1.3 Непосредственные AC-AC тиристорные преобразователи частоты (НПЧ)

НПЧ обеспечивают однократное преобразование электрической энергии сети переменного напряжения в регулируемое по амплитуде и частоте переменное напряжение. В них выходное напряжение формируется из участков синусоид сетевого напряжения, поэтому выходной сигнал у них имеет пониженную частоту по сравнению с частотой питающей сети. Нагрузка через открытые ключи преобразователя оказывается непосредственно подключенной к источнику питания. Эти преобразователи строятся на основе рассмотренных ранее реверсивных тиристорных преобразователей (управляемых выпрямителей). Для иллюстрации в самом общем виде принципа построения и работы НПЧ обратимся к схеме на рис. 13, а и временным диаграммам на рис. 13, б и рис. 13, в.

Предположим, что в простейшем случае в однофазной реверсивной нулевой схеме на рис. 13, а, работающей на активную нагрузку R, управляющие импульсы поочередно подаются либо на тиристоры VD1 и VD2, либо на тиристоры VD3 и VD4 в момент их естественного открывания. Тогда, как показано на рис. 13, б, на выходе схемы формируется пульсирующее напряжение u_d, образованное попеременно, то положительными, то отрицательными полуволнами напряжений на вторичных обмотках трансформатора u₂₁и u₂₂. Усредняя прикладываемое к нагрузке напряжение u_d на интервале проводящего состояния каждой пары тиристоров, видим, что при переходе от одной пары тиристоров к другой оно изменяет знак, т. е. является разнополярным (на рис. 13, б это напряжение обозначено как U_d).

Как видно, форма кривой напряжения U_d в данном случае близка к прямоугольной. При этом частота его изменения определяется количеством полуволн напряжений вторичных обмоток трансформатора, прикладываемых к нагрузке на интервале проводящего состояния каждой пары тиристоров, а амплитуда зависит от угла управления импульсов a, подаваемых на тиристоры.

Обычно прямоугольная форма среднего значения напряжения на выходе преобразователя U_d не является рациональной для электропривода. Приближения её к синусоиде можно достичь соответствующим образом изменяя фазу управляющих импульсов, подаваемых на тиристоры (например, как показано на рис. 13, в). С целью снижения пульсаций мгновенного значения напряжения на нагрузке и получения максимально возможной амплитуды гладкой составляющей выходного напряжения НПЧ в электроприводе обычно выполняют на базе многофазных (чаще трехфазных) схем реверсивных управляемых выпрямителей.

Функциональная схема трехфазного НПЧ показана на рис. 14. Она содержит три идентичных силовых канала с выходными напряжениями U_dA, U_dC, U_dC, образованных тремя реверсивными выпрямителями РВГ1 – РВГ3, как правило, при раздельном управлении группами вентилей. На каждый из выпрямителей РВГ1 – РВГ3 управляющие импульсы формируются отдельными СИФУ1 – СИФУ3. Синхронизацию работы всех СИФУ обеспечивает общее задающее устройство, формирующее управляющие сигналы U_уA U_уB, U_уC.

При изменении по синусоидальному закону с взаимным фазовым сдвигом в 120⁰ управляющих напряжений U_уА, U_уВ, U_уС, подаваемых на каждую СИФУ, на выходе преобразователя формируется трехфазное пульсирующее напряжение. В этом напряжении гладкие составляющие U_dA, U_dB, U_dC изменяются по синусоидальному закону с теми же частотой и взаимным фазовым сдвигом, что и напряжения U_уА, U_уВ, U_уС. Необходимый для этого закон изменения углов управления a_А, a_В, a_С, формируемых каждой из СИФУ, определяется следующим образом. С одной стороны, как установлено ранее, в режиме непрерывного тока управляемого выпрямителя, среднее значение его выходного напряжения является косинусоидальной функцией угла управления. В частности, для фазы А можно записать

                                    (11)

С другой стороны, среднее значение выпрямленного напряжения на выходе каждой из фаз НПЧ должно изменяться по синусоидальному закону с некоторыми амплитудой U_пм и частотой w_п, т. е.

                                   (12)

Объединяя соотношения (11) и (12), получаем закон изменения угла управления вентильной группы фазы A

                                   (13)

Углы управления двух других фаз a_В и a_С связаны с углом a_А очевидным образом

                                              (14)

                                                    (15)

При активно-индуктивной нагрузке, что обычно и характерно для электропривода, между гладкими составляющими выходных напряжения U_d и тока I_d каждой фазы появляется фазовый сдвиг. Вследствие этого появляются временные интервалы, в пределах которых напряжение U_d и ток I_d имеют противоположные знаки. В этих интервалах соответствующие тиристорные группы работают в инверторном режиме.

Особенностью НПЧ является то, что по мере увеличения частоты гладкой составляющей выходного напряжения возрастает искажение её формы. Поэтому предельное её значение обычно не превышает половины от значения частоты питающей сети. Для расширения диапазона регулирования частоты выходного напряжения НПЧ подключают к источнику питания повышенной частоты, например, 400 Гц.