Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г. В. ГРАБОВЕЦКИЙ, 

О. Г. КУКЛИН, С. А. ХАРИТОНОВ

НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

С ЕСТЕСТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ

ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ 

СИСТЕМ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2009

УДК 621.314.26(075.8)

Г 751

Рецензенты: проф., д-р техн. наук Панкратов В.В., 

доц., канд. техн. наук Усачев А.П. 

Работа подготовлена на кафедре промышленной электроники

для студентов IV и V курсов РЭФ

(специальность 2004) дневного обучения

Грабовецкий Г.В. 

Г 751
Непосредственные преобразователи частоты с естественной 

коммутацией для электромеханических систем : учеб. пособие / 
Г.В. Грабовецкий, О.Г. Куклин, С.А. Харитонов. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2009. – 320 с.

ISBN 978-5-7782-1260-2
Излагаются элементы теории тиристорных преобразователей часто
ты с непосредственной связью и естественной коммутацией, касающиеся изучения их динамических свойств и оптимизации алгоритмов 
управления ими. Рассмотрены вопросы реализации системы управления 
преобразователей частоты с непосредственной связью и естественной 
коммутацией при работе в режиме источника тока на примере трехфазной мостовой схемы с использованием дискретных аналоговых и цифровых микросхем. Анализируются энергетические характеристики преобразователя частоты и способы их улучшения. Представлены примеры 
применения тиристорных преобразователей частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией в электроприводах переменного тока, в системах генерирования электрической энергии для летательных аппаратов и ветроэнергетических установок.

Пособие предназначено для использования при изучении курсов: 

«Энергетическая электроника», «Силовая электроника», «Машинновентильные системы», «Спецглавы преобразовательной техники», 
«Электронные системы генерирования электрической энергии нетрадиционной энергетики».

УДК 621.314.26(075.8)

ISBN 978-5-7782-1260-2
© Грабовецкий Г.В., Куклин О.Г., 

Харитонов С.А., 2009

© Новосибирский государственный

технический  университет, 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Преобразователь частоты с непосредственной связью и естествен
ной коммутацией (ПЧНСЕК) представляет собой устройство, состоящее из однооперационных тиристоров, коммутируемых напряжением 
питающей сети и соединяющих входные и выходные цепи преобразователя в такой последовательности, чтобы кривая выходного напряжения (напряжения на нагрузке), образованная из отрезков кривых входных напряжений (напряжений источника питания), содержала 
составляющую, пропорциональную управляющему сигналу.

Первый преобразователь такого типа, с переменным отношением 

входной и выходной частот, обеспечивающий возможность свободного 
обмена энергией между цепями источника питания и нагрузки, был 
предложен Хезелтином в 1926 г. [1].

Такие устройства, предназначенные для преобразования трехфаз
ного переменного напряжения с частотой 50 Гц в однофазное переменное с частотами 15, 16 2/3 или 25 Гц для питания контактной цепи 
электрифицированного транспорта, на базе фазоуправляемых ртутных 
вентилей, впервые были созданы Шенкелем в 1932 г. [2] и Иссендорфом в 1935 г. [3].

Систематическое рассмотрение процессов преобразования пере
менного напряжения более высокой частоты в переменное напряжение 
более низкой частоты, введение терминов «циклоконверсия» впервые 
выполнено Риссиком в 1935, 1939 гг. [4, 6].

Первые публикации в отечественной литературе, посвященные 

этой теме, относятся к 1938 г. (Глязер и Мюллер-Любек, перевод с немецкого [5]) и к 1939 г. (Д. А. Завалишин [7]).

В 19401950-х гг. из-за несовершенства имевшихся тогда управ
ляемых электрических вентилей (тиратроны, экситроны, игнитроны) 
интерес к системам подобного типа несколько снизился, и в этот период можно назвать лишь несколько публикаций [8, 9, 10].

И только в конце 1950 – начале 1960-х гг. открытие и промышлен
ное освоение производства кремниевых управляемых приборов (транзисторов и тиристоров) стимулировали быстрое развитие преобразовательной техники. В первой половине 1960-х гг. были проработаны 
схемотехнические решения [11–19]. Во второй половине 1960-х и в начале 1970-х гг. произошло теоретическое осмысление  и созданы методики расчетов и анализа электромагнитных и динамических процессов 
[20–37]. Во второй половине 1970-х и в 1980-е гг. разработаны и экспериментально исследованы конкретные устройства [38–52].

В 60–70-х гг. XX в. отечественные теоретические и схемотехниче
ские разработки в области ПЧНСЕК [17–29, 33–40, 42–46]  опережали 
зарубежные [30–32, 41, 50], в то время как практическая реализация 
существенно отставала.

Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью 

и естественной коммутацией (ПЧНСЕК) (циклоконверторы) имеют ряд 
неоспоримых достоинств:

 обратимость потока мощности;
 высокий коэффициент полезного действия;
 плавную независимую регулировку частоты и амплитуды вы
ходного напряжения;

 применение относительно дешевых и надежных однооперацион
ных тиристоров;

 относительно малые массу и объем;
 высокую перегрузочную способность;
 высокую надежность.
Вместе с тем они имеют и недостатки, среди которых следует осо
бенно отметить непостоянство их коэффициентов передачи по напряжению и току, существенно зависящих от соотношения входной и выходной частот, параметров напряжения питающей сети, величины и 
характера нагрузки. Этот недостаток в значительной степени сдержи

вал применение ПЧНСЕК в системах преобразования электрической 
энергии, в которых предъявляются высокие требования к качеству и 
диапазону регулирования выходных координат и функционирования 
его как элемента быстродействующей системы автоматического управления.

В настоящем учебном пособии систематически излагается теория 

ПЧНСЕК в современном представлении и даются некоторые результаты разработок [46–49, 51, 52] и НИОКР, выполненных в 19801990 гг. 
ОНИЛПТ и ОНИЛЭЛА кафедры промышленной электроники Новосибирского электротехнического института совместно с ВНИИ Электропривод, АКБ «Якорь» и заводом им. Владимира Ильича, позволивших 
в значительной мере избавиться от названного выше недостатка и тем 
самым расширить области применения ПЧНСЕК.

Главы 1 и 2 учебного пособия, а также разделы 5.1, 5.2, 5.3 напи
саны Г.В. Грабовецким, глава 3 – О.Г. Куклиным, остальной материал 
– С.А Харитоновым. Окончательное редактирование проводилось совместно.

Пособие предназначено для студентов и инженеров, специализи
рующихся в области силовой преобразовательной техники.

1. ДИНАМИЧЕСКИЕ 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЧНСЕК

1.1. Принцип действия 

[1, 4, 5, 6, 7, 13, 15, 17, 18, 19, 26, 29, 30, 42, 
51]

Любое преобразовательное устройство можно рассматривать или 

как преобразователь энергии (ПЭ), или как преобразователь информации (ПИ).

ПЭ (рис. 1.1) преобразует энергию m1-фазного источника питания, 

ЭДС которого 

1
11
1
1
1
[
(
, ),...,
(
, )]
m
e
e
t
e
t


=
1
является периодической 

функцией времени t с частотой 
1
 , под воздействием управляющего 

m2-фазного сигнала 

2
у1
2
у
2
[
(
, ),...,
(
, )]
m
e
e
t
e
t


=
у
, являющегося пе
риодической функцией времени с частотой 2, в энергию m2-фазной 
цепи нагрузки с ЭДС 

2
2
21
1
2
2
1
2
[
(
,
, ),...,
(
,
, )]
m
e
e
t
e
t
 
 
=
, гармониче
ские составы которой определяются комбинациями частот 
1

и 2. 

При этом токи в цепи нагрузки 

2
21
1
2
2
1
2
[
(
,
, ),...,
(
,
, )]
m
i
i
t
i
t
 
 
=
2
оп
ределяются 
ее 
параметрами, 
а 
токи 
источника 
питания 

1
11
1
2
1
1
2
[
(
,
, ),...,
(
,
, )]
m
i
i
t
i
t
 
 
=
1
зависят от тока нагрузки. Анализ 

электромагнитных процессов в таком ПЭ необходим для расчета энергетических характеристик преобразователя.

Поскольку целью ПЭ является формирование в каждой из выход
ных  фаз основных гармоник ЭДС
2(1)
2
2(1)
2
(
), ...,
e
t
e
t


ж
й
ж
=
ґ
к
з
з
и
и
л

e2(1)

(
)
2

2

2
1
m

m


цщ
ц
ъч
чш шы

в режиме источника напряжения или основных гармоник

















1
m
2
m











2
m

1e

у
e

2
e

2i

1i

ПЭ

Рис. 1.1

тока в цепи нагрузки  
2
2
2(1)
2(1)
2
2(1)

2

2
(
1)
(
),...,
t
m
i
i
t
i
m





ж
ц
й
щ
ж
ц
= к
ъ
з
ч
з
ч
и
ш
и
ш
л
ы

в 

режиме источника тока, необходимо первоначально знать связи между 
координатами 2(1)
e
или 2(1)
i
и соответствующими управляющими сиг
налами 
y
2
(
)
e
t

или y
2
(
)
i
t

, т. е. динамические характеристики

преобразователя. Для их определения следует рассматривать преобразовательное устройство как преобразователь информации.

ПЭ

1
m

1

)
(
2t
eз 



)
(
2t
iз 

)
(
2t
eвых 


)
(
2t
iвых 

e

Рис. 1.2

Если принять, что управляющие сигналы образуют симметричную 

последовательность и цепь нагрузки для основных гармоник тока симметрична, то преобразовательное устройство как ПИ (рис. 1.2) преобразует сигнал задания 
з
2
(
)
e
t

или 
з
2
(
)
i
t

в выходной сигнал 

вых
2
(
)
e
t

или вых
2
(
)
i
t

соответственно, используя m1-фазный источ
ник питания e1 в качестве носителя информации. Тогда динамические 
свойства ПИ можно определить с помощью комплексных коэффициентов передачи:

 по напряжению

вых

з

j
e
m

e

m

E
K
e
E



=

,
(1.1)

 по току

вых

з

j
i
m

i

m

I

K
e
I



=

,
(1.2)

где 
вых
m
E
или 
вых
m
I
– соответственно амплитуды выходных сигна
лов; 
з
m
E
или 
з
m
I
– соответственно амплитуды сигналов задания, 

либо амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ):

вых

з
2

з

вых

2

з

(
,
),

(
,
),

m

e
e
m

m

m

i
i
mз

m

E

K
K
E
E

I

K
K I
I





=
=

=
=

(1.3)

и фазочастотными характеристиками (ФХЧ):

з
2

з
2

(
,
),

(
,
),

e
e
m

i
i
m

E

I









=

=
(1.4)

где 
и  
e
i
K
K – коэффициенты передачи амплитуды; 
и
e
i

 – коэф
фициенты передачи фазы; 
2

– частоты сигнала.

Рассмотрим принцип действия ПЧНСЕК исходя из простейшей 

схемы его силовых цепей (рис. 1.3). Источник питания состоит из mфазных ЭДС ek с внутренними сопротивлениями – индуктивностями 
L. Эти цепи под воздействием управляющего сигнала ey тиристорной 
группой K, формирующей ток нагрузки i2положительного направления, или тиристорной группой K, формирующей ток нагрузки i2, отрицательного направления, подключаются в определенной последовательности к цепи нагрузки, состоящей из последовательно включенных 
индуктивности L0 и противоЭДС e0, при этом на нагрузке формируется 
напряжение u2.

Рис. 1.3

Так как в ПЧНСЕК используются однооперационные тиристоры, 

то для запирания (коммутации) тиристора, проводящего ток, к нему 
необходимо приложить обратное напряжение.

Процесс естественной коммутации в предположении 
0
L =
иллю
стрирует рис. 1.4. Если, например, (k–1)-й тиристор открыт и проводит 
ток под действием ЭДС 
1
2
1
,
k
k
e
u
e
=
, то обратное напряжение к не
му может быть приложено при отпирании k-го тиристора в момент 
времени tk, лежащий во временном интервале, где 
1
k
k
e
e >
, который 

ограничивает углы его отпирания диапазоном 0
k


<
<
.