Martynov_Sil-elektCh2_Invertory

По формуле (123) определим «разрешенные» частоты выходного напряжения при условии m1 = 3, f1 = 50 Гц и различных значениях числа интервалов длительностью Т1/m1. Результаты расчетов сведем в табл. 6.

Таблица 6

«Разрешенные» значения частоты выходного напряжения ПЧНЕ

n	0	1	2	3	4
f2, Гц	50	30	21,428	16,666	13,363

Данные табл. 6 подтверждают, что регулирование частоты выходного напряжения ПЧНЕ носит дискретный характер.

Для получения плавного регулирования частоты выходного напряжения необходимо вводить паузу ϕп между закрытием и открытием очередных групп вентилей. Тогда выходная частота определяется по формуле

f2 =	f1m1π			.	(124)
	π(2n+m )	+ϕ	m
	1	ï	1

Определим действующее значение выходного напряжения ПЧНЕ при «прямоугольном синусе» формы кривой модулирующего сигнала.

Среднее значение импульса полуволны выходного напряжения

	U	=	m1				π	cosα,
					2	U sin			(125)
			π				m
	cð 2α			1
							1

где U1 – действующее значение напряжения фазы питающей сети. Амплитуда первой (основной) гармоники выходного напряже-

ния U2(1) определяется по формуле

U	=	4Ucð 2α	,	(126)
2(1)m		π

а действующее значение напряжения на выходе ПЧНЕ при «прямоугольном синусе» модулирующего сигнала

		U2(1)m					4m		π
U	=				=0,9U	=	1	U sin		cosα.	(127)
							π2		m1
2		2			ñð 2α			1

121

Таким образом, при изменении угла регулирования α в пределах 0 < α < 90° действующее значение выходного напряжения регулиру-

ется в пределах от U2max = [4m1U1/π2]sin(π/m1) до нуля.

На рис. 54 приведена схема ПЧНЕ с трехфазным выходом, каждая выходная фаза которого выполнена по схеме, подобной приведенной на рис. 50.

Данный ПЧ с трехфазным выходом имеет систему импульсно-фа- зового управления (СИФУ), которая вырабатывает импульсы управления, подаваемые на вентили силовой схемы (V1–V18). На выходе ПЧНЕ формируется трехфазное напряжение, фазы которого (U2а, U2b, U2с) имеют между собой 120-градусный временной сдвиг.

Достоинства и недостатки ПЧНЕ

Достоинства ПЧНЕ.

1. Коммутация тока в тиристорах преобразователя происходит за счет напряжения питающей сети, вследствие чего не требуется применять какие-либо специальные коммутирующие устройства, например, конденсаторы.

2. Преобразователь позволяет осуществлять двусторонний обмен энергии: из питающей сети в цепь нагрузки и обратно, из цепи нагрузки в питающую сеть. Благодаря этому обеспечивается любой режим работы нагрузки (двигательный или генераторный) и при любом значении коэффициента мощности нагрузки без применения каких-либо специальных компенсирующих устройств.

3. Преобразователь позволяет осуществлять плавное регулирование напряжения нагрузки.

A
B
C
0
V1 V3 V5 V4	V6	V2 V7 V9 V11 V10V12V8 V13V15V17V16V18V14
		Lу1	Lу1	Lу3
			U2b	U2c
U2a
			AД
Рис. 54. Схема ПЧНЕ с трехфазным выходом

122

4. Кривая тока нагрузки ПЧНЕ может быть приближена к синусоидальной путем применения соответствующих алгоритмов управления.

Недостатки ПЧНЕ.

1. Преобразователь потребляет из питающей сети значительную реактивную мощность, что оказывает существенное влияние на величину коэффициента мощности преобразователя. Причем, чем глубже диапазон регулирования величины выходного напряжения, тем меньше коэффициент мощности преобразователя.

2. Диапазон регулирования частоты выходного напряжения существенно ограничен. На практике максимальная частота выходного напряжения не превышает одной трети частоты питающей сети.

3. Для исключения постоянной составляющей и субгармоник в кривой выходного напряжения регулирование частоты выходного напряжения приходится изменять дискретно.

4. Преобразователь содержит большое количество вентилей, что удорожает его и усложняет схему управления.

5. Выходное напряжения ПЧНЕ имеет в своем составе большое количество высших гармоник, что приводит к увеличению потерь мощности в двигателе и повышает температуру его нагрева.

Если провести сравнение способов управления ПЧНЕ, то можно видеть, что в ПЧНЕ с раздельным способом управления принципиально отсутствуют уравнительные токи и меньше установленная мощность элементов силовой схемы и более высокие энергетические характеристики. Однако следует отметить и недостатки ПЧНЕ с раздельным способом управления.

Так, при малых нагрузках ПЧНЕ c раздельным способом управления в режиме прерывистых токов увеличивается коэффициент искажения формы кривой выходного напряжения. Искажение кривой выходного напряжения также увеличивается с ростом выходной частоты. Одновременно в кривой выходного напряжения появляются субгармонические составляющие, обусловленные дискретностью работы вентилей и некратностью частот питающей сети и выходной сети. С учетом сказанного выше, для электроприводов, где к качеству кривой выходного напряжения ПЧНЕ предъявляются высокие требования, целесообразно применять совместный способ управления, принимая одновременно меры по оптимизации параметров внутреннего контура схемы ПЧНЕ [9].

В заключение можно отметить, что в настоящее время существует достаточно много решений, позволяющих в той или иной мере уменьшить недостатки ПЧНЕ. Так, например, в работе [10] рассмотрена

123

схема ПЧНЕ, которая дополнена неуправляемым выпрямителем и зависимым инвертором, что позволило уменьшить величину уравнительных токов, возникающих в ПЧНЕ при совместном способе управления в моменты смены полярности полуволны выходного напряжения, и увеличить верхний предел частоты выходного напряжения.

ПЧН с искусственной коммутацией вентилей

Выходная частота ПЧНИ может быть как меньше частоты питающей сети, так и больше ее. Искусственная коммутация вентилей может осуществляться посредством применения в ПЧ специальных устройств для принудительного выключения тиристоров, например коммутирующих конденсаторов. В связи с этим многие схемы ПЧНИ имеют определенное сходство со схемами инверторов тока, которые были рассмотрены выше.

Схема ПЧНИ (рис. 55) содержит четыре тиристора Т1–Т4, трансформатор Т, конденсатор С и дроссель L. При положительной полуволне напряжения питающей сети импульсы управления поочередноподаютнатиристорыТ1иТ2.ПриоткрытиитиристораТ1токпроходит через тиристор Т1, полуобмотку трансформатора и дроссель. Коммутирующий конденсатор заряжается, при этом на его левой обкладке появляется положительный потенциал. Напряжение первичной полуобмотки трансформатора трансформируется во вторичную обмотку трансформатора. Через интервал времени, равный полупериоду выходного напряжения, поступает импульс управления на открытие тиристора Т2. Тиристор Т2 открывается, напряжение коммутирующего конденсатора С прикладывается к тиристору Т1

u1 f1

T1	T3	L	T2
			T4

C

Zнг

u2; f2

Рис. 55. Однофазный преобразователь частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией вентилей (ПЧНИ 1/1)

124

в обратном, т. е. запирающем, направлении. Тиристор Т1 закрывается. Ток начинает проходить через тиристор Т2, вторую полуобмотку трансформатора и дроссель. Коммутирующий конденсатор перезаряжается на обратную полярность и т. д. В качестве одного из недостатков этой схемы преобразователя следует указать на то, что амплитуда выходного напряжения не постоянна, а промодулирована с частотой, равной двойной частоте напряжения питающей сети (рис. 56). Кроме этого, зависимость устойчивости работы этого преобразователя от величины и характера нагрузки практически носит такой же характер, как и у инвертора тока параллельного типа.

Для уменьшения глубины модуляции амплитуды выходного напряжения ПЧНИ следует запитать преобразователь от трехфазной сети (рис. 57).

u	u2
		u1
T1	T1	T4	T4	t
T2	T2	T3	T3	T1
		T1
		2

Рис. 56. Временные диаграммы напряжений питающей сети (---) и выходного (––) напряжения ПЧНИ 1/1: u1 – напряжения питающей сети; u2 – напряжения нагрузки

А		f1; u1
В
С
0
T1	T3	T5	T4	T6	T2

Zнг

u2; f2

Рис. 57. Преобразователь частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией вентилей (ПЧНИ 3/1)

125

Благодаря принудительной коммутации вентилей в ПЧНИ можно получить частоту выходного напряжения как меньше, так и больше частоты питающей сети.

Надежность работы ПЧНИ достаточно высока. Например, при срыве коммутации на интервале положительного полупериода напряжения питающей сети открытые тиристоры автоматически будут закрыты на интервале отрицательного полупериода напряжения питающей сети.

Отметим и недостатки ПЧНИ:

– отсутствует возможность регулировать величину выходного напряжения преобразователя;

– в выходном напряжении ПЧНИ содержится большое количество высших гармоник.

Для реализации возможности регулирования величины выходного напряжения ПЧНИ требуется существенное усложнение как силовой схемы, так и схемы управления.

Если вместо тиристоров (не полностью управляемых вентилей) применить полностью управляемые вентили – транзисторы или запираемые тиристоры, ПЧНИ можно выполнить и без коммутирующих конденсаторов. Однако и в этом случае необходимы существенные дополнения силовой схемы и схемы управления для обеспечения возможности рекуперации реактивной энергии нагрузки в питающую сеть.

Вопросы для самоконтроля

1. Укажите способы управления преобразователей частоты без звена постоянного тока.

2. Что означает понятие «согласованное управление»?

3. В чем различие между совместным и раздельным управлением?

4. Дайте оценку возможному диапазону регулирования частоты выходного напряжения ПЧНЕ (по отношению к частоте питающей сети).

5. Как реализуется искусственная коммутация вентилей в преобразователях частоты без звена постоянного тока?

6. Перечислите достоинства и недостатки ПЧНЕ. 7. Перечислите достоинства и недостатки ПЧНИ. 8. Укажите области применения ПЧНЕ и ПЧНИ.

126

5. Справочные данные по элементной базе инверторов и преобразователей частоты

5.1. Справочные данные по транзисторам

					Таблица 7
Мощные транзисторы полевые, корпус ТО220
Наименование	Технология	Uс-и max, В	Iс N, A	∆Uс-и, В		Pк max, Вт
IRF1104/IR	N, NEX	40	100	2–4		170
IRF1405/IR	N, NEX	55	169	2–4		330
IRF710/Its	N, MOS	400	2	2–4		38
BUZ80A/Ph	N, MOS	800	3	2,1–4		75
IRF620/STM	N, MOS	200	6	2–4		70
IRF740/IR	N, NEX	400	10	2–4		125
IRF6215/IR	P, NEX	–150	13	(–2)–(–4)		110
IRF9530N/IR	P, NEX	–100	14	(–2)–(–4)		110
IRF9540N/IR	P, NEX	–100	23	(–2)–(–4)		200
IRF5305N/IR	N, NEX	–55	31	(–2)–(–4)		200
IRF5210N/IR	N, NEX	–100	40	(–2)–(–4)		87
IRF3710/IR	N, NEX	100	57	2–4		88
IRF3707/IR	N, NEX	30	62	2–4		180
IRF3706/IR	N, NEX	20	77	0,6–2		170
IRF1010N/IR	N, NEX	55	85	2–4		330
STP80NF10/STM	N, MOS	100	80	2–4		210
STP12NB30/STM	N, MOS	300	12	3–5		125
STP80NF10/STM	N, MOS	500	12	3–5		110
STP80NF10/STM	N, MOS	600	6	2–4		125
STP80NF10/STM	N, MOS	800	5,4	3–5		125
STP80NF10/STM	N, MOS	1000	5	3–5		135

127

Таблица 8

Мощные транзисторы полевые, корпус Module-s

Наименование	Iс max,	Uс-и.р,	Pк max,	Rс-и.нас,	Iз-и max,	Rпер-корп,	Θmax р,
	A	В	Вт	мОм	мA	°С/мВт	°С
EFM119	15	100	1000	200	100	300	125
EFM109S	12	500	1000	400	100	300	125
EFM089S	24	100	1000	110	100	300	125
EFM079M113	32	100	960	140	100	300	150
EFM049	8	400	1000	800	100	300	125
BSM181F	34	800	700	320	100	180	150
BSM151F	56	500	700	110	100	180	150
BSM121AR	130	200	700	20	100	180	150
BSM111AR	200	100	700	8,5	100	180	150
EFM029S	7,0	500	1000	1,1	100	300	125
IRFPO64N	110	55	200	8,0	100	–	125
IRF540	28	110	150	52	100	–	125
IRF11010N	49	55	58	12	100	–	125
IRF3710	57	100	200	20	100	–	125
BUZ102S4	52	54	120	16	100	–	150

Таблица 9

Мощные транзисторы полевые отечественные

Наимено-	Тип	Uс-и max,	Iс N,	∆Uc-и,	Pк max,	tсп,	tвкл,	tрасс,
вание	корпуcа	В	A	В	Вт	нс	нс	мкс
КП946А	ТО220	500	15	0,7	40	55	80	0,7
КП948А	ТО220	800	5	0,3	20	100	80	1,3
КП948В	ТО220	700	5	0,3	20	100	80	1,3
КП953А	ТО218	800	15	0,45	50	150	150	2,0
КП953Г	ТО218	600	15	0,45	50	150	150	2,0
КП954А	ТО220	150	20	0,3	40	50	50	0,3
КП954Б	ТО220	100	20	0,3	40	50	50	0,3
КП954В	ТО220	60	20	0,25	40	50	50	0,5
КП955А	ТО218	500	25	0,6	50	100	100	1,5
КП958А	ТО218	150	30	0,2	70	60	80	0,5
2П7160Е	КТ-97В	60	35	0,12	150	–	–	–

128

						Таблица 10
		Транзисторы IGBT, корпус ТО220
	Производитель International Rectifier
Наименование		Uкэ max, В	Iк, А	∆Uкэ.нас,В	Pк max, Вт		tвкл, нс
IRG4BC10К		600	9	2,39	38		11
IRG4BC10SD		600	14	1,58	38		76
IRG4BC20F		600	16	1,66	60		24
IRG4BC20SD		600	19	1,40	60		62
IRG4BC20UD		600	13	1,85	60		39
IRG4BC30FD		600	31	1,59	100		42
IRG4BC30FD		600	28	2,21	100		60
IRG4BC30S		600	34	1,40	100		22
IRG4BC30U		600	23	1,95	100		17
IRG4BC40F		600	49	1,50	160		26
IRG4BC30S		600	40	1,72	160		34

Таблица 11

Высоковольтные IGBT транзисторы

			Iк max,	∆Uкэ.нас,	Uупр,	Pк max,	tвкл +	fперекл max,
Наименование	U	кэ					+ t ,
			A	В	В	Вт	выкл	кГц
							мкс
ВUР213	1200		32	3,3	5,5	200	0,045	10
ВUР309	1600		25	3,5	5,5	310	0,055	10
ВUР314	1200		52	2,7	5,5	300	0,065	10
ВUР314D	1200		52	2,7	5,5	300	0,065	10
ВUР314S	1200		25	5,5	5,5	300	0,06	10
PM10CZF120	1200		10	2,7	6,0	62	2,1	10
PM15CZF120	1200		15	2,7	6,0	83	2,1	10
PM100CZA120	1200		100	2,3	6,0	593	2,9	10
PM300DSA120	1200		300	2,3	6,0	1790	2,9	10
PM300DSA120	1200		800	2,5	6,0	4630	3,4	10

129

Таблица 12

Мощные транзисторы биполярные отечественные

		, В	, В	,A	,	,Вт	ед.,	, В	мкс,	мкс,
					А
Наименование	Тип корпуса				max
		U	U	I	I	P	h	U∆	t	t
		кэ.огр	пробкб0,	maxк	к.имп	maxк	21Э	кэ.нас	расс	сп
КТ704	КТ-10	600	1000	2,5	4,0	15	10–100	≤5,0	–	–
КТ810А	КТ-28	500	850	5	7,0	70	10–50	≤1,0	≤4,0	≤0,3
КТ812А	КТ-9	350	700	10	12,0	50	5–30	≤2,5	≤3,5	≤1,3
КТ818А	КТ-28	400	700	4	8,0	50	10–60	≤0,5	≤1,8	≤0,3
КТ826Б	КТ-9	600	1000	1	1,0	15	10–120	≤2,5	≤2,5	≤0,7
КТ838А	КТ-9	700	1500	5	7,5	56	6–35	≤1,0	≤10	≤1,5
КТ844А	КТ-9	250	250	10	20	50	10–50	≤2,5	≤2,0	≤0,3
КТ846А	КТ-9	700	1500	5	7,5	40	15–100	≤1,5	≤4,0	≤0,3
КТ847А	КТ-9	360	650	15	25,0	125	≥8	≤1,5	≤3,0	≤0,8
КТ858А	КТ-28	200	400	7	10,0	60	≥10	≤1,0	≤2,5	≤0,7
КТ935Б	КТ-97	75	150	20	30,0	90	15–50	≤1,0	≤1,5	≤0,2
КТ997А	КТ-28	45	45	10	20,0	50	40	≤1,0	≤0,5	≤0,1
2КТ945А	КТ-9	150	150	15	25,0	50	12–60	≤2,5	≤1,1	≤0,24
2КТ998	КТ-10	55	100	15	15,0	50	≥30	≤1,5	≤0,2	≤0,05
2Т827А	КТ-9	100	100	20	40	125	≥750	≤2,0	≤4,5	≤1,2
2Т834А	КТ-9	400	500	15	20	100	≥150	≤2,0	≤6,0	≤0,5

130