1.3.3 Перетворювачі частоти з безпосереднім зв’язком з мережею (пчбз)

Лекція 10. ПЧ із безпосереднім зв'язком з мережею. Схемні рішення силової частини, параметри, характеристики, особливості застосування.

Завдання на СРС. Методика вибору та параметри серійних напівпровідникових ПЧ Використання ПЧ в системах електроприводу.

Література: 1, с.78-87; 2, с.91-98; 1а, с.294-298.

Питання для самоконтролю:

1. Перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком з мережею. Принцип роботи, схемні рішення силової частини, побудова кривої вихідної напруги, діапазон регулювання частоти.

На рисунку 1.3.16 представлено схему однофазного перетворювача частоти з безпосереднім зв’язком з мережею (ПЧБЗ).

Схема силового кола однофазного ПЧБЗ повністю збігається зі схемою випрямляча з нульовою точкою. Для того, щоб наведена схема виконувала функції ПЧ, керування організовується наступним чином.

Рис. 1.3.16

Спочатку керуючі імпульси почергово подаються на тиристори комплекту «В», тоді струм протікає через навантаження у напрямку до нульової точки, завдяки чому формується позитивна півхвиля вихідної напруги перетворювача. Через деякий час керуючі імпульси знімаються з комплекту «В» і подаються на комплект «Н». Тоді струм протікає через навантаження в протилежному напрямку, що відповідає негативній півхвилі вихідної напруги.

Час роботи комплектів «В» і «Н» повинен бути однаковим. Цей час фактично визначає частоту напруги на навантаженні. Оскільки хвиля вихідної напруги ПЧБЗ має період щонайменше в три рази більше періоду напруги мережі, а частота вихідної напруги може змінюватися лише у межах від 0 до 1/3 f_1н.

Амплітуду напруги на навантаженні можна регулювати, змінюючи кут відкривання тиристорів відповідних комплектів під час їх роботи.

Схема трьохфазного ПЧБЗ представлена на рис. 1.3.17.

Рис. 1.3.17

Як видно з рисунку, схема складається з трьох однофазних ПЧБЗ. Переходи роботи комплектів з «В» на «Н» і навпаки в фазах В і С здійснюються таким чином, щоб отримати зсув по фазі напруги 120° і 240° відповідно.

У порівнянні з однофазним, для трьохфазного ПЧБЗ відсутня необхідність у використанні силового трансформатора.

Як уже вказувалося вище, основним недоліком НПЧ є можливість їхньої роботи лише в низькому діапазоні вихідних частот, що обмежує область їхнього застосування. Однак на даний момент з'явилися ПЧБЗ на повністю керованих вентилях, які можуть працювати у всьому діапазоні вихідних частот як нижче, так і вище частоти мережі. Такі перетворювачі прийнято називати матричними.

Матричні перетворювачі частоти (МПЧ) є одним з перспективних видів ПЧБЗ. Вони застосовуються в випадках підвищених вимог до енергозбереження, якості вихідної напруги, а також при необхідності режиму рекуперативного гальмування двигуна практично до повної зупинки.

Перевагами матричних ПЧ у порівнянні із ПЧ з ланкою постійного струму та ПЧ з ШІМ є більша надійність, більш високий ККД у зв'язку з відсутністю дворазового перетворення енергії, відсутність використання в силовій схемі конденсаторів великої ємності або дроселів.

До недоліків МПЧ можна віднести збільшену кількість силових напівпровідникових приладів, більш складну схему керування і високу вартість у зв'язку з не відпрацьованою остаточно технологією виготовлення комплектуючих.

Частота напруги на виході ПЧБЗ і перетворювачів частоти з ланкою постійного струму визначається, задаючим генератором ЗГ, що забезпечує її високу стабільність, точність та незалежність від коливань напруги й частоти мережі. ПЧБЗ являє собою повністю статичний пристрій з швидкодією порядку кількох мілісекунд; ці позитивні показники властиві також перетворювачам частоти з ланкою постійного струму, які використовують ШІМ і широтне регулювання напруги. Разом з тим ПЧБЗ мають і переваги порівняно з перетворювачами частоти з ланкою постійного струму:

• у ПЧБЗ здійснюється безпосереднє перетворення частоти мережі в знижену вихідну частоту, а перетворювач з ланкою постійного струму містить два послідовно ввімкнених силових елементи (випрямляч та інвертор), які здійснюють двократне перетворення енергії;

• для комутації вентилів ПЧБЗ використовується природна комутація, тому в них відсутні допоміжні комутуючі кола. Це призводить до зменшення габаритів перетворювача і виключення втрат, які зв’язані з штучною комутацією. При живленні асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором від ПЧБЗ з мостовою схемою вмикання вентилів і роздільним їх керуванням повний ККД привода досягає 90%;

• ПЧБЗ передають енергію в обох напрямах між джерелом живлення і навантаженням, тому їх можна використовувати для живлення наван­таження з будь-яким коефіцієнтом потужності. Вони можуть також працювати в режимі рекуперації енергії в широкому діапазоні частоти обертання, аж до повної зупинки двигуна. Цей режим важко здійснити в електроприводах з автономними інверторами, тому для реверсивних електроприводів значної потужності, які працюють з великими прискореннями та сповільненнями, віддають перевагу ПЧБЗ. Такі перетворювачі застосовуються для приводів прокатних станів;

• ПЧБЗ являють собою зрівноважену систему для мережі змінного струму навіть у тому випадку, коли на його виході виникає незрівноважений режим роботи;

• при низьких частотах форма вихідної синусоїдальної напруги поліпшується, тому що низькочастотна крива складається з великої кількості відрізків напруги мережі. Водночас більшість автономних інверторів формують ступінчасту криву напруги, яка може викликати нерівномірність обертання двигуна при частотах, менших від 10 Гц. Спотворення кривої напруги трохи збільшує небезпеку виникнення нестійкого режиму при низьких частотах; через це ПЧБЗ належить віддавати перевагу в електроприводах з дуже низькими частотами обертання;

• при потужності понад 100 кВА ККД ПЧБЗ на 2-3% вищий порівняно з перетворювачами частоти з автономними інверторами.

Недоліки ПЧБЗ:

• для прийнятих значень номінальних потужностей і ККД вихідна частота ПЧБЗ не може бути більше 1/3 або половини вхідної частоти;

• ПЧБЗ вимагають більшої кількості тиристорів і їх схеми керування більш складні, ніж у перетворювачів частоти з автономним інвертором. Це ускладнення не виправдовує себе в установках малої потужності; однак, при потужностях 20...30 кВА і більше ПЧБЗ економічно вигідні;

• ПЧБЗ характеризуються низьким коефіцієнтом потужності, особливо при зниженні напруги. Високого коефіцієнта потужності пере­творювача частоти з автономним інвертором можна досягти при використанні некерованого випрямляча. Треба відмітити, що при вми­канні з боку мережі живлення батареї конденсаторів потужністю 0,5 реактивна енергія, яка споживається ПЧБЗ, стає меншою порівняно з перетворювачем частоти з автономним інвертором при > 0,8 (тут - повна потужність на виході ПЧБЗ; - кут зсуву між першими гармоніками напруги мережі й струму, який споживає ПЧБЗ). Лише при низьких значеннях коефіцієнта зсуву на­вантаження ( < 0,3-0,4) внаслідок зменшення типової потуж­ності вентилів і трансформаторних елементів, може виявитись виправданим застосування перетворювача частоти з автономним інвертором.

Основні галузі застосування ПЧБЗ:

• відносно тихохідні частотно-регульовані електроприводи з асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором;

• тихохідні частотно-регульовані електроприводи з синхронними двигунами;

• частотно-регульований електропривод з асинхронним двигуном з фазним ротором при включенні ПЧБЗ в коло ротора (машина подвійного живлення);

• частотно-регульований електропривод з вентильними двигунами.

Основні параметри, які дають змогу порівняти вентильні перетворювачі різних типів; наведені в табл. 1.3.1.

Тип перетворювача	Сумарна типова потужність вентилів	Сумарна типова потужність трансфор-маторів і дроселів	Типова потужність конденса-торів	ККД при =1 > >100кВА Uкл> 1000B	Максимальне значення коефіцієнта потужності з боку мережі
ПЧБЗ (трифазний шестиімпульсний перетворювач з мостовим вентильними групами)	4,8	1,34	-	0,98-0,996	0,8
ПЧ з АІС (трифазний перетворювач з регулюючим випрямлячем І АІС з відсікаючи ми діодами)	(6,5+3 )х х	1,32	0,5	0,951-0,962	0,955
ПЧ з АІН (трифазний перетворювач з регулюючим випрямлячем І АІН з пофазною комутацією	(3,31+3 )х х (без рекуперації (3,31 )х х (з рекуперацією)		0,2 (без урахування електро-літичних конден-саторів фільтра)	0,961-0,968	0,855
Реверсивний керований випрямляч	6	1,045	-	0,978-0,985	0,955

Таблиця 1.3.1