У цьому розділі ми поговоримо про загальні принципи побудови статичних перетворювачів, про їх силових схемах, про конструктивному виконанні різних типів приладів, що випускаються вітчизняними та зарубіжними фірмами, про методи їх управління та про додаткові функціональних сервісних вузлах, наявних у складі сучасної перетворювальної техніки

Сучасний ринок статичних перетворювачів настільки широкий, настільки багато пропозицій надходить від виробників цієї продукції, що у людини, що вперше зіштовхнувся з вибором конкретного приладу для реалізації своїх завдань, може виникнути відчуття безпорадності Інтернетівські пошукові системи у відповідь на запит видають сотні посилань на сайти виробників, спеціалізовані виставки насичені стендами, де навперебій пропонують придбати різноманітну перетворювальну техніку Як взагалі зорієнтуватися в подібному розмаїтті продукції Який саме перетворювач вибрати Чим все-таки відрізняються прилади з дуже близькими технічними характеристиками, виробленими різними фірмами крім того, що вони мають різні фірмові планки виробника Наскільки надійним в експлуатації буде застосування того чи іншого приладу На щастя, ці побоювання швидко зникнуть, якщо вдасться розібратися в загальних принципах побудови і функціонування силової перетворювальної техніки

Почнемо з перетворювачів, які використовуються для побудови частотно-регульованого електроприводу та основних силових схем, що використовуються для їх реалізації Найбільшого поширення серед схем даного класу перетворювальної техніки отримали так звані схеми дволанкового перетворення На рис 121 показана в узагальненому вигляді двухзвенная перетворювальна схема із зазначенням форми напруг, формованих каскадами цієї схеми

Дволанковий схеми перетворять напругу живлення в напруга живлення електродвигуна в два етапи На першому етапі вироб-

Рис 121 Двухзвенная схема перетворення

водиться випрямлення мережевого напруги UBX в напругу івипрямися некерованим (або керованим) випрямлячем, в якості якого виступає діодний міст (або тиристорно-діодний міст), а потім згладжується ємнісним або індуктивно-ємнісним фільтром Одержуване в результаті постійна напруга Ud на другому етапі перетворюється за допомогою «інвертора» в широтно-модульовані імпульси з амплітудою UBklx, Які надходять на обмотки електродвигуна Оскільки рухові обмотки мають індуктивний характер реактивного опору, струм в обмотках (/вих) Виходить в результаті усереднення близьким до синусоїдального

Найбільш цікавий вузол статичного перетворювача – це інвертор Як основні комутаційних елементів для інвертора довгий час використовувалися тиристори з неповним управлінням (що включаються з управління, або SRC-тиристори) Сьогодні їх замінили тиристори з повним управлінням типу GTO, IGCT, SGCT Але найбільш перспективним на сьогоднішній момент все-таки є використання біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT) На жаль, за допомогою IGBT на сьогоднішній момент вдається будувати статичні перетворювачі з верхньою межею потужностей близько декількох сотень кВт Якщо мова йде про діапазонах потужностей в тисячі кВт, доводиться застосовувати відомі читачеві тиристори Але тенденції розвитку силової елементної бази дозволяють зробити прогноз про зростання частки IGBT у складі надпотужних статичних перетворювачів і про появу нових розробок потужних високовольтних IGBT, здатних повністю замінити тиристори

На рис 122 показана структурна схема перетворювача на основі SRC-тиристорів Елементи VS1-VS6 включені за схемою керованого випрямляча, елемент VS7 виконує функцію комутатора, замикаючого елементи VS8-VS13, що працюють в инвертор Конденсатори C1-C3 компенсують індуктивний характер навантаження На основі даної схеми випускалося велика кількість перетворювачів у діапазоні потужностей від 600 до 13 000 кВт з номінальними

Рис 122 Перетворювач на основі SRC-тиристорів

вихідними напругами до 14 000 В Такі перетворювачі використовувалися на залізничному транспорті для управління тяговими електродвигунами тепловозів і електровозів

На жаль, класичні SRC-тиристори не можуть працювати на високих частотах комутації, через що не вдається підвищити частоту перетворення і зменшити гармонійні спотворення вихідних сигналів перетворювачів Так, в середньому, значення гармонійних спотворень вихідних сигналів подібних перетворювачів становить 10% для вихідного струму і напруги Наскільки важливо забезпечити мінімальні гармонійні спотворення вихідної напруги і струму статичних перетворювачів для електроприводу Виявляється, гармонійні спотворення збільшують втрати електроенергії в двигунах і можуть надати руйнівний вплив на електричну ізоляцію його обмоток

Більш перспективним на сьогоднішній момент є заміна тиристорів SRC-типу на замикаються тиристори GTO і IGCT, оскільки, крім підвищених частот комутації, ці елементи керовані по виключенню На рис 123 показана схема високовольтного частотного перетворювача, в якій застосовуються ЮСТ-тиристори На вході перетворювача в даному випадку встановлюється трансфор-

матора T1 з двома вторинними групами обмоток – для підвищення вихідної напруги Випрямлення здійснюється двома трифазними діодними мостами CVD1-VD12), включеними послідовно Випрямлена напруга фільтрується елементами Ll ~ L4, R1-R2, Cl ~ C4 Елементи VS1-VS12 складають керований інвертор На виході перетворювача встановлено LC-фільтр L5-L7, C5 ~ C7, який пригнічує вищі гармоніки напруги і виключає пошкодження обмоток електродвигунів

Знову повернемося до рис 121 і звернемо увагу на згладжують (накопичувальні) конденсатори, що працюють в ланці перетворення змінного струму частоти 50 Гц у постійну напругу, що живить ланка інвертора Ємність цих конденсаторів в класичних перетворювальних схемах повинна бути досить великою, щоб забезпечити гарне згладжування випрямленої струму, а також його підтримку при виникненні стрибків і провалів мережевої напруги У середньому, величина цих конденсаторів вибирається зі співвідношення порядку 500 мкФ на 1 кВт вихідної потужності Звідси випливає, що типовий статичний перетворювач являє собою ємнісне навантаження з боку подачі мережевої напруги харчування Дана обставина призводить до появи в живильній мережі вищих гармонік струму, які несприятливо впливають на мережу Для живильної мережі найбільш бажаним вважається підключення навантажень активного характеру, тому за допомогою деякого ускладнення схемотехнического побудови вихідного каскаду статичного перетворювача вдається наблизити споживання струму до активного характеру, тобто забезпечити коефіцієнт мощноцті приладу близьким до 1

На рис 124 показана модифікована схема вхідної ланки статичного перетворювача [7], до складу якого включений так на-

Рис 124 Модифікована схема вхідної ланки статичного перетворювача

Рис 124 Модифікована схема вхідної ланки статичного перетворювача

зувати «бустер» – підвищувальний керований перетворювач на основі IGBT-ключів

Бустер виконаний за симетричною схемою У його склад включені індуктивні елементи L1, L2, транзисторні ключі VT1, VT2, зворотні діодиУ07, VD8, випрямні діоди VD9, VD10 і згладжують конденсатори Cl, C2 Основні функції бустера тут дві: по-перше, балансується напруга позитивної та негативної полярностей щодо нейтрального провідника, що виключає появу в вихідному змінному напрузі статичного перетворювача постійної складової через несиметрії управляючих впливів, і по-друге, що важливо також відзначити, оскільки конденсатори Cl, C2 фільтра відокремлені від живильної мережі елементами бустера, реактивна складова потужності буде «курсувати» між навантаженням, інвертором, ємностями фільтра, і не зможе проникнути на вхід перетворювача, а значить – і в живильну мережу Саме тому живить мережу виявляється захищеною від високочастотних гармонік струму

Подальше вдосконалення схем вхідної ланки перетворювачів привело до заміни некерованих діодних випрямлячів (діодних мостів) на керовані випрямлячі, виконані на основі IGBT-ключів Ці схеми дозволяють забезпечити коефіцієнт потужності перетворювачів порядку 0,99, тобто для живильної мережі такі перетворювачі можуть стати практично активним навантаженням На рис 125 показана схема вхідного ланки статичного перетворювача з керованим випрямлячем

У складі керованого випрямляча «працюють» діоди VD1-VD6, транзистори VT1-VT6, вхідні дроселі L1-L3 Крім цього, є спеціальна схема зрівнювача напруги, побудована на транзисторах VT7-VT8, діодах VD7-VD8 Згладжує фільтр – елементи L4, Cl, C2 Керований випрямляч виконує функції регулювання напруги постійного струму на вході інвертора, управління потужністю за рахунок обмеження вихідного струму Крім того, керований випрямляч забезпечує рекуперативний обмін енергією з мережею живлення Зрівнювач напруги симетрувальними напруга постійного струму на шинах подачі живлення на інвертор для виключення появи постійної складової у вихідному сигналі

Рис 125 Керована схема вхідної ланки

Поява так званих гібридних силових схем статичних перетворювачів електроенергії повязане з дослідженнями, спрямованими на зниження їх мас і габаритів з одночасним зниженням впливу на живильну мережу У цих схемах замість фільтруючих конденсаторів великої ємності (а значить – і значних габаритів) застосовуються вузли активних фільтрів гармонік Принцип роботи активного фільтра гармонік такий: на вході перетворювача встановлюється електронна схема, состоялцая з датчиків струму, напруги, ключових елементів (IGBT-транзисторів) і сигнального мікроконтролера Алгоритм управління фільтром побудований таким чином, щоб забезпечити впливу, що дозволяють компенсувати зовнішні обурення типу стрибків і провалів напруги Внаслідок цього, споживання струму від мережі відбувається в режимі, близькому до активного, а вихідна напруга, що живить інвертор, виявляється більш стабільним Як правило, активні фільтри гармонік працюють паралельно з первинною ланкою перетворювача

На рис 126 показана можлива гібридна структура вхідної ланки статичного перетворювача, що містить у своєму складі активний фільтр гармонік Як видно з малюнка, гібридна схема являє собою паралельне зєднання класичній силовій

Рис 126 Гібридна структура вхідної ланки

схеми з бустерних ланкою і активного фільтра гармонік, у складі якого працюють елементи VD7, VD8, VD9, VD10, VT1, VT2, L1 Таких фільтрів у схемі має бути три, тобто на кожну фазу «працює» свій фільтр (на малюнку показано внутрішній устрій тільки одного силового каналу)

У тому випадку, якщо вкрай важливо забезпечити мінімальне значення гармонійних складових у навантаженні, гібридна схема реалізується так, як показано на рис 127

Некерований випрямляч VD1-VD6 тут побудований за традиційною схемою трифазного моста Регулювання напруги на вході інвертора виконується ланкою чопперного типу на елементах VT1, VD7, VD8, 01, C2, L1 Інвертор також включений в класичній схемі трифазного моста на елементах VT8-VT13, VD15-VD19 Керований активний фільтр гармонік – елементи VT2-VT7, VD9-VD14, L2-L4, СЗ-С5 Вихідні сигнали інвертора і актив-

Рис 127 Гібридна схемадля живлення навантаження

ного фільтра підсумовуються в трансформаторі T1, до виходу якого підключається навантаження (наприклад, електродвигун)

Цікавою з точки зору відмови від габаритних конденсаторів фільтра є ідеологія матричного побудови силової схеми статичного перетворювача, наведена на рис 128 Схема побудована з використанням девяти двонапрямлених силових ключів, які підключають будь-яку з трьох фаз живлячої напруги до будь трьох фаз навантаження Управляються ключі спеціальними трифазними послідовностями, сформованими мікроконтролером Накопичується в навантаженні енергія транслюється в мережу живлення за допомогою оригінального рекуперативного вузла Цікаво відзначити, що матрична структура перетворювача дозволяє як підвищити, так і знизити частоту вихідної напруги в порівнянні з частотою мережі живлення, що не завжди вдається в класичних тиристорних структурах Інша важлива особливість матричної структури – можливість збереження працездатності перетворювача в цілому при відмові одного з осередків двонапрямлених ключів за рахунок перебудови алгоритму управління справних осередків

А тепер ми поговоримо про деякі типові промислових зразках статичних перетворювачів, які виробляються провідними

світовими фірмами і знаходять найширше застосування в названих вище технічних областях Почнемо з розповіді про малопотужних перетворювачах, що використовуються для управління електродвигунами На рис 129 представлена лінійка універсальних компактних приладів серії Sinamics G100, що поставляються фірмою «Siemens» Фірма позиціонує цю лінійку як ряд універсальних і недорогих приладів, що працюють в діапазоні потужностей навантаження від 0,12 до 3,0 кВт з живленням від однофазної мережі змінного струму напругою 200 .. 240 В Інтерфейс управління перетворювачами має як аналогову, так і цифрову частини, що дозволяє використовувати їх як в системах з ручним керуванням, так і в автоматизованих системах, оснащених микроконтроллерами та іншими програмно-апаратними засобами Крімтого, до всіх перетворювачів серії можетбить підключена виносна дистанційна панель управління, яку можна встановлювати в зручному для оператора місці Налаштування режимів роботи перетворювача (тимчасова характеристика плавного пуску, характеристика гальмування, цикл роботи і т д) виконується за допомогою вбудованої клавіатури і рідкокристалічного дисплея, або за допомогою персонального компютера, який підключається до спеціального конфігураційному розєму Щоб встановити однаковий режим роботи для декількох приладів, досить виконати настроювальну операцію один раз, і потім перенести конфігураційну інформацію на інші перетворювачі Спеціальне програмне забезпечення для персонального компютера поставляється в комплекті з перетворювачем Потрібно сказати, що подібний метод конфігурування сучасних перетворювачів не є якоюсь унікальною технологією, прийнятою на озброєння тільки фірмою «Siemens», – цим шляхом йдуть практично всі фірми-виробники, що піклуються про конкурентоспроможність своєї продукції

Технічні характеристики перетворювачів Sinamics G100 досить високі: вихідна частота регулюється в межах від 0 до 630 Гц, ККД становить 94%, а коефіцієнт потужності – близько 0,95 Максимальне відстань від перетворювача до двигуна ~ ~ 25 м Вузол захисту перетворювача забезпечує нормальне функціонування при перевищенні в 1,5 рази номінального вихідного струму протягом 60 с Крім цього, забезпечується автоматичний перезапуск і вихід на встановлений раніше режим при перервах первинного живлення перетворювача (всі налаштування зберігаються в незалежній памяті)

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил