Меню

Напряжение звена постоянного тока инвертора

Выбор емкости конденсатора звена постоянного тока двухзвенного преобразователя частоты с инвертором напряжения

Рубрика: 4. Электротехника

Опубликовано в

Дата публикации: 26.03.2014

Статья просмотрена: 5544 раза

Библиографическое описание:

Гельвер, Ф. А. Выбор емкости конденсатора звена постоянного тока двухзвенного преобразователя частоты с инвертором напряжения / Ф. А. Гельвер, Н. В. Белоусова, В. Ф. Самосейко, А. В. Саушев. — Текст : непосредственный // Технические науки: проблемы и перспективы : материалы II Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, апрель 2014 г.). — Т. 0. — Санкт-Петербург : Заневская площадь, 2014. — С. 44-47. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/89/5361/ (дата обращения: 27.04.2021).

В статье рассмотрены вопросы выбора емкости накопительного конденсатора звена постоянного тока двухзвенного электрического преобразователя частоты с инвертором напряжения. Предложена методика выбора накопительного конденсатора, исходя из допустимого уровня пульсации и перенапряжения в звене постоянного тока.

Ключевые слова: двухзвенный преобразователь частоты, накопительный конденсатор, инвертор напряжения, пульсации напряжения, перенапряжение, ключевой режим работы, алгоритм работы, коммутация.

Неотъемлемой частью двухзвенного электрического преобразователя с инвертором напряжения является звено постоянного тока, состоящее, в общем случае, из накопительного конденсатора — фильтра, который задает режимы работы инвертора — инвертора напряжения и блока торможения, осуществляющего гашение энергии торможения и предотвращающего повышение напряжения в звене постоянного тока выше допустимого значения.

В общем случае двухзвенный электрический преобразователь частоты (рис. 1) состоит из выпрямителя, фильтра — промежуточного накопителя энергии, блока гашения энергии и инвертора. Каждый из этих составных элементов, в свою очередь, может быть реализован с использованием различных элементов силовой электроники и отличаться схемотехнически. Инвертор напряжения преобразователя частоты, как правило, реализуют либо на транзисторах, либо на полностью управляемых тиристорах, работающих в ключевом режиме [1, с. 8]. Для устранения перенапряжений на элементах схемы при коммутации силовых ключей их шунтируют антипараллельными диодами, обеспечивающими путь для протекания тока на интервалах времени, на которых знаки выходного тока и мгновенно формируемого напряжения противоположны.

Основным назначением конденсатора, установленного в звене постоянного тока, является устранение перенапряжений, вызванных коммутацией силовых ключей инвертора и сглаживание пульсаций напряжения, вызванных работой выпрямителя. Следует отметить, что напряжение в звене постоянного тока под нагрузкой преобразователя имеет форму периодически изменяющегося однополярного сигнала, модулированного в общем случае низкочастотной и высокочастотной составляющими. Число пульсаций напряжения в звене постоянного тока электрического преобразователя на периоде сетевого напряжения m = n·k, где n — число фаз питающего выпрямитель напряжения; k=1 — для однополупериодного, а k=2 — для двухполупериодного выпрямителя.

Рис.1. Схема силовой части двухзвенного преобразователя частоты с инвертором напряжения

Таким образом, частота низкочастотной составляющей напряжения определяется типом выпрямителя согласно выражению fн = m·fс, где fс — частота напряжения питающей сети.

Частота высокочастотной составляющей напряжения определяется частотой коммутации и алгоритмом работы силовых ключей инвертора. Уровень пульсации напряжения в звене постоянного тока определяется типом выпрямителя, частотой коммутации и алгоритмом работы силовых ключей инвертора, характером нагрузки электрического преобразователя и величиной емкости самого конденсатора, установленного в звене постоянного тока.

На основании выше изложенного, можно заключить, что конденсатор, установленный в звене постоянного тока, необходим для снижения:

— перенапряжений, вызванных коммутацией силовых ключей инвертора при работе на активно-индуктивную или индуктивную нагрузку, которые могут привести к отказу силовых модулей из-за превышения допустимого уровня напряжения (пробой по напряжению);

— низкочастотных пульсаций напряжения, что повышает качество формируемого напряжения на выходе инвертора, так как при синтезе алгоритма управления силовыми ключами, как правило, не учитывают пульсации напряжения в звене постоянного тока.

Ниже приводится методика расчета накопительного конденсатора, установленного в звене постоянного тока.

Расчет емкости конденсатора для уменьшения низкочастотной составляющей пульсации напряжения в звене постоянного тока

Рассмотрим работу выпрямителя с емкостным фильтром при работе на нагрузку. Если величина емкости конденсатора звена постоянного тока равна нулю, то напряжение этого звена будет меняться от некоторого минимального значения (определяемого типом выпрямителя) до амплитуды сетевого напряжения [3, с. 145]. Если положить, что выпрямитель питается от сети бесконечной мощности, то величина напряжения определится выражением

ed = ud = Umax··(sign(Umax·)+1)/2,

где Umax=×Uф и Umax=×Uф — для одно и двухполупериодных выпрямителей соответственно; Uф –действующее значение фазного напряжения сети; l=2×p/m — угол повторяемости процессов в звене постоянного тока; frac — дробная часть числа; sign — знаковая функция; w — угловая частота сети.

При установке конденсатора в звено постоянного тока пульсации напряжения будут тем меньше, чем больше емкость конденсатора. На интервалах времени, когда напряжение на конденсаторе выше уровня выпрямленного напряжения, диоды выпрямителя оказываются запертыми обратно приложенным напряжением конденсатора и идет процесс разряда конденсатора на нагрузку. Временные диаграммы выпрямленных ЭДС и тока представлены на рис. 2. Если положить, что преобразователь питается от сети бесконечной мощности, а ток потребляемый инвертором постоянный, то напряжение на конденсаторе будет уменьшаться по линейному закону согласно выражению:

.

На интервалах времени, когда выпрямленное напряжение сети оказывается равным напряжению на конденсаторе (uc=ed), имеет место процесс заряда емкости конденсатора от ЭДС выпрямителя и его работа на нагрузку. Угол заряда конденсатора l2 определится как решение уравнения

.

Рис.2. Временные диаграммы выпрямленных ЭДС и тока

Приближенное решение данного уравнения определяет значение угла

, где .

Пульсации напряжения в звене постоянного тока

.

Максимальная величина пульсаций напряжения будет при отсутствии конденсатора (l2=l):

Если задать DU Подпишитесь на нашу рассылку: Подписаться

Источник

Правда о пяти мифах частотно-регулируемого привода

Независимо от того, насколько давно и каким образом, уже обыденные частотные преобразователи пришли в Вашу жизнь, где-то есть тот, кто впервые стукнулся с ЧРП или только рассматривает возможность их применения. Вспомните, когда вы впервые задумались о применении одного из современных частотных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией для двигателя переменного тока. Скорее всего, у вас, на тот момент, было не совсем верное представление об их возможностях и назначении. В этой статье мы рассмотрим и постараемся развеять пять распространенных мифов о частотно регулируемом приводе.

Частотный преобразователь

Рис. 1. Частотный преобразователь

Миф № 1: Выходной сигнал частотного преобразователя является синусоидальным

Людям, так или иначе связанные с эксплуатацией электродвигателей в, как правило, знакома работа асинхронных двигателей переменного тока с использованием пускателей. При пуске электродвигателя, пускатель замыкает контакты обмоток электродвигателя с фазами 3-х фазной питающей сети. Напряжение каждой фаза представляет собой синусоидальную волну. Приложенное напряжение создает на клеммах электродвигателя тоже синусоидальной формы с той же частотой (можно убедится проверкой напряжения на клеммах электродвигателя). Пока вроде всё просто и понятно.

А вот что происходит на выходе преобразователя частоты, это совсем другая история. Частотный преобразователь обычно выпрямляет входное трехфазное переменное в постоянное напряжение, которое фильтруется и аккумулируется при помощи больших конденсаторов звена постоянного тока. Напряжение звена постоянного тока затем инвертируется, для получения переменного напряжения, переменной частоты на выходе. Процесс инверсии осуществляется посредством трех изолированных биполярных транзисторов (IGBT) с двумя изолированными затворами — по одной паре на выходную фазу (см. Рис 2). Поскольку выпрямленное напряжение инвертируется в переменное, выходное звено называют «инвертором». Включение, выключение, а также длительность нахождения IGBT-транзисторов в положении ВКЛ или ВЫКЛ может управляться, что и определяет значение частоты выходного напряжения. Отношение выходного среднеквадратического напряжения к выходной частоте определяет магнитный поток, развиваемый в электродвигателе переменного тока. Когда выходная частота увеличивается, выходное напряжение также должно увеличиваться с той же скоростью, чтобы поддерживать постоянство отношения и, следовательно, постоянную скорость вращения двигателя. Обычно соотношение между напряжением и частотой поддерживается по линейному закону, что обеспечивает возможность поддержания постоянного крутящего момента.

Схема инвертора с IGBT транзисторами

Рис. 2. Схема инвертора с IGBT транзисторами

Результирующий сигнал напряжения, прикладываемый к обмотке двигателя, не является синусоидальным (см. Рис. 3). Обратите внимание, что иногда отношение напряжения по частоте (V / f) может быть отличным от линейного, что характерно для вентиляторов, насосов или центробежных нагрузок, которые не требуют постоянного крутящего момента, но обеспечивают тем самым возможность экономии электроэнергии.

Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Рис. 3. Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Как же отразится пилообразная форма питающего напряжения на работе электродвигателя. Асинхронный двигатель является по своей сути большой катушкой индуктивности. А характерной особенностью индукции является ее устойчивость к изменениям тока. Увеличивается или уменьшается сита ток, индукция будет выступать против этого изменения. Какое же это имеет отношение к форме сигнала напряжения ШИМ на рисунке 3? Вместо того, чтобы позволить импульсу тока увеличиваться в том же порядке, что и приложенный импульс напряжения, ток начнет медленно возрастать. Когда импульс напряжения закончился, ток плавно уменьшается, а не исчезает мгновенно. В общих чертах это происходит следующим образом: до момента, когда ток снизился до нуля, поступает следующий импульс напряжения, и ток начинает плавно увеличиваться. Если последующий импульс становятся шире, ток плавно достигает большего значения, чем раньше. В конце концов, текущий сигнал становится синусоидальным, хотя и с некоторыми зубчатыми переходами (см. Рис. 4).

Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Рис. 4. Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Однако не думайте, что вы можете подключить свой соленоид к фазам выходного напряжения ЧРП. Это всё же не совсем переменное напряжение.

Миф № 2: все частотные преобразователи одинаковы

В общем виде частотно-регулируемый привод сегодня является довольно зрелым продуктом. Большинство коммерчески доступных приводов содержат одни и те же базовые компоненты: мостовой выпрямитель, блок питания, конденсаторный блок постоянного тока и плата выходного инвертора. Разумеется, существуют различия в алгоритмах управления переключением транзисторов IGBT инвертора, надежности компонентов и эффективности схемы теплового рассеивания. Но основные компоненты остаются прежними.

Есть также исключения. Например, в некоторых ЧРП инвертер имеет три вывода. Такая схема позволяет выходным импульсам варьироваться от половинного до полного импульса сигнала напряжения (см. Рис. 5).

Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Рис. 5. Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Для достижения трехуровневого выходного сигнала звено инвертора должно иметь в два раза больше выходных переключателей, а также запирающих диодов (см. Рис. 6). Преимущества трехуровневой схемы заключается в уменьшении перенапряжения на двигателе из-за гармонических волн, снижении синфазных помех, а также снижении паразитных токов на валах и подшипниках.

Читайте также:  Что происходит с человеком при поражении электрическим током

Схема трехуровневого инвертора

Рис. 6. Схема трехуровневого инвертора

Матричный инвертор является еще более нетипичным типом ЧРП. Частотные преобразователи с матричными инверторами не имеют шины постоянного тока или мостового выпрямителя. Вместо этого они используют двунаправленные переключатели, которые могут подключать любое из входящих фазных напряжений к любой из трех выходных фаз (см. Рис. 7). Преимущество этой схемы заключается в том, что мощность может свободно протекать от сети к двигателю или от двигателя к сети для рекуперативного привода постоянного тока. Недостатком является то, что на входе необходима установка фильтра, для обеспечения дополнительной индуктивности и фильтрации формы ШИМ, чтобы исключить негативное влияние на питающую сеть.

Схема матричного ЧРП

Рис. 7. Схема матричного ЧРП

Кроме частотных преобразователей с трехуровневыми выходами и инверторами матричного типа существуют также и другие типы частотно-регулируемых приводов. Таким образом миф о том, что все частотные преобразователи одинаковые развеян.

Миф № 3: Частотный преобразователь компенсирует коэффициентом мощности.

Нередко можно увидеть, что производители частотных преобразователей заявляют значение коэффициента мощности, например, равным 0,98 или почти 1. Действительно коэффициент мощности несколько улучшается после установки ЧРП перед асинхронным двигателем. ЧРП компенсирует реактивную мощность за счет конденсаторного звена. Однако полностью компенсировать фазовый сдвиг преобразователь частоты не может.

Полный коэффициент мощности должен включать реактивную мощность, вызываемую гармониками, создаваемыми в звене постоянного тока. Причиной является работа диодного моста. Важно помнить, что диод работает только тогда, когда напряжение на стороне анода выше, чем напряжение на стороне катода (прямое смещение). Это означает, что диоды открыты только на пике каждой временной фазы как положительной, так и отрицательной частей синусоидальной волны. Это приводит к волнообразной форме волны. Это также приводит к искажению входного тока и прерыванию (см. Рис. 8).

Форма сигналов после выпрямителя

Рис. 8. Форма сигналов после выпрямителя

Чтобы вычислить истинный полный коэффициент мощности (PF), необходимо учесть эффекты гармоник. Следующее уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности:

уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности

где THD = суммарное гармоническое искажение

Для прерывистого сигнала входного тока в уравнении THD будет находиться в районе 100% или более. Подставляя это в уравнение, получаем истинный коэффициент мощности PF ближе к 0,71, по сравнению с заявленным 0,98, который не учитывает гармоники.

Но не всё так плохо. В настоящее время существует множество способов гармонические искажения, создаваемые в звене постоянного тока. Они используют как пассивные, так и активные методы подавления искажений входного сигнала. Так, например, вышеупомянутый матричный преобразователь частоты является примером активного метода подавления гармонических искажений.

Миф № 4: С частотным преобразователем Вы можете эксплуатировать двигатель на любой скорости.

Особенность применения частотных преобразователей заключается, что они могут изменять как напряжение, так и частоту выходного сигнала. Благодаря возможности обеспечения требуемой скорости вращения электродвигателя ЧРП нашли широкое применение во всех сферах экономики и всех отраслях промышленности ЧРП может легко выдавать сигнал любой частоту в пределах предусмотренного изготовителем диапазона регулирования. Однако необходимо учитывать, что частотный преобразователь работает в составе электродвигателя в реальных условиях. Технологические требования, такие как необходимый крутящий момент, охлаждение, требуемая мощность так или иначе ограничивают фактический диапазон регулирования преобразователя частоты.

Ограничение № 1. С точки зрения охлаждения электродвигателя, низкая скорость вращения — это не очень хорошая идея. В частности, полностью закрытые вентиляторные (TEFC) двигатели имеют охлаждаются только за счет внутреннего вентилятора, который вращается вместе с валом двигателя. Чем медленнее скорость вращения двигатель, тем меньше поток воздуха и тем хуже охлаждение. Закрытые двигатели обычно не рекомендуются эксплуатировать с частотой ниже 15 Гц (диапазон скоростей 4:1).

Ограничение № 2: Электродвигатели имеют определенные ограничения диапазона скоростей, связанные с механическими и динамическими ограничениями нагрузок вращающихся частей. Обычно эта скорость называется максимальной безопасной частотой вращения. Данная характеристика не всегда указывается на шильдике мотора.

Ограничение № 3: При достижении максимальной частоты вращения крутящий момент двигателя может снижаться. Это ограничение скорости связано с ограничением мощности, которое включает в себя скорость вращения и крутящий момент. Если быть еще точнее, что будет снижаться напряжения ЧРП. Обратите внимание, что вращение двигателя также генерирует собственное напряжение, называемое обратной электродвижущей силой (ЭДС), которое увеличивается со скоростью. Обратная ЭДС создается двигателем, чтобы противостоять приложенному напряжению от ПЧ. На более высоких скоростях ПЧ должен подавать еще большее напряжения, чтобы преодолеть обратную ЭДС, и ток мог протекать по обмоткам двигателя, создавая крутящий момент. После определенного максимального значения преобразователь частоты не может преодолеть обратную ЭДС электродвигателя, и, следовательно, крутящий момент двигателя уменьшается, что, в свою очередь, снижает скорость. Снижение скорости опять приводит к более низкой обратной ЭДС, которая, в свою очередь, позволяет протекать току в двигатель снова. Существует точка равновесия, в которой двигатель достигает максимальной скорости при максимальном крутящем моменте.

Как упоминалось выше ЧРП может создавать крутящий момент на двигателе, сохраняя постоянство отношения V/f (см. Рис. 9).

График зависимости напряжения от частоты

Рис. 9. График зависимости напряжения от частоты

Когда частота выходного сигнала увеличивается, напряжение увеличивается линейно. Проблема возникает, когда частота превышает номинальную частоту двигателя. Помимо номинальной частоты, не может увеличиваться выходное напряжение, что соответственно приводит к уменьшению отношения V / f. Отношение V / f является мерой напряженности магнитного поля в двигателе и влияет на его крутящий момент. Следовательно, способность мотора создавать номинальный крутящий момент при частоте выше номинальной должна уменьшаться со скоростью 1 / частота, при этом произведение крутящего момента и частоты, равное мощности, является постоянным. Область работы над номинальной частотой называется постоянным диапазоном мощности, а работа на скоростях ниже номинальной — диапазоном постоянного крутящего момента (см. Рис. 10).

Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты

Рис. 10. Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты

Миф № 5: Входной ток преобразователя частоты выше выходного тока

Возможно, это не миф, а недоразумение. Некоторые пользователи ПЧ измеряют значение выходного и входного тока с помощью измерительного инструмента или с помощью мониторов ПЧ и обнаруживают, что входной ток намного ниже выходного. Это похоже не согласуется с идеей о том, что частотный преобразователь должен иметь некоторые потери и поэтому вход всегда должен быть немного выше, чем выход. Концепция правильная, но она учитывает мощность, а не ток, который следует учитывать:

Входное напряжение всегда находится под напряжением переменного тока. Выходное напряжение изменяется со скоростью по образцу V / f. На самом деле компоненты уравнения немного сложнее. Но ключом к пониманию данного процесса является знание того, что асинхронный двигатель имеет два токовых компонента: один отвечает за создание магнитного поля в двигателе, которое необходимо для вращения двигателя; а второй — ток, создающий крутящий момент, который, как следует из названия, отвечает за создание крутящего момента.

Привод потребляет входной ток, пропорциональный активному крутящему моменту двигателя. Ток, необходимый для создания магнитного поля, обычно не изменяется со скоростью и обеспечивается основными конденсаторами звена постоянного тока, которые заряжаются при включении питания ПЧ. При малых значения крутящего момента выходной ток может быть намного выше, чем входной, поскольку входной ток отражает только составляющую, создающую крутящий момент плюс некоторые гармоники, но не включает ток намагничивания. Ток намагничивания циркулирует между конденсаторами шины постоянного тока и двигателем. Даже при полной нагрузке входной ток обычно будет ниже, чем ток двигателя, поскольку на входе по-прежнему нет составляющей тока намагничивания.

Помните, что в уравнении мы сравниваем входную и выходную мощности. Например, рассмотрим полностью нагруженный двигатель, вращающийся на низких оборотах. Входное напряжение номинальное, а выходное напряжение будет низким из-за низкой скорости вращения. Выходной ток в данном случае будет высокий из-за полной нагрузки на двигатель. А чтобы сбалансировать уравнение мощности, входной ток должен быть ниже выходного тока.

Узнать подробную информацию о частотных преобразователях, ознакомиться с производственной линейкой YASKAWA Вы можете у ООО «КоСПа».

Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA.

Источник

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

Преобразователи частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока имеют в своем составе выпрямитель и инвертор. Выпрямитель преобразует электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, а инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Очевидным достоинством ПЧ со звеном постоянного тока является независимость частоты выходного напряжения на выходе ПЧ от частоты питающей сети.

Рисунок 46. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором напряжения

Рисунок 47. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором тока

ПЧ со звеном постоянного тока могут выполняться по схеме с инвертором напряжения (рисунок 46) и с инвертором тока (рисунок 47). Регулирование частоты выходного напряжения ПЧ осуществляется путем изменения частоты переключения полупроводниковых ключей (транзисторов или полностью управляемых тиристоров) автономного инвертора. Величина выходного напряжения в этих схемах может регулироваться путем регулирования величины выходного напряжения управляемого выпрямителя (этот способ называется амплитудным способом).

В настоящее время в большей мере находит применение широтно – импульсный метод регулирования выходного напряжения инвертора, реализуемый путем применения соответствующего алгоритма управления вентилями автономного инвертора. Выпрямитель в этом случае выполняется неуправляемым.

Следует напомнить, что расчетные соотношения, устанавливающие связь между напряжением цепи постоянного тока инвертора напряжения и напряжением переменного тока на выходе инвертора приведены в разделе «инверторы напряжения».

Для обеспечения генераторного режима работы нагрузки ПЧ (электрической машины) необходимо обеспечить перевод управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. Поскольку тиристоры управляемого выпрямителя обладают односторонней проводимостью, в режиме инвертирования необходимо изменить полярность напряжения в цепи постоянного тока ПЧ. Схема ПЧ с инвертором напряжения (рисунок 46) содержит в цепи постоянного тока L-C сглаживающий фильтр. Поскольку полярность напряжения на конденсаторе фильтра изменять нельзя, управляемый выпрямитель в этой схеме ПЧ не может быть переведен в режим инвертирования.

Читайте также:  Стоимость оптических трансформаторов тока

ПЧ с инвертором тока содержит в цепи постоянного тока индуктивный фильтр, поэтому в этой схеме ПЧ нет никаких препятствий для перевода управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования.

Как уже было показано выше, из-за наличия во входной цепи инвертора дросселя со значительной индуктивностью пульсации входного тока пренебрежимо малы. Полупроводниковые ключи автономного инвертора, поочередно переключаясь, распределяют входной ток по фазам нагрузки. Ток каждой фазы нагрузки имеет прямоугольно- ступенчатую форму, причем форма тока не зависит от нагрузки и ее характера. Таким образом действующее значение тока нагрузки можно определить по известному (из раздела «выпрямители») соотношению

а первая гармоника этого тока

Напряжение на выходе автономного инвертора тока и его форма определяются нагрузкой и ее характером. Действующее значение первой гармоники напряжения фазы нагрузки можно определить из условия баланса мощностей, потребляемого инвертором и нагрузки. При пренебрежении потерями мощности на элементах схемы можно записать

Uф(1) и Iф(1)— действующие значения первых гармоник напряжения и тока нагрузки;

φнг(1)— угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока нагрузки.

Из (115) с учетом (114) получим

Таким образом, напряжение на нагрузке при постоянстве напряжения источника питания не сохраняется постоянным, а изменяется приблизительно обратно пропорционально коэффициенту мощности нагрузки. Если нагрузкой преобразователя является асинхронный двигатель, то изменение момента нагрузки на ее валу приводит к существенному изменению напряжения на ее обмотке статора, что в большинстве случаев недопустимо, поэтому в практических схемах преобразователей частоты с автономным инвертором тока необходимо использовать различные обратные связи для стабилизации напряжения на двигателе или регулирования его величины по заданному закону с целью обеспечения необходимого магнитного потока машины.

ПЧ с инвертором тока мощностью более 30-40 кВт на практике не нашли широкого применения из-за необходимости установки в цепи постоянного тока дросселя с очень большой индуктивностью, что существенно увеличивает не только объем преобразователя, но и его стоимость.

Для электроприводов переменного тока, у которых случаи рекуперации электрической энергии в питающую сеть достаточно редки, возможно применение схемы ПЧ, приведенной на рисунке 48. В этой схеме энергия нагрузки, рекуперируемая в цепь постоянного тока, рассеивается на балластном сопротивлении Rб при включении транзистора VT. Транзистор VT, который часто называют чопером, включается сигналом системы управления в том случае, когда напряжение на конденсаторе фильтра С повышается выше заранее установленного предела. В свою очередь повышение напряжения на конденсаторе С происходит при переходе нагрузки в генераторный режим. Совершенно очевидно, что при частых переходах электропривода в генераторный режим, мощность, рассеиваемая на балластном сопротивлении, существенно возрастает, а КПД установки в целом уменьшается. Невзирая на этот факт, можно найти примеры реализации этой схемы при мощности нагрузки до единиц меговатт.

Рисунок 48. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в цепь чоппера

Универсальной схемой для электроприводов большой мощности является схема ПЧ, приведенная на рисунке 45, которая содержит в своем составе кроме управляемого выпрямителя, инвертора напряжения, моста вентилей обратного тока еще и зависимый инвертор, вход которого подключен к выходу моста вентилей обратного тока, а выход – к сети переменного тока, питающей управляемый выпрямитель. Эта схема ПЧ позволяет обеспечить работу электропривода во всех четырех квадрантах механической характеристики, охватывающих двигательный и генераторный режимы работы электрической машины, как при отстающем, так и при опережающем характере тока нагрузки. Эта схема наиболее предпочтительна для электроприводов с частыми пусками, торможениями и реверсами. Примером такого электропривода может быть электропривод грузоподъемных механизмов — строительных кранов, портальных кранов и так далее.

Расчетные соотношения, необходимые для выбора элементов преобразователя частоты, выполненного по этой схеме, приведены в разделах «выпрямители», «зависимые инверторы», «сглаживающие фильтры» и «инверторы напряжения».

Рисунок 49. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в питающую сеть через зависимый инвертор

Число каскадов силовой схемы преобразователя частоты со звеном постоянного тока, способного рекуперировать электрическую энергию в питающую сеть может быть сокращено, если на входе преобразователя частоты установить активный выпрямитель. Схема будет иметь вид, приведенный на рисунке 46, но вместо управляемого выпрямителя должен стоять активный выпрямитель, а инвертор напряжения должен работать в режиме широтно- импульсной модуляции выходного напряжения и регулировать величину и частоты выходного напряжения. Перевод активного выпрямителя из режима выпрямления в режим инвертирования происходит практически автоматически при увеличении напряжения цепи постоянного тока преобразователя выше той величины, которая получается при выпрямлении напряжения сети переменного тока, питающей преобразователь, диодами обратного тока, включенными параллельно каждому транзистору активного выпрямителя.

Это напряжение цепи постоянного (Ud) легко определить, если известно номинальное значение напряжения фазы питающей сети (Uф с) и определена схема выпрямителя, а именно: ее коэффициент преобразования схемы (kсх). Действительно,

Источник

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Принцип действия и основные характеристики

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Принцип действия и основные характеристики

Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, построенные по схеме выпрямитель — автономный инвертор. Принцип работы и области применения таких преобразователей частоты зависят от типа используемого выпрямителя и автономного инвертора (инвертор напряжения или инвертор тока).

Существует несколько различных схем выпрямителей. По принципу действия они могут быть разделены на три группы: управляемые, полууправляемые и неуправляемые. Схемотехнически все выпрямители строятся по трехфазной мостовой схеме.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока (выпрямительно-инверторные).В этом преобразователе переменное напряжение U1, f1, m1 питающей сети выпрямляется с помощью выпрямителя В, фильтруется фильтром Ф и инвертируется автономным инвертором АИ в выходное напряжение U2, имеющее частоту f2и количество фаз m2. Регулирование частоты выходного напряжения осуществляется инвертором, а величины – управляемым выпрямителем. Иногда обе функции выполняет инвертор, а выпрямитель используется неуправляемый. Управление выпрямителем осуществляется системой управления выпрямителя – СУВ, а инвертора – СУИ.

Данный тип преобразователей частоты проще, чем НПЧ и позволяет регулировать выходную частоту f2 в широком диапазоне как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Недостатком выпрямительно-инверторных преобразователей частоты является двойное преобразование энергии, что ухудшает их КПД и приводит к увеличению массы и габаритов.

Важнейшим элементом преобразователей частоты со звеном постоянного тока является автономный инвертор. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет источника переменной ЭДС. Поэтому автономный инвертор принципиально нуждается в полностью управляемых вентилях, выполняющих роль ключей, коммутирующих фазы нагрузки к источнику постоянного напряжения.

Кроме 180° управления вентилями инвертора распространено также 120° управление, что при соединении нагрузки в звезду обеспечивает прямоугольную форму напряжения на нагрузке, а при соединении нагрузки треугольником – двухступенчатую, как для 180° управления.

4. Области применения статических преобразователей в электроэнергетике и промышленности.

Основными областями применения статических преобразователей частоты являются:

— вентильный электропривод переменного тока,

— Выпрямительные электролитные установки,

Такие печи мощностью от 90 до 2500 кВּА с повышенной частотой (500, 1000 и 2400 Гц), тиристорные преобразователи частоты широко применяются для индукционной поверхностной закалки изделий из стали и чугуна. В этих установках используются преобразователи частоты типа ТПЧ мощностью 100-3200 кВт и частотой 0,15-8 кГц. Напряжение питания преобразователей 0,38; 0,66; 6;10 кВ. Машинно-вентильные системы типа ПС-ПЧ: переменная скорость вращения, постоянная частота генерируемого переменного тока. Такие системы преобразуют первичную электроэнергию электромашинного генератора, вращаемого с переменной скоростью от вала отбора мощности ходового двигателя транспортного средства или от турбины, работающей в потоке воды или воздуха.

Достоинствами систем типа ПС-ПЧ являются высокие энергетические показатели, хорошее качество выходного напряжения в установившихся и переходных режимах, экономичность построения источников электропитания за счет упрощения конструкций турбин, исключение устройств стабилизации частоты вращении генератора.

Динамические характеристики силовых полупроводниковых приборов. Быстродействие тиристорного коммутатора переменного тока с естественной и искусственной коммутацией.

Различают естественную и искусственную (принудительную) коммутацию. При естественной коммутации ток с одного рабочего тиристора на другой переходит под действием напряжения сети переменного тока, от которой или на которую дан­ный вентильный преобразователь работает (выпрямители, ведо­мые сетью инверторы, непосредственные преобразователи частоты, реверсивные преобразователи постоянного тока).

При искусственной коммутации прерывание тока рабочего ти­ристора осуществляется с помощью вспомогательного (не отно­сящегося к сети) источника энергии постоянного (импульсного) тока или предварительно заряженных конденсаторов, принадлежа­щих вентильному преобразователю. Если комму­тация происходит между двумя рабочими тиристорами, то ее на­зывают прямой (одноступенчатой) коммутация же между рабочим и вспомогательным тиристорами является не пря­мой (двухступенчатой) Теристор имеет время включения порядка десятков микросекунд. Время вклбчения тиристора с естественной коммутацией определяетса в основном частотой сети и составляет велечену порядка половины его периуда. Искусственная коммутация позволяет уменьшить время выключения СПП

ВАХ силового тиристора и потери мощности в статич. Режиме. Условия естественной коммутации полупроводниковых диодов и однооперационных тиристоров. Принцип принудительного запирания вентилей – искусственная коммутация.

Тиристор – это прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями равновесия: состоянием с низкой проводимостью и состоянием с высокой проводимостью. Переход из одного состояния равновесия в другое обусловлен действием внешних факторов: напряжения, света, температуры.

Вольт-амперная характеристика управляемого вентиля — тиристора.

Рис. Вольт – амперная характеристика тиристора

При отсутствии тока управления iу =0, тиристор закрыт для напряжения любой полярности, если его величина не превосходит напряжение переключения Uпер. Обычно величина Uпер соответствует классу прибора по напряжению. В этом состоянии через тиристор протекают только прямой и обратный токи утечки.

При подаче на управляющий электрод тиристора тока управления достаточной величины, прямая ветвь ВАХ тиристора спрямляется и приобретает диодный вид. Ток управления в этом случае называется током управления спрямления. Как правило, тиристор используется как управляемый бесконтактный ключ, состояние которого определяется наличием или отсутствием управляющего сигнала. Выключается однооперационный тиристор только по цепи силовых электродов, когда его прямой ток станет меньше тока удержания Iуд. При работе в сети переменного тока тиристор выключается в момент перехода кривой его тока через нулевое значение. В этом случае коммутация тиристора называется естественной. В других случаях, называется искусственной.

Читайте также:  Что такое ток холостого хода усилителя

Мощность потерь. выделяющаяся в полупроводниковой структуре прибора, при прохождении по нему тока можно представить в виде суммы основных DР и дополнительных потерь DРдоп

DРå = DР + DРдопПри работе приборов на частоте, меньшей 400 Гц, мощность основных потерь является определяющей и дополнительными потерями пренебрегают. При больших частотах необходимо учитывать дополнительные потери, возникающие от обратного тока и от токов при включении и выключении прибора.

Мощность основных потерь определяется интегральными значениями прямого тока, протекающего через вентиль:

DР=UIср + Iд 2 Rд, где Iср , Iд— среднее и действующее значение токов вентиля. Для упрощения расчетов используется коэффициент формы kф= Iд / Iср, который для известной формы тока вентиля позволяет легко определить действующее значение тока по известному среднему.

Таким образом, на частотах до 400 Гц расчет основных потерь в тиристоре можно производить по той же схеме замещения, что и для диода. Для больших частот следует учитывать и дополнительные потери, которые для тиристора включают потери от прямого тока утечки, потери в цепи управления, а так же дополнительные потери, учитываемые для неуправляемого вентиля.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Принцип действия и основные характеристики

Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, построенные по схеме выпрямитель — автономный инвертор. Принцип работы и области применения таких преобразователей частоты зависят от типа используемого выпрямителя и автономного инвертора (инвертор напряжения или инвертор тока).

Существует несколько различных схем выпрямителей. По принципу действия они могут быть разделены на три группы: управляемые, полууправляемые и неуправляемые. Схемотехнически все выпрямители строятся по трехфазной мостовой схеме.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока (выпрямительно-инверторные).В этом преобразователе переменное напряжение U1, f1, m1 питающей сети выпрямляется с помощью выпрямителя В, фильтруется фильтром Ф и инвертируется автономным инвертором АИ в выходное напряжение U2, имеющее частоту f2и количество фаз m2. Регулирование частоты выходного напряжения осуществляется инвертором, а величины – управляемым выпрямителем. Иногда обе функции выполняет инвертор, а выпрямитель используется неуправляемый. Управление выпрямителем осуществляется системой управления выпрямителя – СУВ, а инвертора – СУИ.

Данный тип преобразователей частоты проще, чем НПЧ и позволяет регулировать выходную частоту f2 в широком диапазоне как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Недостатком выпрямительно-инверторных преобразователей частоты является двойное преобразование энергии, что ухудшает их КПД и приводит к увеличению массы и габаритов.

Важнейшим элементом преобразователей частоты со звеном постоянного тока является автономный инвертор. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет источника переменной ЭДС. Поэтому автономный инвертор принципиально нуждается в полностью управляемых вентилях, выполняющих роль ключей, коммутирующих фазы нагрузки к источнику постоянного напряжения.

Кроме 180° управления вентилями инвертора распространено также 120° управление, что при соединении нагрузки в звезду обеспечивает прямоугольную форму напряжения на нагрузке, а при соединении нагрузки треугольником – двухступенчатую, как для 180° управления.

4. Области применения статических преобразователей в электроэнергетике и промышленности.

Основными областями применения статических преобразователей частоты являются:

— вентильный электропривод переменного тока,

— Выпрямительные электролитные установки,

Такие печи мощностью от 90 до 2500 кВּА с повышенной частотой (500, 1000 и 2400 Гц), тиристорные преобразователи частоты широко применяются для индукционной поверхностной закалки изделий из стали и чугуна. В этих установках используются преобразователи частоты типа ТПЧ мощностью 100-3200 кВт и частотой 0,15-8 кГц. Напряжение питания преобразователей 0,38; 0,66; 6;10 кВ. Машинно-вентильные системы типа ПС-ПЧ: переменная скорость вращения, постоянная частота генерируемого переменного тока. Такие системы преобразуют первичную электроэнергию электромашинного генератора, вращаемого с переменной скоростью от вала отбора мощности ходового двигателя транспортного средства или от турбины, работающей в потоке воды или воздуха.

Достоинствами систем типа ПС-ПЧ являются высокие энергетические показатели, хорошее качество выходного напряжения в установившихся и переходных режимах, экономичность построения источников электропитания за счет упрощения конструкций турбин, исключение устройств стабилизации частоты вращении генератора.

Источник



ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы преобразователей частоты со звеном постоянного тока.

2. Исследовать работу преобразователя частоты со звеном постоянного тока при двигательной нагрузке.

3. Исследовать работу преобразователя частоты со звеном постоянного тока при генераторной нагрузке.

Краткие теоретические сведения [3].

Преобразователи частоты (ПЧ) преобразуют электрическую энергию переменного тока одной частоты в электрическую энергию переменного тока другой частоты. Причем выходная частота преобразователя может быть регулируемая или стабилизирована. Преобразователи с регулируемой выходной частотой применяются в электроприводах переменного тока, а преобразователи со стабилизированной выходной частотой – в технологических установках, в источниках питания, включая и источники бесперебойного питания.

Таким образом, область применения преобразователей частоты весьма широка, а мощности этих преобразователей от десятков Ватт до нескольких мегаватт.

К преобразователям частоты, предназначенным для частотного управления электроприводами, предъявляются следующие основные требования:

независимое регулирование величины и частоты выходного напряжения;

возможность двухстороннего обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью;

устойчивость протекания динамических режимов частотного управления электропривода;

быстродействующая защита и эффективная диагностика;

достаточно высокий коэффициент полезного действия;

высокая симметрия фазных напряжений и токов;

отсутствие постоянных составляющих и субгармоник в преобразованных напряжениях и токах;

минимальные искажения напряжения питающей сети, низкий уровень радиопомех и шума;

возможность форсировать кратковременные перегрузки по току и напряжению для форсирования переходных процессов двигателя;

поддержание с требуемой точностью значений частоты, напряжения (тока) в установившихся режимах работы электропривода.

По принципу работы преобразователи частоты разделяются на преобразователи частоты со звеном постоянного тока и преобразователи частоты без звена постоянного тока (или преобразователи частоты с непосредственной связью цепей нагрузки и питающей сети). Можно отметить, что преобразователи частоты со звеном постоянного тока имеют несколько каскадов преобразования электрической энергии, что влечет за собой увеличение потерь мощности и снижение КПД. Преобразователи частоты без звена постоянного тока имеют только один каскад преобразования электрической энергии, поэтому их КПД выше, чем у преобразователей частоты со звеном постоянного тока.

На лабораторном стенде НТЦ-25 можно провести исследование преобразователя частоты со звеном постоянного тока, поэтому далее рассмотрим работу этого преобразователя.

ПЧ со звеном постоянного тока имеют в своем составе выпрямитель и инвертор. Выпрямитель преобразует электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, а инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Очевидным достоинством ПЧ со звеном постоянного тока является независимость частоты выходного напряжения на выходе ПЧ от частоты питающей сети.

Рис. 11.1. ПЧ с управляемым выпрямителем и инвертором напряжения

ПЧ со звеном постоянного тока могут выполняться по схеме с инвертором напряжения (рис.11.1) или инвертором тока. Регулирование частоты выходного напряжения ПЧ осуществляется путем изменения частоты переключения полупроводниковых ключей (транзисторов или полностью управляемых тиристоров) автономного инвертора. Величина выходного напряжения в этих схемах может регулироваться путем регулирования величины выходного напряжения управляемого выпрямителя (этот способ называется амплитудным способом).

В настоящее время в большей мере находит применение широтно – импульсный метод регулирования выходного напряжения инвертора, реализуемый путем применения соответствующего алгоритма управления вентилями автономного инвертора. Выпрямитель в этом случае выполняется неуправляемым. Описание работы инвертора напряжения с широтно – импульсной модуляцией приведено в разделе «Краткие теоретические сведения» лабораторной работы «Исследование инвертора напряжения».

Там же приведены расчетные соотношения, устанавливающие связь между напряжением цепи постоянного тока инвертора напряжения и напряжением переменного тока на выходе инвертора.

Действующее значение линейного выходного напряжения ИН с синусоидальной ШИМ

где Uп среднее значение напряжения на входе инвертора;

μ – коэффициент модуляции

В ПЧ со звеном постоянного тока при генераторном режиме работы асинхронной машины необходимо обеспечить перевод управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. Поскольку тиристоры управляемого выпрямителя обладают односторонней проводимостью, в режиме инвертирования необходимо изменить полярность напряжения в цепи постоянного тока ПЧ. Схема ПЧ с инвертором напряжения (рис. 11.1) содержит в цепи постоянного тока L-C сглаживающий фильтр. Поскольку полярность напряжения на конденсаторе фильтра изменять нельзя, управляемый выпрямитель в этой схеме ПЧ не может быть переведен в режим инвертирования.

Для электроприводов переменного тока, у которых случаи рекуперации электрической энергии в питающую сеть достаточно редки, возможно применение схемы ПЧ, приведенной на рис. 11.2. В этой схеме энергия нагрузки, рекуперируемая в цепь постоянного тока, рассеивается на балластном сопротивлении Rб при включении транзистора VT. Транзистор VT, который часто называют чоппером, включается сигналом системы управления в том случае, когда напряжение на конденсаторе фильтра С повышается выше заранее установленного предела. Повышение напряжения на конденсаторе С происходит при переходе нагрузки в генераторный режим. Совершенно очевидно, что при частых переходах электропривода в генераторный режим, мощность, рассеиваемая на балластном сопротивлении, существенно возрастает, а КПД ПЧ в целом уменьшается. Невзирая на этот факт, можно найти примеры реализации этой схемы при мощности нагрузки до единиц меговатт.

При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя) возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть найдена по следующей формуле [3]:

где Δt – интервал времени, в течение которого ток цепи постоянного тока id направлен от инвертора к источнику;

ΔUc допустимое перенапряжение на конденсаторе

Рис. 11.2. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической энергии в цепь чоппера

Решая уравнение (11.2), получим формулу для расчета величины емкости компенсирующего конденсатора:

Источник