Лекции 11-12 - Конспекты, страница 14

В этом случаенеобходимо учесть только первую гармонику напряжения в точках 1-2:1P  U1m I1m cos  .2(7.184)Подставив в последнее выражение ток I1m из (7.182) и напряжение U1m из(7.183), получим:P28U вхcos 2 Dsin.2 R 2    L 22Н(7.185)Таким образом, мощность в нагрузке переменного тока регулируетсяизменением управляющего сигнала на входах ключей.В схеме на рисунке 7.94 очень просто увеличить число фаз, для чегонужно добавить пару ключей и подключить нагрузку к точкам между ними. Втрёхфазном варианте схема очень похожа на мостовой выпрямитель; разницасостоит лишь в том, что источник входного напряжения и нагрузка поменялисьместами.Преобразованиепостоянногонапряжениявпеременноеможетосуществляться с использованием всех типов силовых полупроводниковыхключей. В последние годы в области средних и больших мощностей до 1 МВтначали широко применять инверторы на IGBT.

Несмотря на более высокуюстоимость по сравнению с традиционными тиристорами, они представляютразработчикам более широкие возможности формирования напряжения и тока.По характеру процессов, протекающих в автономных инверторах, ихразделяют на инверторы напряжения и инверторы тока. В схеме инверторанапряжения источник входного напряжения подключен непосредственно кключевым элементам, которые периодически с изменением полярности96Электропитание РЭАГлава 7.2подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питаетсяпеременнымнапряжением.Нагрузкавэтомслучаедолжнаноситьиндуктивный или активно-индуктивный характер.Для устранения перенапряжений на элементах схемы при коммутацииключей часть энергии, накопленной в индуктивной нагрузке, возвращают вцепь источника входного напряжения. С этой целью ключевые элементышунтируют диодами, включенными "обратно" по отношению к полярностиисточника входного напряжения.

Такие диоды называют "обратными" диодами.Последние обеспечивают путь для протекания тока на интервалах времени, накоторых знаки тока и напряжения противоположны.Достоинствами инверторов напряжения являются жёсткая внешняяхарактеристика, независимость формы выходного напряжения от параметровнагрузки, возможность работы при переменной частоте и, в частности, принизких и сверхнизких частотах (единицы и доли герца).Внешне инверторы тока похожи на инверторы напряжения и имеютаналогичную структуру, однако процессы в них существенно различаются.Основное различие – в способе электропитания: на входе инвертора токавключают реактор, индуктивность которого достаточна для поддержания токанагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты.Индуктивность сглаживающего реактора оказывает существенное влияние надинамические характеристики инвертора тока. В частности, чем меньшеиндуктивность, тем меньше всплески и провалы напряжения на выходеинвертора при скачкообразном изменении нагрузки на его выходе.В инверторе тока ключевые элементы изменяют направление тока внагрузке (но не мгновенное значение), так что нагрузка питается как бы отисточникатока,чтоинашлосвоёотражениевсоответствующейтерминологии – инвертор тока Нагрузка инвертора тока, как правило, носитемкостной характер, так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного97Электропитание РЭАГлава 7.2изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальнуюработу схемы.К числу достоинств инверторов тока относят сравнительно хорошуюформу кривой выходного напряжения при наличии на выходе параллельногоконденсатора.

Основными недостатками инверторов тока являются падающаявнешняя характеристика и зависимость величины и формы кривой выходногонапряжения от частоты, в связи с чем обычно рассматриваемые инверторыиспользуют в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц.7.13 Преобразователи частоты7.13.1 Общие сведенияПреобразователем частоты (ПЧ) называют техническое устройство,осуществляющее преобразование энергии переменного тока одной частоты вэнергию переменного тока другой частоты.

В зарубежной научно-техническойлитературе ПЧ называют AC-AC-преобразователями.Как правило, ПЧ широко применяют в промышленных установках, гденеобходима плавная регулировка скорости асинхронного электродвигателя илисинхронного двигателя за счёт создания на выходе ПЧ напряжения заданнойчастоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряженияпроисходит в соответствии с заданной характеристикой Uвых/f0, в наиболеесовершенных ПЧ реализовано так называемое векторное управление. Первыйспособ управления является наиболее простым и менее совершенным, а второйиспользуется для точного регулирования скоростей вращения ответственногопромышленного оборудования.В общем случае ротор любого электродвигателя приводится в движениепод действием сил, вызванных вращающимся электромагнитным полем внутриобмотки статора.

Скорость его оборотов обычно определяется промышленнойчастотой электрической сети. Если изменять величину частоты сети,приложенной к статору, то можно регулировать скорость вращения ротора и98Электропитание РЭАГлава 7.2подключенного к нему привода. Этот принцип заложен в основу управленияэлектродвигателями.Плавное регулирование скорости вращения двигателя даёт возможностьне применять редукторы, вариаторы, дроссели и другую регулирующуюаппаратуру, что делает структуру СУ проще, дешевле и существенно надёжнее.А так как потребляемая электродвигателем мощность пропорциональна кубускорости вращения ротора, то использование ПЧ позволяет сэкономитьпотребление электроэнергии до 60% в сравнении с методом регулировкимощности посредством заслонок.Крометого,ПЧсовместносасинхроннымдвигателеммогутиспользоваться для замены электроприводов постоянного тока.Область использования ПЧ довольно обширна.

Это насосы, компрессоры,центрифуги, вентиляторы, системы водоснабжения и т. д. Трудно представитьбез векторного управления с помощью ПЧ лифтовое и другое подъёмнотранспортноеоборудованиесозначительнымиперегрузкамиприпуске/остановке.Структура современного ПЧ выстраивается по принципу преобразованияэлектроэнергии и включает в себя силовую и управляющую составляющую.Первая, как правило, исполняется на полупроводниковых ключах (тиристорахили транзисторах). Управляющий блок реализуется на микропроцессорах.Помимо функции управления ключами, микропроцессоры дополнительнопозволяют решать задачи по диагностике, защите и контролю.Существуют различные схемы ПЧ, каждая из которых удовлетворяетконкретным требованиям по мощности, диапазону регулирования частотывращения двигателя, КПД, простоте осуществления регулирования и т.

д.По принципу работы ПЧ делят на два типа:- с непосредственной связью (direct ac-ac converter);- с наличием промежуточного звена постоянного тока (двухзвенные, илиindirect ac-ac converter).99Электропитание РЭАГлава 7.2Принцип действия ПЧ с непосредственной связью с сетью заключается втом, что напряжение питающей сети непосредственно подаётся на статорныеобмотки двигателя через вентили, когда они открыты. Частота напряжения нафазах двигателя регулируется последовательностью включения вентилей, аамплитуда – изменением угла их включения. Обычно ПЧ данного типаявляютсяреверсивнымитиристорнымипреобразователями,выходноенапряжение которых формируется из "вырезанных" участков синусоидвходного напряжения. Частота выходного напряжения у таких ПЧ не можетбыть равна или выше частоты питающей сети.

Она находится в диапазоне от 0до 50 Гц, что обуславливает малый диапазон управления частотой вращениядвигателя (не более 1:10). Это ограничение не позволяет применять такие ПЧ всовременныхэлектроприводахсширокимдиапазономрегулированиятехнологических параметров.Крометого,использованиенезапираемыхтиристоровтребуетотносительно сложных СУ, которые увеличивают стоимость ПЧ. "Резаная"синусоида на выходе ПЧ с непосредственной связью является источникомвысших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическомдвигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильныепомехи в питающей сети.

Применение компенсирующих устройств приводит кповышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.Главное же достоинство ПЧ рассматриваемого типа в том, что их подключаютнапрямую в сеть без дополнительных устройств.Главное отличие двухзвенных ПЧ от ПЧ с непосредственной связьюзаключается в том, что для корректной и безопасной работы инвертора,составляющего основу ПЧ, необходимо звено постоянного напряжения.Соответственно для подключения их к общепромышленным сетям необходимвыпрямитель.

Обобщённая схема двухзвенного ПЧ приведена на рисунке 7.96(СУ на рисунке опущена).100Электропитание РЭАГлава 7.2Рисунок 7.96 – Обобщённая структура двухзвенного частотногопреобразователяВ двухзвенных ПЧ используется двойное преобразование электрическойэнергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой ичастотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется и сглаживается фильтром,а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемойчастоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижениюКПД и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по сравнению сПЧ с непосредственной связью.Дляформированиясинусоидальногопеременногонапряженияиспользуют инвертор, который формирует напряжение заданной формы наобмотках электродвигателя (как правило, с помощью ШИМ).

В качествеэлектронных ключей в инверторах применяют запираемые тиристоры типаGTO и их усовершенствованные модификации (GCT, IGCT, SGCT), а такжебиполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Для улучшенияформы выходного напряжения между ПЧ и двигателем иногда ставят дроссель,а для уменьшения электромагнитных помех – дополнительный фильтр.Для включения режима "торможения" двигателя в схему ПЧ может быть101Электропитание РЭАГлава 7.2установлен управляемый ключ с мощным резистором, рассеивающим энергию.Такой приём позволяет убирать генерируемое двигателем напряжение длязащиты конденсаторов фильтра от перезарядки и выхода из строя.Отметим, что ПЧ обоих типов являются нелинейной нагрузкой,создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит кухудшению качества электроэнергии.7.13.2 Преобразователи с непосредственной связьюФункциональная схема ПЧ с непосредственной связью показана нарисунке 7.97.