Полупроводниковые преобразователи частоты

Частоту переменного тока можно изменять при помощи преобразователя, состоящего из последовательно соединенных выпрямителя и инвертора. При этом, используя управляемый выпрямитель, можно изменить не только частоту, но и величину выходного напряжения. Такого рода преобразователи частоты называются преобразователями с выраженным звеном постоянного тока и в них обычно используются рассмотренные выше выпрямительные и инверторные схемы (чаще всего мостовые однофазные и трехфазные). Преобразователи частоты с выраженным звеном постоянного тока можно легко приспособить для преобразования количества фаз, так как выходной инвертор, питаемый постоянным током, нетрудно изготовить с любым необходимым количеством фаз. Основной недостаток этих преобразователей заключается в том, что электроприемник в отношении реактивной мощности отрезан от источника питания. Поэтому в последнее время все большее внимание привлекают такие преобразователи частоты, которые не имеют выраженного звена постоянного тока. Они предназначены для питания переменным током стабилизированной частоты автономной электрической системы. Преобразователь получает энергию от бесконтактного синхронного генератора, работающего при переменной скорости вращения и выходной частоте. Подобные условия работы преобразователя частоты наиболее часты в транспортных средствах, где электрические устройства получают энергию от неэлектрического главного двигателя (например, двигателя внутреннего сгорания самолета, дизельного поезда или локомотива, оси колесной пары поезда и т. п.).

Преобразователь частоты состоит из шести трехэлементных групп. Группы с общим катодом выпрямительных элементов работают в первом полупериоде выходного напряжения, а группы с общим анодом - во втором полупериоде. Преобразование частоты осуществляется путем изменения угла отпирания тиристоров. Например, в начале положительного полупериода выходного напряжения фазы А, когда напряжение в этой фазе должно иметь небольшую величину, задерживается отпирание соответствующих тиристоров группы +А. С постепенным и поочередным уменьшением угла задержки отпирания тиристоров группы +А выходное напряжение в фазе А возрастает.

Аналогично работающий преобразователь частоты может быть использован также для регулирования скорости вращения синхронного двигателя. В частности, схема преобразователя частоты обеспечивает не только регулирование частоты и напряжения на зажимах двигателя, но и реверсирование его. Один из характерных образцов преобразователей этого вида мощностью 30 ква, рассчитанный на подключение к трехфазной сети напряжением 480 в и частотой 60 гц, обеспечивает регулирование частоты на выходе преобразователя от 0 до 5 гц при напряжении 220 в. Подобные системы с бесконтактным синхронным двигателем и статическим полупроводниковым преобразователем созданы в основном для работы в условиях, неблагоприятных для обычных систем привода (в космическом пространстве, при высоких температурах и радиоактивных излучениях).

Рассмотренные преобразователи частоты используются, например, для привода системы ориентации коллекторов солнечных батарей на спутниках и космических ракетах, для привода устройств регулирования ядерных реакторов и для привода механизмов, работающих в условиях высоких температур.

Полупроводниковые преобразователи частоты могут найти широкое применение и в обычных промышленных электроустановках. В первую очередь они могут быть использованы для регулирования скорости вращения асинхронных двигателей. Как известно, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в настоящее время является самым надежным, простым в эксплуатации и дешевым двигателем, не требующим особого ухода. Однако асинхронные двигатели в настоящее время используются главным образом в установках, в которых нет необходимости плавно регулировать скорость вращения. Это связано с тем, что для регулирования скорости вращения этих двигателей необходимо использовать преобразователь частоты. В то же время преобразователи частоты с ионными вентилями очень сложны и занимают много места. Поэтому в настоящее время для плавного регулирования скорости вращения станков на них обычно устанавливаются двигатели постоянного тока, хотя из-за наличия коллекторов они менее надежны в эксплуатации и требуют более тщательного ухода по сравнению с асинхронными двигателями. По мере развития полупроводниковых преобразователей частоты они в сочетании с асинхронными двигателями найдут широкое применение как в регулируемом приводе на стационарных промышленных установках, так и в электрической тяге.

Бесколлекторные двигатели с полупроводниковыми коммутаторами, созданные на основе синхронных машин, или так называемые «вентильные двигатели», могут стать серьезными конкурентами двигателей постоянного тока с коллекторами. Эти двигатели начали развиваться в 20-х годах нашего столетия, когда появились управляемые ионные вентили (тиратроны). Разработка и исследования схем «вентильных двигателей» в СССР связаны с именами Беляева, Вегенера, Завалишина и Тихменьева; за границей ими занимались Керн, Марти, Александрсен, Вилий и др. Вторичная обмотка однофазного трансформатора через управляемые вентили питает трехфазную обмотку статора С тягового двигателя. Обмотка возбуждения, размещенная на роторе, включена в те ветви схемы, где проходит ток неизменного направления (постоянный ток). Обмотка ротора соединена с преобразователем через контактные кольца и щетки. Для управления элементами пользуются датчиком положения ротора и специальной системой управления, которая включает вентили в зависимости от угла поворота ротора.

По сравнению с обычными тяговыми двигателями, питаемыми от полупроводниковых выпрямителей, бесколлекторные двигатели с полупроводниковыми коммутаторами имеют много преимуществ, так как для них отпадает необходимость в электромеханическом коллекторе, который зачастую является причиной серьезных аварий (коротких замыканий) при «круговом огне» на коллекторе. Кроме того, у бесколлекторного двигателя можно значительно увеличить скорость вращения и плотность тока в якоре, что дает возможность увеличить его мощность или уменьшить вес.

Бирзниек Л., Полупроводниковые преобразователи. — М., «Энергия», 1967