які протікають в автономних інверторах, їх ділять на: автономні інвертори напруги, струму та резонансні. В перетворювачі частоти для електроприводів змінного струму знаходять застосування автономні інвертори напруги (АІН) та автономні інвертори струму (АІС). Резонансні інвертори (АІР) знаходять застосування в основному і електротермії.

Схеми силових кіл ТПЧ є аналогічними нереверсивним схемам ТП постійного струму. Найширше в ТПЧ застосовуються однофазні мостові (для малих потужностей) та трифазні мостові схеми (для середніх та великих потужностей). В подальшому зупинимося на АІН та АІС із застосуванням мостових схем.

Д.2.3 Автономні інвертори напруги на повністю керованих вентилях

Особливістю АІН є те, що джерело живлення постійного струму U_d працює в режимі джерела напруги, тобто його внутрішній опір прямує до нуля. Якщо АІН живиться від випрямляча, що має місце в ПЧ з ЛПС, для перетворення його в джерело напруги на вході АІН вмикається конденсатор С великої ємності з метою шунтування джерела живлення по змінному струму. Для АІН найчастіше використовують однофазну або трифазну мостову схему з’єднання силових вентилів. Роль ключів в них можуть виконувати двоопераційні тиристори, ІGBT-транзистори та одноопераційні тиристори, які забезпечені вузлами примусової комутації.

Схема АІН, зібраного за однофазною мостовою схемою з використанням двоопераційних тиристорів (повністю керованих ключів), зображена на рис. Д.2.6,а.

а)

б)

Рис. Д.2.6

Діаграма перемикань тиристорів та часові діаграми вихідних напруг і струмів показані на рис. Д.2.6,б.

Схема складається з 4-ох тиристорів VS1…VS4 і 4-ох діодів VD1…VD4, які створюють прямий тиристорний міст та зворотний діодний міст. Напруга живлення підключається до однієї діагоналі містка, а навантаження активно-індуктивного характеру – до другої діагоналі.

Тиристори, які виконують роль ключів, попарно (VS1 і VS2 або VS3 і VS4) вмикаються із заданим інтервалом провідності _і = . При ввімкненій парі тиристорів VS1-VS2 до навантаження прикладається напруга від джерела ЕРС U_d з полярністю, вказаною в кружечках, а при ввімкнутій парі VS3-VS4 – без кружечків. Таким чином, на навантаженні полярність напруги змінюється і по своїй формі ця напруга буде прямокутною, а от форма струму навантаження залежить від характеру навантаження і при R-L його характері буде змінюватися за експоненціальним законом (див. криву і_н=f(t) на рис. Д.16,б) із сталою часу =L_н/R_н.

Діодний міст VD1-VD4 призначений для пропускання струму активно-індуктивного навантаження на інтервалах часу, коли напрям струму не збігається з напрямом провідності тиристорів. Якщо, наприклад, до моменту часу t₀ була відкрита пара тиристорів VS3-VS4 і струм протікав у напрямі, показаному на рис. Д.2.6,а суцільною стрілкою, то в момент t₀ VS3-VS4 вимикаються і вмикається пара VS1-VS2, полярність напруги на навантаженні змінюється, а струм наванатження починає зменшуватися і протікати якийсь час в тому ж самому напрямі (через наванатження) під впливом ЕРС самоіндукції. Шлях його буде лежати через діоди VD1-VD2 до джерела живлення (пунктирна стрілка) і забезпечує повернення реактивної енергії в джерело. Напруга зворотної полярності на інтервалі t₀-t₁ забезпечується відкритими діодами VD1-VD2, бо тиристори VS1-VS2 на цьому інтервалі зворотний струм не пропускають.

Коли струм в момент часу t₁ досягне нуля і діоди VD1-VD2 закриваються, струм починає зростати в протилежному напрямі, але вже через тиристори VS1-VS2. Аналогічні процеси відбуваються, починаючи з моменту часу t₂ , тільки в цьому випадку працюють діоди VD3-VD4.

Таким чином, за рахунок зворотного діодного моста забезпечується баланс реактивної енергії між джерелом живлення та навантаженням.

При ємнісному характері навантаженні АІН практично працювати не можуть, тому що кидки ємнісного струму в момент відкривання вентилів настільки великі, що виводять їх з ладу.

Тому АІН можуть працювати при активному та активно-індуктивному навантаженні, причому і в режимі холостого ходу (на відміну від АІС).

Якщо в АІН використовуються одноопераційні тиристори, то схема повинна забезпечуватися засобами штучної комутації тиристорів. В розглянутому випадку це може бути комутуючий конденсатор С_к, який під’єднаний паралельно до навантаження. Його ємність є незначною і не впливає на працездатність тиристорів, але вона, крім навантажувальної здатності самих тиристорів, обмежує максимальне значення струму навантаження АІН.

Внутрішні комутаційні процеси в тиристорах мало впливають на форму напруги U_н і вона залишається практично прямокутною. При розкладі такої напруги в ряд Фур’є його основна гармоніка має амплітуду і діюче значення, які визначаються з виразів:

U_нm(1) =

Крім того, така напруга має значні 3-тю, 5-ту та 7-му гармоніки, для ліквідації яких між інвертором та навантаженням вмикають спеціальні фільтри. Регулювання вихідної напруги АІН при розглянутому способі перемикання вентилів можливе лише шляхом зміни вхідної напруги U_d.

При U_d=const (некерований проміжний випрямляч) застосовується широтно-імпульсний метод регулювання (ШІР), який заключається в тому, що при сталому періоді Т між додатними та від’ємними півперіодами у вихідній напрузі створюються інтервали, коли U_н= 0.

Для цього кут провідності _і пар тиристорів VS1-VS2 та VS3-VS4 можна зробити меншим від  (_і<) або зсунути по фазі на кут  момент всту­пу в роботу вентилів одного плеча містка (наприклад VS2 та VS3) по від­ношенню до вентилів другого плеча (вентилів VS1 та VS4), що показано на рис. Д.2.7,а.

Перевага надається другому способові, тому що на відміну від першого способу форма напруги на навантаженні не залежить від його параметрів.

Ч

а) б)

Рис. Д.2.7

асові діаграми вихідної напруги та струму для такого алгоритму роботи ключів, а також позначення номерів вентилів, які проводять струм на відповідних ділянках, показана на рис. Д.2.7,б. З нього видно, що на інтервалах часу t₀-t₁ та t₂-t₃ до навантаження прикладається напруга U_d джерела живлення тривалістю _і, а на інтервалах t₁-t₂ та t₃-t₄ , що відповідає електричному куту зсуву , напруга на навантаженні рівна нулю, бо воно виявляється закороченим через два вентилі, що під’єднані до однієї шини живлення. Міняючи кут  (кут регулювання) в межах 0, діюче значення вихідної напруги можна змінювати в межах від U_н.мах (див. рис. Д.2.7,б) до нуля. Зміна амплітуд гармонік підлягає залежності:

,

де  = 1,2,3… ‑ номер гармоніки; _і = 0… ‑ тривалість імпульсу (півхвилі) вихідної напруги.

Якщо прийняти =1, то для першої гармоніки діюче значення вихідної напруги складає

U_н(1) = .

Часто метод ШІР застосовується так, що на протязі кожного півперіоду вихідної напруги створюється декілька імпульсів напруги прямокутної форми тривалістю t_імп, ширина яких може бути сталою або змінною. Число імпульсів К за період вихідної напруги може приймати такі значення – К=2,4,6,8 і т.д. На рис. Д.2.8,а зображена форма вихідної напруги при t_імп= const та К=10.

Щоб зменшити вміст вищих гармонік (особливо 3-ї, 5-ї та 7-ї), використовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), при якій вихідна напруга складається з прямокутних імпульсів, тривалість (ширина) яких промодульована за синусоїдальним законом (Д.2.7,б).

В обох випадках регулювання вихідної напруги (діючого значення першої гармоніки) здійснюється зміною ширини вихідних імпульсів (зміною коефіцієнта глибини модуляції).

Із трьох розглянутих способів ШІР, а саме: одно-імпульсного (рис. Д.2.7), багатоімпульсного з однаковими імпульсами на протязі півперіода (рис. Д.2.8,а), багатоімпульсного з промудульованими за синусоїдальним законом імпульсами (рис. Д.2.8,б), перевага надається останьому способу ШІМ.

В

а) б)

Рис. Д.2.8

U_d

першому та другому випадках широке регулювання вихідної напруги є недоцільним, бо при низьких напругах різко зростає вміст вищих гармонік у вихідній напрузі.

П

U_d

еревагами способу ШІМ є простота схеми силової частини інвертора, можливість отримання низьких вихідних частот, включаючи нульову, низький вміст вищих гармонік та можливість регулювання вихідної напруги в широких межах за рахунок зміни коефіцієнта глибини модуляції.

Д

Рис. Д.2.9

о недоліків цього способу можна віднести складність кіл керування та зниження енергетичних показників АІН при високій частоті перемикання ключів (частота роботи ШІМ повинна бути в 6-7 разів більшою, ніж найбільша вихідна частота АІН).

В одноімпульсних схемах АІН (з однократною комутацією вентилів) вихідна частота інвертора f_вих рівна частоті комутації вентилів f_ком (f_вих=f_ком) і регулюється шляхом зміни останньої, а в багатоімпульсних схемах (з багатократною комутацією), де частота комутації кратна вихідній частоті f_к=mf_вих (тут m=1,2,3…), вихідна частота f_вих регулюється частотою модульованого сигналу. Слід зауважити, що систему з багатократною комутацією та однаковими за тривалістю імпульсами можна вважати системою ШІМ, вихідна напруга якої промодульована за законом прямокутного змінного сигналу.

На рис. Д.2.9 зображена схема трифазного мостового інвертора, зібраного на шести двоопераційних тиристорах VS1…VS6 та шести діодах зворотного містка VD1…VD6. Як і в однофазних інверторах, форма вихідної напруги трифазних інверторів складається з різнополярних прямокутних імпульсів, або суми прямокутних імпульсів різної висоти, що залежить від тривалості провідності тиристорів, характеру навантаження, алгоритму перемикання та способу регулювання вихідної напруги. В трифазних АІН використовують способи формування вихідної напруги з тривалістю провідності вентилів 180⁰ і 120⁰ від періоду вихідної частоти та широтно-імпульсний спосіб.

На рис. Д.2.9,а приведений алгоритм перемикання тиристорів при провідності вентилів _в=180⁰, де цифрами від 1 до 6 позначені номери тиристорів, які працюють на даному інтервалі. З цієї діаграми видно, що в будь який момент часу при _в=180⁰ завжди проводять стум три тиристори – два з однієї групи (анодної чи катодної) і один з протилежної групи вентилів.

Як приклад на рис. Д.2.10,б наведені часові діаграми для лінійної напруги U_АВ та струму і_фА через навантаження Z_А при з’єднанні трифазного навантаження в трикутник. При 6-ти тиристорах може бути шість незалежних комбінацій ввімкнутого стану тиристорів, а значить і шість еквівалентних схем, які дають можливість визначити лінійну напругу на різних інтервалах часової діаграми. Для трикутника, як бачимо з рисунка, лінійна напруга є прямокутною, причому форма напруги не залежить від коефіцієнта потужності навантаження, а струм складається з ділянок експоненціального характеру (на діаграмі для струму вказані номери вентилів, які приймають участь у формуванні струму на даній ділянці). Для прикладу на рис. Д.2.10,г,д приведені еквівалентні схеми для побудови лінійної напруги на двох ділянках (60⁰-120⁰ та 120⁰-180⁰) при з’єднанні навантаження в трикутник.

На рис. Д.2.10,в приведені часові діаграми фазної напруги U_А0 та фазного струму і_А, а на рис. Д.20,е,ж - для прикладу дві еквівалентні схеми для побудови фазної напруги при з’єднанні навантаження в зірку.

Як видно з часових діаграм, при обох способах з’єднання навантаження струм змінюється по експоненціальному закону. Тільки на тих ділянках, де струм зростає, його зміна здійснюється під впливом напруги джерела живлення і пропускають при цьому струм тиристори, а в тих випадках, коли струм спадає, йде розряд накопиченої в індуктивності електромагнітної енергії через діоди зворотного містка на джерело живлення або з фази на фазу навантаження.

При з’єднанні АІН за схемою Ларіонова, в кривій вихідної напруги відсутні парні гармоніки, а також гармоніки, кратні трьом. Найнижчими гармоніками (крім основної) є 5-та і 7-ма. При з’єднанні навантаження в трикутник діюче значення вихідної лінійної напруги визначається як

U_нл = U_d,

а амплітуда та діюче значення основної гармоніки відповідно з виразів:

U_лm(1) = U_d = 1,1U_d , U_л(1) = U_d = 0,78U_d.

а) б) в)   Y іА Y г) Навантаження , інтервал 60-120о д) Навантаження , інтервал 120-180о е) Навантаження Y, інтервал 60-120о ж) Навантаження Y, інтервал 120-180о Ud Ud Ud Ud

Рис. Д.2.10

Якщо навантаження з’єднане в зірку, то відповідні фазні величини визначаються:

U_нф = U_d,

U_фm(1) = U_d = 0,64U_d, U_ф(1) = U_d = 0,45U_d.

Трифазні мостові АІН з тривалістю відкритого стану кожного тирис­тора на протязі 120 ел. град. від періоду вихідної напруги в перетворюва­чах частоти застосовуються рідко. Це пов’язано з тим, що в таких інверто­рах одночасно відкритими будуть лише два тиристори, які належать до різ­них груп і форма вихідної напруги залежить від характеру навантаження (коефіцієнта потужності навантаження). Тому цей випадок тут не розглядається.

П

Рис. Д.2.11

U_d

ри розглянутій вище формі вихідної напруги АІН регулювання її величини проводять по колу живлення U_d, наприклад, застосовуючи на вході інвертора керований випрямляч або імпульсний перетворювач постійної напруги. Якщо це неможливо або недоцільно, то тоді застосовується широтно-імпульсний метод регулювання вихідної напруги АІН, аналогічний розглянтому вище для однофазної мостової схеми.

П

U_d

U_d

U_d

ри застосуванні ШІР до трифазної мостової схеми, в кривій вихідної лінійної та фазної напруг в інтервалі _в повинно бути мінімум два імпульси (може бути і більше) шириною  та з інтервалом  між ними. Для цього випадку часові діаграми лінійної та фазної напруг показані на рис. Д.2.11. Регулюючи  в межах від 0 до /3, а  від (/3-) до 0, можна змінювати вихідну напругу від 0 до максимального значення. Щоб добитися цього, алгоритм перемикання тиристорних ключів складають так, що після закінчення інтервалів  створюються додаткові перемикання таким чином, щоб на інтервалі  одночасно були відкриті всі три тиристори, які відносяться до однієї групи вентилів (катодної чи анодної). При цьому створюється короткозамкнутий зв’язок по шині “+” чи “-” джерела живлення і забезпечується нульове значення напруги на навантаженні впродовж інтервалу .

Як видно з рис. Д.2.11 крива лінійної напруги на протязі періоду складається з чотирьох імпульсів (К_лн=4), а крива фазної напруги має 6 імпульсів, тобто К_фн= 6. Збільшення К_лн та К_фн дає можливість покращити гармонічний склад вихідної напруги при його регулюванні, але значно ускладнює схему керування інвертором.