20. Управление вентильными преобразователями

Регулируемые преобразователи электрической энергии предназначены для непрерывного управления энергией потребляемой нагрузкой. Современные управляемые преобразователи собраны, как правило, на базе полупроводниковых управляемых вентилей. Управляемые преобразователи имеют высокую надежность, просты в эксплуатации, имеют высокие технико-экономические показатели и нашли широкое применение в промышленности. Коэффициент полезного действия преобразователей весьма высок и составляет более 95%. К недостаткам тиристорных преобразователей следует отнести — искажение синусоидальной формы напряжения источника питания, что негативно сказывается на характеристиках других потребителей подключенных к этому же источнику электроэнергии.

Основной функцией управляемых выпрямителей является преобразование переменного напряжения в регулируемое постоянное напряжение.

Выпускаемые промышленностью управляемые выпрямители подразделяются в зависимости от параметров источника питания силовой части преобразователя на однофазные и трехфазные. Выбор оптимальной схемы преобразователя зависит от числа фаз питающей сети, мощности привода, допустимой амплитуды пульсаций напряжения на нагрузке, необходимости изменения полярности напряжения на нагрузке и необходимости рекуперации энергии в сеть.

По схемотехническому решению силовой части управляемого выпрямителя можно выделить две группы — полууправляемые и полностью управляемые.

Полууправляемые преобразователи работают только в режиме управляемой передачи энергии от источника к нагрузке (двигательный режим). Полностью управляемые преобразователи обеспечивают работу, как в двигательном режиме, так и в рекуперативном (управляемый возврат энергии от нагрузки к источнику), однако для организации реверса (изменения полярности напряжения на нагрузке) требуется два комплекта управляемых выпрямителей.

Полностью управляемые, двухкомплектные преобразователи в составе регулируемого электропривода постоянного тока позволяют регулировать скорость двигателя во всех четырех квадрантах. Двухкомплектные схемы с полууправляемыми мостами обеспечивают работу электропривода в двух квадрантах. Двухкомплектные преобразователи обеспечивают практически мгновенный реверс тока в якорной цепи двигателя и соответственно непрерывное регулирование.

Тиристорный преобразователь постоянного тока (ТППТ) имеет один канал управления, посредством которого регулируется напряжение на нагрузке (R_н).

На рисунке 5.1 представлена функциональная схема преобразователя переменного напряжения в регулируемое постоянное напряжение и диаграммы входного и выходного напряжения, поясняющие работу выпрямителя.

Рисунок 5.1 — Функциональная схема управляемого выпрямителя: U_упр — напряжение управление; U_вх — напряжение питание преобразователя; U_вых — регулируемое постоянное напряжение на выходе преобразователя; R_н — сопротивление нагрузки преобразователя.

В основном управляемые и тиристорные преобразователи используются в регулируемых электроприводах постоянного тока для питания цепей якоря и цепей обмотки возбуждения. Реверсивные преобразователи с рекуперацией энергии в сеть используются для питания якорных цепей электродвигателей постоянного тока. Для питания цепи обмотки возбуждения, как правило, используются упрощенные схемы тиристорных преобразователей нереверсивные и без рекуперации энергии в сеть. Также регулируемые тиристорные преобразователи постоянного тока используются для организации тормозного режима асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Дополнительная область применения регулируемых тиристорных преобразователей постоянного тока — питание цепи возбуждения синхронного двигателя и управление процессом зарядки аккумуляторных батарей.

Импульсные преобразователи предназначены для преобразования постоянного напряжения в регулируемое импульсное напряжение с использованием широтно-импульсной модуляции. Функциональная схема и диаграммы входных и выходных напряжений, поясняющие работу импульсного преобразователя представлены на рисунке 5.2.

U_вх- входное постоянное напряжение; U_вых- выходное напряжение на нагрузке; U_упр- сигнал управления; ?t- длительность импульса (величена изменяемая в функции сигнала управления); Т- период выходного напряжения Рисунок 5.2 — Функциональная схема импульсного преобразователя напряжения.

Работа импульсного преобразователя основана на изменении скважности выходного напряжения при постоянной частоте, при этом амплитудное напряжение на нагрузке остается постоянное, а за счет изменения скважности изменяется среднее значение напряжение на нагрузке.

Используются импульсные преобразователи в основном в составе регулируемого электропривода постоянного тока.

Функциональным назначением коммутаторов переменного напряжения (КПН) является преобразование переменного напряжения с постоянной частотой и амплитудой в регулируемое по амплитуде переменное напряжение с неизменяемой частотой. Функциональная схема КПН представлена на рисунке 5.3.

Область применения КПН:

• организация пусковых и тормозных режимов асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором, работающего на вентиляторную нагрузку (вентиляторная нагрузка характеризуется малым пусковым током);

• управление температурными режимами нагревательных элементов;

• управление освещенностью в осветительных установках (галогенные нагреватели, лампы накаливания и т.п.) и др.

Рисунок 5.3 — Функциональная схема коммутатора переменного напряжения

Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) предназначены для преобразования переменного напряжения с постоянной частотой и амплитудой в переменное напряжение с изменяемой частотой и амплитудой. Функциональная схема непосредственного преобразователя частоты представлена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 — Функциональная схема непосредственного преобразователя частоты

С использованием НПЧ можно получить регулируемое по напряжению и частоте переменное напряжение, близкое к синусоидальной форме. НПЧ позволяет регулировать частоту напряжения на нагрузке толькониже частоты питающей сети. У НПЧ имеется два независимых канала управления: один регулирует амплитуду напряжения на нагрузке, а другой — частоту напряжения на нагрузке.

Область применения НПЧ: управление режимами работы асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором

Функциональным назначением автономного инвертора переменного напряжения (АИПН) является преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение прямоугольной формы с изменяемой частотой. Функциональная схема инвертора переменного напряжения представлена на рисунке 5.5. Область применения АИПН: формирование автономных источников переменного напряжения на базе аккумуляторных батарей.

Рисунок 5.5 — Функциональная схема инвертора переменного напряжения

Функциональным назначением инвертора со звеном постоянного тока является преобразование переменного напряжения с постоянной частотой и амплитудой в переменное напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Функциональная схема инвертора переменного напряжения представлена на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 — Функциональная схема инвертора переменного напряжения со звеном постоянного тока

Инверторы переменного напряжения со звеном постоянного тока позволяют обеспечить управление в широком диапазоне режимами работы асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором.