Преобразователи переменного тока

Большая часть электроприводов переменного тока промышленных мехатронных модулей питается от трехфазной сети. Поэтому силовой электронный преобразователь, задачей которого является формирование напряжения и тока в обмотках статора с частотой отличной от частоты источника питания, называется преобразователем частоты.

Рис. 1.26. Основные типы силовых преобразователей частоты

Преобразователи частоты по числу ступеней преобразования энергии делятся на преобразователи с непосредственной связью (НПЧ) и с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 1.26).

В настоящее время оба типа преобразователей находят применение. Однако, с появлением силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT – insulated gate bipolar transistor), преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока в мехатронных модулях заняли доминирующие позиции.

1.3.2.1. Преобразователи частоты с непосредственной связью

В преобразователях частоты с непосредственной связью выходное напряжение формируется из участков синусоид напряжения сети питания, при этом двигатель в каждый момент времени оказывается подсоединенным непосредственно к сети. Чаще всего такие преобразователи выполняются с естественной коммутаций тиристоров и поэтому имеют частоту выходного напряжения ниже частоты питающей сети.

Принципиальная схема и временная диаграмма напряжений одной фазы НПЧ приведена на рис. 1.27. Схема силовой части каждой фазы преобразователя состоит из двух полумостов (групп тиристоров), включенных по встречно-параллельной схеме. В процессе работы управляющие импульсы поступают поочередно на тиристоры катодной и анодной групп. Когда управляющие импульсы подаются последовательно на тиристоры на нагрузке формируется положительная полуволна напряжения относительно нулевого вывода трансформатора. При работе тиристоров и на нагрузке формируется отрицательная полуволна напряжения. В результате последовательной цикличной работы катодной и анодной групп тиристоров на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники более низкой, чем частота питающей сети .

В общем случае при питании таких преобразователей от промышленной трехфазной сети переменного тока частота выходного напряжения может быть рассчитана по зависимости

, (1.59)

где - число участков синусоид в полуволне. Из чего следует, что частота выходного напряжения при питании преобразователя от сети с частотой , может принимать только ступенчатые значения 30; 21,5; 16,7 Гц и т.д.

Изменением угла управления можно регулировать величину амплитуды выходного напряжения.

Рис. 1.27. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы

напряжений (б-г) одной фазы преобразователя частоты

с непосредственной связью

Непосредственный преобразователь частоты может быть выполнен также и на основе мостовых выпрямителей. Существуют и другие, более сложные варианты реализации силовой части преобразователей частоты. Однако для всех них основным недостатком остается низкое качество выходного напряжения и возможность его получения только более низкой частоты, чем напряжение питающей сети.

1.3.2.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

Структурная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока приведена на рис. 1.28. Переменное напряжение и_вх с частотой f_вх подается на вход выпрямителя. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя (см. п. 1.3.1), между ним и инвертором устанавливается фильтр. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное и_вых заданной частоты f_вых. Таким образом, в преобразователях этого типа осуществляется двухступенчатое преобразование электрической энергии и частота выходного напряжения не зависит от частоты питающей сети и может быть как меньше ее, так и больше.

Рис. 1.28. Структурная схема преобразователя частоты

с промежуточным звеном постоянного тока

Выпрямитель, как правило, выполняют по трехфазной мостовой схеме (рис. 1.23). В зависимости от режимов работы исполнительного двигателя он может быть реализован как на управляемых вентилях – тиристорах, так и на неуправляемых – диодах.

В качестве фильтра применяют конденсаторы с большой емкостью. При этом конденсатор подключают на шину постоянного тока – на выходе выпрямителя (входе инвертора). Принцип работы такого фильтра пояснен рис. 1.29. В течение времени t₂ - t₁ конденсатор заряжается (накапливает электрическое поле) практически до амплитудного значения переменного напряжения, а в течение времени t₃ - t₂ – разряжается на цепь инвертор-сопротивление нагрузки. В момент времени t₃, когда напряжение на входе выпрямителя становится больше напряжения на конденсаторе, он снова начинает заряжаться. Пульсации напряжения на шине постоянного тока при этом становятся значительно меньшими.

В общем случае автономный инвертор может быть выполнен в двух вариантах – как инвертор напряжения и как инвертор тока. Однако в преобразователях, работающих на двигательную нагрузку, где необходим широкий диапазон регулирования частоты выходного напряжения, автономный инвертор выполняется в виде инвертора напряжения.

На рис. 1.30, а приведена схема преобразователя частоты с инвертором на IGBT транзисторах, включенных в трехфазную мостовую схему. Для возврата реактивной мощности активно-индуктивной нагрузки (каковой и является электродвигатель) все транзисторы в обратном направлении зашунтированы диодами.

Принцип широтно-импульсной модуляции инвертора напряжения удобнее рассмотреть на примере однофазной мостовой схемы (рис. 1.30, б). Когда открыты транзисторы и (момент времени t = t₁) напряжение на нагрузке имеет полярность, указанную на рис. 1.30, б (без скобок), а ток в нагрузке нарастает по экспоненциальному закону (см. рис. 1.30, в). В момент времени на транзисторы и поступают запирающие сигналы и они закрываются. В это же время подаются отпирающие сигналы на транзисторы и . Однако, ток в индуктивности не может измениться скачком и поэтому он будет продолжать протекать в том же направлении, но уже не через транзисторы , или , , а через диоды и . Условия для протекания тока через диоды определяются противо-эдс индуктивной нагрузки, которая выше напряжения источника питания . При этом напряжение на нагрузке изменит полярность (на рис. 1.30, б указана в скобках). Закон протекания тока тот же – экспоненциальный, но сам ток при этом уменьшается.

При спадании тока до нуля диоды и закроются и дальнейшее протекание тока будет проходить через транзисторы и , на базах которых с момента времени присутствует отпирающий сигнал. Далее процессы периодически повторяются. Таким образом, в нагрузке формируется напряжение прямоугольной и ток экспоненциальной формы.

Отсутствие обратно включенных диодов приводило бы к появлению перенапряжения на транзисторах. Во время же протекания тока через эти диоды происходит возврат энергии из нагрузки обратно в звено постоянного тока. На рис. 1.30, в также показаны диаграммы тока, потребляемого от источника постоянного напряжения i_d. На этой диаграмме положительные площади соответствуют потреблению энергии от источника, а отрицательные – приему энергии источником.

У современных преобразователей частота модуляции (переключения ключей) составляет 2…20 кГц., что позволяет обеспечивать не только высокую динамику работы электроприводов мехатронных модулей, но и формировать практически синусоидальные токи и напряжения на обмотках статора электродвигателя. На рис. 1.30, г проиллюстрирован процесс формирования на выходе инвертора синусоидального напряжения с частотой на порядок меньшей частоты модуляции. За период выходного сигнала на нагрузку подается десять прямоугольных импульсов напряжения. Очевидно, что среднее значение выходного напряжения за период модуляции при этом зависит от соотношения положительной и отрицательной частей этого импульса – чем дольше подается положительный импульс, тем выше среднее за период модуляции напряжение на нагрузке. При этом ток в нагрузке будет формироваться в межкоммутационных интервалах из участков экспонент. Если частота импульсов будет еще выше, чем это показано на рис. 1.30, г, например на два или три порядка, то кривая тока будет иметь практически синусоидальную форму со спектром на 99 % состоящим из основной гармоники.

При работе трехфазного инвертора в каждом интервале коммутации две обмотки соединяются параллельно и подключаются последовательно с третьей обмоткой. Процессы, происходящие в такой схеме, аналогичны рассмотренным выше, а на выходе инвертора формируется трехфазная система напряжений.

Контрольные вопросы

К лекции 3:

1. Сформулируйте определение для электрического тока, электрической цепи.

2. Какие элементы электрической цепи Вы знаете? Дайте им определение.

3. Перечислите известные Вам компоненты электрических цепей. Нарисуйте и поясните их вольт-амперные характеристики.

4. Нарисуйте трехфазную систему напряжений и охарактеризуйте ее. Чему равно действующее значение напряжения (тока) в такой электрической цепи. Поясните физическую сущность понятия “действующее значение”.

5. Какие законы для электрической цепи Вы знаете? Поясните их.

6. Какие электродвигатели вращательного движения Вы знаете? Поясните их конструктивные особенности. Нарисуйте механические характеристики, укажите, в чем они схожи и каковы отличия.

7. Поясните принцип действия двигателей постоянного тока, асинхронного и синхронного двигателей переменного тока.

8. Укажите особенности конструкции линейного электродвигателя.

9. В чем заключается принцип обратимости электрических машин. Каким образом это позволяет повысить энергетическую эффективность мехатронных систем?

К лекции 4:

1. Вспомните из лекции 3 и перечислите способы регулирования скорости двигателя постоянного тока, асинхронного и синхронного двигателя переменного тока.

2. Какие силовые электронные преобразователи, применяемые для управления электродвигателями, Вы знаете?

3. Поясните принцип выпрямления переменного тока в постоянный. Какое свойство диода при этом используется?

4. Нарисуйте схему трехфазного выпрямителя с нулевой точкой и поясните принцип ее действия.

5. Нарисуйте и поясните принцип действия трехфазной мостовой схемы выпрямления.

6. Как используется трансформатор в трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схемах выпрямления?

7. Вспомните принципиальное отличие тиристора от диода. Объясните принцип регулирования напряжения в тиристорных преобразователях на примере трехфазной нулевой схемы выпрямления.

8. Какие типы силовых преобразователей частоты Вы знаете? Назовите ступени преобразования электрической энергии в них.

9. Нарисуйте принципиальную схему одной фазы преобразователя частоты с непосредственной связью. На примере временных диаграмм поясните принцип ее действия.

10. Объясните причину ступенчатого регулирования частоты в преобразователях с непосредственной связью. Какие частоты выходного напряжения в них можно получить?

11. Нарисуйте структурную схему преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Поясните назначение каждого ее элемента.

12. На примере однофазного мостового инвертора поясните принцип широтно-импульсной модуляции инвертора напряжения.

13. Какую функциональную нагрузку в схеме инвертора напряжения несут обратные диоды? К каким негативным последствиям привело бы их отсутствие?