Додатковий матеріал для самостійного та поглибленого вивчення теми «Напівпровідникові перетворювачі частоти» д.2 Перетворювачі частоти

В сучасних електроприводах змінного струму з асинхронними та синхронними двигунами найчастіше використовуються вентильні перетворювачі частоти. Електроприводи з частотним регулюванням по своїм регулювальним властивостям не поступаються електроприводам постійного струму, а по економічним та масо-габаритним показникам в багатьох випадках переважають їх.

Сучасні перетворювачі частоти будуються на базі силових напівпровідникових приладів – таких як тиристори (одноопераційні та двоопераційні) і силові транзистори (в тому числі IGBT-транзистори).

Схеми тиристорних перетворювачів частоти (ТПЧ) дуже різноманітні і застосування тієї чи іншої схеми визначається конкретними вимогами до привода змінного струму. За своїм принципом роботи та побудовою силової частини ТПЧ розподіляються на дві групи: ТПЧ з безпосереднім зв’язком навантаження з мережею живлення та ТПЧ з проміжною ланкою постійного струму.

До ТПЧ ставиться ряд вимог: надійність роботи та простота схеми, високий ККД, мінімальна потужність встановленого обладнання, широкий діапазон незалежного регулювання вихідної напруги та частоти, можливість працювати в режимі холостого ходу, стабільність вихідної напруги при дії зовнішніх факторів, можливість рекуперації енергії в гальмівних режимах та (по можливості) форма напруги, близька до синусоїдальної.

Д.2.1 Тиристорні перетворювачі частоти з безпосереднім зв’язком

ТПЧ з безпосереднім зв´язком (БПЧ), які ще часом називають циклоконверторами, одноступінчасто перетворюють m₁-фазну напругу живлення з частотою f₁=f₀=50 Гц в m₂-фазну напругу з частотою f₂. Причому f₂< f₁. Силова частина БПЧ по суті не відрізняється від силових кіл двокомплектних реверсивних ТП постійного струму і має в своєму складі 2m₂ тиристорноних груп. Різниця полягає в законі керування комплектами тиристорів та їх кутами відкривання. Змінний струм в навантаженні створюється почерговим відкриванням тиристорних груп з певною частотою.

Найбільш поширеними вентилями в БПЧ є одноопераційні тиристори, які працюють з природною комутацією. Режим роботи кожного комплекту залежить від характеру навантаження. Так при чисто активному навантаженні кожен з комплектів по черзі працює тільки в режимі випрямляча. Кут регулювання тиристорів  при цьому може бути сталим або змінюватися по певному закону. Якщо  = const, то основна складова з частотою f₂ в кривій вихідної напруги буде прямокутною, а діюче значення цієї напруги і її частота визначаються з виразів:

U₂ = ; (Д.2.1)

f₂ = , (Д.2.2)

де U₁ – діюче значення напруги живлення тиристорних комплектів з частотою f₁; n = 0,1,2,3… ‑ стале число, яке визначає (n+1) півхвиль напруги живлення, що вкладаються в півхвилю вихідної напруги; _п=₁t_п – час паузи між вмиканнями обох комплектів, виражений в електричних градусах.

Як видно з (Д.2.1) та (Д.2.2), величина напруги залежить від кута , а частота f₂ від кількості фаз напруги живлення m₁, числа n та кута паузи _п. При _п= 0 частоту f₂ можна змінювати лише дискретно, а введення паузи дає можливість змінювати вихідну частоту плавно. Якщо кут  змінювати по певному закону (див. нижче) з частотою f₂, то вихідну напругу можна отримати близькою до синусоїдальної форми.

При роботі на активно-індуктивне навантаження кожен комплект, формуючи півхвилю струму навантаження, спочатку працює випрямлячем, а потім інвертором.

В БПЧ керування комплектами може бути сумісним або роздільним, з лінійним чи нелінійним узгодженням характеристик обох комплектів (як в реверсивних ТП постійного струму). Перевага надається роздільному способу керування з лінійним узгодженням, при якому не потрібні громіздкі реактори для обмеження зрівнювальних струмів, які суттєво знижують вихідну напругу БПЧ.

Вихідна частота БПЧ з природною комутацією завжди є меншою від f₁ і, наприклад, при з’єднанні комплектів за схемою Ларіонова максимальне значення f₂ не перевищує f₁, тобто 15-16 Гц. Щоб отримати частоти, вищі від f₁, в БПЧ застосовують спеціальні вузли штучної комутації для одноопераційних тиристорів або двоопераційні тиристори чи IGBT-транзистори. В першому випадку схема БПЧ стає значно складнішою, бо при наявності IGBT-транзисторів на великі напруги та струми робить такі схеми неконкурентноздатними.

Так як БПЧ грунтуються на силових схемах для реверсивних двокомплектних ТП постійного струму і кожна така пара компелектів може забезпечити тільки однофазний вихід на змінному струмі, то багатофазні БПЧ будуються на базі використання m₂ = 2 чи 3 штук БПЧ з однофазим виходом, кожен з яких використовує однофазне чи трифазне живлення. Перевага надається трифазному живленню, завдяки чому гармонійний склад вихідної напруги покращується. Якщо в багатофазних БПЧ використовуються мостові схеми з’єднання комплектів, то для запобігання виникнення к.з. контурів необхідне потенціальне розділення фаз навантаження. Для прикладу тут наведені лише дві схеми: на рис. Д.2.1 трифазно-однофазна схема із зрівнювальними реакторами, коли кожен комплект зібраний за трифазною нульовою схемою, а на рис. Д.2.2 трифазно-трифазна схема із з’єднанням комплектів за схемою Ларіонова і роздільним керуванням комплектами.

f₂<f₁

U_м

f₁

н

Рис. Д.2.1

В першій схемі із сумісним керуванням СІФК обох комплектів працюють таким чином, що, наприклад, перший комплект ВК1 працює в режимі випрямляча (_І<90^o), забезпечуючи наростання струму в навантаженні, а комплект ВК2 в цей час підготовлений до інверторного режиму (_ІІ<90^o), але навантаження не несе. Щоб забезпечити спадаючу частину вихідної напруги та струму, ВК1 переводиться в інверторний режим, а ВК2 – в режим випрямляча. На першій стадії цього процесу в інверторному режимі навантаження несе ВК1, аж поки струм не стане рівним нулю, а після цього навантаження бере на себе ВК2, працюючи випрямлячем і формуючи наростаючу ділянку від’ємної півхвилі струму. Надалі робота схеми повторюється аналогічно до попереднього.

В схемі на рис. Д.2.2 з роздільним керуванням групами робота СІФК обох комплектів по забезпеченню відповідних режимів їх роботи є аналогічною з тією різницею, що керуючі імпульси подаються лише на один комплект, який в даний час несе навантаження, а перемикання комплектів відбувається тоді, коли струм навантаження стає рівним нулю (при цьому забезпечується безструмова пауза, як і в реверсивних ТП постійного струму).

Для того, щоб отримати вихідну напругу та струм, близькими до синусоїдальної форми, кути регулювання в режимі випрямляча () та інвертора () повинні мінятися по арккосинусоїдальному закону, а саме (відповідно для ВК1 та ВК2 при узгодженому керуванні):

_І = arccos (sin₂t);

_ІІ = arccos (-sin₂t),

де ₂=2f₂ – кутова частота вихідної напруги;  = ‑ відносне значення (коефіцієнт регулювання) амплітуди основної гармоніки напруги при різних кутах ; U_{2m o} – найбільше значення амплітуди вихідної напруги при повністю відкритих тиристорах (=0); U_2m – амплітуда вихідної напруги при 0.

U_м

U_1a

U_1b

U_1c

Рис. Д.2.2

При  = 1 закон зміни кутів _І та _ІІ буде лінійним, а при  < 1 він відрізняється від лінійного. Часові діаграми для вихідної напруги U_н=f(t) одного комплекту (наприклад ВК1) та кутів керування _І=f(t) і _ІІ=f(t) показані відповідно на рис. Д.2.3,а,б.

а)

б)

Рис. Д.2.3

Криву вихідної напруги U_н(t) можна представити у вигляді пульсуючої складової, накладеної на криву середнього значення напруги тиристорної групи, яке змінюються внаслідок модуляції кута керування _І. Зміна цього середнього значення по синусоїдальному закону саме і визначає першу гармонійну складову вихідної напруги U_н=f(₂t). Як видно з часової діаграми, вихідна напруга має значні пульсації, а тому для їх згладження і наближення повної вихідної напруги до синусоїди першої гармоніки необхідне встановлення на виході БПЧ згладжуючих фільтрів.

При =1 діапазон зміни кутів _І та _ІІ лежить в межах 0180^о, при зменшенні  діапазон звужується. Щоб не було прориву інвертора, як відомо, мінімальні кути _min інвертора і, як наслідок (при лінійному узгодженні обох СІФК), _min випрямляча обмежуються на рівні 15-20^о, а тому величина  практично складає 0,9…0,95.

Для арккосинусоїдального закону керування кутами  крива вихідної напруги (основна гармоніка) при великих значеннях N= та m₁ описується як

u₂₍₁₎ = u_н(1) = U_2m sin₂t ,

де U_2m= U_1m cos ; U_2m0= U_1m ‑ амплітуда основної гармоніки вихідної напруги.

Тоді з врахуванням виразу для  можна записати:

u_н(1) = U_2mo sin₂t,

а діюче значення напруги на навантаженні визначається як

.

Як видно з розглянутого, частота вихідної напруги БПЧ з природною комутацією вентилів визначається частотою модульваного керуючого сигналу, що поступає на СІФК компелектів, а величина вихідної напруги коефіцієнтом регулювання , який може змінюватися від 1 до 0 і який залежить від діапазону регулювання кута , тобто від тих мінімальних кутів  і , які потрібно досягати, щоб забезпечити задане .

Основною перевагою БПЧ з природною комутацією тиристорів є одноступінчасте перетворення енергії, що забезпечує їм високий ККД Крім того, сюди можна віднести менші масо-габаритні показники БПЧ в порівнянні з ТПЧ з проміжною ланкою постійнго струму при низьких частотах f₂, а також більшу простоту СІФК (така ж як і для ТП постійного струму).

До основних недоліків БПЧ слід віднести: низький коефіцієнт потужності (особливо для перетворювачів із синусоїдальною формою вихідної напруги), за рахунок пульсуючої складової зубчастої форми, та практичну неможливість отримати частоту f₂> f₁ у зв’язку з сильним спотворенням форми вихідної напруги, для покращення якої потрібно встановити більш потужний фільтр, та можливість появи постійної складової у вихідній напрузі, за рахунок розбіжності кутів керування обома комплектами.

Поява в останній час потужних двоопераційних тиристорів (GTO-тиристорів) та силових транзисторів (IGBT-транзисторів) дозволяє розширити межі застосування БПЧ. Застосування таких ключів дозволяє використовувати методи штучної комутації без застосування конденсаторних комутуючих вузлів, що значно спрощує силові кола БПЧ, та дозволяє отримувати на виході частоти f₂ не тільки нижчі від f₁, але й більші від частоти мережі.

Це розширює сферу можливого застосування БПЧ в промисловості. Перспективною є можливість застосування БПЧ з штучною комутацією (БПЧ з ШК) як регульоване джерело (компенсатор) реактивної потужності. Прикладом БПЧ з штучною комутацією є схема, зобрпажена на рис. Д.2.4,а. Тут як ключі з двосторонньою провідністю можуть використовуватися два зустрічно ввімкнуті двоопераційні тиристори або один IGBT-транзистор, ввімкнутий в діагональ діодного мосту (див. рис. Д.14,б,в). Принцип роботи такого БПЧ к ШК полягає в тому, що навантаження циклічно підключається тільки через два ключі до лінійної напруги живлення. Форма напруги залежить від частоти комутації ключів f_ком, яка визначається інтервалом часу між двома вмиканнями одного і того ж ключа в тому ж самому напрямі.

а)	б)	в)
г) д) 1t
Рис. Д.2.4

Часові діаграми вихідної напруги U_н=f(₂t) і послідовність комутуючих U_ком та керуючих U_кі імпульсів приведені на рис. Д.2.4,г та Д.2.4,д.

Порядок підключення фаз мережі до навантаження може бути різним: прямим (А,В,С) і зворотним (С,В,А), що впливає на вихідну частоту, яка визначається з формули [11]:

f₂ = f_ком f₁,

де f_ком – частота комутації ключів.

Знак “‑” береться для прямого порядку чергування фаз, а знак “+” – для зворотного порядку.

Перша гармоніка вихідної напруги виражається:

u_н(1) = sin(-_ком)t ,

де _ком=2f_ком – кутова частота комутації силових ключів, U_mл – амплітудне значення лінійної напруги живлення.

Діюче значення першої гармоніки вихідної напруги:

U_н(1) = ,

а діюче значення повної вихідної напруги з врахуванням гармонік буде:

U_н = ,

де К_г – коефіцієнт гармонік, який визначається з виразу:

К_г = .

Так як БПЧ будуються на базі схем реверсивних ТП, то їх динамічні властивості в основному відповідають властивостям реверсивних двокомплектних ТП, викладеним вище у відповідному пункті.

Зовнішні характеристики БПЧ U_н=f(I_н) при =const є аналогічними характеристикам ТП постійного струму. Для БПЧ з сумісним керуванням комплектами нахил зовнішньої характеристики визначається не тільки комутаційним спадом напруги та спадом напруги на активних опорах обмоток трансформатора і зрівнювальних реакторів, але ще і складовою від спаду напруги на індуктивності останніх при протіканні через них змінного струму навантаження. Тому в цьому випадку нахил характеристики залежить від вихідної частоти f₂.