Меню

Тиристорный преобразователь частоты напряжением двухзвенный

54. Тиристорные преобразователи частоты. Классификация. Двухзвенные пч с регулируемым напряжением (или током) в промежуточной цепи постоянного тока. Функциональная схема пч (с автономным инвертором).

Бывают: ПЧ с непосредственной связью нагрузки с питающим напряжением и двухзвенные ПЧ.

“+” полупроводниковых ПЧ — регулирование частоты вращения АД с КЗ ротором.

В основе ПЧ лежит ШИР (широтно-импульсная модуляция). Управляем Um, (Im ) или частотой изменения Um, (Im )

Преобразование Uс в выпрямленное Ud (или ток Id ) осуществляется управляемым источником напряжения (УИН), или тока (УИТ).

Значение Ud или Id на выходе УИ определяют задающим сигналом Uз.н. или Uз.т, который формируется функциональным преобразователем ФП в зависимости от частоты Выходные величины Un, In, fn управляются каналом частоты. ПЧ с АИН в качестве УИН — используется ТП U с малым внутренним сопр-ем, а => Uпит инвертора независимо от I нагрузки. При УИН полярность Ud не изменяется и Ud регулируется от 0 до Ud max . В режиме работы приемника эн (меняем направления Id) УИН представляется реверсивным ТП с 2 комплектами вентильных групп (недостаток). ПЧ с АИТ: УИТ обеспечивает постоянство Id независимо от скорости. При Uз.т. = const, Id = const => УИТ в режиме источника тока, что достигается с помощью ОС и введением в цепь постоянного тока реактора с ↑ индуктивностью. В инверторном режиме работы УИТ, измененяем полярность Uвых УИ. Выполнено на нереверсивном ТП с 1 вентильной группой путем перевода в режим инвертора, ведомого сетью (измененяем с  90).

Анализ развития двухзвенных преобразователей частоты

1этапдвухзвенные ПЧ с амплитудным питающим регулированием, выполненных на тиристорах. АИ переключает U на ту или иную полярность. L- сглаживает ток, C фильтр.

“-“: неsin-ть тока, потребляемого из сети; неsin-ть вых. тока и неравномерность вращения двигателя при малых частотах, что ограничивает диапазон регулирования скорости и ↓ «сетевой» коэффициент мощности; U регулируется в тиристорах, а частота в АИ, т.к. фильтр затрудняет работу и ↓ быстродействие;.

2этаппо схеме: «неуправляемый выпрямитель–LC фильтр–транзисторный АИ с ШИМ Uвых». Для получения переменного U sin-ной формы, формируется последовательность импульсов малой длительности у основания синусоиды и широких импульсов вблизи амплитудного значения синусоиды — процесс модуляции (этим добиваются

55. Защита тп от аварийных режимов работы. Защита от перегрузок и коротких замыканий. Защита тп от перенапряжений. Виды перенапряжений.

Аварийные режимы: выход из строя элементов преобразователя, 2 вида: превышается Iдоп и появляется перенапряжение от пробоя высоким U.

Защита от высоких токов

Если протекает Iперегруза,то его можно ↓ путем перевода в инверторный режим появляется встречная ЭДС, которая препятствует нарастанию тока. Если произошло КЗ, то только отключать:

1. принудительным гашением тиристоров — наиболее эффективный, но дорогой. Угашающее устройство включено встречно вентилям через дополнительный тиристор, который включается при Iкз (токи КЗ не вырастают до больших значений).

2. Защита специальным автоматическим выключателем

I=(2-2,5)*I Срабатывают сразу. Для ограничения токов к.з. и скорости нарастания тока тиристоров (di/dt ) 1 / 7 1 2 3 4 5 6 7 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник



Двухзвенные преобразователи частоты с автономными инверторами

Принцип действия этих ПЧ заключается в том, что переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем инвертируется, т.е. преобразуется в переменное напряжение (или ток) требуемой, регулируемой частоты посредством инвертора. В системах электропривода применяются автономные инверторы. Они способны функционировать как при наличии, так и при отсутствии в цепи нагрузки источников активной энергии.

Автономный инвертор представляет собой коммутатор, для работы которого необходимы полностью управляемые переключающие элементы (ключи). Наиболее подходящими для автономных инверторов являются полностью управляемые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы, запираемые тиристоры). В случае использовании обычных тиристоров, т.е. приборов с неполным управлением, схема инверторов дополняется устройствами принудительной, как правило, емкостной коммутации.

На рис.изображена функциональная схема ПЧ с автономным инвертором (АИ). Преобразование напряжения сети с неизменной, стандартной частотой (например, 50 Гц) и стандартным действующим напряжением (например 380 В) в регулируемые по величине выпрямленные напряжение Ud или ток Id промежуточной цепи осуществляется системой, которую можно назвать управляемым источником (УИ) соответственно, напряжения (УИН), или тока (УИТ).

Значение Ud или Id на выходе УИ определяют задающим сигналом Uз.н. или Uз.т. При этом, за счет обратных связей по напряжению или току, входящих в состав УИ, значения Ud или Id можно считать стабилизированными, т.е. независимыми от колебаний напряжения сети и изменения тока нагрузки для Ud, от колебаний напряжения сети и момента нагрузки для Id.

Значения Ud и Id являются входными энергетическими величинами автономного инвертора. При этом автономный инвертор выполняется как инвертор напряжения (АИН) с выходными координатами Un и fn , если получает питание от управляемого источника напряжения, или как инвертор тока (АИТ) с выходными координатами In и fn , если получает питание от управляемого источника тока. Выходные величины Un, In, fn управляются каналом частоты, в состав которого входит система управления инвертором СУИ. В системе частотного управления асинхронным двигателем каналы управления АИ и УИ взаимосвязаны. Задание на уровень напряжения и тока УИ формируется с помощью функционального преобразователя ФП в зависимости от частоты. Однако, изучение всей системы управления ПЧ для регулирования момента и скорости двигателя не входит в задачу дисциплины “Элементы АЭП”. Она будет рассмотрена в других специальных дисциплинах.

Читайте также:  Время заряда конденсатора до напряжения u он получает заряд q

Основу данного класса ПЧ составляет автономный инвертор, выполненный в двух вариантах, — как АИН, или АИТ. Для варианта ПЧ с АИН в качестве управляемого источника напряжения (УИН) используется тиристорный преобразователь напряжения с малым внутренним сопротивлением, что должно обеспечить постоянство напряжения питания инвертора независимо от тока нагрузки. При значительном внутреннем сопротивлении ТП условие Ud = const может быть обеспечено с помощью отрицательной обратной связи по напряжению. В том случае, если УИ является источником напряжения полярность Ud изменяться не должна. Ud должно регулироваться от нуля до Ud max . Перевести УИ в режим работы приемника энергии, т.е. обеспечить рекуперацию энергии из цепи нагрузки в сеть переменного тока можно только при изменении направления тока Id . Для этого УИ должен представлять собой реверсивный ТП с двумя комплектами вентильных групп. Данное обстоятельство усложняет схему и исполнение ПЧ с АИН, что является его недостатком.

Для варианта ПЧ с АИТ управляемый источник должен обеспечивать постоянство входного тока инвертора Id независимо от скорости асинхронного двигателя — нагрузки ПЧ. Ток Id должен определяться только величиной Uз.т. на входе УИ. При постоянной величине Uз.т. условию Id = const соответствует работа УИ в режиме источника тока, что достигается с помощью обратных связей и введением в цепь постоянного тока реактора с большой индуктивностью. Так как направление тока Id не должно изменяться, то для перевода УИ в инверторный режим работы, т.е. для рекуперации энергии в сеть, требуется изменение полярности напряжения на выходе УИ. Это условие может быть выполнено на нереверсивном ТП с одной вентильной группой путем перевода его в режим работы инвертора, ведомого сетью. Это, как известно, достигается изменением величины угла управления a со значений a 90°. Данное обстоятельство является достоинством ПЧ с АИТ, т.к. его схема содержит меньшее число силовых вентилей, чем схема ПЧ с АИН. Однако ПЧ с АИТ не может работать без обратных связей по напряжению или скорости двигателя, которые должны обеспечить ему установившиеся режимы работы.

Преобразователи частоты с непосредственной связью нагрузки с сетью

Данный класс ПЧ, получивший название “Непосредственные преобразователи частоты” (НПЧ), характерен однократным преобразованием энергии. Потребляемая из сети переменного тока электроэнергия с неизменными напряжением и частотой преобразуется в одном силовом устройстве в энергию переменного тока с регулируемыми по амплитуде и частоте напряжением и током нагрузки, в качестве которой служит 3-х фазный двигатель. В структурном отношении НПЧ весьма прост, его основу составляет реверсивный ТП постоянного напряжения. Если изменять управляющее напряжение ТП по синусоидальному закону с определенной частотой, то на выходе преобразователя получим выпрямленную ЭДС, синусоидально изменяющуюся с той же частотой и приложенную к однофазной нагрузке переменного тока. Изменяя частоту и амплитуду управляющего сигнала, будем изменять соответственно частоту и амплитуду выходной ЭДС.

Очевидно, что для 3-х фазной нагрузки потребуется три комплекта реверсивных ТП, работающих с синхронизированным сдвигом фаз в 120° по выходной частоте НПЧ.

Число фаз входного и выходного напряжений НПЧ является весьма существенным признаком их классификации, т.к. оно в значительной мере определяет структуру построения схемы преобразователя.

Рассмотрим принцип работы НПЧ с естественной коммутацией на примере трехфазно- однофазной схемы.

В схеме преобразователя можно выделить две группы тиристоров: 1- катодную (V1; V2; V3) и 2- анодную (V4; V5; V6).

Допустим, что нагрузка zн активная. Включающие импульсы в процессе работы поступают на тиристоры катодной и анодной групп поочередно. Когда включающие импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети, подаются последовательно на тиристоры V1, V2, V3 катодной группы, она работает в режиме выпрямления (по 3-х фазной нулевой схеме), формируя на нагрузке положительную полуволну выходного напряжения относительно нулевого вывода трансформатора. Угол управления тиристоров — a.

При работе тиристоров V4, V5, V6 анодной группы на нагрузке относительно нулевого вывода трансформатора формируется отрицательная полуволна напряжения. В результате цикличной работы групп 1 и 2 на нагрузке создается переменное напряжение с частотой основной гармоники f2, более низкой, чем частота питающей сети f1.

Частота f2 определяется временем, в течение которого проводят ток тиристоры каждой группы. Изменением угла a можно регулировать выходное напряжение. Для исключения постоянной составляющей в напряжении на нагрузке время работы катодной и анодной групп должно быть одинаковым. Частота выходного напряжения f2 может принимать только дискретные значения при изменении числа n (n= 1,2,3,4. ). Например, при пульсности mn = 3 и частоте f1= 50 Гц частота f2 может принимать значения: (50; 30; 21,45; 16,66) Гц и т.д. При пульсности mn = 6 и частоте f1 =50 Гц частота f2 может принимать значения: (50; 37,5; 30; 25; 21,45; 18,75) и т.д.

Читайте также:  Формулы для напряжений по наклонным площадкам

НПЧ часто выполняются на основе групп тиристоров, каждая из которых имеет конфигурацию 3-х фазной мостовой схемы. В электроприводе используются обычно НПЧ с 3-х фазной системой напряжения на выходе.

Структурная схема такого НПЧ изображена на рис 87. Новым элементом в этой схеме по сравнению с реверсивным ТП оказывается задающее устройство ЗУ, которое формирует в соответствии с заданием на амплитуду Uз А и частоту Uз f управляющие напряжения Uу1, Uу2, Uу3, образующие 3-х фазную систему.

Источник

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ)

В качестве элементной базы для устройств частотного управления электродвигателями используются силовые тиристоры и транзисторы. Несмотря высокое быстродействие и другие преимущества транзисторных ключей, тиристорные преобразователи частоты продолжают применяться и развиваться сейчас.

Сфера применения частотников на тиристорах – мощные электроприводы с высокими требованиями к перегрузочной способности. Благодаря способности выдерживать ток на порядок выше номинального значения, устройства широко используются в приводах механизмов на напряжение более 1000 В, в грузоподъемных машинах, высокоинерционном промышленном оборудовании.

Схема тиристорных преобразователей частоты

Преобразователи частоты с непосредственной связью

ПЧ с непосредственной связью с питающей электросетью или циклоконверторы преобразуют напряжение частотой 50 Гц в переменное напряжение с регулируемой фазой и частотой. Электронные ключи таких устройств – управляемые и неуправляемые тиристоры, включенные по встречно-параллельным, мостовым, перекрестным и нулевым схемам.

Преобразователи частоты с непосредственной связью

Частота напряжения, поступающего на обмотки двигателя, изменяется путем циклического отпирания и запирания электронных ключей.

Элементная база тиристорных частотников стоит значительно дешевле силовых быстродействующих транзисторов. Преобразователи частоты такого типа:

  • Отличаются высоким к.п.д. Электрические потери уменьшаются за счет однократного преобразования напряжения.
  • Обеспечивают устойчивые механические характеристики двигателя на низких скоростях. Прямое преобразование позволяет выдавать на обмотки электродвигателя напряжение низкой частоты без уменьшения амплитуды. Жесткость механических характеристик привода на невысоких скоростях при этом не снижается.
  • Позволяют возвращать энергию в сеть при электродинамическом торможении двигателя. Частотники с гальванической связью с питающей сетью позволяют свободно обмениваться электроэнергий в генераторном режиме двигателя.

Мощность преобразователей с непосредственной связью практически не ограничена. Такие электроприводы можно легко модернизировать путем подключения дополнительных тиристорных модулей.

Устройства такого типа также имеют недостатки:

  • Несинусоидальное выходное напряжение. Гармоники вызывают дополнительный нагрев двигателя, шум при работе оборудования. Кроме того, паразитные составляющие поступают в сеть и ухудшают качество электроэнергии.
  • Сложность регулирования скорости двигателя выше номинальной. Непосредственные преобразователи способны изменять частоту только в меньшую сторону.

Относительная сложность схемы управления. Связь входной и выходной частоты определяется выражением f_(1 )=(m_n×f_2)/(2(n-1)+m_n ); где mn – пульсность напряжения, n – число участков синусоид в полуволне выходного напряжения, f_(1 )и f_(2 )– частоты на входе и выходе. Таким образом, для создания крутящего момента и сдвига фаз на 1200 относительно друг друга необходимо обеспечить строгую временную последовательность отпирания и запирания тиристоров.

Схема управления тиристорных преобразователей

Так, основная сфера применения преобразователей частоты с гальванической связью с электросетью – низкоскоростные приводы мощного оборудования, а также двигатели механизмов, работающих с частыми остановками, перезапусками и реверсами.

Тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока

При необходимости регулирования скорости вращения вала выше номинальной частоты, а также при высоких требованиях к отсутствию паразитных гармоник, применяются частотные преобразователи на базе инвертора тока или инвертора напряжения.

Такие ПЧ дважды преобразуют напряжение: переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается и преобразуется обратно в переменное другой частоты.

Различают 2 схемы двойного преобразования: инвестор тока или напряжения.

В цепь первых включен дроссель с большой индуктивностью. На выходе преобразователя частоты поддерживается постоянная амплитуда тока, независимая от нагрузки.

Преобразователи частоты такого типа могут рекуперировать электроэнергию обратно в сеть в режиме электродинамического торможения, сфера их применения – оборудование и механизмы, работающие с частыми отключениями, реверсами и стартами.

В цепь преобразователя частоты, построенного по схеме инвертора напряжения, включен индуктивно-емкостной фильтр. Величина выходного напряжения таких устройств не зависит от тока, потребляемого электродвигателем.

Главное достоинство частотников – форма напряжения «чистый синус». Такое электрооборудование обеспечивают устойчивую работу привода во всем диапазоне регулирования скоростей.

Таким образом, ПЧ двойного преобразования:

  • Позволяют регулировать выходное напряжение в широком диапазоне частот: для устройств, построенных по схеме источника напряжения от 0 до 1500 Гц, для частотных преобразователей «инвертора тока» – 0-125 Гц. Частота ограничивается только быстродействием полупроводниковых элементов.
  • Не ухудшают работу двигателей. Выходное напряжение преобразователей частоты имеет форму, близкую к синусоиде.
  • Имеют небольшое количество тиристорных ключей по сравнению с преобразователями с непосредственной связью. Инверторные схемы не требуют синхронизации с сетью и сложной схемы управление открытием и закрытием элементов.
  • Нечувствительны к коротким замыканиям на выходе. Инверторы тока обеспечивают безаварийный режим при коротких замыканиях выходной цепи, а также возможность рекуперации электроэнергии в сеть.
Читайте также:  Тестер напряжения что это такое

К недостаткам частотников на базе схемы двойного преобразования относятся: невозможность работы инвертора тока на групповую нагрузку, зависимость искусственной коммутации от cosϕ и уровня нагрузки электродвигателя, значительная стоимость конденсатора или дросселя, снижение к.п.д. при двукратном преобразовании. Инверторы напряжения без дополнительных цепей также не обеспечивают возврат электроэнергии в сеть.

Принцип действия и схема тиристорного преобразователя для высоковольтных двигателей с фазным ротором.

Рассмотрим конструкцию тиристорного преобразователя частоты на базе каскадной схемы инвертора тока.

Принцип действия и схема тиристорного преобразователя для высоковольтных двигателей с фазным ротором

Силовой блок преобразователя состоит из 2 трехфазных управляемых мостов. Один из них подключен к сети через разделительный трансформатор. Второй включен в цепь обмоток ротора электродвигателя.

Такая схема обеспечивает обмен активной и реактивной мощностью между обмотками ротора и сетью электропитания, замедление двигателя в генераторном режиме с отдачей электричества в сеть.

Изменение угловой скорости вала достигается регулировкой частоты тока в цепи обмоток ротора двумя мостами на базе управляемых тиристоров, последовательно включенными между ротором и электросетью.

Изменение скорости возможно только в меньшую сторону, диапазон угловой частоты вала – от 0 до номинального. Частота тока регулируется уменьшением или увеличением углов отпирания и запирания управляемых полупроводниковых элементов. При регулировке роторный мост работает как выпрямитель, сетевой – как инвертор, возвращая активную мощность в сеть. При переводе привода в режим торможения, управляющие сигналы меняют фазу. Ток меняет направление и начинает протекать в цепи обмоток ротора, вызывая рекуперативное торможение. В таком режиме мост, подключенный к сети, работает как выпрямитель, роторный – в режиме инвертора. Рекуперация электроэнергии снижает ее расходы и уменьшает время торможения.

При проектировании привода с каскадными тиристорными преобразователями, следует учесть перегрузочную способность частотника в режиме торможения.

При электродинамическом торможении мост в роторной цепи должен работать с высокой коммутационной устойчивостью. В момент перевода в тормозной режим при высокой частоте вала двигателя ЭДС ротора имеет небольшого значение, угол коммутации тиристоров возрастает особенно при снижении напряжения сети. Коммутационная устойчивость моста снижается. Повысить устойчивость можно только путем ограничения тока ротора, что приводит к увеличению времени торможения и снижению тормозного момента. Таким образом, ограниченную перегрузочную способность при рекуперативном торможении необходимо учитывать при выборе типа частотника для приводов ответственных механизмов.

При работе оборудования с изменяющейся нагрузкой на валу, требуется предусмотреть увеличение напряжения и уменьшение тока цепи сетевого моста. Это предотвратит срыв инвертора и позволит развить динамический момент на валу электродвигателя до 200% от номинального.

Каскадный тиристорный выпрямитель может работать на групповую нагрузку. Для многодвигательных приводов предусмотрено выравнивание тока и момента при старте двигателей и работе после разгона вала до заданной скорости.

Таким образом, тиристорные преобразователи частоты на базе каскадной схемы обеспечивают:

  • Управление моментом и скоростью электродвигателя с обратной связью и бездатчиковое регулирование в отношении 1:50 от номинальных величин.
  • Экономию электроэнергии путем снижения пусковых токов и рекуперации при торможении в режиме генератора.
  • Управление несколькими двигателями.
  • Электродинамическое торможение без дополнительного оборудования.
  • Изменение частоты вращения вала.
  • Работу электродвигателя в режиме короткозамкнутого ротора.

К недостаткам преобразователей относятся ограниченная коммутационная устойчивость мостов в динамическом режиме и при торможении, искажение формы напряжения сети (полная мощность при максимальной скорости в 1,5 раза больше номинальной). Недостатки тиристорных преобразователей устраняются установкой фильтров паразитных гармоник и коррекцией выходной мощности.

Заключение

В отдельных случаях тиристорные преобразователи не уступают частотникам на базе транзисторов IGBT. Главные их достоинства: относительно низкая стоимость и способность выдерживать ток, значительно превышающий номинальный. Применение преобразователей на управляемых и неуправляемых тиристорах ограничивает только быстродействие полупроводниковых элементов. Выбор частотника делается исходя из требований к электроприводу, технической и экономической эффективности того или иного устройства.

Преобразователи частоты на IGBT-транзисторах используют преимущественно в двигателях на напряжение до 660 В, высокоточных и полеорентированных приводах.

Тиристорные ПЧ устанавливают в схемах управления грузоподъемного оборудования, механизмов, работающих в повторно-кратковременных режимах и двигателях с динамической нагрузкой, а также в схемах управления высоковольтными электрическими машинами.

Источник