Тиристорний перетворювач частоти з явно вираженою ланкою постійного струму
В сучасних частотно регульованих приводах най ширше застосування знаходять перетворювачі з явно вираженою ланкою постійного струму (рис. 3). У перетворювачах цього класу використовується подвійне перетворення електричної енергії: вхідна синусоїдна напруга зі сталими амплітудою й частотою f1 випрямляється, згладжується за допомогою фільтра, а потім знову перетворюється інвертором у змінну напругу регульованої частоти fvar й амплітуди. Подвійне перетворення енергії зумовлює зниження ККД і деяке погіршення масогабаритних показників порівняно з безпосередніми перетворювачами.
Для формування змінної синусоїдної напруги використовують автономні інвертори напруги та автономні інвертори струму.
Рис. 3. Структурна схема та часові діаграми тиристорного перетворювача частоти з явно вираженою ланкою постійного струму
Як електронні ключі в інверторах застосовуються тиристори GTO (див. додаток) й їхні вдосконалені модифікації GCT, IGCT, SGCT, і біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT.
Основною перевагою тиристорних перетворювачів частоти, як і в схемах з безпосереднім зв’язком, є здатність працювати з великими струмами й високими напругами, витримуючи тривале й імпульсне навантаження. Вони мають вищий ККД (до 98%) стосовно перетворювачів на IGBT транзисторах (95 – 98%). Перетворювачі частоти на тиристорах зараз займають домінуюче положення у високовольтному приводі з діапазоном потужностей від сотень кВт до десятків МВт та вихідною напругою 3 - 10 кВ і вище. Однак їхня ціна на один кВт вихідної потужності найвища в класі високовольтних перетворювачів.
|
|
|
Донедавна перетворювачі частоти на GTO тиристорах становили основну частку й у низьковольтному частотно регульованому електроприводі. Однак з появою IGBT транзисторів перетворювачі на їхній основі загальновизнані лідери в області низьковольтного частотно регульованого приводу.
Одноопераційний тиристор можна розглядати як напівкерований прилад: за умови додатної напруги між анодом та катодом uaк >0 для його увімкнення досить подати короткий імпульс на керуючий електрод, але для вимкнення тиристора необхідно або прикласти до нього зворотну напругу uaк <0, або знизити струм, що комутується, до нуля (менше струму утримання). Для цього в тиристорному перетворювачі частоти потрібна складна й громіздка система керування.
Біполярні транзистори з ізольованим затвором IGBT відрізняються від тиристорів повною керованістю, простою неенергоємнісною системою керування, найвищою робочою частотою. Внаслідок цього перетворювачі частоти на IGBT дозволяють розширити діапазон керування швидкістю обертання двигуна, підвищити швидкодію приводу в цілому.
|
|
|
Застосування IGBT з вищою частотою перемикання в сукупності з мікропроцесорною системою керування в перетворювачах частоти знижує рівень вищих гармонік, характерних для тиристорних перетворювачів. Як наслідок – менші додаткові втрати в обмотках і магнітопроводі електродвигуна, зменшення нагрівання електричної машини, зниження пульсацій моменту й зникнення так званого «крокування» ротора в області малих частот. Знижуються втрати в трансформаторах, конденсаторних батареях, збільшується їхній термін служби, а також ізоляції, зменшуються кількість хибних спрацьовувань пристроїв захисту й похибки індукційних вимірювальних приладів.
Перетворювачі на транзисторах IGBT у порівнянні з тиристорними перетворювачами за однакової вихідної потужності мають менші габарити, масу, підвищену надійність внаслідок модульного виконання електронних ключів, краще тепловідведення з поверхні модуля, а також меншу кількість конструктивних елементів.
Вони дозволяють реалізувати повніший захист від кидків струму й від перенапруги, що істотно знижує ймовірність відмов й ушкоджень електроприводу.
|
|
|
Нині низьковольтні перетворювачі на IGBT мають вищу ціну на одиницю вихідної потужності, внаслідок відносної складності виробництва транзисторних модулів. Однак за співвідношенням ціна/якість, виходячи зі згаданих переваг, вони явно виграють у тиристорних перетворювачів, крім того, протягом останніх років спостерігається неухильне зниження цін на IGBT модулі.
Головною перешкодою на шляху їхнього використання у високовольтному приводі із прямим перетворенням частоти й за потужностей понад 1-2 МВт на сьогодні є технологічні обмеження. Збільшення напруги, що комутує, і робочого струму призводять до збільшення розмірів транзисторного модуля, а також вимагають ефективнішого відведення тепла від кремнієвого кристала.
Нові технології виробництва біполярних транзисторів спрямовані на подолання цих обмежень і, віповідно, перспектива застосування IGBT є значною також й у високовольтному приводі. Нині IGBT транзистори застосовують у високовольтних перетворювачах у вигляді послідовно з’єднаних декількох одиничних модулів.
Типова схема низьковольтного перетворювача частоти з явно вираженою ланкою постійного струму наведена на рис. 4. У нижній частині рисунка зображені часові діаграми напруг і струмів на виході кожного елемента перетворювача.
|
|
|
Рис. 4. Структурна схема та часові діаграми перетворювача частоти з явно вираженою ланкою постійного струму на базі транзисторів IGBT
Змінна напруга мережі живлення u~ з постійною амплітудою Uвх=const й частотою fвх=const надходить на керований або некерований випрямляч (1). Для згладжування пульсацій випрямленої напруги використається фільтр (2). Випрямляч та ємнісний фільтр (2) утворюють ланку постійного струму. З виходу фільтра постійна напруга ud надходить на вхід автономного інвертора (3).
В інверторі здійснюється перетворення постійної напруги ud у трифазну (або однофазну) імпульсну напругу uі змінної амплітуди й частоти.За сигналами системи керування кожна обмотка електричного двигуна приєднується через відповідні силові транзистори інвертора до позитивного й негативного полюсів ланки постійного струму. Тривалість під’єднання кожної обмотки в межах проходження імпульсів модулюється за синусоїдним законом. Найбільша ширина імпульсів забезпечується в середині півперіоду, а до початку й закінчення півперіоду зменшується. Таким чином, система керування забезпечує широтно-імпульсну модуляцію напруги, що подається на обмотки двигуна. Амплітуда й частота напруги визначаються параметрами синусоїдної функції, за законом якої модулюється вихідна напруга. За умови високої частоти широтно-імпульсної модуляції (2…15 кГц) обмотки двигуна внаслідок їхньої високої індуктивності працюють як фільтр.
У схемах перетворювачів з керованим випрямлячем (1) зміна амплітуди напруги uі може досягатися регулюванням значення постійної напруги ud, а зміна частоти – режимом роботи інвертора.
Для згладжування пульсацій струму на виході автономного інвертора встановлюється фільтрр (4). Схеми перетворювачів на базі транзисторів IGBT не потребують фільтра в силу низького рівня гармонік.
Таким чином, на виході перетворювача частоти формується трифазна (або однофазна) змінна напруга регульованої частоти й амплітуди fвих=var, Uвих =var .
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 354; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!