Преобразователем частоты называют полупроводниковый преобразователь, осуществляющий преобразование энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты.
Существуют различные схемы статических преобразователей частоты (ПЧ), каждая из которых удовлетворяет конкретным требованиям по мощности, диапазону регулирования частоты вращения двигателя, КПД, простоте осуществления регулирования и др. Подавляющее большинство наиболее распространенных схем можно разделить на два класса: ПЧ с непосредственной связью и ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. Принцип действия ПЧ с непосредственной связью с сетью заключается в том, что напряжение питающей сети непосредственно подается на статорные обмотки двигателя через вентили, когда они открыты. Частота напряжения на фазах двигателя регулируется последовательностью включения вентилей, а амплитуда — изменением угла их включения.
Функциональная схема ПЧ с непосредственной связью показана на рис. 1, а. Система управления (СУ) обеспечивает нужную последовательность включения вентилей силовой части (СЧ). Линии трехфазной сети до ПЧ обозначены буквами
A, В, С, а после ПЧ — а, b, с. Графики изменения линейных напряжений UАВ, UBC, UCA изображены на рис. 1, 6. На примере формирования напряжения Uab рассмотрим, какую последовательность работы СЧ должна обеспечить СУ, чтобы на выходе ПЧ получить частоту напряжения меньше, чем на входе. Напряжения Ubc и Uca образуются аналогично. Для простоты сначала рассмотрим работу ПЧ при угле включения вентиля а = 0. Напряжение Uab будет иметь меньшую частоту по сравнению с UАВ, если время, в течение которого оно положительно, и время, в течение которого оно отрицательно, больше, чем у напряжения UAB. Как видно из рис. 1, , такое напряжение будет обеспечено, если СЧ в интервалах At1, At2, At3 к линиям а и b подключит соответственно линии А и B, В и С, С и А. Таким образом, напряжение Uab будет положительным более длительное время, чем UАВ. Для получения отрицательного значения Uab той же длительности необходимо в интервалах At4, At5, At6 к линиям а и b подключить соответственно линии С и А, А и В, В и С. Далее все повторить. Кривая напряжения, полученного на выходе ПЧ при угле включения вентилей а = 0, состоит из отрезков полуволн напряжения сети (рис. 1). Если к ПЧ присоединить фильтр Ф, то можно выделить первую гармонику, изображенную на рис. 1, , пунктирной синусоидой. Из рисунка видно, что частота напряжения U1, подаваемого на двигатель, меньше частоты питающей сети. Если изменить угол включения вентилей а, то на каждом очередном полупериоде питающего напряжения можно одновременно с частотой изменить как амплитуду напряжения на выходе ПЧ, так и получить напряжение, более близкое к синусоидальному. При этом упрощается конструкция фильтра и увеличивается КПД электропривода. Изменение амплитуды напряжения на выходе ПЧ при а = а1 по сравнению с а = 0 показано на рис. 1, г.
Рис. 1. Схема преобразователя частоты с непосредственной связью с сетью (а). Графики напряжений питающей сети (б ), напряжений на выходе преобразователя при углах отпирания тиристоров а = 0 (в) и а * 0 (г)
Преимуществом ПЧ с непосредственной связью является однократное преобразование энергии, благодаря чему достигается высокий КПД. К недостаткам следует отнести ограниченный (до 0,4 f1) диапазон регулирования частоты, а также наличие большого числа вентилей и сложной системы их управления. Вследствие малого диапазона регулирования частоты такие ПЧ находят применение в электроприводах с небольшим диапазоном регулирования скорости.
Для электроприводов с большим диапазоном регулирования скорости используют ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. В таких ПЧ напряжение сети переменного тока вначале выпрямляется, а затем снова преобразуется в напряжение переменного тока, но уже требуемой регулируемой частоты и амплитуды. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока бывают с управляемым и неуправляемым выпрямителем.
Функциональная схема ПЧ с управляемым выпрямителем показана на рис. 2, а. На вход управляемого выпрямителя УВ поступает переменное напряжение сети U с частотой fc. На выходе УВ напряжение сети преобразуется в напряжение U постоянного тока, значение которого определяется сигналом управления, поступающим на Ув от блока управления выпрямителем БУВ. Выход УВ непосредственно связан со входом инвертора АИ, который преобразует поступающее на его вход напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока. Причем частота f1 выходного напряжения U1 зависит от управляющего сигнала, поступающего на инвертор АИ от блока управления инвертором БУИ. Управляющие сигналы, поступающие на БУВ и БУИ, формируются в блоке задания скорости БЗС напряжением U3, соответствующим заданной скорости.
Рис. 2. Схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока (t). График (б) напряжения на выходе преобразователя
Таким образом, на статорные обмотки двигателя поступает напряжение, амплитуда которого формируется управляемым выпрямителем, а частота — инвертором, т.е. можно независимо регулировать частоту и амплитуду питающего напряжения, что является существенным преимуществом.
Схема выпрямителя выбирается из условия обеспечения требований: по регулированию выходного напряжения; влияния на источник переменного напряжения, питающего ПЧ; допустимому уровню пульсаций выпрямленного напряжения и др.
При питании ПЧ от промышленной сети выпрямитель чаще всего выполняется по трехфазной мостовой схеме. Для уменьшения пульсаций напряжения на его выходе устанавливается фильтр (на рис. 5.1 6 не показан), основные функции которого заключаются в максимальном уменьшении напряжения высших гармоник при минимальном ослаблении первой (основной гармоники) выходного напряжения. Существует большое разнообразие фильтров, при этом структуры фильтров АИН и АИТ различны. Если автономный инвертор выполнен по схеме АИН, то фильтр должен иметь емкостной характер, а при выполнении инвертора по схеме АИТ — индуктивный характер.
В ПЧ с регулируемой в широком диапазоне частотой выходного напряжения, предназначенных для питания асинхронных двигателей, звено инвертора выполняется, как правило, по схеме АИН.
В ПЧ как правило, наряду с регулированием частоты требуется регулировать уровень выходного напряжения. В зависимости от схемы инвертора, входящего в ПЧ, могут быть использованы различные схемы регулирования выходного напряжения. Их можно разделить на следующие группы:
1. Регулирование напряжения на входе.
2. Регулирование путем воздействия на процессы в инверторе, влияющие на выходное напряжение.
Способы первой группы основаны на пропорциональности выходного напряжения инвертора входному. Они применяются в том случае, когда источником постоянного тока является управляемый выпрямитель.
В АИН регулирование выходного напряжения наиболее целесообразно осуществлять путем изменения длительности проводящего состояния ключей инвертора, используя для этого различные способы модуляции напряжения, например, широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Этот способ модуляции основан на непрерывном изменении (модуляции) по заданному закону (например синусоидному) длительности t,, высокочастотных импульсов несущей частоты fи = 1/Ти, образующих кривую выходного напряжения инвертора (рис. 3). Закон модуляции должен обеспечить получение заданной амплитуды основной гармоники выходного напряжения.
Содержание высших гармоник в выходном напряжении инвертора при использовании ШИМ сводится к минимуму, если использовать модуляцию по синусоидальному закону. При этом роль выходных фильтров в обеспечении синусоидальности напряжения сводится к минимуму, поскольку относительное содержание высших гармоник очень мало.
Основные ограничения в использовании способа ШИМ заключаются в сложности систем управления ключевыми элементами. Кроме того, требуются полностью управляемые ключевые элементы, способные функционировать на высоких частотах, т.е. с малыми интервалами времени включения и выключения. Такие технические решения стали практически осуществимыми лишь недавно — с появлением ключевых элементов, обладающих очень высоким быстродействием (IGBT и др.), и микропроцессорных устройств управления ими.
Рис. 3. График напряжения на выходе преобразователя частоты с ШИМ
Основным прибором, занимавшим монопольное положение в устройствах средней и большой мощности, длительное время являлся тиристор, обладающий неполной управляемостью. Этот фактор был связан с необходимостью принудительной коммутации тиристора при его выключении. В результате затруднялась практическая реализация схем выпрямительно-инверторных преобразователей, позволяющих работать во всех четырех квадрантах комплексной плоскости. Использование полностью управляемых ключей позволяет успешно решать эти задачи.
