Схема преобразователя с непосредственной связью представлена на рисунке 9.1. По этой схеме напряжение трехфазной сети и с неизменной частотой f1 преобразуется в напряжение однофазной сети с переменной частотой f2,т. е. изменяется не только частота, но и число фаз.
От трехфазной сети можно получить однофазный ток переменной частоты, и, наоборот, от однофазной сети – трехфазный ток. Обычно преобразователи частоты питаются от трехфазной сети, при этом улучшается форма кривой вторичного напряжения.
Преобразователь с непосредственной связью представляет собой управляемый выпрямитель, имеющий два комплекта тиристоров. Выходное напряжение формируется за счет последовательной коммутации тиристоров, присоединенных к различным фазам первичной сети. Положительная полуволна формируется за счет тиристоров группы К(катодная группа), а отрицательная – за счет тиристоров группы А(анодная группа). Форма вторичного напряжения представлена на рисунке 9. 2.
Рисунок 9.2 – Формирование выходного напряжения НПЧ
Как и в реверсивных преобразователях постоянного тока, управление тиристорами катодной и анодной группы может быть совместным и раздельным. При совместном управлении для ограничения уравнительных токов необходимы реакторы, которые усложняют установку. Поэтому обычно используется раздельное управление, и при переключении с одной группы тиристоров на другую вводится небольшая (примерно 0,1 мс) бестоковая пауза. Для регулирования напряжения используются те же тиристоры. При увеличении угла регулирования соответствующий тиристор включается несколько позже, и среднее напряжение снижается. Изменением углов регулирования последовательно включаемых тиристоров может быть обеспечено и формирование кривой напряжения, в большей степени приближающейся к синусоидальной.
Схема для преобразования трехфазного напряжения сети в трехфазное переменной частоты представлена на рисунке 9. 3. Как видно, существенный недостаток НПЧ – большое число тиристоров (в данном случае 18).
Сформированная кривая напряжения представлена на рисунке 9.3. При активно-индуктивной нагрузке, и в частности, при питании электродвигателя, в некотором интервале (при изменении знака напряжения) тиристоры переводятся в инверторный режим.
Регулирование частоты в системах с НПЧ может осуществляться только в зоне низких частот. Поскольку кривая вторичного напряжения формируется из отрезков синусоид первичного напряжения, то максимальная частота не может быть поднята выше уровня, равного половине частоты питающей сети. При питании преобразователя от сети 50 Гц частота может регулироваться только в зоне от 20 Гц до 0.
Рисунок 9.3 – Схема НПЧ для преобразования трехфазного напряжения
сети в трехфазное переменной частоты
Рисунок 9.4 – Напряжение на входе и выходе НПЧ
9.2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока.
Более широкий диапазон регулирования частоты и соответственно частоты вращения двигателя обеспечивают преобразователем со звеном постоянного тока, структурная схема которого представлены на рисунке 9.5 и 9.6. Схема содержит два независимых канала управления по частоте и напряжению. Вместо управляемого выпрямителя может использоваться широтно-импульсный преобразователь. Выходное напряжение может также регулироваться за счет изменения угла управления тиристорами в инверторе. В этом случае существенно усложняется схема управления, однако отпадает необходимость в управляемом выпрямителе, вместо которого может быть включен неуправляемый выпрямитель с постоянным напряжением.
Автономный инвертор обычно представляет собой инвертор напряжения. В инверторах для установок средней и большой мощности используются как тиристоры, так и транзисторы.
Так как функционирование инвертора на транзисторах проще, то рассмотрим сначала этот тип инвертора. Схема его в однофазном исполнении представлена на рисунке 11.7.
Рисунок 9.5 – Преобразователь частоты со звеном постоянного тока:
РН, РЧ – регуляторы напряжения и частоты;
УВ – управляемый выпрямитель; Ф – фильтр; И – инвертор
Рисунок 9.6 – Структурная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока
По команде от задающего устройства транзисторные ключи VT1, VT4 и VT2, VT3 попарно поочередно включаются. При этом на выходе преобразователя получаем напряжение прямоугольной формы. При индуктивной нагрузке форма кривой тока имеет вид, представленный на рисунке 9.7. Для пропуска запасенной электромагнитной энергии после отключения соответствующего тиристора в схеме используются диоды VD1-VD4. Кривые токов, протекающих через них, показаны на том же рисунке 9.7.
Рисунок 9.7 – Однофазный инвертор на транзисторах
а)
Рисунок 9.8 –Ток на выходе инвертора
Кривая выходного напряжения, естественно, имеет искаженный вид, существенно отличающийся от синусоиды. Однако гармонический состав напряжения в преобразователе со звеном постоянного тока значительно лучше, чем в НПЧ. Для формирования трехфазного напряжения, естественно, необходимо иметь три однофазных инвертора.
На рисунке 9.9 представлена структурная схема преобразователя частоты со звеном повышенной частоты. Управляемый инвертор обеспечивает высокую частоту напряжения. При применении трансформатора для повышения напряжения высокая частота позволяет уменьшить массогабаритные размеры трансформатора.
