TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Преобразователи AC/AC
advertisement
TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Преобразователи AC/AC. Классификация. Конвертер, который изменяет AC сигнал на AC с альтернативным напряжением, частотой, фазой, или формой, называют конвертером AC/AC. Самый простой - регулятор напряжения, который изменяет напряжение переменного тока без изменения частоты. Другие - прямой конвертер частоты (прямой частотный преобразователь), который изменяет частоту и форму напряжения и конвертер частоты c промежуточным звеном dc - link frequency converter. В последнем из них выпрямитель используется как регулирующая напряжение система на стороне линии питания и инвертер, который производит напряжение переменного тока с определенной частотой. Однофазный регулятор напряжения (Single-phase voltage regulator). АС источник обеспечивает средство естественной коммутации проводящих ключей. Пара SCR, соединённых инверсно-параллельно (или триак), которая может выполнить функцию электронного ключа, подходит для использования с источником АС. D1 Uin Uout D2 Z a. IG t U, I Uout Iout t b. = U, I Uout Iout t c. Рис. 1 Силовая цепь регулятора напряжения однофазного переменного тока с индуктивной нагрузкой Силовая цепь регулятора напряжения однофазного переменного тока с индуктивной нагрузкой показана на Рис. 1, a. В случае необходимости управляющий импульс IG прикладывается к SCR. В то время, как его соответствующие напряжения анода положительны, начинается проводимость тока. Угол проводимости зависит от firing angle , измеренного от нулевого напряжения анода, и phase angle нагрузки для синусоидального источника. Тиристор D1 открывается, при и тиристор D2 открывается при + . Когда D1 включается при , источник напряжения 1 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban присоединяется к нагрузке. Ток нагрузки создается при и падает до нуля при некотором угле . Когда D2 включается при + , отрицательный импульс тока течет в нагрузке. Формы волны напряжения на нагрузке Uout и ток нагрузки Iout показаны на Рис. 1, b для ситуации когда . В этом случае, Iout прерывист. Рис. 3.1, c показывает форму волны для ситуации когда . В этом случае, Iout является непрерывным и синусоидальным. Когда < , тиристор возбуждается при t = , но он включится при t = . Эффективное напряжение нагрузки может меняться от нуля, соответствуя как бы исчезновению обоих тиристоров, до почти полного напряжения питания, соответствуя полной проводимости обоих устройств. Когда ключ проводит, его прямое падение напряжения имеет порядок 1 вольта, и это составляет обратное напряжение обратно включенного тиристора, который сохраняет выключенное состояние. Ток, текущий в SCR D1, например, «обслуживает» обратно включенный SCR D2. Он не может включиться, независимо от условий зажигания, пока ток в D1 не упадёт ниже его параметра удержания (несколько mA). Трехфазный регулятор напряжения. Для мощных нагрузок используются трехфазные регуляторы. Рис. 2 показывает трехфазные регуляторы напряжения, включающие инверснопараллельно соединённые тиристоры в каждой линии питания нагрузки. В первой цепи тиристорные ключи находятся в линиях, и нагрузка соединена звездой. D1 U D1 Z D4 U Z V Z W Z D4 D2 V D2 Z Uin Uin D5 D5 D3 W D3 Z D6 D6 a. b. Fig. 2 Трехфазные регуляторы напряжения Резюме. Регуляторы напряжения управляют напряжением нагрузки АС без изменения частоты. Они - низкоэффективные устройства и таким образом бесполезны в точных системах. Самые обычные применения - мягкие стартеры для асинхронных двигателей, где контроль за вращающим моментом обеспечивает гладкое ускорение без толчков. Кроме того, такие конвертеры используются как объединенные мягкие стартеры, корректоры фактора мощности, и энергосберегающие устройства. В дополнение к контролю за напряжением возможна приближённая форма контроля частоты, модуляцией (изменяющийся циклически) угла зажигания тиристора при необходимой выходной частоте. 2 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Direct Frequency Converters. Прямые преобразователи частоты. Преобразователи частоты (Frequency converters - changers) преобразовывают АС одной частоты в АС другой частоты. Они классифицируются как прямые преобразователи частоты и Преобразователи с промежуточным звеном DС. Прямые преобразователи частоты не содержат аккумулирование энергии в промежуточной цепи. Их входная частота АС непосредственно преобразована в выходную частоту АС. Самые популярные типы прямых преобразователей частоты – циклоконвертеры с естественной коммутацией (commutated cycloconverters) и матричные преобразователи частоты. Циклоконвертеры (Cycloconverters) Циклоконвертеры с естественной коммутацией частоты синхронизированы с линией питания. Обычно они используются в применениях большой мощности до десятков мегаватт для того, чтобы понизить частоты таких медленных машин как машин как металлопрокатные, подъемные, землеройные, и вращающие. Тиристор, закрывается естественной коммутацией, то есть, выключается при нулевом токе. Используются 3-, 6-, 12-, и cycloconverters с 24 импульсами. D2 D1 D5 D6 Uin Uout D3 D4 1 2 D7 D8 Uc Fig. 3 Циклоконвертеры с естественной коммутацией частоты Главная особенность этих цепей - то, что только стандартные линейно-commutated тиристоры требуются, которые использовались много лет до самых высоких номинальных мощностей. Кроме того, стоимость тиристоров разумна, так как никакие специфические требования (время выключения) не необходимы. 3 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Однофазный cycloconverter. Рис. 3 показывает однофазный cycloconverter. Его левые и правые конвертеры - положительные и отрицательные управляемые выпрямители, соответственно. Если только левый управляется, выходное напряжение положительно. Если правым конвертером управляют, выходное напряжение отрицательно. Форма волны выходного напряжения при изменяющейся величине управляющего напряжения показана на Рис. 4, b. Если управляющее напряжение меняется в зависимости от времени в течение каждого полупериода вместо того, чтобы остаться постоянным, угол зажигания изменяется в течение полупериода. Это уменьшает содержание гармоник в выходном напряжении как показано на Рис. 4 c. U Uin t t Uc (1 = 2 =0) Uout Uc (1 = 2 = / 6) t a t Uout Uout t b. t c. Fig.4 Форма волны выходного напряжения 4 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Three-phase cycloconverters. Трехфазный циклоконвертер. Схема и график выходного напряжения 6 импульсного циклоконвертера представлены в Рис. 5, a, b. D2 D8 D1 D7 D3 D9 Uin Uout D4 D5 D10 D6 D11 D12 a. t Рис. 5, 6 импульсный циклоконвертер b. Устройство имеет 3 фазный вход с и 1 фазный выход и состоит из двух анти-параллельных мостов на каждой из трех фаз. Тиристоры первого моста проводят на положительной полуволне и тиристоры второго моста - на отрицательной полуволне. Углы зажигания регулируются таким способом, что выходное напряжение сохраняется близко к синусоидальной форме. Есть несколько способов управлять циклоконвертером. Самый простой путь – управление треугольником, которым углы зажигания активного моста могут быть изменены линейно. Выходное напряжение изменяется почти синусоидальный в этом случае. Тиристоры закрываются коммутацией напряжения питания. Таким образом, частота выходного напряжения не может превышать частоту напряжения питания, она всегда, по крайней мере, вдвое ниже. Для гладкой коммутации тока от одного моста до другого угол зажигания на мгновение изменяется свыше /4 радианов, и мост входит в режим инвертера. Хотя выходное напряжение cycloconverter может быть или положительным или отрицательным, выходной ток может быть только положительным. Чтобы получить двусторонний ток на нагрузке, "отрицательный" конвертер обычно размещается параллельно с "положительным". Это может производить отрицательный ток нагрузки. Такая объединенная схема известна как четырёхквадрантный с естественной коммутацией cycloconverter (four-quadrant naturally commutated cycloconverter), который производит ac выходное напряжение для двунаправленного выходного тока. 5 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Большое количество тиристоров кажется на первый взгляд недостатком. Для конвертера 6-ти импульсного с трехфазным выходом, показанным на Рис. 6, требуется минимум 36 тиристоров. Это указывает, что cycloconverters являются главным образом представляющими интерес для больших систем, где параллельные тиристорные ветви были бы необходимы в других схемах конвертера. Uin Uout Рис. 6 6-ти импульсный конвертер с трехфазным выходом Важное ограничение - ограничение частоты выхода, которая вызвана дискретной природой процесса контроля и присутствия несущей частоты, так как напряжения выхода собраны от секций линейных напряжений. Так как частота выхода растёт, напряжения выхода отслеживают синусоидальные ссылки с увеличивающимися ошибками и последовательным искажением. Частотный диапазон 0 < f < mf0 / 15 обычно рассматривают как полезный диапазон операции, где f0 - линейная частота, и m число импульсов. С сетью 50 Гц и трехфазной мостовой схемой (m = 6) это приводит к fmax = 20 Hz. Конечно, если трехфазная линия с более высокой частотой доступна, диапазон частоты выхода расширен соответственно; это может иметь место в транспортных средствах или судах, когда дизель - или управляемый турбиной генератор обеспечивает бортовое питание. 6 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Другая схема прямого конвертера частоты дан на Рис. 7. Это - cycloconverter с многофазными выходами. Снова этот подход использует три трех-импульсных управляемых конвертера, чтобы создать три напряжения выхода. У каждого конвертера есть шесть тиристоров, три, чтобы произвести положительный ток нагрузки и три, чтобы нести отрицательный ток нагрузки с трансформатором с тремя полными комплектами вторичного windings с тремя фазами. Это представляет интерес, чтобы отметить, что природа нагрузки cycloconverter-а неважна. В частности нет никакого различия, является ли нагрузка активной или пассивной, потому что операция во всех четырех секторах возможна. Fig. 7 cycloconverter с многофазными выходами. Рассматривая эффекты преобразования токов на стороне линии питания, полезно помнить, что симметричная система с тремя фазами синусоидальных напряжений и токов приводит к постоянной в линии питания. Так как cycloconverter содержит только ключи, но никакие устройства хранения (кроме неизбежной индуктивности утечки, защитных цепей, и т.д.), полная входная 3 фазная мощность соответствует выходной мощности. Однако, будет реактивная мощность на стороне линии питания, которая является естественной при управлении конвертерами линии-commutated. Матричные конвертеры частоты. Теоретически возможно заменить многократные стадии преобразования и промежуточные элементы аккумулирования энергии единственной стадией преобразования мощности в преобразователе, называемом матричным конвертером. Матричные конвертеры могут стать привлекательными при низкой номинальной мощности как альтернатива cycloconverters. Uin Uout Fig.8 Матричный конвертер 7 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Такой конвертер использует матрицу двунаправленных полупроводниковых переключателей, соединённых между собой каждым терминалом входа и выхода, как показано в Рис. 8. С таким расположением ключей поток мощности через конвертер может полностью измениться. Из-за отсутствия какого-нибудь элемента аккумулирования энергии мгновенная подводимая мощность должна быть равной выходной мощности, принимая во внимание нулевые потери идеализированных ключей. Поскольку этот конвертер обеспечивает выходное напряжение непосредственно от многофазного напряжения сети, порции выходного напряжения идут на выход в соответствующие моменты. Именно поэтому у выходного напряжения есть необходимая частота, число фаз, фаза, амплитуда, и т.д. Его параметры могут быть различны в широком диапазоне. На Рис. 9 возможная реализация матричного конвертера частоты дана как конвертер принудительной коммутации, который обеспечивает выходное напряжение непосредственно от многофазной сети. Uout Uin Fig. 9 Матричный конвертер частоты с принудительной коммутацией В этом расположении три клеммы нагрузки поочередно соединены с тремя клеммами питания. Предельная частота только ограничена способностями полупроводников. Для контроля матричного конвертера используются модуляция ширины импульса, модуляция амплитуды импульса, и принципы векторной модуляции. Однако, угол фазы между напряжениями и токами на входе может управляться и не должен быть тем же самым как на выходе. Кроме того, форма и 8 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban частота в этих двух сторонах независимы. Ключи в матричном конвертере должны быть двунаправлены, то есть, они должны быть в состоянии заблокировать напряжения любой полярности и быть в состоянии провести ток в любом направлении Эта стратегия переключения разрешает максимально возможное выходное напряжение; в то же самое время реактивный ток стороны линии питания уменьшается, начиная с электрических токов только в центральной области периодов линейного напряжения. Такие ключи не доступны и должны быть реализованы комбинацией доступных ключей. Емкостные фильтры могут удалить высокочастотные компоненты токов линии питания. Есть также ограничения на отношение величин количеств входа и выхода. Резюме. Главное преимущество прямых конвертеров частоты состоит в том, что они не содержат аккумулирование энергии в промежуточной цепи. Благодаря прямому преобразованию частоты входа в частоту выхода АС они очень эффективны. В общем используемые прямые конвертеры частоты – это с естественной коммутацией cycloconverters, но их недостаток в очень низкочастотном выходе, частота которого не может быть выше чем 0,4 частоты питания. Коэффициент мощности cycloconverters низок также. Именно поэтому самыми предполагаемыми являются матричные конвертеры частоты. Конвертер частоты c промежуточным звеном (DC link frequency converter) L T1 D1 D2 D3 T2 T3 C D4 D5 D6 T4 T5 T6 Fig. 10 Конвертер частоты c промежуточным DC звеном Трехфазный мостовой выпрямитель был обсужден ранее. Низкочастотные «всплески» выходного напряжения выпрямителя небольшой величины сглаживаются из-за фильтрования конденсатором и/или катушкой индуктивности. Катушка индуктивности уменьшает «рябь и шипы импульса» и ограничивает броски тока. Обратный диод шунтирует катушку индуктивности для того, чтобы понизить ее влияние, когда ключи выключены. Относительно большой (2000 – 60000 microfarads) электролитический компенсационный конденсатор защищает цепь dc от перенапряжений. Это один из главных пунктов стоимости системы. Иногда этот конденсатор шунтируется резистивно-ёмкостной цепью, которая понижает высокочастотные импульсы. Когда конвертер включается, конденсатор заряжается и ограничивает начальный ток цепи. 9 TTÜ Virumaa Kolledž Olga Ruban Вместо транзисторов другие электронные устройства, которые способны выключаться, могут использоваться, например тиристоры с внешней управляющей цепью, GTO, или MCT. Способы работы, возможные с этой цепью: • однонаправленный ток позволяет использование операции с двумя секторами, где обратный поток мощности достигается управлением транзисторами; • конденсатор разрешает dc току временно подниматься или понижаться во время коммутации инвертора со стороны нагрузки при постоянном напряжении. Диоды обратной связи инвертера обеспечивают дополнительный путь для индуктивного тока, когда ключи выключены. Диоды возвращают восстановленную мощность в dc модуль связи, которая поднимет напряжение модуля связи выше его нормальной величины, и должны быть сделаны определённые усилия, чтобы поглотить эту восстановленную мощность, предотвратить опасное наращивание напряжения модуль связи. Как правило, резистор включен параллельно с конденсатором модуль связи dc, чтобы поглотить эту энергию, или входной мост сделан двунаправленным, добавлением второго обратного параллельного моста. Из-за трехфазного мостового выпрямителя у цепи есть три недостатка: • форма волны тока линии переменного питания является несинусоидальной, поэтому высокий уровень интерференции может влиять на другое оборудование и нарушить их нормальное функционирование; • гармоники тока искажают напряжение и могут затронуть работу другого оборудования, связанного с системой электропитания; • четырёхквадрантная работа невозможна, потому что электроэнергия может только быть передана в одном направлении; • такая схема не может работать в машинах с частыми запусками, торможением, и изменением направления тока. 10
