Матричные преобразователи частоты

Преобразователи AC-AC
Лекция 13
Определение
 Преобразователь, который изменяет АС
сигнал на АС с альтернативным
напряжением, частотой, фазой, или
формой, называют AC/AC
преобразователем
07.05.2016
2
Классификация
Регулятор напряжения, который изменяет
напряжение переменного тока без
изменения частоты.
Прямой (непосредственный) конвертер
частоты (прямой частотный
преобразователь), который изменяет
частоту и форму напряжения.
Преобразователь частоты c промежуточным
звеном dc - link frequency converter.
Здесь используется выпрямитель как регулирующая
напряжение система на стороне линии питания и
инвертер, который производит напряжение
переменного тока с определенной частотой.
07.05.2016
3
Однофазный регулятор
напряжения
 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 В, и это
составляет обратное
напряжение обратно
включенного тиристора,
который сохраняет
Uin
D1
Z
Uout
D2
a.
IG
t

U, I

Uout
Iout
t
b.
=  
U, I
Uout
Iout
t
выключенное состояние
c.
Трехфазный регулятор
напряжения
Резюме
Регуляторы напряжения управляют напряжением
нагрузки ac без изменения частоты. Они низкоэффективные устройства и таким образом
бесполезны в точных системах.
Применение:
 мягкие стартеры для асинхронных двигателей, где
контроль за вращающим моментом обеспечивает
гладкое ускорение без толчков.
 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 в при необходимой выходной
частоте.
Преобразователь частоты c
промежуточным звеном (DC - link
frequency converter)
Преобразователь с промежуточным звеном
постоянного тока
Итак Принцип работы
Преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра
сглаживания и автономного инвертера.
Переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в
переменное напряжение с изменяемой амплитудой
и частотой.
Изменением напряжения и частоты можно
управлять скоростью вращения трехфазных электродвигателей в
больших пределах, начиная с нуля до многократной номинальной
скорости.
07.05.2016
8
Достоинства преобразователя частоты
1. Независимость выходной частоты f2 (инвертер) от входной частоты f1(сеть).
Теоретически можно обеспечить любую по величине частоту.
2. Частота ограничивается свойствами ключей инвертера И по
быстродействию (предельные частоты переключений).
3. Простота обеспечения регулирования напряжения (выпрямитель) и выходной
частоты (инвертер), особенно при применении полностью управляемых
полупроводниковых ключей в инвертере.
Упрощенная схема
Промежуточные звенья постоянного тока используют несколько видов.
В звене постоянного тока обычно устанавливается фильтр того или иного типа,
содержащий индуктивность L или емкость С.
Если инвертер является инвертером тока, то в качестве фильтра используется
дроссель L (реактор), сглаживающий входной ток .
Если же инвертер является инвертером напряжения, то в фильтре используются
емкость С, индуктивность L, а в некоторых случаях – только емкость С, сглаживающая
пульсации напряжения на выходе выпрямителя.
Роль емкости состоит также в обмене реактивной энергией с индуктивностью нагрузки
на коммутационных интервалах инвертера.
07.05.2016
10
Общие положения
Схема преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей
частей.
Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах
или транзисторах, которые работают в режиме электронных
ключей.
Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и
обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а
также решение большого количества вспомогательных задач
(контроль, диагностика, защита).
В качестве электронных ключей в инвертерах применяются
запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные
модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы
с изолированным затвором IGBT.
Прямые преобразователи
частоты
(Direct Frequency Converters)
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 –
 преобразователи с естественной
коммутацией (commutated
cycloconverters) и
 матричные преобразователи частоты.
Циклоконвертеры (Cycloconverters)
Циклоконвертеры с
естественной
коммутацией частоты
синхронизированы с
линией питания.
Используются в цепях
большой мощности до
десятков мегаватт для
того, чтобы понизить
частоты таких медленных
машин как
металлопрокатные,
подъемные, землеройные,
и вращающие.
Тиристор закрывается
естественной
коммутацией, то есть,
выключается при нулевом
токе.
(3-, 6-, 12-, и 24 импульсные
преобразователи)
D2
D1
D5
D6
Uin
Uout
D3
D4
1 2
D7
D8
Uc
Циклоконвертеры с
естественной коммутацией частоты
Однофазный cycloconverter
D2
D1
D5
D6
Uin
Uout
D3
D4
1 2
D7
Левые и правые части
конвертера - положительно
и отрицательно
управляемые
выпрямители,
соответственно.
Если только левый
управляется, выходное
напряжение положительно.
Если правым конвертером
управляют, выходное
напряжение отрицательно.
D8
Uc
07.05.2016
14
Однофазный cycloconverter
U
Uin
t
t
Uc (1 = 2 =0)
Uout
t
a
Uc (1 = 2 = / 6)
t
Uout
Uout
 Форма волны выходного напряжения
при наличии величины управляющего
напряжения показана на b.
 Если управляющее напряжение
меняется в зависимости от времени в
течение каждого полупериода вместо
того, чтобы остаться постоянным,
угол α изменяется в течение
полупериода. Это уменьшает
содержание гармоник в выходном
напряжении как показано на c.
t
b.
t
c.
07.05.2016
15
Трехфазный циклоконвертер
(Three-phase cycloconverter)
D1
D2
D7
D3
D8
D9
Uin
Uout
D4
D5
D6
D10
a.
D11
D12
t
b.
6 импульсный циклоконвертер
07.05.2016
16
Четырёхквадрантный с естественной
коммутацией циклоконвертер
(four-quadrant naturally commutated cycloconverter)
Хотя выходное напряжение циклоконвертера
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 циклоконвертер (four-quadrant
naturally commutated cycloconverter), который производит
АС выходное напряжение для двунаправленного выходного
тока.
6 импульснй конвертер с
трехфазным выходом
Ограничение выходной
частоты
0 < f < mf0 / 15, где f0 линейная частота, и m
число импульсов.
С сетью 50 Гц и
трехфазной мостовой
схемой (m = 6) это
приводит к f max = 20 Hz.
07.05.2016
Uin
Uout
18
Циклоконвертер с многофазными выходами
Так как cycloconverter содержит только ключи, но нет устройств
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.
Матричные преобразователи
частоты
Матричные конвертеры при низкой
Uin
номинальной мощности –
альтернатива
циклоконвертерам.
Матричный конвертер использует
матрицу двунаправленных
полупроводниковых
переключателей, соединённых
между собой каждым
терминалом входа и выхода.
С таким расположением ключей
поток мощности через
конвертер полностью меняется.
Из-за отсутствия какого-нибудь
элемента аккумулирования
энергии мгновенная
подводимая мощность должна
быть равной выходной
мощности, принимая во
внимание нулевые потери
идеализированных ключей.
Uout
Матричные преобразователи
частоты
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.
07.05.2016
21
Матричный конвертер частоты с принудительной
коммутацией
Uout
Uin
3 клеммы нагрузки поочередно соединены с тремя клеммами питания. Предельная
частота ограничена только способностями полупроводников.
Возможная реализация матричного конвертера частоты
как конвертера принудительной коммутации
 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 частота в этих двух сторонах независимы.
 Выключатели 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 в дальнейшем самыми предполагаемыми
являются матричные конвертеры частоты.
07.05.2016
24
Uninteruptible Power Supply (UPS)
“on-line” ИБП с двойным преобразованием. Преобразует
переменное напряжение в постоянное, заряжает внутреннюю
аккумуляторную батарею, затем обратно преобразует в
идеальное сетевое напряжение.
В случае пропадания входного напряжения ИБП продолжит
питать нагрузку без какого – либо искажения или перерыва
выходного сигнала.
Входные параметры: Входной
коэф. мощности > 0.96
220/380 230/400 240/415 В
Частота 50/60 Гц
Выходные параметры: 220/380 230/400 240/415 В
Нелинейные искажения напряжения:
< 1% THD (коэф. гармоник) при линейной нагрузке
< 5% THD при нелинейной нагрузке
Частота 50/60 Гц
07.05.2016
27
07.05.2016
28
07.05.2016
29
07.05.2016
30
Спасибо за внимание!
07.05.2016
32