Схемы вентильного электропривода с нпч
Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) предназначены для одноступенчатого преобразования энергии переменного тока частоты f1 в энергию переменного тока другой (обычно более низкой) частоты f2. В этих преобразователях кривая выходного напряжения составляется из участков напряжений сети благодаря осуществлению с помощью тиристоров непосредственной связи цепи нагрузки с сетью переменного тока. НПЧ выполняют с однофазным или трехфазным выходом и с однофазным или трехфазным входом. Для получения более качественной формы кривой выходного напряжения (с малым содержанием высших гармонических состовляющих) преобразователи обычно питают от сети трехфазного тока Схема трехфазно-однофазного НПЧ, состоящая из двух мостовых тиристорных групп, соединенных встречно-параллельно, приведена на рис.6. Нагрузка ZH преобразователя имеет активно-индуктивный характер (индуктор низкочастотного нагрева, низкоскоростные асинхронные двигатели в преобразователях с трехфазным выходом, сеть переменного тока частоты f2 и т. д.).
Рис.6. Трехфазно-однофазный преобразователь частоты с непосредственной связью.
На рис.6 показана схема трехфазно-однофазного преобразователя частоты с
непосредственной связью. Преобразователь состоит из двух трехфазных схем
выпрямления, первая из которых присоединена к фазам трансформатора анодами
тиристоров VS1 – VS3 (гр.I), а вторая – катодами тиристоров VS4 – VS6(гр.II).
Положительный полупериод выходного напряжения формируется при поочередной
подаче отпирающих импульсов на тиристоры гр.I; отрицательной – при подаче
отпирающих импульсов на тиристоры гр.II.
Открывая поочередно вентили групп I и II, получаем на выходе переменное
напряжение с частотой f2.
Частота выходного напряжения f2 ниже, чем частота питающей сети f1.
Частота f2 регулируется дискретно. Для плавного регулирования частоты
преобразователя необходимо вводить паузу tп. включением и
выключением I и II групп тиристоров. Длительность паузы должна быть не меньше
времени запирающих свойств вентилей. Вид кривой выходного напряжения преобразователя показан на рис.7. Она формируется при той же, что и в большинстве преобразователях, последовательности (1, 2, 3, 4, ...) вступления в работу тиристоров обеих групп, но при циклическом изменении во времени углов отпирания тиристоров.
В результате кривая выходного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора с основной гармонической uH(1) близкой по форме к синусоиде. Если бы нагрузка была чисто активной, то переменное напряжение на ней создавалось бы при поочередной работе тиристорных групп только в режиме выпрямления. При формировании полуволны напряжения положительной полярности в режиме выпрямления с углом a1, изменяемым от 90° до 0 и обратно, работала бы тиристорная группа 1, а при формировании полуволны напряжения отрицательной полярности в режиме выпрямления с углом a2. изменяемым в тех же пределах, - тиристорная группа 2. В любой момент времени работа системы на чисто активную нагрузку связана с потреблением энергии от сети переменного тока либо через вентильную группу 1, либо через вентильную группу 2.
Рис 7. Кривая выходного напряжения (а), характер изменения во времени углов a1 и a2 (б) НПЧ при синусоидальном законе управления.
Трехфазно-трехфазный преобразователь частоты с непосредственной связью представлен на Рис. 8
Рис. 8
МАТРИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ. Основным недостатком рассмотренных НПЧ является невозможность их работы в диапазоне верхних выходных частот, что в свою очередь ограничивает область их применения. Однако на данный момент появились непосредственные преобразователи, которые могут работать во всем диапазоне выходных частот. Такие преобразователи называются матричными. Матричный преобразователь частоты (МПЧ) является одним из наиболее перспективных полупроводниковых преобразователей энергии с непосредственной связью источника и нагрузки для применения в тех случаях, когда требуется наличие режима рекуперации энергии в питающую сеть и предъявляются повышенные требования к качеству потребляемой и возвращаемой энергии. Его преимуществами относительно ПЧ с неуправляемым выпрямителем являются: двунаправленный обмен энергии между сетью и нагрузкой; возможность формирования синусоидального входного тока с единичным коэффициентом сдвига, высокий КПД и показатели электромагнитной совместимости с питающей сетью. МПЧ более компактен, надежен, энергетически эффективен, и потенциально менее дорог.
К недостаткам МПЧ можно отнести увеличенное количество полупроводниковых приборов (36 против 24); меньший коэффициент использования входного напряжения; более сложное управление; менее отработанную и освоенную на данный момент времени технологию производства полупроводниковых модулей и микропроцессорных контроллеров, специализированных под топологию преобразователя. Данный преобразователь представляет собой комплект полностью управляемых ключей, которые подключают в определенной последовательности фазы двигателя к фазам сети. Преимущество данного типа НПЧ перед обычным не только в увеличении диапазона выходных частот, но и в уменьшении габаритов
В последнее время на рынке стали появляться специализированные IGBT модули, ориентированные на топологию матричного преобразователя, в частности, выполненные в одном корпусе по схеме соединения транзисторов с общим коллектором. Разработан метод четырехэтапной коммутации двунаправленных ключей МПЧ, обеспечивающий отсутствие в алгоритме коммутации интервалов короткого замыкания между входными фазами и приводящих к перенапряжениям интервалов разрыва тока нагрузки. Это существенно повысило надежность МПЧ и устранило необходимость применения снабберных цепей. Для формирования управляющих воздействий на ключи МПЧ применяют как стратегию пространственно-векторного управления, так и традиционный подход, основанный на сравнении модулирующего и несущего сигналов . Известно, что традиционный подход при синусоидальном модулирующем сигнале ограничивает коэффициент использования напряжения на уровне 0.5. Некоторого повышения этого коэффициента добиваются введением в модулирующий сигнал высших гармонических составляющих, в частности, в заявлен коэффициент 0.64. Не прибегая к изощрениям при синтезе формы модулирующего сигнала, гораздо более ощутимых результатов можно добиться применением стратегии пространственно-векторной модуляции. Ее суть и применение к управлению мостовыми инверторами напряжения изложена в. Стратегия изначально ориентирована на микропроцессорную реализацию системы управления и позволяет синтезировать алгоритмы управления по определенным заданным критериям, в частности, с предельно достижимым значением коэффициента использования напряжения, с минимизацией пульсаций выходного тока при заданной частоте переключений, с минимизацией числа переключений преобразователя в цикле модуляции и по другим критериям. Многообразие выходных состояний МПЧ, возможных вариантов их комбинации при синтезе управляющих воздействий и критериев синтеза определяет сложность и многогранность задачи синтеза алгоритмов управления, которая на данное время изучена недостаточно. На Рис. 9 представлен трехфазно-однофазный матричный преобразователь.
Рис 9
Управляемый ключ представляет собой диодный мост, в диагональ которого включен транзистор. При отпирании транзистора по необходимому закону в нагрузке начинает протекать ток по форме близкий к синусоидальному.
На Рис.10 представлен вариант трехфазно-трехфазного матричного привода.
Рис. 10