Казахской академии транспорта

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
172
В  режиме  холостого  хода,  а  также  при  нулевом  индуктивном  сопротивлении  в 
анодных  цепях  выпрямителя  кривая  выпрямленного  напряжения  образуется  верхним 
участкам синусоид с протяженностью каждого участка 2π/m. Число  m определяет число 
пульсаций выпрямителя (число фаз выпрямителя либо кратное ему число, как это имеет 
место  в  трехфазной  мостовой  схеме  выпрямления,  где  m=6,  а  число  фаз  равно  трем).  В 
кривой  выпрямленного  напряжения  протяженность  участка  2π/m  определяет  собой  тот 
промежуток  времени,  в  течение  которого  кривая  выпрямленного  напряжения  проходит 
один  полный  цикл  изменений,  который  может  быть  назван  периодом  повторяемости. 
Постоянная  составляющая  выпрямленного  напряжения  (среднее  его  значение)  при 
холостом  ходе  определяется  участком  фазного  напряжения  вторичной  обмотки, 
соответствующего длительности прохождения тока [3]. 
 
 
 
Рисунок 3 - Последовательная (а) и параллельная (б) схемы 12 -пульсовых 
выпрямителей и диаграммы напряжений вентильных обмоток (в) 
Для  снижения  напряжений  гармоник 300, 900, 1500Гц,…,  не  свойственных 12-
пульсовым схемам выпрямления, стремятся подобрать число витков вентильных обмоток 
тяговых  трансформаторов  таким,  чтобы  несимметрия  их  линейных  напряжений  не 
превышала 0,2% [4]. 
У реальных трансформаторов для 12-пульсовых выпрямителей с последовательным 
соединением мостов число витков вентильной обмотки, соединенной звездой, равно 15, а 
треугольником – 26. При  таком  соотношении  несимметрия  линейных  напряжений 
вентильных обмоток составляет всего 0,074% и ее влияние на эдс гармоник 300, 900, 1500 
Гц,… можно не учитывать [4].  
Несинусоидальность  питающих  напряжений  обусловлена  наличием  в  их  составе 
высших гармоник определенного порядка, кроме первой (50 Гц). Обозначим порядок этих 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
173
гармоник  буквой  ν  в  отличие  от  порядка  гармоник  на  стороне  постоянного  тока, 
обозначенного нами буквой n.  
В  первичных  обмотках  тяговых  трансформаторов  нет  путей  для  токов  гармоник, 
порядок которых кратен трем (сеть с изолированной нейтралью), поэтому можно принять, 
что питающие напряжения содержат высшие гармоники с порядковыми номерами ν=5, 7, 
11, 13, …, т.е. 
                                                                           (1) 
Частоты  этих  гармоник  f
υ
=250, 350, 550, 650 Гц, … При  этом  гармоники  порядка 
ν=6±1 имеют прямую, а ν=6-1 – обратную последовательность чередования фаз. 
Если  бы  в  питающей  энергосистеме  применялись  только  выпрямители  с 
количеством пульсаций 12 и более, то выполнялось бы условие  
                                                                          (2) 
При  этом  присутствовали  бы  гармоники  с  порядком  ν=11, 13, 23, 25,… и  с 
частотами  f
ν
=550, 650, 1150, 1250 Гц,…  Эти  гармоники  могут  быть  названы 
каноническими для 12-пульсовых преобразователей [5].  
В  реальных  условиях  несинусоидальность  напряжений  сети  переменного  тока 
характеризуется присутствием не одной, а многих высших гармоник. При этом каждая из 
них оказывает соответствующее влияние на спектральный состав, амплитуды и начальные 
фазы  электродвигающих  сил  (эдс)  гармоник  выпрямителя.  Основными  влияющими 
параметрами являются порядок, амплитуды и начальные фазы гармоник сети переменного 
тока, а также нагрузочное состояние выпрямителя. 
Поскольку  на  реальных  подстанциях  все  эти  факторы  непрерывно  изменяются, 
точный  учет  их  не  представляется  возможным  из – за  отсутствия  исходных  данных. 
Поэтому  при  проектировании  сглаживающих  фильтров  и  расчете  мешающих  влияний 
могут быть использованы некоторые усредненные значения ЭДС гармоник выпрямителя.  
Вывод. 
Полностью устранить электромагнитные влияния электрических железных 
дорог  на  смежные  линии  практически  нельзя.  Существует  ряд  способов  снижения 
влияний,  применение  которых  требует  определенных  материальных  и  денежных  затрат. 
Стремление уменьшить индуктированные напряжения до нуля привело бы к непомерному 
росту затрат на устройства защиты от влияний. Но в этом нет необходимости.  
ЛИТЕРАТУРА 
1.  Минин Г.П. Несинусоидальные токи и их измерение. – М.: Энергия, 2001.- 112 с. 
2.  Бадер М.П. Электромагнитная совместимость тягового электроснабжения постоянного 
тока со смежными устройствами. – М.: Энергосбережение и водоподготовка, 2000. – С. 58-63.  
3.  Шалимов  М.Г.  Двенадцатипульсовые  полупроводниковые  выпрямители  тяговых 
подстанций. – М.: Транспорт, 1990. – 128 с. 
4.  Аррилага  Дж.,  Бредли  Д.,  Боджер  П.  Гармоники  в  электрических  системах. – М.: 
Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.  
5.  Барковский  Б.С.,  Салита  Е.Ю.  Обобщение  теории  мостовых  схем  выпрямления  и 
выбор оптимальной // Тр. ОМИИТ. – Омск:, 1999. – С. 15-20.  
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
174
УДК 621.314.2 
Калиева Казима Жанбырбаевна – к.т.н. доцент (г. Алматы, КазАТК) 
Кали Сабржан Базылбекұлы – магистрант (г. Алматы, КазАТК) 
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ЧАСТОТНО 
РЕГУЛИРУЕМОГО  ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
В спектре средств силовой электроники для автоматизированного электропривода с 
асинхронными  двигателями  особое  место  занимают  высоковольтные  преобразователи  с 
регулируемой  выходной  частотой  (ВПЧ).  По  данным EPRI (институт  электроэнергетики 
США), в рамках реализации программы по реконструкции 60 энергоблоков ТЭС в период 
с 1986 по 1995 год  введены  более 300 частотно-регулируемых  асинхронных 
электроприводов мощностью от 630 до 4500 кВт напряжением 2400, 4160 и 6600 В, что 
обеспечило  годовую  экономию  электроэнергии  около 1 млрд  кВт.ч.  Помимо  прямой 
экономии электроэнергии, применение мощных частотно-регулируемых электроприводов 
с ВПЧ позволило поднять мощность энергоблоков [1].  
Наибольшее  применение  для  широкодиапазонного  регулирования  частоты 
вращения  асинхронных  двигателей  получили  двухзвенные  ВПЧ.  Такие  устройства 
преобразуют электроэнергию питающей сети в электроэнергию с требуемыми значениями 
напряжения, тока и частоты в два этапа. На первом с помощью выпрямителя производится 
преобразование тока и напряжения сети с частотой 50 Гц в постоянные ток и напряжение. 
На  втором  этапе  постоянные  ток  и  напряжение  преобразуются  в  переменные,  но  уже  с 
новыми,  требуемыми  для  обеспечения  желаемого  режима  работы  электродвигателя 
значениями  тока,  напряжения  и  частоты.  Это  преобразование  осуществляется 
специальными устройствами – автономными инверторами. Автономным инвертор назван 
потому,  что  его  работа  не  связана  непосредственно  с  питающей  сетью.  Автономный 
инвертор может работать, например, и от аккумуляторной батареи, а не только от сетевого 
выпрямителя. Несмотря на кажущуюся громоздкость такого метода преобразования, КПД 
двухзвенных  ВПЧ  оказывается  весьма  высоким – 96,5–98,5%. Это  обусловлено 
эффективностью  применяемых  силовых  полупроводниковых  приборов  в  ключевом 
режиме работы. 
Если  автономный  инвертор  получает  питание  от  источника  напряжения,  т.е.  от 
источника с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторная батарея, выпрямитель с 
ёмкостным фильтром), то на его выходе при переключении силовых полупроводниковых 
«ключей»  может  быть  получено  переменное  напряжение  в  форме  последовательности 
разнополярных  прямоугольных  импульсов.  Первая  гармоника  такой  последовательности 
должна соответствовать требуемому значению выходного напряжения. В этом случае для 
нагрузки – асинхронного  электродвигателя – инвертор  также  является  источником  с 
малым  внутренним  сопротивлением,  т.е.  источником  напряжения.  Такой  инвертор 
называется автономным инвертором напряжения (АИН). 
Если  инвертор  получает  питание  от  источника  с  большим  внутренним 
сопротивлением – источника  тока,  например,  сетевого  выпрямителя  с  индуктивным 
фильтром  (ток  в  индуктивности  фильтра  не  может  изменяться  скачком),  то  при 
переключении «ключей» на выходе инвертора может быть сформирован переменный ток 
в  виде  последовательности  разнополярных  прямоугольных  импульсов  тока.  Первая 
гармоника  такой  последовательности  должна  соответствовать  требуемому  значению 
выходного  тока.  В  этом  случае  для  нагрузки  инвертор  является  источником  с  большим 
внутренним  сопротивлением,  т.  е.  источником  тока.  Такой  инвертор  называется 
автономным инвертором тока (АИТ) [2]. 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
175
В  системе  «ВПЧ – асинхронный  двигатель»  можно  использовать  любой 
стандартный  двигатель,  но  необходимо  учитывать  снижение  допустимого  момента 
вследствие дополнительных потерь из-за высших гармоник в токе автономного инвертора 
и ухудшения условий охлаждения самовентилируемых двигателей при работе в диапазоне 
регулирования  частоты  вращения.  Это  ограничение  не  столь  критично  для  частотно-
регулируемых  электроприводов  турбомеханизмов  с  квадратичной  характеристикой 
момента  сопротивления,  поскольку  в  этом  случае  при  снижении  частоты  вращения 
активно снижается ток нагрузки двигателя. 
Электрические воздействия выходного напряжения инвертора на изоляцию статора 
зависят  от  топологии  АИН  и  АИТ  и  алгоритмов  управления.  Радикальное  решение, 
наиболее  эффективно  обеспечивающее  электромагнитную  совместимость  инвертора  и 
электродвигателя  практически  без  разгрузки  последнего, – применение  широтно-
импульсной  модуляции  (ШИМ)  при  управлении  инвертором.  ШИМ  позволяет 
сформировать  квазисинусоидальный  ток  в  асинхронном  двигателе  с  суммарными 
нелинейными  искажениями (total harmonic distortion) THD Ј 5-6%. Хотя  круг 
рациональных  технических  решений  и  схем  ВПЧ  с  автономными  инверторами  тока  и 
напряжения  в  целом  определился,  процесс  их  совершенствования  непрерывно 
продолжается.  С  одной  стороны,  их  характеристики  в  значительной  мере  определяют 
технико-экономические  показатели  электропривода  в  целом,  с  другой – существенное 
влияние  на  этот  процесс  оказывает  появление  на  рынке  новых  компонентов.  Наконец, 
такой  немаловажный  фактор,  как  применение  компьютерного  управления  и 
специализированных  микропроцессорных  контроллеров,  позволяет  формировать  новые 
потребительские характеристики регулируемого электропривода.  
Тип  силового  полупроводникового  прибора  оказывает  существенное  влияние  на 
топологию силовой схемы автономного инвертора и ВПЧ в целом. На смену инверторам 
тока  на SCR-тиристорах  (включаемых  по  управлению)  с  конденсаторной  коммутацией 
приходят  инверторы  напряжения  и  тока  на  полностью  управляемых  (включаемых  и 
выключаемых  по  управлению) GTO, IGCT и SGCT-тиристорах,  а  также  на  силовых 
биполярных транзисторах с изолированным затвором – IGBT 
Использование  новых  полупроводниковых  приборов  позволило  принципиально 
изменить  не  только  топологию  силовой  схемы  инвертора,  прежде  всего  АИН,  но  и 
принципы  управления  инверторами.  Для  АИН  и  АИТ  на  полностью  управляемых 
«высоковольтных  ключах»  применяются  различные  технологии  широтно-импульсной 
модуляции: ШИМ со «слежением» (релейного типа), программная ШИМ с избирательным 
подавлением  высших  гармоник,  многоуровневая  ШИМ,  ШИМ  в  комбинации  с 
амплитудно-импульсной модуляцией и т.п. [2]. 
 
Рисунок 1 – Преобразователь частоты на основе АИТ с тиристорно-диодным узлом 
принудительной коммутации 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
176
Первыми  в  начале 80-х  годов  были  созданы  ВПЧ,  содержащие  автономные 
инверторы  тока  на SCR-тиристорах.  Переключение  тиристоров  в  таких  АИТ 
обеспечивается  введением  тем  или  иным  способом  дополнительной  эдс  в  контур 
коммутации.  В  качестве  источника  такой  эдс  в  этих  инверторах  используют 
конденсаторы. Схема на рисунке 1 является базовой для ВПЧ серии ЭТВА, применяемых 
в частотно-регулируемых электроприводах мощностью 630–5000 кВт, напряжением 6000 
и 10 000 В.  Промышленное  производство  таких  преобразователей  было  освоено 
Таллиннским электротехническим заводом (в настоящее время фирма ESTEL). Основное 
ограничение  этого  инвертора – коммутационные  пики  в  выходном  напряжении  и 
относительно  большое  содержание  высших  гармоник  в  инвертированных  токе  и 
напряжении.  
Осциллограмма  на  рисунке 2, снятая  на  электроприводе  ЭТВА,  иллюстрирует 
формы тока в фазе и линейного напряжения статора асинхронного двигателя при частоте 
порядка 32 Гц.  
 
 
Рисунок 2 – Формы тока и напряжения АИТ с принудительной коммутацией при нагрузке 
на асинхронный двигатель 3200 кВт, 6000 В 
Содержание высших гармоник в токе и напряжении для этого электропривода при 
частоте 50 Гц показано в таблице 1. 
Таблица 1 – Гармонический  состав  инвертируемых  тока  и  напряжения  для 
электропривода с АИТ с принудительной коммутацией 
№ гармонии  5 7 11 13 17  19 23 
Значении, %,  
в токе 22,6 
13,6 
10,8 
10,2 
2,7 
2,2 
1,9 
в напряжении 14,4 
12,3 
16,1 16,9 6,6  5,3 5,5 
Следует  отметить,  что,  несмотря  на  «принудительную»  конденсаторную 
коммутацию  в  этой  схеме  АИТ,  коммутационный  пик  напряжения  формируется  в  два 
этапа. Амплитуда напряжения, прикладывающегося к статору двигателя, загруженного на 
90–95%,  не  превосходит 1,25 амплитуды  номинального  линейного  напряжения,  что 
позволяет использовать серийные асинхронные двигатели с нагрузкой не более 0,9 Uном.  

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
177
Схема  АИТ  на  рисунке 3 была  предложена  фирмой Ross Hill (США).  Такие 
преобразователи выпускались также компаниями Hill Gracham, Англия (Imvar) и Ansaldo, 
Италия (Silcovert H). Шкала  мощностей  этих  преобразователей 630–12500 кВт,  шкала 
напряжений – 3300–13500 В. 
 
 
Рисунок 3 - Преобразователь частоты на основе АИТ с параллельными конденсаторами 
 
АИТ  с  параллельными  конденсаторами  имеет  достаточно  «гладкие»  формы 
выходных  тока  и  напряжения  (осциллограмма  на  рисунке 4 снята  при  номинальной 
нагрузке электропривода 1570 кВт, 3300 В). 
 
 
 
 
Рисунок 4 - Формы тока и напряжения АИТ с параллельными конденсаторами при нагрузке на 
асинхронный двигатель 1570 кВт, 3300 В 
 
Гармонический  состав  инвертируемых  тока  и  напряжения  для  указанных  выше 
условий приведен в таблице 2. 
 
Таблица 2 – Гармонический  состав  инвертируемых  тока  и  напряжения  для 
электропривода с АИТ с параллельными конденсаторами 
 
№ гармонии 1 
5 
7 
11 
13 
17 
19 
THD 
Значении, %, 
в токе 100 
8,8 
1,5 
0,6 
0,3 
0,1 
0,1 
9,0% 
в напряжении 100 
5,1 1,2 0,7 0,4  0,4 0,2 
5,4% 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
178
Коммутация  в  АИТ  также  осуществляется  с  помощью  конденсаторов,  но  их  роль 
другая – обеспечить  «естественную»  коммутацию  тиристоров,  что  возможно,  если 
выходной  ток  инвертора  опережает  выходное  напряжение.  Поскольку  асинхронный 
двигатель  является  активно-индуктивной  нагрузкой,  параллельные  конденсаторы 
компенсируют индуктивный характер нагрузки, обеспечивая переключение тиристоров в 
режиме «естественной» коммутации. Однако эта компенсация возможна в определенном 
диапазоне  частот  электропривода.  Обычно  параллельные  конденсаторы  выбирают  так, 
чтобы  обеспечить  опережающий  фазовый  сдвиг  тока  для  диапазона  выходной  частоты 
инвертора примерно 20–50 Гц. При меньших частотах условия коммутации ухудшаются и 
для  ее  обеспечения  используется  узел  принудительной  коммутации  (коммутатор). 
Коммутатор  обеспечивает  режим «Multi-swith» (прерывание  тока)  от  пусковых  частот 
вплоть  до  частоты 20–25 Гц,  закорачивая  звено  постоянного  тока  и  давая  тиристорам 
инвертора  восстановить  запирающие  и  управляющие  свойства.  В  качестве  коммутатора-
прерывателя  могут  быть  применены  либо  высоковольтный  ключ  на SCR-тиристорах  с 
принудительной  коммутацией,  либо  полностью  управляемый  ключ  на  включаемых  и 
выключаемых  сигналом  управления  симметричных  тиристорах (GTO или SGCT). Для 
уменьшения колебаний электромагнитного момента при низких частотах электропривода 
ток  инвертора  с  помощью  режима «Multi-swith» можно  модулировать.  При  напряжении 
асинхронных двигателей 10 кВ  и выше подобные преобразователи до сих пор не имеют 
конкуренции.  Электроприводы  на  основе  таких  схем  высоковольтных  преобразователей 
частоты с АИТ на SCR-тиристорах до сих пор привлекают потребителей, прежде всего из-
за относительно невысокой стоимости [3]. 
Вывод:
 
-  для  улучшения  условия  коммутации  при  меньших  частотах,  необходимо 
использовать коммутатор принудительной коммутации; 
-  для  получения  более  «гладких  форм»  характеристик  тока  и  напряжения 
необходимо использовать параллельные конденсаторы, подключенные к инвертору. 
ЛИТЕРАТУРА 
1.  Адольф Й. Шваб. Электромагнитная совместимость. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 146 с. 
2.  Народицкий  А.Г.  Современное  и  перспективное  алгоритмическое  обеспечение 
частотно-регулируемых электроприводов. – С-Петербург: СПЭК, 2004. – 127 с. 
3.  Горбань  Р.Н.,  Янукович  А.Т.  Современный  частотно-регулируемый  электропривод. – 
С-Петербург: СПЭК, 2001. – 132 с. 
 
 
УДК 621.314.2  
Калиева Казима Жанбырбаевна – к.т.н. доцент (г. Алматы, КазАТК) 
Кали Сабржан Базылбекұлы – магистрант (г. Алматы, КазАТК) 
ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 
Во  всех  отраслях  народного  хозяйства,  в  быту,  науке  и  во  многих  других  сферах 
человеческой  деятельности  используются  разнообразные  технические  устройства, 
предназначенные  для  реализации  технологических  процессов  с  целью  выполнения 
социально-практического  заказа,  например,  получения  конечного  полезного  продукта. 
Для приведения в движение рабочих органов этих технических устройств и предназначена 
машина-двигатель,  или  привод,  в  качестве  которого  наиболее  часто  применяется 
электрический двигатель. 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
179
Частотно-регулируемый  привод  (частотно-управляемый  привод,  ЧУП, Variable 
Frequency Drive, VFD) – система  управления  частотой  вращения  ротора  асинхронного 
(или  синхронного)  электродвигателя.  Состоит  из  собственно  электродвигателя  и 
частотного преобразователя. 
Частотный  преобразователь  (преобразователь  частоты)   –  это  устройство, 
состоящее  из  выпрямителя  (моста  постоянного  тока),  преобразующего  переменный  ток 
промышленной  частоты  в  постоянный,  и  инвертора  (преобразователя),  преобразующего 
постоянный  ток  в  переменный  требуемых  частоты  и  амплитуды.  Выходные  тиристоры 
(GTO)  или  транзисторы IGBT обеспечивают  необходимый  ток  для  питания 
электродвигателя.  Для  исключения  перегрузки  преобразователя  при  большой  длине 
фидера  между  преобразователем  и  фидером  ставят  дроссели,  а  для  уменьшения 
электромагнитных помех – EMC-фильтр. 
ρ
ρ
ω
f
o
2
=
 ,                                                                   (1) 
где,  ρ – число  пар  полюсов  двигателя; f – частота  напряжения  переменного  тока, 
подводимого к обмотки статора (при f=50Гц и ρ=1 ωо=3,14 рад/с, что соответствует 3000 
об/мин). 
o
Д
o
s
ω
ω
ω
−
=
,                                                                  (2) 
Принцип  частотного  регулирования,  при  котором  частота  и  напряжение  питания 
двигателя могут изменяться в соответствии с установленным соотношением независимо друг 
от  друга,  является  наиболее  эффективным  способом  управления  скоростью  асинхронных 
двигателей.  Реализация  такого  способа  определяется  тем,  что  скорость  вращающегося 
магнитного  поля  статора  ω
о,
  согласно  выражению (1) пропорциональна  частоте  источника 
питания f. Следовательно,  изменяя  частоту f, можно  плавно  и  в  широких  пределах 
регулировать скорость вращения ротора. При этом скольжение s, определяемое по формуле (2), 
изменяется незначительно и, следовательно, потери, пропорциональные величине скольжения, 
также  изменяются  незначительно.  Это  важное  преимущество  частотного  управления 
асинхронным  двигателем  позволяет  реализовать  энергосберегающие  технологии  как  для 
двигателей с фазным ротором, так и с короткозамкнутым[1]. 
Из изложенного вытекает, что для частотно-регулируемого асинхронного привода 
требуется,  прежде  всего,  источник  переменного  тока  регулируемой  частоты. 
Использование  для  этих  целей  синхронных  генераторов  с  регулируемой  скоростью 
вращения  не  оправдывается  ни  техническими,  ни  экономическими  соображениями. 
Только  при  появлении  статических  полупроводниковых  преобразователей  возникла 
реальная 
возможность 
создания 
частотно-регулируемых 
промышленных 
электроприводов.  Их  основу  составляют  преобразователь  частоты  и  асинхронный 
двигатель (ПЧ-АД). 
(
) (
)
{
}
2
2
2
2
p
a
p
a
o
a
c
Д
x
x
s
r
r
s
r
U
m
М
+
+
+
=
−
ω
,                                               (3) 
где, m
c
 – число  фаз; U – напряжение,  подводимое  к  статору  двигателя; r
a
, r
p
, x
a
, x
p
 – 
активные и индуктивные сопротивления статорной роторной цепей. 
ДН
Д
C
C
М
М
f
f
U
U
*
=
,                                                           (4) 

жүктеу/скачать 8,59 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: