8.3. Непосредственные преобразователи частоты

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 или с однофазным или трехфазным входом.

По принципу действия НПЧ подобны двухкомплектным реверсивным тиристорным преобразователем и выполняются по аналогичным схемам. В качестве нагрузки могут быть: низкочастотный индуктор для нагрева металла, источник для сварки, низкоскоростные асинхронные двигатели с трехфазными преобразователями, сеть переменного тока частоты f₂ и т.д.

Схема трехфазно-однофазного НПЧ, состоящая из двух трехфазных мостовых групп, соединенных встречно – параллельно, приведена на рис.8.30. Нагрузка Z_н преобразователя имеет активно-индуктивный характер. Трехфазные преобразователи выполняют на основе трех однофазных со сдвигом управляющих углов на 120˚.

Вид кривой напряжения преобразователя показан на рис.8.31. Она формируется при той же, что и в реверсивном преобразователе, последовательности (1,2,3,4,5,6) вступление в работу тиристоров обеих групп, но при циклическом изменении во времени углов отпирания тиристоров (рис.8.30.). В результате кривая выходного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора с основной гармонической U_н(1), близкой по форме к синусоиде.

Рис.8.30. Схема непосредственного преобразователя частоты

При чисто активной нагрузке(L_н=0) переменное выходное напряжение U₁ формируется поочередным включением в работу тиристорных групп I и II (формирование полжительной и отрицательной полуволн).

Рис. 8.3.2. Кривая выходного напряжения (а), характер изменения во времени

углов α_I α_II(б) НПЧ при синусоидальном законе управления

При активно-индуктивной нагрузке имеются интервалы времени, в течение которых напряжение U_н(1) и ток i_н, приняты (рис.8.31,а) синусоидальным находятся в противофазе (интервалы 0-ω₂t₁, π-ω₂t₂). В указанных интервалах времени обеспечивается работа соответствующей тиристорной группы в режиме инвертирования. Так, например, на интервале ω₂t₁-π тиристорная группа I работает в режиме выпрямления, а при достижении точки π она переводится в режим инвертирования, который продолжается до момента времени ω₂t_2..

На интервале от точки ω₂t₂ до 2π тиристорная группа II работает в выпрямительном режиме. На рис.8.31,а инверторному режиму работы тиристорной группы II соответствует интервал 0- ω₂t₁.

На тех участках, где напряжение U_н(1) и ток i_н находятся в противофазе, и тиристорные группы работают в режиме инвертирования, энергия, накопленная в реактивных элементах нагрузки, возвращается в сеть переменного тока частоты f₁.

В НПЧ согласованное раздельное управление тиристорными группами получило большее распространение на практике, чем согласованное совместное управление. Это связано с большими трудностями в ограничении уравнительного тока, возникающего в НПЧ при совместном управлении, с помощью реакторов L₀₁- L₀₄ существенно больше индуктивности, что вызывает часто недопустимые падения напряжения.

При раздельном управлении тиристорные группы работают поочередно и надобность в реакторах отпадает.

Режим работы каждой группы связывают с полярностью формируемой полуволны напряжения U_н(1) и направлением тока i_н. Как и в реверсивном преобразователе, здесь также осуществляют задержку (блокировку) в подаче отпирающих импульсов на тиристоры, вступающие в работу группы, что необходимо для исключения короткого замыкания вторичных обмоток трансформатора через тиристоры обоих групп. Так, например, после того как тиристорная группа I проработала с начала в режиме выпрямления, а затем на интервале π-ω₂t₂ (рис.8.31,а) - в режиме инвертирования, управляющие импульсы в момент времени ω₂t₂ снимаются с тиристоров группы I (используется сигнал датчика тока, определяющего момент снижения тока i_н. до нуля или тока тиристора).

К проводившим тиристорам этой группы прикладывается напряжение в обратном направлении, требуемом для выключения, под действием вторичных напряжений сетевого трансформатора.

Подачу управляющих импульсов к тиристорам II группы осуществляют с некоторой задержкой относительно момента ω₂t₂, гарантирующей завершение процесса восстановления запирающих свойств ранее проводивших тиристоров группы I.

Согласованность режима раздельного управления тиристорными группами при формировании кривой выходного напряжения НПЧ обусловливается связью углов управления α₁ и α₂ в соответствии с соотношением α₁+α_II=180˚ или равенства α₁=β_II и α_II=β₁. Возможный диапазон изменения α₁ и α₂ при формировании кривой выходного напряжения без учета углов γ и δ близок к 180˚.

Определим основные соотношения, связывающие закон изменения во времени углов управления α и форму кривой выходного напряжения.

Из теории выпрямителей известна зависимость среднего напряжения от угла управления α: U_d=U_d0cosα. Если пренебречь пульсирующей составляющей и рассчитывать напряжение U_вых (U_н) по кривой изменения среднего значения тиристорной группы I, то приведенное соотношение в несколько измененном виде определит зависимость выходного напряжения НПЧ от характера изменения угла α.

(8.76)

где U_нмакс.0-максимальное выходное напряжение, соответствующее углу α₁=0(для трехфазной мостовой схемы U_нмакс.0=2,34Е₂);

α₁(t)-периодическая функция изменения во времени угла α₁.

Закон изменения α₁(t) для НПЧ с синусоидальным выходным напряжением и амплитудой U_нмакс.0(без учета пульсирующей составляющей)

(8.77)

Совместное решение (3.76) и (8.77)определяют зависимость угла α₁ для тиристорной группы I

(8.78)

и угла α_II=180˚-α для вентилей группы II

(8.79)

Коэффициент ξ= U_нмакс/U_нмакс.0 определяет глубину регулирования амплитуды выходного напряжения.

При формировании кривой выходного напряжения восходящая часть полуволны напряжения U_н положительной полярности для первой группы вентилей α изменяется в пределах от 90˚ до 0, а угол α_II - от 90˚ до 180˚, что соответствует режиму выпрямления тиристорной группы I и режиму инвертирования группы II.

В течение второй четверти периода (нисходящая часть) режим работы сохраняется, но при этом он связан с увеличением углов α_I от 0˚ до 90˚ и уменьшением углов α_II от 180˚ до 90˚.

Половина напряжения U_н отрицательной полярности формируется аналогичным образом. Теперь тиристорная группа I работает в режиме инвертирования при изменении угла α_I от 90˚ до 180˚ и затем снова до 90˚, а тиристорная группа II –в режиме выпрямления с диапазоном изменения углов от 90˚до 0˚ и затем вновь до 90˚.

Уменьшение коэффициента ξ= U_нмакс/U_нмакс.0 позволяет осуществлять регулирование амплитуды выходного напряжения преобразователя. Построенные по выражениям (8.78) и (8.79) кривые изменения во времени углов α_I и α_II при ξ=0,9 и 0,4 приведены на рис. 8.31,б.

Коммутация тока в НПЧ рассматриваемого типа осуществляется, так же как в выпрямителях и ведомых инверторах, под действием напряжения питающей сети. Поэтому минимальные значения углов α и β не должны быть меньше суммы угла коммутации γ и угла δ_мин.=2πf₁t_в восстановления управляющих свойств тиристоров.