Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296с.: ил.
[c. 148-152]
Преобразователи частоты с непосредственной связью
Преобразователи частоты с непосредственной связью по своему схемному исполнению сходны с реверсивными преобразователями. Основой силовой части таких преобразователей являются встречно-параллельно включенные группы тиристоров, каждая из которых может работать в выпрямительном или инверторном режиме.
Чаще всего такие преобразователи выполняются с естественной коммутацией тиристоров и поэтому имеют частоту выходного напряжения меньшую, чем частота питающей сети. Это обстоятельство обусловило их широкое применение в области электропривода для частотного регулирования скорости двигателей путем изменения частоты выходного напряжения в диапазоне низких частот (ниже частоты промышленной сети f = 50 Гц).
Число фаз входного и выходного напряжений в преобразователях с непосредственной связью является весьма существенным признаком их классификации, так как оно в значительной мере определяет структуру построения схемы преобразователя. Следует отметить, что многофазные преобразователи этого класса обладают удовлетворительными технико-экономическими характеристиками и получили большое распространение.
Рассмотрим принцип работы преобразователя с непосредственной связью и естественной коммутацией на примере трехфазно-однофазной схемы (рис.1, а). В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: группу I – катодную (VS1, VS2, VS3) и II – анодную (VS4, VS5, VS6). Допустим, что нагрузка Zн – активная. Управляющие импульсы в процессе работы поступают на тиристоры анодной и катодной групп поочередно. Когда управляющие импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети, подаются последовательно на тиристоры VS1, VS2, VS3 катодной группы, она работает в режиме выпрямления (по трехфазной схеме со средней точкой), формируя на нагрузке положительную полуволну напряжении относительно нулевого вывода трансформатора (рис.1, б). Управляющие импульсы поступают на тиристоры со сдвигом относительно линейных напряжений питающей сети на угол α. При работе тиристоров VS4, VS5, VS6 анодной группы на нагрузке относительно нулевого вывода трансформатора формируется отрицательная полуволна напряжения. В результате цикличной работы групп I и II на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники f2 более низкой, чем частота питающей сети f1.
|
| Рисунок 1 – Преобразователь частоты с непосредственной связью:
а – схема, б – диаграмма выходного напряженно при активной нагрузке без паузы между коммутацией групп I и II.
|
Частота f2 определяется временем, в течение которого проводят ток тиристоры каждой группы. Изменением угла а можно регулировать выходное напряжение. Для исключения постоянной составляющей в напряжении на нагрузке времени работы анодной и катодной групп должны быть равны между собой. На рис. 1, б представлена диаграмма выходного напряжения при активной нагрузке. Из рисунка видно, что тиристоры катодной группы вступают в работу только после снижения до нуля полуволны напряжения, формируемой анодной группой, и наоборот. Это объясняется тем, что тиристор находится во включенном, состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него (в рассматриваемом случае ток совпадает по фазе с напряжением), не спадет до нуля.
В трехфазно-однофазной схеме тиристоры каждой группы коммутируют между собой (внутригрупповая коммутация) через интервал времени, равный π/3. Поэтому без учета интервала коммутации можно записать следующее выражение для длительности одной полуволны выходного напряжения:
 | (1) |
где n — число участков синусоид в полуволне; π-2π/3 — угол, обусловленный спаданием до нуля заднего фронта полуволны выходного напряжения.
В общем случае при числе фаз питающей сети, равном m1, связь частот выходного и входного напряжений выражается соотношением:
 | (2) |
где f1 и f2— частоты входного и выходного (основной гармоники) напряжений.
Из (2) видно, что частота выходного напряжения f2 может принимать только дискретные значения при изменении числа n (n=1, 2, 3...). Например, при числе фаз питающей сети m1 = 3 и частоте f1 = 50 Гц частота f2 может принимать значения 30; 23,5; 16 2/3 Гц и т. д. Для обеспечения плавного изменения частоты необходима пауза φп между окончанием работы предыдущей группы и началом работы последующей группы (рис. 1, б). В этом случае связь частот f1 и f2 может быть выражена соотношением:
 | (3) |
При активно-индуктивной нагрузке моменты прохождения через нуль полуволны выходного напряжения не соответствуют нулевым значениям токов нагрузки, так как индуктивность нагрузки обуславливает запаздывание тока относительно напряжения. Для того чтобы в этом случае обеспечить протекание тока из цепи нагрузки в питающую сеть (что соответствует возврату в сеть энергии, накопленной в индуктивности, т.е. ее рекуперации), соответствующую тиристорную группу переводят в инверторный режим работы. Например, если группа тиристоров 1 работала в выпрямительном режиме с углом управления α, то, начиная с определенного момента, управляющие импульсы тиристоров группы I начинают поступать со сдвигом относительно напряжений питающей сети на угол β в сторону опережения. Такое следование импульсов соответствует инверторному режиму работы тиристоров. Источником постоянного напряжения, под воздействием которого протекает инвертируемый ток, в данном случае является нагрузка, а точнее, ее индуктивная составляющая. В результате инверторного режима работы части тиристоров группы I происходит возврат в сеть энергии, накопленной в индуктивности, и снижение тока нагрузки до нуля, затем система управления преобразователем обеспечивает паузу φп, после которой начинает работать в выпрямительном режиме группа тиристоров II, часть из которых переходит в заданный программой управления момент в инверторный режим. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются.
Трехфазно-однофазный преобразователь с непосредственной связью может быть выполнен также на основе двух групп тиристоров, каждая из которых имеет конфигурацию мостовой трехфазной схемы. Существует также много вариантов схем с непосредственной связью, позволяющих получить на выходе трехфазную систему напряжений.
Схемы преобразователей с непосредственной связью и естественной коммутацией тиристоров сравнительно просты (имеется в виду силовая часть схемы) и имеют относительно малые удельные массогабаритные показатели. Существенным их недостатком является низкое качество выходного напряжения в части гармонического состава, т. е. высокое значение коэффициента искажения. Кроме того, из принципа действия подобного типа преобразователей следует, что они могут использоваться только для получения напряжений более низкой частоты, чем частота питающей сети.
При необходимости получить на выходе преобразователя с непосредственной связью напряжение более высокой частоты, чем частота питающей сети, прибегают к искусственной коммутации тиристоров.
На рис.2 представлена схема трехфазно-однофазного преобразователя с непосредственной связью и искусственной коммутацией, осуществляемой под воздействием конденсатора Ск, установленного на выходе преобразователя. Принцип работы схемы следующий. Ток нагрузки попеременно проводят тиристоры групп I, II и III, IV. Внутригрупповая коммутация тиристоров, например тиристоров VS1A, VS1B и VS1C группы I, происходит под воздействием напряжения питающей сети так же, как и в схемах с естественной коммутацией. Конденсатор Ск, позволяет практически мгновенно произвести коммутацию между группами тиристоров (межгрупповую коммутацию) и тем самым изменить полярность тока, поступающего в нагрузку (включающую в себя конденсатор Ск). При включении сглаживающих реакторов Ld и L'd их индуктивности в контуре межгрупповой коммутации не участвуют (за исключением индуктивностей рассеяния), так как коммутирующий ток конденсатора Ск в каждой полуобмотке реакторов будет создавать взаимно компенсирующиеся потокосцепления. Емкость конденсатора должна выбираться из тех же условий, что и для параллельного инвертора тока.
|
| Рисунок 2 – Схема реобразователя частоты с искусственной коммутацией тиристоров
|
Использование запираемых тиристоров исключает необходимость в элементах искусственной коммутации, упрощая тем самым схему, и повышая технико-экономические показателя.
