СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В НЕПОСРЕДСТВЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЧАСТОТЫ

Уланов Р.В., студент; Шумяцкий В.М., доц., к.т.н.
(Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина)

Широкое использование в промышленности асинхронных короткозамкнутых двигателей предопределило применение статических тиристорных преобразователей частоты. Представителем класса статических преобразователей частоты является семейство преобразователей частоты с непосредственной связью (непостредственный преобразователь частоты – НПЧ). По сути НПЧ является автономным инвертором напряжения (АИН). Отличие в законе управления – способе формирования выходного напряжения: 1) широтно-импульсное регулирование; 2) широтно-импульсная модуляция; 3) сочетание ШИР и ШИМ; 4) слежение за эталонным синусоидальным напряжением.
Важными критериями определения преимуществ каждого способа формирования выходного напряжения, являются возможность регулирования частоты и амплитуды на выходе НПЧ при хорошем качестве энергии и простота осуществления искусственной коммутации (ИК) тиристоров. ШИР формирует выходное напряжение ступенчатой формы. В процессе регулирования ширина ступенек уменьшается и между ними появляются паузы, что приводит к изменению величины напряжения на выходе – такой способ регулирования называется однополярное ШИР. При однополярном ШИР во время пауз напряжение отсутствует, а нагрузка замкнута накоротко. При двухполярном ШИР во время пауз напряжение изменяет полярность, оставаясь неизменным по величине.
Принятый способ формирования выходного напряжения с k = 2m, где m – число фаз на выходе ПЧ (преобразователя частоты). При этом в спектре выходного напряжения отсутствуют гармоники с частотами (6s± 1)fн, где s=1,2,3…; при изменении угла регулирования частотный спектр остается неизменным, изменяются только амплитуды гармонических составляющих. Регулируемое напряжение является последовательностью импульсов чередующихся с паузами. С изменеием частоты выходного напряжения fн поддерживается соотношение U/f=const, что бывает необходимым в частотно-регулируемом электроприводе (ЭП) переменного тока. Однако при снижении частоты пропорциональное увеличение пауз становится невоз можным. Для компенсации этого недостатка с целью улучшения формы тока в двигателе на низких частотах увеличивают кратность частоты модуляции k в целое число раз μ, доводя их до значений k=12, 18, 24 и т.д.
Таким образом за счет увеличения кратности частоты модуляции, то есть изменения структуры кривой выходного напряжения, при регулировании удается снизить амплитуды 5, 7, 11, 13-ой и других гармоник до приемлемых величин и обеспечить этим требуемое качество энергии на выходе ПЧ. При таких изменениях усложняется система управления ПЧ, при этом предъявляются дополнительные требования к его узлу коммутации, связанные с увеличением частоты коммутации. При реализации ШИМ выпрямленное напряжение периодично с частотой fн=1/Tн коммутируется. В зависимости от вида ШИМ нагрузка ПЧ периодически отключается и включается или включается с противоположной полярностью.
В результате коммутации, в случае однополярной ШИМ значение составляющей основной частоты равной частоте модуляции fм, остается неизменной, а при двухполярной ШИМ равняется 0. Амплитуда и частота этой составляющей определяется глубиной и частотой модуляции соответственно. Решающими критериями выбора этого способа может стать возможность плавного регулирования чатоты и напряжения на выходе ПЧ в широких пределах и сложность системы управления, обеспечивающая модуляцию временного положения импульсов управления по заданному закону. При сочетании ШИР и ШИМ используются преимущества обоих способов. При использовании ШИМ хорошее качество выходного напряжения на низких частотах. При способе ШИР, хорошее качество напряжения получается на высоких частотах. Принцип работы способа сочетания ШИР и ШИМ поясняется на рисунке 1.
Перестройка выходной частоты осуществляется за счет изменения Тшир и количества периодов Тшим в цикле. При этом выполняется условие, что каждый цикл периода выходного напряжения заполняется целым числом интервалов Тшим, а оставшаяся часть цикла определяет длительность интервала Тшир. Способ слежения за эталонным синусоидальным напряжением реализуется в непосредственных ПЧ (НПЧ) с искусственной коммутацией, построенных по принципу разомкнутых или замкнутых следящих систем. Основной задачей, которая решается с помощью таких способов, является формирование на выходе ПЧ напряжений, близких по форме к синусоидальным. Способы слежения за эталонным напряжением имеют хорошее качество энергии на выходе, но схемы усложняются наличием генераторов эталонного напряжения, узлов сравнения регулируемого напряжения с эталонным. Наиболее перспективный способ сочетания ШИР и ШИМ.