Преобразователем частоты называют полупроводниковый преобразователь, осуществляющий преобразование энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты.

Преобразователи частоты классифицируются по мощно­сти, напряжению, числу фаз входного и выходного напряже­ний, схеме преобразования. Работа преобразователя и его технико-экономические характеристики в основном опреде­ляются схемой преобразования, от которой зависят: парамет­ры выходного напряжения; коэффициент мощности преобра­зователя по входу и выходу; форма кривой переменного тока, потребляемого из питающей сети; внешняя характеристика; КПД.

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 питающей сети и цепей на­грузки 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.

В ПЧ с непосредственной связью с сетью энергия источ­ника переменного тока передается в нагрузку непосредст­венно на проводящих интервалах силовых ключей схемы 11реобразователя.

Функциональная схема ПЧ с непосредственной связью показана на рис. 5.17, а. Система управления (СУ) обеспечи­вает нужную последовательность включения вентилей сило­вой части (СЧ). Линии трехфазной сети до ПЧ обозначены буквами А, В, С, а после ПЧ — а, в, с. Графики изменения линейных напряжений UABl UBC, Uca изображены на рис. 5.17,

б. 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 UAB, если время, и течение которого оно положительно, и время, в течение которого оно отрицательно, больше, чем у напряжения 11АВ. Как видно из рис. 5.17, в такое напряжение будет обес­печено, если СЧ в интервалах A tu Af2, A f3 к линиям а ив подключит соответственно линии А и В, В и С, С и А. Таким образом, напряжение [/оЬ будет положительным более дли­тельное время, чем UAB. Для получения отрицательного зна­чения Uab той же длительности необходимо в интервалах Af4l Afs, Af6, 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. 5.17, б). Если к ПЧ присоединить фильтр Ф, то можно выделить первую гармонику, изображенную на рис. 5.17, в пунктирной синусоидой. Из рисунка видно, что частота напряжения U, подаваемого на двигатель, меньше частоты питающей сети, Если изменить угол включения вентилей (х, 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 = at по сравнению с a = 0 показано на рис, 5.17, г.

Преобразователь частоты с непосредственной связью в общем виде представляет собой совокупность включенных в

каждую фазу и работающих согласованно реверсивных ти­ристорных преобразователей постоянного тока.

Основным достоинством ПЧ с непосредственной связью является естественная коммутация вентилей под действием напряжения питающей сети, как это происходит в управляе­мых тиристорных преобразователях, используемых в элек­троприводе постоянного тока. Благодаря возможности пере­вода преобразователя из выпрямительного режима в инвер­торный возможно рекуперативное торможение двигателя.

Преимуществом ПЧ с непосредственной связью является также однократное преобразование энергии, благодаря чему достигается высокий КПД. К недостаткам следует отнести ограниченный (до 0,4 Л) 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 частоты вращения ва­ла двигателя.

Преобразователи на тиристорах с непосредственной свя­зью подразделяются на ПЧ с естественной коммутацией ти­ристоров (под воздействием напряжения питающей сети), называемые циклоконверторами, и ПЧС с искусственной (принудительной) коммутацией тиристоров.

Для электроприводов с большим диапазоном регулирова­ния частоты вращения используют ПЧ с промежуточным теном постоянного тока. В таких ПЧ напряжение сети пере­менного тока вначале выпрямляется, а затем снова преобра - чуется 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. 5.18, а. На вход управляемого выпрямителя УВ поступает переменное напряжение сети. 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 ЛИ, который преобразует поступающее на его вход напря­жение постоянного тока в напряжение переменного тока. Причем частота Д выходного напряжения U зависит от управляющего сигнала, поступающего на инвертор АИ от Олока управления инвертора БУИ. Управляющие сигналы, поступающие на БУВ и БУИ, формируются в блоке задания

скорости БЗС напряжением U3, соответствующим заданной частоте вращения. 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: регулирования 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. 5.18 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 очень часто, наряду с регулированием частоты, тре­буется регулирование уровня 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 тгого различные способы модуляции напряжения, например, широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Этот способ моду­ляции основан на непрерывном изменении (модуляции) по таданному закону (например, синусоидному) длительности f„

высокочастотных импульсов несущей частоты /и =1/г, обра­зующих кривую выходного напряжения инвертора, рис. 5.19. 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. Практически такие технические решения стали осуществимыми лишь недавно — с появлением ключе­вых элементов, обладающих очень высоким быстродействием (IGBT и другие), и микропроцессорных устройств управления ими.

Управление с помощью ШИМ выпрямленного напряжения звена постоянного тока имеет следующие преимущества: масса и габариты элементов силового фильтра минималь­ны; по сравнению с АИМ уменьшение массы дросселя воз­можно почти на порядок, а емкости конденсаторов — при­мерно в два раза;

коэффициент мощности ПЧ с ШИМ близок к единице во всем диапазоне изменения частоты;

возможно формирование различных механических харак­теристик электропривода, вплоть до характеристик, анало­гичных глубокорегулируемому электроприводу постоянного тока.

Наряду с перечисленными достоинствами применение ШИМ имеет следующие недостатки:

для получения малых гармонических искажений необхо­димо увеличивать частоту ШИМ (20 — 25 кГц), что приводит к увеличению динамических потерь в ключах инвертора; тяжелые условия работы инвертора;

не полностью используется напряжение источника пи­тания;

импульсная форма напряжения на выходе ПЧ, что отрица­тельно сказывается на межвитковой изоляции двигателя; снижение этого явления достигается установкой синусных фильтров, а также специальных кабелей, подавляющих высо­кочастотные составляющие напряжения на выходе ПЧ.

Особенно остро в частотно-регулируемых электроприво­дах стоит проблема их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Больше всего проблем создает гармониче - < кий состав токов, потребляемых частотно-регулируемым ілєктроприводом из сети. Преодоление этого явления воз­можно с помощью сетевого дросселя на входе ПЧ, параметры которого подбираются в зависимости от длины кабеля и мощности питающей линии, а также заменой 6-пульсной схемы выпрямления на 12- и 24-пульсную.

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.