8. Преобразователи переменного тока (напряжения, частоты с аин, аит, нпч). Область применения.
Полупроводниковые преобразователи частоты для электропривода подразделяются на два основных класса, различающихся по способу связи двигателя с питающей сетью:
• непосредственные преобразователи частоты (НПЧ);
• двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) с промежуточным звеном постоянного либо переменного тока.
Непосредственные преобразователи частоты. В классе НПЧ наибольшее практическое применение получили преобразователи с естественной коммутацией. В них используются силовые полупроводниковые приборы с неполным управлением (тиристоры), коммутация которых производится за счет напряжения сети.
Непосредственный преобразователь частоты для управления многофазными двигателями переменного тока представляет собой комплекс быстродействующих реверсивных управляемых выпрямительно-инверторных преобразователей, каждый из которых питает одну фазу двигателя.
Формирование необходимой частоты и амплитуды переменного напряжения на зажимах двигателя обеспечивается непрерывным циклическим изменением улов управления комплектами преобразователей. Для построения НПЧ применяются различные варианты схем реверсивных управляемых выпрямителей- нулевые и мостовые, мало- и многопульсные, встречно-параллельные и перекрестные, с совместным и раздельным управлением и т.д. Пример выполнения принципиальной электрической схемы тиристорного НПЧ приведен на рис. 1. Входная коммутационная аппаратура, токоограничивающие реакторы и защитные цепи на схеме не показаны.
Рис.1 - Трехфазный мостовой НПЧ с раздельным управлением
Основными достоинствами НПЧ с естественной коммутацией являются:
• относительно высокий КПД, что достигается благодаря однократному преобразованию электрической энергии;
• возможность двустороннего обмена энергией между питающей сетью и двигателем, что обеспечивает как двигательные, так и тормозные режимы электропривода с рекуперацией энергии в сеть;
• возможность использования естественной коммутации полупроводниковых вентилей с неполным управлением, что позволяет отказаться от устройств принудительной коммутации, снижающих экономичность, надежность, перегрузочную способность и ухудшающих массогабаритные показатели преобразователя частоты;
• возможность получения сколь угодно низких частот выходного напряжения преобразователя и обеспечения равномерного вращения двигателя на малых скоростях;
• практически неограниченная мощность НПЧ;
• возможность конструирования преобразователей по блочно-модульному принципу, обеспечивающему удобства эксплуатации и резервирования.
Основные недостатки данных НПЧ :
• Ограничение максимальных значений выходной частоты на уровне порядка 1/3 ... 2/3 от частоты питающей сети;
• наличие субгармоник и постоянных составляющих выходного напряжения и тока при неблагоприятных соотношениях частот на входе и выходе преобразователя;
• низкий коэффициент мощности, несинусоидальность и модуляция входных токов преобразователя частоты как потребителя в системе электроснабжения;
• сложность (многоэлементность) силовых цепей и цепей управления, что является оправданным лишь при выполнении преобразователя на сравнительно большие мощности.
В связи с этим непосредственные преобразователи частоты получили применение в основном для регулируемых тихоходных синхронных и асинхронных электроприводов средней и большой мощности. Здесь используются НПЧ с естественной коммутацией, получившие название циклоконверторы. Помимо рассмотренных ..НПЧ, работающих в режиме источника напряжения, известны токовые НПЧ, работающие в режиме источника тока.
Параллельно с циклоконверторами разрабатывались НПЧ с принудительной коммутацией, реализация которых ориентирована на полностью управляемые ключи переменного тока. Однако реализации на практике принципиальных преимуществ НПЧ с принудительной коммутацией длительное время препятствовало отсутствие необходимой элементной базы. Благодаря развитию силовой полупроводниковой преобразовательной техники и средств управления область целесообразного применения таких НПЧ ныне существенно расширяется. Это обусловлено появлением мощных быстродействующих полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов (IGBT, MOSFET), запираемых тиристоров, высокоэффективных средств микропроцессорного управления и разработкой алгоритмических путей улучшения качества электропотребления и питания двигателей от НПЧ с принудительной коммутацией на базе методов широтно - импульсной модуляции.
Двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном переменного тока.
Силовая схема преобразователей данного типа состоит из двух основных звеньев:
• преобразователя напряжения источника питания в переменное напряжение повышенной частоты;
• непосредственного преобразователя переменного напряжения повышенной частоты в переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды.
Пример выполнения принципиальной электрической схемы НПЧ с промежуточным звеном переменного тока приведен на рис.2. Преобразователь данного типа по существу представляет собой НПЧ с естественной коммутацией, снабженный индивидуальным источником питающего напряжения повышенной частоты. В описанных в литературе разработках промежуточное звено переменного тока выполняется в виде обращенного НПЧ с принудительной емкостной коммутацией, работающего в режиме параллельного инвертора тока. Введение такого промежуточного звена позволяет устранить один из основных недостатков сетевых НПЧ с естественной коммутацией - увеличить верхний предел регулирования выходной частоты за счет увеличения частоты источника питания. Естественно, что при этом ухудшаются массогабаритные и энергетические показатели преобразователя в целом.
Тем не менее в ряде случаев специального применения двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном переменного тока по комплексу предъявляемых требований оказываются конкурентоспособными с другими видами ПЧ. В качестве примера можно привести электроприводы механизмов некоторых автономных подвижных объектов с источником энергии в виде аккумуляторной батареи. Сходные принципы организации системы питания и частотного регулирования скорости двигателей переменного токаиспользуются и в некоторых видах электрических передач транспортных механизмов с первичным источником энергии в виде теплового двигателя.
Рис. 2 - Двухзвенный преобразователь частоты с промежуточным звеном повышенной частоты
В целом ПЧ с промежуточным звеном переменного тока не нашли широкого применения в электроприводе вследствие относительной сложности силовой схемы и системы управления, а также других отмеченных выше факторов.
Двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.
Основными звеньями данных преобразователей частоты являются
• выпрямитель с фильтром;
• инвертор.
Напряжение питающей сети (рис.3) сначала выпрямляется выпрямителем, а затем инвертируется, т.е. преобразуется в переменное напряжение (или ток) требуемой частоты с помощью инвертора. В системах частотного управления электродвигателями переменного тока применяются автономные инверторы (АИ). Они способны функционировать как при наличии, так и при отсутствии в цепи нагрузки источников, способных развивать ЭДС и генерировать активную энергию. В некоторых, например каскадных, системах регулирования скорости машин переменного тока используются ПЧ с зависимыми (ведомыми сетью) инверторами, которые способны функционировать только при наличии в цепи нагрузки источников активной энергии. Зависимые инверторы используются также в схемах двухкомплектных выпрямителей для обеспечения возможности двусторонней передачи энергии звеном постоянного тока.
Автономный инвертор представляет собой коммутатор, для функционирования которого необходимы полностью управляемые переключающие элементы (ключи). Наиболее подходящими для автономных инверторов являются полностью управляемые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы, запираемые тиристоры). В случае использования обычных тиристоров, т.е. приборов с неполным управлением, схема инвертора дополняется устройствами принудительной, как правило, емкостной коммутации.
Структура входных цепей и режим переключений коммутатора могут быть организованы таким образом, что свойства АИ как электрического генератора оказываются подобными свойствам либо генератора напряжения, либо генератора тока. Инверторы первого типа получили название автономные инверторы напряжения (АИН); второго типа - автономные инверторы тока (АИТ). Инверторы напряжения обеспечивают величину и форму выходного напряжения, не зависимые (или почти не зависимые) от параметров нагрузки. Величина и форма тока определяется параметрами нагрузки. В отличие от них инверторы тока формируют в цепи нагрузки ток, величина и форма которого не зависят от параметров нагрузки. Зависимыми от параметров нагрузки оказываются величина и форма выходного напряжения АИТ. Поэтому инверторы напряжения непосредственно совместимы только с нагрузкой активно-индуктивного характера, а инверторы тока - с нагрузкой активно-емкостного характера. В противном случае между инвертором и нагрузкой включаются буферные элементы индуктивного характера в первом случае и емкостного характера во втором.
Рис. 3 - Двухзвенные тиристорные преобразователи частоты: а) с автономным инвертором напряжения; б) с автономным инвертором тока
Главными преимуществами двухзвенных ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока являются:
• возможность получения на выходе преобразователя широкого диапазона частот, не зависимого от частоты питающей сети и полностью покрывающего потребности электроприводов различного назначения, в том числе высокоскоростных, среднескоростных и тихоходных, прецизионных электроприводов с широким и сверхшироким диапазоном регулирования скорости и др.;
• возможность использования относительно простых силовых схем и систем управления ПЧ для электроприводов с невысокими требованиями в части диапазона регулирования, быстродействия и других показателей;
• возможность наращивания сложности силовой части и системы управления преобразователя соразмерно уровню повышения требований к электроприводу, не допуская чрезмерной избыточности системы,
• возможность реализации в сравнительно малоэлементной структуре преобразователя разнообразных алгоритмов управления, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к электроприводам различного назначения;
• легкость трансформации преобразователя для работы в установках с питанием электрооборудования от автономных источников либо локальной сети постоянного тока.
Основные недостатки ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:
• двукратное преобразование энергии, что увеличивает потери энергии и ухудшает массогабаритные показатели преобразователя;
• наличие в звене постоянного тока силового фильтра как неотъемлемого элемента ДПЧ, содержащего батарею конденсаторов значительной емкости (в схемах ДПЧ с АИН) либо реактор со значительной индуктивностью (в системах ДПЧ с АИТ).
Элементы силового фильтра увеличивают массу и габариты преобразователя, причем электролитические конденсаторы фильтра не всегда удовлетворяют требованиям высокой надежности. Являясь реактивным накопителем энергии, силовой фильтр звена постоянного тока существенно влияет на динамику преобразователя частоты и ограничивает динамические возможности электропривода, особенно при амплитудно-импульсном (осуществляемом за счет выпрямителя) регулировании величины выходного напряжения ДПЧ. Это накладывает повышенные требования и усложняет структуру САР инверторных электроприводов, обеспечивающих нормированные процессы пуска, торможения и регулирования скорости при наличии силового фильтра в контуре регулирования.
Отмеченный недостаток преодолевается лишь при переходе от амплитудно-импульсного к широтно-импульсному формированию и регулированию выходного напряжения ДПЧ, осуществляемому за счет автономного инвертора.
Наиболее массовое практическое применение в системах регулируемых электроприводов переменного тока получили двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, а из них - преобразователи с автономными инверторами напряжения. Анализ истории развития двухзвенных ПЧ позволяет выделить три характерных этапа.
Первый этап характеризуется освоением серийного производства и промышленным использованием наиболее простых ДПЧ, выполненных по схеме "управляемый тиристорый выпрямитель - LC фильтр - автономный тиристорный инвертор напряжения с принудительной коммутацией". Первые модели (рис.3, а) имели однокомплектный управляемый выпрямитель, что не позволяло рекуперировать энергию в сеть в тормозных режимах двигателя. Инвертор напряжения выполнялся по трехфазный мостовой схеме с обратными и отсекающими неуправляемыми вентилями и работой тиристоров в режиме 120° управления. Это позволило использовать простую систему принудительной межфазовой коммутации рабочих тиристоров инвертора без применения вспомогательных коммутирующих тиристоров. Функция регулирования частоты выходного напряжения преобразователя возлагалась на автономный инвертор, а амплитуды выходного напряжения - на управляемый выпрямитель. Системой управления обеспечивался закон связи амплитуды и частоты выходного напряжения преобразователя, близкий к пропорциональному с возможностью коррекции в области малых частот. В системе предусматривались обратные связи, обеспечивающие ослабление отрицательного влияния силового фильтра на динамику электропривода.
Последующие модификации преобразователей частоты предусматривали возможность использования двухкомплектного управляемого выпрямителя для реализации режима рекуперативного торможения. Применялись более совершенные схемы принудительнойкоммутации автономного инвертора, реализующие режим 180 управления с улучшенной формой выходного напряжения. Усовершенствовались системы регулирования и защиты, конструктивное исполнение преобразователей. Параллельно с "преобразователями на базе инверторов напряжения развивались преобразователи частоты с инверторами тока. Существенным преимуществом последних является возможность рекуперации энергии в сеть при помощи однокомплектного управляемого выпрямителя (см.схему рис. 3,б). Преобразователи первого этапа сыграли важную роль в создании и расширении области применения экономичных регулируемых электроприводов переменного тока.
Основные недостатки преобразователей, освоенных на первом этапе, это несинусоидальность выходного тока и неравномерность вращения двигателя при малых частотах, что ограничивает диапазон регулирования скорости; ограничение быстродействия, связанное с наличием силового фильтра в канале амплитудного регулирования величины выходного напряжения; несинусоидальность тока, потребляемого из сети и низкий "сетевой" коэффициент мощности, что обусловлено свойствами управляемого выпрямителя с естественной коммутацией и фазовым управлением.
Второй этап характеризуется разработкой новых двухзвенных полупроводниковых преобразователей, выполненных по схеме "неуправляемый выпрямитель - LC фильтр - тиристорный либо транзисторный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения".
Рис. 4 - Двухзвенный преобразователь частоты с неуправляемым выпрямителем и транзисторным АИН
Здесь за счет усложнения алгоритма переключения силовых ключей на инвертор возложена функция регулирования не только частоты, но и амплитуды основной гармоники напряжения на выходе преобразователя при постоянстве напряжения в звене постоянного тока. Переход от амплитудно-импульсного к широтно-импулъсному способу формирования и регулирования выходного напряжения существенно изменил свойства преобразователей частоты.
Во-первых, существенно приблизилась к синусоиде форма выходного тока и соответственно улучшилась равномерность вращения двигателей, расширился диапазон регулирования скорости.
Во-вторых, значительно повысилось быстродействие электропривода, т. к силовой фильтр на выходе нерегулируемого выпрямителя оказался фактически исключенным из каналов регулирования параметров выходного напряжения преобразователя. И, наконец, существенно улучшился коэффициент мощности преобразователя как потребителя электроэнергии.
На основе таких преобразователей оказалось возможным создание усовершенствованных регулируемых электроприводов как массового применения, так и специализированных, удовлетворяющих весьма высоким требованиям, например, транзисторных частотно-регулируемых асинхронных электроприводов подачи металлорежущих станков с диапазоном регулирования скорости порядка 1:1000. Быстро росло количество фирм-производителей преобразовательной техники для электропривода переменного тока, расширялась номенклатура изделий, улучшалось их качество.
Интенсивному развитию преобразователей частоты на этом этапе способствовали значительные успехи, достигнутые в области усовершенствования и создания новых силовых полупроводниковых приборов и интегральных схем, развития цифровых информационных технологий и разнообразных средств микропроцессорного управления.
Тем не менее, на данном этапе оказались недостаточно полно проработаны некоторые вопросы энергосбережения, качества электропотребления и электромагнитной совместимости преобразователей.
Третий этап характеризуется решением этих вопросов на базе использования в звене постоянного тока выпрямителей с принудительной коммутацией, получивших название активных выпрямителей.
Структуру силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем напряжения иллюстрирует рис. 5. В силовой цепи последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВН), фильтр Ф и автономный инвертор напряжения АИН. Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей. Выпрямитель АВН, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока V' д на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.
Рис. 5 - Структура силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем и автономным инвертором напряжения
Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора Uj в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А, В и С. Эти зажимы связаны с питающей сетью через буферные реакторы БР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения на зажимах переменного тока АИН А1, В1 и С1 рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВН постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВН воспринимаются буферными реакторами БР, являющимися неотъемлемыми элементами системы. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором основная (полезная) гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте. Это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети, буферными реакторами. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока.
Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) реактора. Варьируя с помощью системы управления АВН параметрами основной гармоники его переменного напряжения на зажимах А1, В1 и С1, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо "опережающим", либо "отстающим" коэффициентом мощности. Поэтому преобразователь частоты с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности.
Как коммутатор тока активный выпрямитель преобразует потребляемый из сети переменный, близкий к синусоидальному, ток в пульсирующий выходной ток, содержащий переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая замыкается через буферный конденсатор, который ограничивает пульсации напряжения Ud в звене постоянного тока от переменной составляющей выходного тока АВН. Заметим, что данный конденсатор выполняет ту же функцию и по отношению к переменной составляющей тока, потребляемого автономным инвертором двухзвенного преобразователя. Постоянная составляющая выходного тока АВН подпитывает буферный конденсатор, компенсируя расход постоянного тока, отдаваемого во входную цепь АИН.
Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока автономный инвертор обладает чрезвычайно ценным свойством - возможностью двустороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство . сохраняется и в инверсной схеме включения автономного инвертора в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электрическим двигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть. Благодаря этому возможно построение энергосберегающих систем электропривода в различных сферах применения с высоким качеством потребления электроэнергии.
Аналогичные результаты обеспечивает применение активных выпрямителей и в двухзвенных ПЧ с автономными инверторами тока. Типовая структура силовых цепей такого преобразователя представлена на рис. 6.
Рис. 6 - Структура силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем и автономным инвертором тока
В силовой цепи преобразователя последовательно включены входной фильтр Ф1, активный выпрямитель тока АВТ, сглаживающий реактор в цепи выпрямленного тока СР, автономный инвертор тока АИТ и выходной фильтр Ф2. Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и односторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей. Выпрямитель и инвертор выполнены по идентичным схемам и работают в режиме ШИМ.
Ток I в звене постоянного тока сглажен реактором и на периоде ШИМ не претерпевает существенных изменений. В результате дискретной работы ключей автономный инвертор тока формирует на своих выходных зажимах A, B, С трехфазный переменный ток в виде широтно-модулированных периодических импульсных последовательностей. Этот ток содержит низкочастотную (полезную) гармоническую составляющую и высокочастотные составляющие, обусловленные дискретностью работы ключей инвертора в режиме ШИМ. Высокочастотные составляющие тока замыкаются через конденсаторы выходного параллельного фильтра Ф2. Кроме того, проникновению их в цепь нагрузки препятствуют индуктивности рассеяния обмоток двигателя. Поэтому ток, потребляемый двигателем, близок к синусоидальному. Конденсаторы фильтра Ф2 выполняют также функцию компенсаторов реактивной мощности двигателя и при соответствующем выборе их емкости способствуют уменьшению установленной мощности оборудования ПЧ. Активный выпрямитель представляет собой обращенный автономный инвертор тока. В связи со сглаживанием тока Id реактором и дискретной работой ключей активный выпрямитель формирует на своих входных зажимах А1, В1 и С1 периодические последовательности широтно-модулированных импульсов тока. По существу это трехфазный переменный импульсный ток, генерируемый обращенным автономным инвертором тока. Вместе с основной (полезной) гармонической составляющей этот ток содержит высшие гармоники, проникновение которых в питающую сеть нежелательно. Поэтому на входе АВТ включены конденсаторы, обеспечивающие контуры короткого замыкания высокочастотных составляющих этого тока. Кроме того, для препятствия их проникновению в питающую сеть во входной цепи включены реакторы. В результате ток, потребляемый преобразователем из питающей сети, также как и выходной ток преобразователя частоты, близок к синусоидальному.
Преобразователи частоты данного, также как и предыдущего типа, обладают возможностью обеспечения двустороннего энергетического обмена между питающей сетью и двигателем и регулирования коэффициента мощности на входе преобразователя.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что преобразователи частоты с активными выпрямителями обладают комплексом ценных качеств и являются эффективным средством решения актуальным проблем регулируемого электропривода и энергосбережения на его основе.
В заключение отметим, что для реализации этих качеств необходимы соответствующие высококачественные системы автоматического регулирования, учитывающие специфику активных выпрямителей как объектов управления.