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 U ₁, f ₁, m ₁ питающей сети выпрямляется с помощью выпрямителя В, фильтруется фильтром Ф и инвертируется автономным инвертором АИ в выходное напряжение U ₂, имеющее частоту f ₂и количество фаз m ₂. 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 f ₂ 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,

- асинхронные двигатели

- Выпрямительные электролитные установки,

- Сварочные трансформаторы,

- Электродуговые печи,

- Индукционные печи

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 i _у =0, тиристор закрыт для напряжения любой полярности, если его величина не превосходит напряжение переключения U _пер. Обычно величина U _пер 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 I _уд. 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.

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

D Р _å = D Р + D Р _допПри 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:

D Р=U ₀ I _ср + I _д² R _д, где I _ср, I _д- среднее и действующее значение токов вентиля. Для упрощения расчетов используется коэффициент формы k _ф = I _д / I _ср, 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 U ₁, f ₁, m ₁ питающей сети выпрямляется с помощью выпрямителя В, фильтруется фильтром Ф и инвертируется автономным инвертором АИ в выходное напряжение U ₂, имеющее частоту f ₂и количество фаз m ₂. 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 f ₂ 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,

- асинхронные двигатели

- Выпрямительные электролитные установки,

- Сварочные трансформаторы,

- Электродуговые печи,

- Индукционные печи

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.