Все статические ПЧ могут быть разделены на две группы:
1) ПЧ без звена постоянного тока с непосредственной связью питающей сети и нагрузки (непосредственный ПЧ);
2) преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (двухзвенные ПЧ). Рассмотрим схемы и принцип действия каждого вида ПЧ.
Рис.2 Структурная схема ПЧ с непосредственной связью
Упрощенная функциональная схема ПЧ без звена постоянного тока показана на рис. 2. Собственно ПЧ состоит из силовой части СЧ и схемы управления СУ. В силовую часть ПЧ, которая осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока стандартных напряжения U 1 и частоты f 1 в энергию переменного тока с регулируемыми напряжением U рег и частотой f peг, входят тиристоры и в некоторых случаях согласующие трансформаторы. Схема управления обеспечивает управление тиристорами силовой части ПЧ с помощью импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров в нужный момент времени.
Рис.3 Схема трёхфазного ПЧ с непосредственной связью
Одна из распространенных тиристорных схем трехфазного ПЧ с непосредственной связью представлена на рис. 3. Схема состоит из трех одинаковых комплектов тиристоров, обеспечивающих питание трехфазной нагрузки Za, Zb и Z c. Каждый из комплектов содержит шесть тиристоров, три из которых подсоединены анодами ко вторичным обмоткам трансформатора Т, а три других – катодами к тем же обмоткам. В схеме имеется нулевой провод, связывающий нулевую точку трансформатора Т и общую точку трехфазной нагрузки, поэтому схема на рис. 3 обычно называется нулевой. Каждая фаза этой схемы работает независимо от остальных, поэтому для пояснения принципа ее действия можно рассмотреть одну из фаз, например фазу А, управляемую комплектом I тиристоров.
Предположим, что фазные напряжения на вторичных обмотках трансформатора Т изменяются по синусоидальному закону, как это показано на рис. 4, а, а нагрузка имеет активный характер. Если тиристоры VS1 – VS6 закрыты (управляющие импульсы от СУ не подаются), то все напряжение прикладывается к закрытым тиристорам и напряжение на нагрузке Za равно нулю.
Подадим теперь от СУ открывающие импульсы на VS1 в момент t 1, на VS2 – в момент t 2 и на VS3 –в момент t 3.
Так как эти моменты времени являются моментами естественного открытия тиристоров (потенциал анода тиристора становится более положительным, чем катода), они откроются и к нагрузке Za будет приложено напряжение, представляющее собой участки трех синусоид вторичных напряжений ua, иь и ис, как это показано на рис. 4, б. Если теперь снять управляющие импульсы с VS1 – VS3 и подать импульсы на тиристоры VS6, VS4 и VS5 в моменты t 5, t 6, t 7, являющиеся для них моментами естественного открывания, то на нагрузке также образуется напряжение в виде участков синусоид, но уже имеющее противоположную полярность. Если теперь осуществлять поочередное открытие тиристоров VS1 – VS3 и VS4 – VS6 в указанном порядке, то изображенная на рис. 4, б кривая U рег будет периодически повторяться. Таким образом, на нагрузке Za образуется напряжение переменного тока с периодом Т рег и частотой 
. Из рис. 4 можно заметить, что период Т рег этого напряжения больше, чем период сетевого напряжения Т 1, или, что то же самое, частота напряжения на нагрузке f рег меньше, чем частота питающего напряжения f 1. Соотношение между этими величинами можно найти с помощью рис. 4, из рассмотрения которого следует, что
(9)
(10)
где h =0, 1, 2, З...– число открываемых тиристоров в группе за вычетом одного.
Тогда
(11)
Рис.4 Графики напряжения ПЧ с непосредственной связью:
а – напряжение сети; б, в – напряжения на нагрузке.
Выражение является частным видом зависимости между входной f 1 и выходной f рег частотами ПЧ, записанной для трехфазной системы напряжений. Если же имеется система m 1-фазного первичного напряжения, то соотношение между частотами выразится как
(12)
Из или видно, что регулируемая частота f peг при рассмотренном принципе управления тиристорами VS1 – VS6 может изменяться лишь дискретно в зависимости от числа открывающихся тиристоров h. Ниже для примера приведен ряд значений частоты f peг в зависимости от h при m 1=3 и f 1=50 Гц:
h …………. 2 3 4 5 6 7
f peг……….. 21,4 16,7 13,6 11,5 10 8,8
Следует отметить, что рассматриваемый ПЧ позволяет и плавно регулировать выходную частоту f peг. Это достигается тем, что между моментом снятия управляющих импульсов с группы тиристоров VS1 – VS3 и моментом подачи импульсов на тиристоры группы VS4 – VS6 искусственно вводится временная пауза D t п (рис. 4, б). В этом случае выходная частота f peг определится выражением
(13)
Плавно регулируя паузу D t п, можно плавно изменять выходную частоту f peг. Возвращаясь вновь к трехфазной схеме рис. 3, отметим, что получение на нагрузке стандартной системы трехфазного напряжения со сдвигом фазных напряжений на треть периода достигается тем, что управляющие импульсы на тиристоры комплектов I, II и III подаются со сдвигом на треть периода выходной регулируемой частоты f peг.
Рассматриваемые ПЧ позволяют регулировать и напряжение на нагрузке U рег, что бывает необходимо при регулировании скорости АД. Достигается это тем, что управляющие импульсы на тиристоры подаются не в момент их естественного открытия (точки t 1, t 2, t 3, и т.д. на рис. 4, а), а с некоторой задержкой, которая в угловом измерении соответствует углу управления a. Кривые напряжения на нагрузке 
при.некотором угле a>0 показаны на рис. 4, в, а зависимость действующего напряжения на нагрузке от угла a выражается следующей формулой:
(14)
Изменяя с помощью системы управления момент подачи импульсов на тиристоры, можно регулировать напряжение нагрузки от 0 (a=90°) до максимального значения (a=0)
(15)
Отметим, что принцип действия схемы рис. 3 и полученные соотношения остаются теми же самыми и для случая активно-индуктивной нагрузки ПЧ, которой являются статорные обмотки АД. В этом случае лишь усложняется процесс работы тиристоров ПЧ и изменяется форма напряжения на нагрузке.
Определенным недостатком схемы рис. 3 является необходимость наличия нулевого вывода трансформатора и нагрузки. Поэтому на практике распространение получили и так называемые мостовые схемы ПЧ, в которых нулевой провод отсутствует. Схема рис. 3 может быть превращена в мостовую, если устранить в ней нулевой провод. В этом случае каждая фаза ПЧ уже не может работать независимо от остальных, как это было ранее, и требует согласования с работой других фаз.
Рассмотрим ПЧ со звеном постоянного тока. Функциональная схема ПЧ показана на рис. 5. Силовая часть ПЧ этого типа состоит из двух основных блоков: управляемого выпрямителя УВ(2) и управляемого инвертора УИ(3). Напряжение сети U 1 стандартной частоты f 1 подается на вход УВ(2), преобразующего переменное напряжение U 1 в постоянное Е 0. Это напряжение можно регулировать в широких пределах с помощью схемы управления СУУВ(1). Выпрямленное и регулируемое напряжение Е 0 подается на вход УИ(3), который преобразует напряжение постоянного тока Е 0 в трехфазное переменное напряжение U рег регулируемой частоты f peг. Частота выходного напряжения f peг УИ(3) задается его схемой управления СУУИ(5) в функции сигнала управления.
Рис.5 Структурная схема ПЧ со звеном постоянного тока
Выпрямленное и регулируемое напряжение Е 0 подаётся на вход инвертора, который преобразует его в трёхфазное напряжение U рег регулируемой частоты f peг поступающее на двигатель. Частота выходного напряжения регулируется блоком управления 5 в функции сигнала управления Uу (отметим, что в таких ПЧ иногда используется и нерегулируемый выпрямитель, тогда функции регулирования напряжения на нагрузке (асинхронном двигателе) выполняет УИ).
Рис.6 Схема управляемого инвертора
Принцип получения регулируемой частоты f peг рассмотрим на примере схемы рис. 6. Предположим, что трехфазная активная нагрузка соединена в звезду, а тиристоры VS1 – VS6, собранные в мостовую схему, с помощью схемы управления СУУИ могут открываться в требуемой последовательности и на любой отрезок времени. Чаще всего на практике используются схемы ПЧ, в которых продолжительность открытого состояния каждого тиристора l составляет половину или треть периода Т рег выходной частоты f peг, а сдвиг моментов открытия тиристоров VS1 – VS6 составляет шестую часть этого периода.
Рассмотрим вначале работу схемы с l= Т рег/2. Временная токовая диаграмма работы тиристоров для этого случая показана на рис. 7, где проходящие через нечетные тиристоры токи фаз Ia, Iв, Iс отложены в положительном направлении, а проходящие через четные – в отрицательном. Как видно из этой диаграммы, в каждый момент времени оказываются включенными три тиристора из шести, причем за время периода имеется шесть интервалов (I, II, III, IV, V, VI) различных сочетаний открытых и закрытых состояний тиристоров. Для определения формы напряжения на нагрузке рассмотрим схемы включения нагрузки на каждом из этих шести интервалов.
Рис.7 Диаграмма работы тиристоров при l= Т рег/2.
Изобразим вначале эту схему для интервала I, где открыты тиристоры VS1, VS5 и VS6, в виде эквивалентной схемы рис. 8, а. На этом интервале работы ПЧ начала фаз А и С оказываются включенными на точку + Е 0, а начало фазы В – на точку – Е 0. Если при этом сопротивления всех трех фаз одинаковы, то эквивалентное сопротивление параллельно соединенных фаз А и С будет в 2 раза меньше сопротивления фазы В. Тогда и напряжение на параллельно соединенных фазах А и С в 2 раза меньше, чем на фазе В, т е. составляет (l/3) Е 0.
Рис.8 а – на интервале I, б – на интервале II, в – на интервале III. (к рис. 6 и 7)
Рассмотрим теперь интервал II, на котором продолжают быть открытыми тиристоры VS1 и VS6, закрылся тиристор VS5 и открылся тиристор VS2. Получающаяся при этом схема представлена на рис. 8, б, из которого видно, что на этом интервале фазы В и С оказываются включенными параллельно, к ним прикладывается напряжение (1/3) Е 0, а к фазе А – напряжение (2/3) Е 0.
На интервале III закрывается тиристор VS6 и открывается тиристор VS3 (тиристоры VS1 и VS2 по-прежнему открыты), в соответствии с чем этому интервалу соответствует схема рис. 8, в, в которой уже фазы А и В оказались включенными параллельно.
Рис.9 Напряжение на нагрузке при l= Т рег/2
Рис.10 Диаграмма работы тиристоров при l= Т рег/3
Таким же образом можно изобразить схемы для интервалов IV, V и VI, которые окажутся аналогичными соответственно схемам для интервалов I, II и III, но с другой полярностью напряжения на началах фаз. Если теперь представить графически напряжение на фазах нагрузки, то оно изобразится в виде кривых на рис. 9. Их рассмотрение позволяет сделать важное заключение: фазы нагрузки питаются переменным напряжением, причем максимумы этого напряжения сдвинуты по фазам на треть периода регулируемой частоты. Другими словами, на нагрузке получилась стандартная система трехфазного напряжения переменного тока, но только несинусоидальной формы.
Несколько другая форма выходного напряжения ПЧ будет в том случае, если продолжительность открытого состояния каждого тиристора будет составлять треть периода Т рег регулируемой выходной частоты f peг, а нагрузка будет по-прежнему соединена в звезду. Для этого случая токовая диаграмма работы тиристоров представится в виде рис 10, из которого видно, что при l= Т рег/3 в каждый интервал времени открыты лишь два тиристора. В результате в каждом интервале времени две фазы нагрузки оказываются последовательно включенными на напряжение Е 0, а третья фаза оказывается отключенной. В соответствии с этим напряжение на каждой из последовательно соединенных фаз равно Е 0/2, а на третьей (свободной) равно нулю Кривые фазного напряжения для этого случая приведены на рис. 11.
Аналогичным способом можно проанализировать работу схемы рис. 6 и при соединении нагрузки в треугольник. Оказывается, что при l= Т рег/2 форма напряжения на фазах нагрузки аналогична кривым на рис. 11, но с амплитудой напряжения, равной Е 0, а при l= Т рег/3 форма напряжения повторяет кривые рис. 9, но с заменой Е 0/3 на Е 0/2 и 2 Е 0/3 на Е 0.
Рис.11 Напряжение на нагрузке при l= Т рег/3
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Лабораторный стенд состоит из следующих составных частей:
· Преобразователь частоты ЭКТ2Д-25/380-50-A;
· 
Рис.12 Передняя панель преобразователя
· Асинхронный двигатель;
· Электромашинный усилитель;
Рис.13 Стенд частотного регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
· Нагрузочное сопротивление;
· Регулятор напряжения.
· Приборная панель.
Рис.14 Приборная панель стенда.
Рис. 15 Функциональная схема частотного регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Преобразователь частоты ЭКТ2Д-25/380-50-A предназначен для управления электродвигателями переменного тока типа ВАО, 4А, А02, А2 и других типов. К выходу преобразователя частоты подключен асинхронный двигатель Д/Y 220/380В мощностью 7,5 кВт. Нагрузкой для асинхронного двигателя является электромашинный усилитель включенный на нагрузочное сопротивление. Регулятор напряжения, собранный по схеме эмиттерного повторителя, служит для изменения напряжения на обмотке управления электромашинного усилителя, а следовательно для изменения нагрузки на валу асинхронного двигателя.
Рис.16 Силовая схема тиристорного преобразователя ЭКТ2Д-25/380-50-A со звеном постоянного тока.