ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Преобразователи напряжения частоты сети непосред­ственно в напряжение регулируемой частоты, без проме­жуточной цепи постоянного тока, называют непосредствен­ными преобразователями частоты (НПЧ), а в зарубежной литературе циклоконверторами. Непосредственный преобразователь частоты впервые <3ыл предложен Завалишиным в 1939 г. [22] по схеме рис. 3.2,а. В то время эта первая схема не привлекла в себе должного внимания из-за большого числа вентилей, но создание малогабаритных полупроводниковых вентилей я разработка новых схем открыли НПЧ дорогу для прак­тического применения.

Принцип действия и электромагнитные процессы НПЧ проще всего попять, отправляясь от реверсивного четырех­квадратного преобразователя.

Реверсивный преобразователь с двумя УВК может вы­полнять функции преобразователя частоты напряжения пи­тающей его сети не только в постоянное напряжение, т. е. напряжения нулевой частоты, но и в переменное напряжение другой частоты, меньшей чем напряжение сети. Для этого достаточно изменять по соот­ветствующему закону сигнал, управляющий преобразовате­лем. На рис. 3.26 показана упрощенная схема НПЧ, на ко­торой УВ показаны генераторами, соединенными последо­вательно с вентилями. Полезная составляющая выходного - напряжения даст однофазное напряжение, и для получе­ния трехфазного напряжения потребуется три реверсивных четырехквадрантных преобразователя и три трехфазных мостовых УВК—36 вентилей.

Сдвиг тока относительно напряжения при питании ин­дуктивно-резистивной нагрузки обеспечивается использова­нием инверторного режима.

При активной нагрузке (ср—0) оба УВК проводят ток поочередно в выпрямительном режиме в течение одного полупериода каждый. Непроводящий УВК находится в со­стоянии, подготовленном для инверторного режима.

При индуктивно-активной нагрузке с фазой <p=arctg <^-=

= 60°, в каждом нолупериоде протекания тока в одном направлении, соответствующий коммутатор 120° работает в выпрямительном режиме, доставляя энергию в цепь на­грузки, а в остающиеся 60° этого полупериода — в инвер­торном режиме, возвращая энергию в сеть. В результате синусоида полезного напряжения на выходных зажимах преобразователя опережает ток на 60°.

При емкостной нагрузке с фазой <р=60°, в течение первых 60° полуволны тока нагрузки, соответствующий комму­татор работает в инверторном режиме, а остальные 120°— в выпрямнтельном режиме.

Предельный случай сдвига фаз на 180° соответствует чисто рекуперативному режиму, при котором нагрузка не­прерывно доставляет энергию в сеть, а оба УВК, каждый в своей полуволне тока, работают только в инверторном режиме.

Таким образом, НПЧ может передавать энергию в обо­их направлениях.

для индуктивной нагрузки с фазо­вым углом 60° и для выходной частоты 1 /6 входной. Пунк­тиром показана полезная составляющая напряжения: вы­ше— полного напряжения, ниже — его половины. Под кри­выми напряжения показан ток. Указаны также режимы работы УВКі и У В Кг.

Форма полезной составляющей выходного напряжения НПЧ может быть близка к синусоидальной:

U°=*Uт COS (vt + lj)) (3.26)

при выполнении определенных требований к СИФУ и к форме сигнала управления x{t). Эти требования удов­
летворяются в типичном случае синхронной СИФУ с ку-> сочно-косинусоидальным опорным напряжением, в п-Ц интервале (см. 3.1):

иопп = ишп1 (*-*„) cos Jarf — (я - 1)^-], (3.27)

и при синусоидальном законе управления

A:=Jmcos(v^+i|3).

Мгновенное значение кусочно-гладкой функции напря­жения НПЧ при холостом ходе в п-м интервале имеет вы­ражение

«а Я (* - tn) COS - (2л - 1) -£■ +a„J.

Угол включения вентиля в каждом интервале будет:

Контактные точки на оси времени tn определяются пе­ресечением кривых опорного напряжения и сигнала управ­ления, т. е. решениями уравнения:

on COS jfarf — (/I — 1) =^COS (vf - ф).

Это трансцендентное уравнение легко решается анали­тически только в одном граничном случае равенства ам­плитуд опорного напряжения и сигнала управления: Етоп^^Хт - Тогда

cos [< - (п — 1) =cos iytn - ф), причем решения действительны только при sinjW — (п — 1)^-]>0.

Физический смысл этого явления поясняется векторной диаграммой m-фазной звезды опорных напряжений Uoa вектора сигнала управления х (рис. 3.28). Звезда опорных напряжений вращается против часовой стрелки с угловой скоростью о, а вектор сиг­нала—в ту же сторону при скорости v. Решения урав­нения (3.28) имеют место в моменты времени, когда равны друг другу проекции векторов опорпых и сигнала на ось абсцисс. Но при этом принимаются во вни­мание только проекции опор­ных векторов в верхней по­луплоскости, так как ниж­няя полуплоскость соответ­ствует недействующим во­сходящим полусинусоидам опорного напряжения. По­этому проекции опорного вектора и вектора сигна­ла в верхней полуплоскости растут только влево, а их угловые скорости вычитаются, в нижней же по­луплоскости проекция опорного вектора растет по-прежне­му влево, а проекция вектора сигнала растет ей навстречу и их угловые скорости суммируются.

На рис. 3.9 была показана осциллограмма напряжений при т = 6, л:оп =-Em, частоте сигнала v = 3co/4 или ТУ = 4ТС/3. Тонкими линиями показаны напряжения сети и опорное, жирными линиями — выходное напряжение НПЧ (вверху) и сигнала управления (внизу). Посредине построена шкала интервалов.

Непосредственно из графика видно, что выходное на­пряжение не имеет постоянной составляющей. Это предель­ный случай, выражаемый соотношением

m

При равенстве частот опорной и сигнала (co=v) управ­ление вентилями нарушается, а при частоте сигнала, боль­шей частоты сети (рис. 3.29), v=2(d, появляется и растет с частотой сигнала постоянная составляющая выходного напряжения вплоть до режима синхронного фильтра.

На рис. 3.30 показаны полезная составляющая и ее ис­кажения при тех же данных, что и выше, при двух значе­ниях случайной фазы я|з=0 и я|з=2я/т.

Рост искажений с увеличением амплитуды и частоты сигнала, т. е. выходного напряжения НПЧ, и определяет верхнюю

границу приемлемых частот значением около по­ловины частоты сети.

При нагрузке искажения формы кривой напряжения возрастают и меняют характер с изменением вида нагруз­ки, а их аналитическое выражение становится весьма слож­ным и приближенным, так как исчезает возможность учи­тывать такие факторы, как случайная фаза я|з и т. п. Пол­ный анализ формы напряжения НПЧ содержится в [23]. В этом вопросе нельзя отвлекаться от того, что искажения формы напряжения по существу являются случайной функ­цией— шумом квантования, а все попытки аналитического расчета дают лишь частные, к тому же приближенные реа­лизации. Но пока не разработаны удовлетворительные сто­хастические методы, детерминированные расчетные «реали- 120

зации» шумов остаются необходимой основой проектирова­ния вентильных преобразователей.

Требования к уровню шумов квантования выходного напряжения и тока НПЧ, уменьшение которых связано с увеличением числа вентилей, являются важнейшими условиями выбора схемы преобразователя. В настоящее время известно большое число различных видов схем, в том числе и простейших, с уменьшенным числом вентилей. Мы здесь приведем в качестве примеров только несколько, наи­более типичных схем.