Инверторы, конверторы и преобразователи частоты

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Преобразование постоянного тока в переменный называется инвертированием, а электротехнические устройства, выполняющие такую функцию, называются инверторами.

ЭТО ВАЖНО. Различают два типа инверторов: инверторы, ведомые сетью; и автономные инверторы. Инверторы, ведомые сетью, передают энергию в сеть переменного тока. Автономные инверторы передают энергию от источника постоянного тока потребителям, и не имеют в цепи источников переменного тока.

Рассмотрим принцип работы автономного инвертора на примере однофазного инвертора со средней точкой (рис.14.6, а).

Рис.3.7. Однофазный инвертор тока со средней точкой: а – схема; б – диаграммы напряжений и токов на элементах схемы

VS1

VS1

VS2

VS2

VS2

uVS

б)

ПРИНЦИП РАБОТЫ инвертора заключается в том, что источник напряжения постоянного тока U_d, в результате коммутации тиристоров VS1 и VS2, попеременно подключается к обмотке W₁₁ или к обмотке W₁₂ трансформатора Т. Тем самым в сердечнике трансформатора создается намагничивающая сила каждый раз противоположной полярности. Поэтому во вторичной обмотке трансформатора W₂ создается переменная ЭДС.

Работа схемы. К примеру, на интервале от 0 до система управления СУ, импульсом управления, включает тиристор VS1 (рис.14.6, б). По обмоткам трансформатора W₁₁ и W₁₂ будут протекать токи i₁ и i₂, соответственно. В цепи конденсатора С_к будет протекать ток i_С (ток заряда конденсатора). С течением времени величина тока заряда конденсатора, и соответственно тока i₂, постепенно уменьшается, а величина тока i₁ с течением времени увеличивается. Конденсатор С_к в этом случае будет иметь потенциалы, соответствующие знакам без скобок (рис.14.6, а). Путь тока от положительного потенциала источника к его отрицательному потенциалу можно представить алгоритмом

На втором интервале от до 2 , система управления СУ открывает тиристор VS2. К тиристору VS1 через тиристор VS2 прикладывается напряжение конденсатора С_к, которое является обратным для тиристора VS1, и поэтому он закрывается. После разряда конденсатор С_к перезаряжается (полярность на рис.14.6, а соответствует знакам в скобках), с течением времени ток i₂ > i_1, т.е. ток нагрузки i_Н становится отрицательным (рис.14.6, г), что означает изменение его направления во вторичной обмотке трансформатора W₂.

ЭТО ВАЖНО. Конверторы это устройства осуществляющие преобразование напряжения постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока повышенной или пониженной величины (в сравнении с входным напряжением).

Конструктивно конверторы содержат три преобразователя: инвертор - преобразующий постоянное напряжение в переменное напряжение; трансформатор - осуществляющий согласование напряжения источника с напряжением нагрузки; выпрямитель – преобразующий напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.

Структурная схема конвертора показана на рис.14.7. Для того чтобы уменьшить массу и габариты трансформатора, а также улучшить качество выходного напряжения конвертора, рабочая частота автономного инвертора АИ выбирается по возможности высокой (в транзисторных преобразователях небольшой мощности эту частоту обычно выбирают в диапазоне от единиц до нескольких десятков килогерц). Стабилизация выходного напряжения конверторов может осуществляться как за счет силовых ключей инвертора, так и за счет выпрямителя В, у которого силовая схема выполнена на управляемых вентилях. Для обеспечения требуемого качества выходного напряжения на выходе конверторов применяются сглаживающие фильтры Ф.

Несмотря на то, что поток преобразуемой электроэнергии проходит через несколько устройств, применение в конверторах промежуточного высокочастотного преобразования позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели преобразователя.

ЭТО ВАЖНО. Преобразователи частоты – это устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты.

ЭТО ВАЖНО. Преобразователи частоты выполняются с фиксированным значением частоты выходного напряжения и с регулируемой частотой выходного напряжения. В первом случае, как правило, они применяются для стабилизации частоты и напряжения автономного генератора вращающегося с переменной частотой, а во втором - применяются в качестве регуляторов частоты вращения электрических машин.

Различают два класса преобразователей частоты: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и

непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

На рис.14.8. представлена структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Переменное напряжение питающей сети U₁ с частотой f₁ выпрямляется с помощью управляемого выпрямителя В, фильтруется LC-фильтром Ф и преобразуется автономным инвертором АИ в переменное напряжение U₂ с частотой f₂, как выше, так и ниже частоты питающей сети. Система управления СУ обеспечивает регулирование параметров электроэнергии и может осуществлять функции защиты преобразователя от аварийных режимов работы.

Кроме преобразования напряжения постоянного тока в переменный ток, автономный инвертор выполняет функции регулирования частоты выходного напряжения, а функции регулирования напряжения выполняет управляемый выпрямитель. Иногда обе функции выполняет инвертор, а выпрямитель выполняется неуправляемым.

Основным недостатком преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока является двойное преобразование электрической энергии, что приводит к уменьшению КПД и повышению массы и габаритов преобразователя.

НПЧ в сравнении с преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока имеет ряд преимуществ: высокий КПД, вследствие однократности преобразования электроэнергии; высокая надежность, перегрузочная способность и простота силовой схемы, что определяется естественной коммутацией вентилей; возможность независимого плавного регулирования частоты и напряжения; высокое быстродействие и малое время переходных процессов.

Принцип формирования выходного напряжения НПЧ рассмотрим на примере работы трехфазно-однофазной схемы (рис.14.9, а) на активную нагрузку.

Преобразователь содержит две группы тиристоров: катодная группа (VS1, VS2, VS3) и анодная группа (VS4, VS5, VS6). Управляющие импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети, в процессе работы поступают на тиристоры анодной и катодной групп поочередно. Положительный полупериод выходного напряжения формируется при поочередной подаче управляющих импульсов на тиристоры катодной группы, а отрицательный – при подаче управляющих импульсов на тиристоры анодной группы. Управляющие импульсы поступают на тиристоры со сдвигом относительно точек естественной коммутации (точек пересечения фазных напряжений питающей сети) на угол (рис.14.9 б).

В результате цикличной работы двух групп вентилей НПЧ на нагрузке формируется переменное напряжение с частотой f₂ более низкой, чем частота питающей сети f₁. Изменением угла регулируется выходное напряжение преобразователя.

ВЫВОДЫ.Таким образом, статические преобразователи электроэнергии – вторичные источники электроэнергии, в сравнении с преобразователями, выполненными на базе электрических машин имеют ряд существенных преимуществ, и прежде всего, по надежности и ресурсу работы, быстродействию и массогабаритным показателям.

ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ

Цель занятия: Изучить основы цифровой микроэлектроники и микропроцессорные средства, применяемые в современных системах автоматического управления