Тиристорный преобразователь для двигателя постоянного тока: схема работы, функции и способы подключения

Литература

Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов/Под ред. В. А. Лабунцова.. — М.: Энергоатом-издат, 1988. — 320 с.

Шиллинг В. Схемы выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты: Пер. с нем.. — Л.: Госэнерго-издат, 1950. — 464 с.

Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. — М.: Изд.»Энергия», 1978. — 208 с.

Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике.. — К.: Техніка, 1978. — 447 с.

Е. И. Беркович. Тиристорные преобразователи высокой частоты. — Л.: Энергия, 1973.

Alfred Mühlbauer. History of Induction Heating and Melting. — Vulkan-Verlag GmbH, 2008.

John William Motto, Jr. Introduction to Solid State Power Electronics. — Westinghouse Electric Corp., 1977.

Takesi FUJITSUKA. Analysis and Design of Parallel Inverter Circuit with Parallel Inductive Load. — Kyoto University, 1971.

Nikolay L. Hinov. Parallel Inverter Analysis Using Mathematical Software. — Bulgaria: 1000 Sofia, 2005.

Pantech ProLabs India Pvt Ltd. Introduction to Parallel Inverter (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 22 сентября 2014. Архивировано 13 января 2014 года.

Непосредственные преобразователи частоты

При использовании НПЧ напряжение из сети подается через управляемые вентили на двигатель. В каждой фазе НПЧ установлен реверсивный двухкомплектный преобразователь с совместным или раздельным управлением силовыми комплектами.

На рис. 1а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ на основе трехфазных нулевых схем. Он преобразует трехфазное напряжение в однофазное, но с регулируемой частотой.Комплекты В и Н переключаются, и на выходе получается двуполярное напряжение. Для управления преобразователями используют определенные законы управления — прямоугольный и синусоидальный. Если используют прямоугольный принцип управления, то алгоритм работы будет таков: при прохождении одной полуволны напряжения, на один из комплектов подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) a = const. Этот комплект будет работать в режиме выпрямителя, а затем с углом управления (углом опережения) b = a. Чтоб снизить ток необходимо перейти в инверторный режим (рис. 1 б). Для избежания короткого замыкания в самом инверторе необходимо чтоб ток снизился до нуля – это называется бестоковой паузой. После осуществления бестоковой паузы в работу включается второй комплект.

Если используют синусоидальное управление, то гладкая составляющая выходного напряжения должна изменятся по синусоидальному закону, для этого угол управления a непрерывно меняется (рис. 1 в).

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем. Ниже приведена схема.

Данный тип преобразователей не получил широкого применения из-за ряда недостатков при его применении. А это: невозможность полного регулирования выходной частоты (при использовании трехфазных мостовых схем диапазон регулирования 25-45 Гц, а при нулевых 15-45 Гц). Постоянная коммутация вентилей, что приводит к ухудшению коэффициента мощности, а также плохое качество выходного напряжения и большое влияние на питающую сеть.

Преимуществом можно признать то, что у таких преобразователей более высокий КПД, из-за однократного преобразования энергии.

Наиболее распространены преобразователи частоты на базе АИТ и АИН на IGBT транзисторах, в силу лучших показателей качества энергии на выходе преобразователя и их влияния на сеть.

Тенденции совершенствования схем автономных инверторов

Классификацию тиристорных автономных инверторов, используемых в установках индукционного нагрева металлов, осуществляют по различным признакам, но основные из них естественны и просты — это, в первую очередь, схемные признаки: мостовая, полумостовая или четверть мостовая схемы [3, 4].

Основные тенденции в развитии технических решений (ТР) в области проектирования установок индукционного нагрева металлов, а также современный уровень проектирования ТПЧ целесообразно определять, используя патентную информацию. Строгая формулировка предмета изобретения в патенте — для юридической защиты прав заявителя — позволяет определить обобщенные цели, достигаемые при реализации схемного решения тиристорных инверторов.

Обобщенные цели, наиболее часто встречающиеся среди технических усовершенствований тиристорных автономных инверторов для электротермической обработки металлов, нами определялись по международному классификатору изобретений (МКИ). Анализировались описания авторских свидетельств по классу Н02 М 7/72, 5/42 и других, смежных с ними, за период с 1985-го по 1990 г., когда рассматриваемая отрасль техники получила наибольшее развитие.

Выявленные обобщенные цели и количество предложенных в соответствии с ними АИ показаны в таблице.
Таблица.Обобщенные цели технических решений АИ

Приведенные данные показывают, что основное внимание при совершенствовании технических характеристик уделялось повышению надежности. Если учесть технические решения, которые, в итоге, также повышают надежность, становится очевидным, что эта цель была доминирующей. Проанализировав данную выборку, можно убедиться в том, что на «втором месте» — улучшение энергетических характеристик и повышение КПД. Эта цель в силовой электронике достигается путем уменьшения массо-габаритных показателей (пункт 4).

Улучшение энергетических характеристик АИ это, с другой стороны, путь к эффективному использованию элементов силовой схемы.

Наконец, остальные пункты таблицы, малочисленные по количеству технических решений, характерны целями, специфичными для конкретного использования схемы, например, для вакуумной индукционной печи существенно требование гальванической развязки входной и выходной цепей ТПЧ.

Особенно следует остановиться на пункте 25 «Расширение функциональных возможностей». Практическое отсутствие в выборке технических решений с такой задачей служит критерием того, что анализу подвергались решения, относящиеся к конкретной технической проблеме. С другой стороны, это показывает, что универсальность применения ТПЧ в установках индукционного нагрева металлов не всегда оправданна, напротив, современная тенденция заключается в создании специализированных силовых установок с более высокими технико-экономическими показателями. Сказанное не исключает применение типовых схем автономных инверторов.

Обобщенные цели технических решений, выявленные для рассмотренного класса МПК, обоснованы «Методикой оценки качества высокочастотного и ультразвукового оборудования», разработанной ВНИИ ТВЧ.

Технический уровень ТПЧ целесообразно определять по комплексному показателю на основании экспертных оценок. Это можно объяснить известными трудностями, обусловленными необходимостью учета противоречивых факторов. Задача усложняется, если принять во внимание неоднозначную оценку преимуществ и недостатков при использовании известных схем для проектирования инверторно-индукторных электротехнических комплексов.

В результате нами разработана библиотека технических приемов для совершенствования схемных решений и технических характеристик тиристорных автономных инверторов, созданная на основе анализа большого количества патентных материалов, и сформулированы некоторые эвристические приемы, эффективные для достижения указанных целей.

Инверторы, формирующие на выходе несинусоидальную форму тока с высшими гармониками, на одну из которых настроена резонансная индукционная нагрузка, называются полирезонансными.

Возможность существования комбинированных схем со смешанными признаками значительно усложняет их классификацию, но способствует выявлению новых свойств автономных инверторов, некоторые из которых оказываются полезными и находят применение при проектировании силовых установок для индукционного нагрева металлов. Такие схемы обладают новизной и полезностью и признаются изобретениями.

Техническое решение мостовой схемы АИ с обратными диодами [1] явилось прототипом десятков изобретений ТПЧ для индукционного нагрева металлов [2].

На рис. 1 в окне демо-версии MicroCAP 9 приведены три классические схемы тиристорных автономных инверторов — преобразователей постоянного тока в однофазный высокочастотный ток. Это четвертьмостовой инвертор (иначе однотактная, несимметричная схема), полумостовой инвертор и мостовой инвертор с диодами обратного тока.

Рис. 1. Три принципиальные схемы автономных резонансных инверторов с обратными диодами

Диоды обратного тока, включенные встречно-параллельно тиристорам, традиционно используются в схемах уфимских преобразователей. Они уменьшают «раскачку» напряжения и стабилизируют уровень действующих токов и напряжений при изменении сопротивления нагрузки автономного инвертора в широком диапазоне, характерном для инверторно-индукционных силовых установок.

Три схемы автономных инверторов присоединены к общему для них источнику питания величиной 520 В, равному максимальному выпрямленному напряжению мостовой трехфазной схемы выпрямителя, подключенного к стандартной питающей сети 3 × 380 В – 50 Гц, как это имеет место в большинстве случаев при подключении мощных потребителей.

На входе этих схем включены дроссели постоянного тока с величиной индуктивности в 4 мГн. Дроссели такой величины необходимы для формирования внешней характеристики АИ как источника тока и для ограничения токов ВЧ, передаваемых в источник питания ТПЧ. Допускаем, что в схемах рис. 1 использованы одинаковые тиристоры, диоды и силовые элементы (коммутирующие конденсаторы и катушки индуктивности).

Установим равные параметры коммутирующих элементов (30 мкФ и 80 мкГн) и одинаковым последовательное эквивалентное сопротивление активной нагрузки 0,4 Ом в каждой схеме автономного инвертора. Наконец, установим одинаковую частоту включения тиристоров.

Произведем анализ электромагнитных процессов этих схем в программе схемотехнического моделирования MicroCAP 9. Удобство применения такого метода анализа заключается в наглядности результатов, которые получают в единых координатах для времени, напряжения, тока и мощности.

На рис. 2 приведены полученные нами временные графики установившегося значения выходного тока для этих схем.

Рис. 2. Временные диаграммы выходных токов трех автономных инверторов

Кривая выходного тока четверть мостовой схемы инвертора имеет максимальную амплитуду. Кривая выходного тока мостовой схемы инвертора минимальна по амплитуде. Кривая тока нагрузки полумостовой схемы инвертора располагается между ними. Постоянная составляющая выходного тока для всех схем равна нулю, так как нагрузка включена последовательно с конденсатором.

Мы не будем обсуждать существенную разницу амплитуды полученных кривых, но отметим, что она полностью зависит от величины эквивалентного напряжения в электрическом контуре с тиристором для момента включения.

Установившуюся амплитуду тока после окончания переходного процесса, необходимую для выбора параметров полупроводниковых элементов, рассчитывается аналитически, однако моменты коммутации токов тиристором и диодом, необходимые для анализа переходных процессов, находятся при решении трансцендентных уравнений, которые практически не используются в инженерной практике.

Схема 3-фазного частотника

Тиристорные трехфазные преобразователи частоты используются для управления мощной нагрузкой и находят применение там, где нет возможности включения оборудования на IGBT транзисторах.

Различают два класса устройств по принципу коммутации управляющих элементов:

• С одноступенчатой коммутацией;
• Двухступенчатые.

Одноступенчатые устройства отличаются простой схемотехникой, но не обладают возможностью регулировки выходного напряжения, поскольку управление производится всеми тиристорами одновременно. Регулирование напряжения идет путем установки в цепи постоянного питающего напряжения через установку регулируемого выпрямителя.

В свою очередь, двухступенчатые преобразователи делятся на схемы:

• С групповой коммутацией;
• С пофазной коммутацией;
• С индивидуальным управлением.

Данные устройства сложнее не только схемой управления, но и силовой частью, поскольку в них присутствует две группы тиристоров: анодные и катодные.

Пофазная коммутация

Управление осуществляется раздельно по каждой фазе преобразования путем отключения анодного или катодного тиристора.

Индивидуальная коммутация

Здесь управление производится каждым тиристором преобразователя раздельно. За счет индивидуального управления можно реализовывать большое число алгоритмов преобразования, снижать до минимума искажения формы сигнала и уровень электромагнитных помех.

Особенности тиристорного управления

Преобразователь частоты

Тиристоры в качестве коммутирующих элементов характеризуются тем, что могут использоваться исключительно в качестве ключей. Каталог номенклатуры тиристоров отличается тем, что большинство элементов в нем не требует постоянной подачи управляющего сигнала. Здесь используется свойство тиристоров сохранять открытое состояние после снятия управления. Запирание происходит только тогда, когда ток через элемент снижается ниже определенного уровня, или происходит смена полярности напряжения на аноде и катоде.

Не дожидаться смены полярности или уменьшения тока можно, применяя специальные запираемые тиристоры, которые запираются путем подачи сигнала на управляющий электрод.

Любой тиристорный преобразователь отличается высоким уровнем искажения формы напряжения. Также в момент переключения возникают импульсы электромагнитных помех, для уменьшения уровня которых требуется использование дополнительных схемных решений (коммутация в момент перехода напряжения через нуль, установка помехоподавляющих фильтров).

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

Преобразователь частоты

Особенностью схем на тиристорах является то, что они рассчитаны на работу с определенным характером нагрузки.

Последовательный и параллельный инверторы тока

Данный тип преобразователей имеет дополнительный конденсатор, включенный последовательно или параллельно нагрузке. Назначение конденсатора – обеспечение надежного запирания тиристоров, не участвующих в прохождении тока по силовой цепи. Для стабилизации тока через нагрузку вход инвертора тока содержит индуктивность, которая в идеальном случае должна стремиться к бесконечности.

Комбинированные схемы

Комбинированная последовательно-параллельная схема содержит два конденсатора и позволяет улучшить нагрузочные характеристики устройства. В частности, такая схема отличается большей устойчивостью при работе с малой нагрузкой.

Преобразователь напряжения Мак-Мюррея

Схема Мак-Мюррея включает в себя контур LC. Данный контур образуется из соединения конденсатора и катушки индуктивности через открытый в данный момент тиристор, закрывая противоположный.

Данное решение позволяет питать индуктивную нагрузку, например, устройства, в которых производится индукционный нагрев или сварка металлических конструкций.

Последовательный резонансный инвертор

В подобной схеме емкость конденсатора и индуктивность подобраны таким образом, чтобы на частоте преобразования LC контур находился в резонансе. Таким образом, управление тиристорами будет происходить на резонансной частоте.

Преобразование может вестись на более высокой частоте, что улучшает характеристики схемы из-за лучших условий переключения ключевых элементов.

Виды преобразовательных агрегатов

Преобразование может выполняться различными схемами, в которых отличается принцип работы. Различают несколько типичных вариантов использования тиристоров:

• Управляемые выпрямители;
• Инверторные преобразователи.

Управляемый выпрямитель характеризуется тем, что вместо части или всех диодов установлены тиристоры, коммутируя которые в определенные моменты времени можно управлять величиной среднего напряжения на нагрузке.

Преобразователь напряжения на тиристорах, включенный по схеме управляемого выпрямителя, в силу особенностей работы, можно использовать только в цепях переменного тока для питания нагрузки постоянным напряжением.

Инверторные преобразователи формируют напряжение, по форме близкое к синусоидальному, из постоянного. При этом может быть получено различное количество фаз, имеется возможность регулировки амплитуды и частоты напряжения.

Асинхронный двигатель для осуществления возможности управления мощностью и частотой вращения может включаться только через инверторный преобразователь (частотник).

IGBT-транзисторы

Область применения IGBT транзисторов по электрическим параметрам лежит от 300 В и выше, по частоте – до 10 кГц. Это как раз хорошо подходит для промышленной частоты (в применении частотников). IGBT применяются в электроприводах, начиная от небольших электроинструментов вплоть до электровозов. То, что они работают в области не очень высоких частот, в отличие от mosfet, избавляет от множества проблем, связанных с паразитными индуктивностями и емкостями – управляющий транзистор в такой структуре чувствует себя вполне комфортно, его частота переключений сравнительно невелика. Значит, легче перезаряжать затворную емкость.

Большой проводимости от него, в данном случае, не требуется. Выходной pnp биполярный транзистор устроен таким образом, что выдерживает большое обратное напряжение и может работать в инверсном режиме. Простота управления IGBT и область безопасной работы оказались гораздо выше, чем у биполярных транзисторов. IGBT, как таковые, не имеют встроенного обратного диода, но такой диод с быстрым восстановлением может быть добавлен в схему или внешним образом, или интегрирован на кристалле, если это нужно для той области, для которой предназначается прибор.

IGBT появились в 1983 году (в IR запатентовали первый образец)

Первые образцы неважно переключались и были ненадежными, поэтому на рынок, как следует, не вышли. Трудности были технологическими, связанными с получением пластин толщиной около 100 мкм

Их преодоление, а также появление Trench-технологии для изготовления MOSFET позволили резко снизить сопротивление канала в открытом состоянии, и это позволило приблизить свойства IGBT практически к свойствам традиционного механического выключателя, но без присущего ему образования дуги и на несколько порядков высоким быстродействием.

Транзисторы IGBT применяют в частотных преобразователях, устройствах плавного пуска, они интенсивно вытесняют тиристоры из всех областей, несмотря на свою значительную цену. Из используют в источниках питания, инверторах, электроприводах, сварочных питающих устройствах, на транспорте.

Принцип действия нагрузки. Схема 3-фазного частотника

На схеме изображена электроэнергия эксплуатации частотника. Подобную диаграмму делают для мостовой схемы. Она чаще применяется при конструировании частотника для нагрузки оборудования и станков. Напряжение фазы в схеме увеличено.

Схема с одной фазой применяется для линии питания, эксплуатации механизма с большим сопротивлением индуктивности. Она действует в интервале мощности 10 – 20 кВт, редко при значительных мощностях. Для электропечи или станка в быту применяется такую схему:

Схема цепей с тремя фазами используется для механизмов на 20 кВт, моторов синхронных, экскаваторов и кранов. Популярной схемой с несколькими фазами 6-фазная схема. Она предусматривает применение уравнителя малого потенциала и большого тока. Прибор с током проводит и изменяет электроэнергию параллельно, в отличие от многих подобных устройств. Сделать его трудно, однако надежность у него больше, чем на тиристорах с одной фазой. Этот контроллер с реверсом имеет негативную сторону – КПД у него составляет меньше 70%.

Свой тиристорный преобразователь частоты изготовить, возможно, в зависимости от основы применения. На рисунке показана схема на базе Micro-Cap 9. Основным достоинством является необходимость в нагрузке нескольких узлов совместно.

Сравнение параметров автономных инверторов равной мощности

Важнейшим параметром является выходной ток инвертора. Он определяет загрузку полупроводниковых элементов, наиболее критичных к перенапряжениям и перегрузкам по току.

На рис. 5 представлена характерная форма кривых выходного тока для каждой из схем в режиме номинальной мощности. Эти кривые показывают, что в момент паузы (непроводящего состояния вентилей автономного инвертора) в нагрузке протекает постоянная составляющая входного тока инвертора. При этом во второй схеме она реверсируется в нагрузке, увеличивая амплитуду первой гармоники выходного тока, а в первой — четверть мостовой схеме — постоянная составляющая входного тока не меняет своего направления, но при этом можно наблюдать эффект удвоения выходной частоты автономного инвертора. Загрузка тиристоров по току в первой схеме существенно выше.

Рис. 5. Коммутирующие элементы и нагрузка автономных инверторов (выделены справа) и про те ка ю щий по ним выходной ток (слева)

Резонансный режим работы автономных инверторов характеризуется почти синусоидальным изменением тока в момент включения тиристора, поэтому скорость нарастания тока в тиристоре di/dt далека от критической величины, допускаемой высокочастотными тиристорами.

Начальная скорость нарастания тока тиристоров в момент их включения определяется выражением

На рис. 6 показаны графики токов обратных диодов исследуемых схем автономных инверторов при равной входной мощности. Длительность протекания тока диода определяет время восстановления управляющих свойств тиристоров. По этому параметру рассматриваемые схемы потенциально равноценны [6].

Рис. 6. Обратные диоды выделены справа) и токи диодов изображены слева) автономных резонансных инверторов

Другой параметр — величина среднего тока, протекающего через диоды, — существенно выше у четверть мостовой схемы. Однако по этому параметру диоды необходимо выбирать исходя из максимального значения при минимальном сопротивлении нагрузки. Это режим короткого замыкания нагрузки (КЗ), характерный для применения автономного инвертора в преобразователях частоты для индукционных установок ТВЧ. В этом отношении рассматриваемые схемы также равноценны.

Определение величины преобразуемой мощности

С чего нужно начинать расчет? Самым главным параметром любого источника питания является мощность. Именно от нее напрямую зависят все остальные параметры преобразователя, в том числе масса, габариты и стоимость. В данном случае выходную мощность РВЫХ можно легко определить как сумму мощностей обоих каналов:

где РВЫХ1, РВЫХ2 – соответственно, выходная мощность первого и второго канала.

Однако на самом деле на массу, габариты и стоимость ключевое влияние оказывает не выходная, а преобразуемая мощность РПМ – скорость передачи энергии через магнитные или электрические поля элементов, изменяющих параметры электрической энергии. В нашем примере это процесс происходит в дросселе L1, поэтому именно от его режима работы зависят все остальные параметры схемы.

В общем случае, величина преобразуемой мощности может быть меньше мощности преобразователя. Это связано с тем, что за счет особенностей схемотехники силовой части часть энергии поступает в нагрузку непосредственно из источника первичного питания (с входа преобразователя), минуя магнитное поле дросселя. Этот вопрос подробно рассмотрен в [], где и получены формулы, позволяющие рассчитать величину РПМ для четырех наиболее распространенных («базовых») схем:

где UВХ, UВЫХ – соответственно, напряжение на входе и выходе преобразователя.

Наша схема, на первый взгляд, не является ни одной из «базовых», однако посмотрим на нее внимательно. Если мысленно убрать из нее все элементы, относящиеся ко второму каналу преобразования (обмотку W2, VD1, C3), то останется классический повышающий преобразователь, а если убрать элементы первого канала (VD2, C2) – то обратноходовой (Рисунок 3).

Для первого канала (повышающая схема) преобразуемая мощность РПМ1 зависит от соотношения напряжений на входе и выходе, причем, чем больше разница напряжений, тем больше РПМ1. Определим эту величину для худшего случая – при минимальном входном напряжении UВХ_MIN:

Во втором канале (обратноходовая схема) вся энергия проходит через магнитное поле дросселя, поэтому преобразуемая мощность РПМ2 не зависит от соотношения напряжений на входе и выходе:

Магнитопровод дросселя L1 является общим для двух каналов, поэтому, используя принцип суперпозиции, суммарную преобразуемую мощность РПМ можно представить в виде суммы преобразуемых мощностей первого и второго каналов:

Сравнивая результаты расчетов по формулам (1) и (5), видим, что РПМВЫХ. Недостающие 4 Вт за счет электрической связи поступают в нагрузку первого канала напрямую с входа без каких-либо преобразований. Это позволяет сделать нашу схему почти на 17% меньше и легче, чем в случае включения обоих каналов по обратноходовой схеме (Рисунок 2б). Кстати, если у читателя есть желание попрактиковаться в расчетах преобразуемой мощности, то на Рисунке 2 приведены результаты расчетов РПМ, для всех индуктивных компонентов, которые можно использовать для самопроверки.

Критерии эффективности использования тиристоров

Критерием эффективности использования силовых элементов в различных схемах автономных инверторов ранее рассматривалась суммарная установленная мощность однотипных элементов в сравнении с выходной мощностью схемы. Этот критерий достаточно полно характеризует силовые конденсаторы и индуктивные элементы (по величине кВАр). Однако силовые полупроводниковые элементы — тиристоры, диоды, IGBT-модули — не полностью зависят от него.

Для тиристоров, в свое время, использовались такие критерии, как n (Um × Jm), где n — количество тиристоров, Um и Jm — максимальная величина напряжения и тока тиристоров. Предлагались различные комбинации произведений основных параметров с эмпирическими коэффициентами — (к1 Um), (к2 Jm), (к3 du/dt), (к4 di/dt), (к5 tвосст) и т. д.

В настоящее время целесообразно использовать единую оценку для всех полупроводниковых элементов принципиальных силовых схем, в качестве которой необходимо принять стоимость однотипных комплектующих элементов для изделий с одинаковыми обобщенными параметрами.

Обобщенным параметром ТПЧ для индукционного нагрева может являться произведение номинальной выходной мощности и рабочей частоты потому, что силовые инверторы 320 кВт × 1000 Гц, 80 кВт × 4 кГц, 20 кВт × 16 кГц имеют одинаковую стоимость комплектующих элементов. Поясним, что для четверть мостовой схемы, согласно рис. 1, конструктивно требуется 4 тиристора, соединенных последовательно, в полумостовой схеме требуется 2 × 2 тиристора, минимальное количество тиристоров для мостовой схемы равно 4.

Цена электротехнического изделия в самом общем случае определяется стоимостью комплектующих элементов, издержками производства и стоимостью интеллектуальной составляющей, в составе которой можно рассматривать отличительные свойства изделия, например, расширенный диапазон регулирования выходной частоты. Такой подход соответствует современным требованиям.

Отметим, что при схемотехническом моделировании в MicroCAP, кроме мощности (POWER) силового диода, можно фиксировать и другие параметры, например, его стоимость, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Панель параметров силового диода для автономного инвертора в рабочем окне программы MicroCAP

На рис. 3 представлена панель параметров диода (слева) в рабочем окне программы схемотехнического моделирования MicroCAP 9. На панели приведена стоимость (COST) примененного типа диода в списке элементов, показывающих общую стоимость электрической схемы (справка внизу панели).

Первый и второй уровень представления модели элемента (LEVEL) для силового полупроводникового диода позволяет упростить расчеты при исследовании переходных процессов, частотного анализа, разложения Фурье и т. д. в процедурах схемотехнического моделирования исследуемой схемы. В то же время варьирование параметров элемента, согласно процедуре stepping для перечисленных видов анализа, возможно только для таких параметров, которые, оказывается, существенно не влияют на стоимость элемента.

В меню Transient analysis устанавливается рабочая температура схемы, уточняющая результаты расчета переходных процессов при моделировании диода элементом высшего третьего уровня.

Заметим, что вес и габариты статических преобразователей, как многих других изделий силовой электроники, при повышении рабочей частоты в настоящее время имеют существенную тенденцию к уменьшению. Снижает эту разницу поверхностный эффект, при котором проводники имеют уменьшенное эффективное сечение, обусловленное глубиной проникновения тока, и возрастание потерь на вихревые токи в конструкционных материалах.

Принцип действия и конструктивные особенности

Чтобы преобразовать нагрузку применяют тиристорный преобразователь цепей высокого напряжения на основе IGBT. Частотный преобразователь на тиристорах – это прибор преобразования тока, регулировки его параметров и уровня тока. Частотным преобразователем можно выровнять значения параметров приводов на электромоторах: угол, обороты вала при запуске и другие.

Схема тиристорного выравнивателя.

Для мотора постоянного тока используют преобразователь на тиристорах. Достоинства этого прибора позволили создать ему широкое применение. К преимуществам относятся:

• КПД (95%) у марки ПН-500.
• Область контроля: мотора от малых мощностей до мегаватт.
• Может выдерживать значительные импульсы нагрузок запуска двигателя.
• Долговечная и надежная эксплуатация.
• Точность.

Недостатки имеются и у этой системы. Мощность находится на низшем уровне. Это проявляется при точном регулировании процесса производства. В качестве компенсации используют дополнительные устройства. Такой частотный преобразователь не может работать без помех. Это видно при эксплуатации чувствительных приборов электрооборудования и радиотехнических устройств.

Составные части:

1. Реактор в виде трансформатора.
2. Блоки выпрямления тока.
3. Реактор для сглаживания преобразования.
4. Перенапряжение не воздействует на защиту.

Преобразователи (2017 г) подключаются через реактор. Трансформатор служит для согласования звена напряжения выхода и входа, выравнивания между ними напряжения. Схема электрического соединения включает в себя реактор для сглаживания. Частотный преобразователь имеет схему, в которой есть сглаживающий реактор.

Частотник пропускает нагрузку. Нагрузка идет в блоки выпрямителя в выходное звено. Чтобы выровнять питание нескольких устройств подключают индукционные потребители на специальных шинах.

Преобразователи частоты бывают двух типов – высокочастотные и низкочастотные. Подбор нужной модели осуществляется по необходимым параметрам цепей электроэнергии. В 3-фазных станках тип подключения иной. 1-фазный ток переносит воздействия, но КПД теряется на преобразовании 3-фазного тока.

Система применяется в плавильном производстве, контроле подъемно-транспортных устройствах, сварочном производстве. Такой принцип работы нагрузки реализовывает систему двигателя с генератором. На наименьших оборотах двигателя происходит регулировка оборотов шпинделя в широком диапазоне, настройка разных характеристик привода мотора.

Технические данные и стоимость

Характеристики частотников на тиристорах зависят от вида, опций.

ТПЧ

Преобразователь на тиристорах, работающий в условиях с влажностью и запыленностью (ЭПУ-1-1-3447Е УХЛ4).

Тиристорные преобразователи объединяют в комплексы по выпрямлению. У одного уравнителя при неисправности ремонтируют полностью все оборудование или демонтируют. У выпрямительного комплекса заменяют только тот механизм, который вышел из строя. Эти системы применяются в станках. Стоимость оборудования тиристорного преобразователя АВВ DCS400 на 2022 г составляет в районе ста рублей.

Частотные преобразователи со звеном постоянного тока

Это устройства, выполненные по транзисторной или тиристорной схеме. Однако их основная отличительная особенность состоит в том, что корректная и безопасная работа частотника требует наличия звена постоянного напряжения. Поэтому для подключения их к промышленной сети требуется выпрямитель. Обычно, применяются комплектное оборудование, состоящее из частотного преобразователя и выпрямителя, регулируемые от одной системы управления.

В ПЧ этой группы применяется двухступенчатое преобразование электроэнергии: синусоидальное U вх с f = const выправляется в выпрямителе (В), отфильтровывается фильтром (Ф), разглаживается, и далее заново преобразуется инвертором (И) в U ̴. Ввиду двухступенчатого преобразования электроэнергии снижается КПД и несколько ухудшаются массогабаритные показателив сравнении с преобразователями частоты с непосредственной связью.

Для создания синусоидального U ̴ самоуправляющиеся преобразователи частоты. В качестве ключевой базы в них используются усовершенствованная тиристорная и транзисторная основа.

Основным преимуществом тиристорной преобразовательной аппаратуры считается возможность оперироватьс большими параметрами сети, с выдерживанием при этом продолжительной нагрузки и импульсных воздействий. Аппараты обладают более высоким КПД.

Частотные преобразователи на тиристорах на сегодня превосходят остальные высоковольтные приводы, мощность которых исчисляется десятками МВТ с U вых от 3до 10 кВ и более. Однако и цена на них соответственно наибольшая.

Преимущества:

• наибольший КПД;
• возможность использования в мощных приводах;
• приемлемая стоимость, невзирая на внедрение добавочных элементов.

Классификация преобразователей

По виду применяемых вентилей статические преобразователи подразделяют на ионные (газотронные, ртутные) и полупроводниковые (кремниевые, селеновые, германиевые и др.); по типу вентилей — на диодные, тиристорные и диодно-тиристорные, с 1990-х годов получают распространение транзисторные преобразователи. На тяговых преобразователях подвижного состава в настоящее время применяются запираемые тиристоры (GTO) и транзисторы IGBT в зависимости от мощности привода.

По выполняемым функциям выделяют выпрямительные преобразователи, инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи; по способу регулирования напряжения — на импульсные (постоянного тока), импульсно-фазовые, зонно-фазовые, частотные, частотно-импульсные, широтно-импульсные и др.

Статические преобразователи могут быть зависимыми от питающего напряжения (для ЭПС переменного тока) и независимыми (для ЭПС постоянного тока); выполняются с охлаждением естественным и принудительным, воздушным и жидкостным (масляным), а также термосифонным.

Конструктивно статические преобразователи могут быть стационарными и передвижными, на ЭПС внутрикузовными (внутривагонными) и подвагонными.

Статические преобразователи силовых цепей подстанций и ЭПС изготовляют в виде шкафов или панелей, в которых устанавливают вентили. По схеме соединения вентилей различают статические преобразователи 2-, 4-плечевые (мостовые), 6-, 8-, 10-плечевые и другие с последовательно-параллельным включением вентилей.

На ЭПС применяют статические преобразователи в тяговом исполнении (см. рис.) с электрическими вентилями, выполненные с учётом соответствующих технических условий. В маломощных, низковольтных статических преобразователях используют вентили общетехнического изготовления.

На железной дороге распространены также полупроводниковые статические преобразователи, более надёжные по сравнению с ртутными, имеющие меньшие габаритные размеры и массу, больший срок службы, не токсичные при обслуживании и ремонте.

Статические преобразователи для ЭПС должны обеспечивать:

работоспособность ЭПС без ограничений мощности при выходе из строя одного из вентилей (в любом плече) и при повреждениях в цепях управления; удобную и быструю замену повреждённых вентилей;

устойчивую работу при изменении значения и формы питающего напряжения в установленных пределах.

При работе статические преобразователи открываются и закрываются в соответствии с заданным алгоритмом управления, в результате чего в нагрузке возникает ток в определённые периоды времени. На ЭПС устанавливают один или несколько силовых статических преобразователей, от каждого из которых питается один или несколько тяговых электродвигателей. Мощность таких статических преобразователей — до нескольких тысяч кВт, рабочее напряжение — от единиц до нескольких тысяч В; сила тока — от единиц до нескольких тысяч А.

Совершенствование статических преобразователей возможно в направлении улучшения их параметров, снижения габаритных размеров и массы, уменьшения числа вентилей при обеспечении той же мощности, повышения надёжности, упрощения системы обслуживания и ремонта.

Разновидности преобразователей

Среди всего многообразия существующих видов преобразователей выделяются следующие классы:

• специальные устройства для дома;
• высоковольтное и высокочастотное оборудование;
• бестрансформаторные и инверторные импульсные устройства;
• преобразователи постоянного напряжения;
• регулируемые аппараты.

К этой же категории электронных приборов относят преобразователи тока в напряжение.

Аппаратура для дома

С этим типом преобразовательных устройств рядовой пользователь сталкивается постоянно, поскольку в большинстве моделей современной техники имеется встроенный блок питания. К тому же классу относятся бесперебойные источники питания (БИП), имеющие встроенный аккумулятор.

В отдельных случаях бытовые преобразователи выполняются по двойной кольцевой (инверторной) схеме.

За счет такого преобразования от источника постоянного тока (аккумулятора, например), удается получить на выходе переменное напряжение стандартной величины 220 Вольт. Особенностью электронных схем является возможность получения на выходе чисто синусоидального сигнала постоянной амплитуды.

Регулируемые устройства

Эти агрегаты способны значение выходного напряжения и повышать его. На практике чаще встречаются аппараты, позволяющие плавно изменять пониженное значение выходного потенциала.

Классическим является случай, когда на входе действует 220 Вольт, а на выходе получается регулируемое постоянное напряжение величиной от 2-х до 30 Вольт.

Бестрансформаторные приборы

Бестрансформаторные (инверторные) агрегаты построены по электронному принципу, предполагающему применение отдельного модуля управления. В качестве промежуточного звена в них используется преобразователь частоты, приводящий сигнал на выходе к удобному для выпрямления виду. В современных образцах инверторного оборудования нередко устанавливаются программируемые микроконтроллеры, существенно повышающие качество управление преобразованием.

Высоковольтные устройства представлены уже описанными станционными трансформаторами, повышающими и понижающими передаваемое напряжение в нужных соотношениях.

При передаче энергии по высоковольтным линиям и последующей трансформации стремятся свести ее потери в ваттах к минимуму.

К этому же классу относятся устройства, формирующие сигнал для управления лучом в телевизионной трубке (кинескопе).

Insulated Gate Bipolar Transistor

Заголовок этого раздела переводится как “биполярный транзистор с изолированным затвором” (англ.). Это современный прибор, появившийся примерно в конце прошлого века и сделавший революцию в силовой электронике. Электроэнергия используется человечеством уже давно, по мере развития техники одна часть возникающих проблем была успешно решена как например, отказ от дорогих магнитных сплавов в пользу дешевой стали и медных обмоток возбуждения в двигателях постоянного тока и магнитах (Вернер Сименс). Другая часть проблем долго и упорно не поддавалась решению. К ней, например, можно отнести использование переменного тока в электротранспорте.

Электротехнические устройства всегда содержат элементы коммутации и это самые больные их места. При разрыве многих электрических цепей возникает дуга, пережигающая со временем контакты. Сопротивление контактов в идеале должно быть не больше, чем самый маленький участок остальной цепи, но на практике, именно благодаря окислам от дуги, в месте контакта возникает повышенное сопротивление. По закону Джоуля-Ленца на этом сопротивлении возникает и рассеивается тепловая мощность пропорциональная сопротивлению и квадрату тока. Нагрев током места контакта приводит к его ускоренному старению, чем дальше, тем быстрее, и в результате цепь выходит из строя.

Преимущества тиристорных преобразователей

ТПЧ получили очень широкое применение благодаря своим многочисленным достоинствам. Главное преимущество тиристорных преобразователей в сравнении с электромашинными заключается в том, что за счет высокого КПД, а также отсутствия потерь холостого хода, идет тенденция снижения потребления мощности от сети, и при этом снижаются расходы на эксплуатацию. Также большое преимущество тиристорных преобразователей частоты в их свойствах регулировки. Регулирование выходных параметров и мощности возможно осуществить без переключения в силовых цепях. Это позволяет обходится без больших коммутирующих устройств.

Перед тем, как принять решение купить преобразователь частоты, надо ознакомиться с его преимуществами, а именно:

• качественная элементная база Европейских производителей;
• высокая надежность и долговечность;
• простота и удобство в эксплуатации;
• высокий КПД 93-95%;
• высокая устойчивость к короткому замыканию в нагрузке;
• способность выдерживать мощные импульсные перенапряжения на входе;
• внутренняя самодиагностика и защита всех силовых элементов;
• дистанционное управление и регулирование с пульта ДПУ;
• цифровое отображения параметров преобразователя;
• охлаждение ТПЧ водяное двухконтурное с теплообменником;
• возможность адаптации к существующему оборудованию;
• легко перенастраиваемые параметры;
• индивидуальная доработка по требованию Заказчика;
• оперативная поставка комплектующих и запасных частей;
• гарантийное и сервисное обслуживание;
• обучение персонала заказчика;
• замена морально устаревших машинных генераторов на ТПЧ.

Тиристорные преобразователи частотыТПЧ-350-1 Тиристорные преобразователи частотыТПЧ-350-1 Тиристорные преобразователи частоты ТПЧ-1600-0.5 Тиристорные преобразователи частоты Тиристорные преобразователи частоты ТПЧ-350 Тиристорные преобразователи частоты и индукционная печь

Технические характеристики

Почему стоит купить преобразователь частоты в ООО «Термолит»

На сегодняшний день «Термолит» является лидером как на отечественном, так и на зарубежном рынке индукционного оборудования. Поставки осуществляются в Россию, Беларусь, Польшу, Эстонию, Германию, Израиль и многие другие страны.

Предприятие «Термолит» выпускает большой ассортимент современного индукционного оборудования, в частности тиристорные преобразователи частоты серии ТПЧ различной мощности.

Комплектность поставки: шкаф ТПЧ и эксплуатационные документы. Также за дополнительную стоимость могут быть поставлены: сменные резервные блоки управления, комплект ремонтный ЗИП, пульт дистанционного управления. Предназначение сменных резервных блоков: уменьшение времени на восстановление работоспособности в случае неполадок в системе управления ТПЧ, а также сокращение времени переналадки при работе одного ТПЧ на различные нагрузки поочередно.

Предприятие «Термолит» сегодня – это:

• доступные цены от производителя;
• исполнение заказа в минимальные сроки;
• качество выпускаемого оборудования на самом высоком уровне;
• возможность индивидуальной разработки оборудования по требованию заказчика;
• надежность и долговечность продукции.

Для того, чтобы купить преобразователь частоты по приемлемой цене, обращайтесь в «Термолит». Вы совершите покупку качественного оборудования непосредственно у производителя, без переплат посредникам. Предприятие обеспечивает гарантийное обслуживание, а также постгарантийное на взаимовыгодных условиях с заказчиком.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИНВЕРТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Цифровая система микропроцессоров управления ТПЧ 320

Микропроцессорные системы управления ТПЧ 320 регулируют, защищают и диагностируют. Она сформирована на плате с микросхемами и экраном через кабели. Эта система дает гарантию надежной работы, защищает от помех.

Каждому вентилю передается импульс. Информация выдается на экран панели. Можно получить информацию от механизмов цепи. Система управления обрабатывает много данных, передающихся по связи. Это такие данные:

• Мощность.
• Частота.
• Вес загрузки.
• Вес расплавленного металла.
• Время.

Комплектность шкафа ТПЧ 320:

• Выпрямитель.
• Система выравнивания мощности.
• Дроссель сглаживания.
• Диагностика.
• Контроль температуры.
• Контроль охлаждения.
• Блокировка дверей.
• Защита, перезапуск частотника при отключении линии питания.

Эксплуатационные условия ТПЧ 320

Реверсивные тиристорные преобразователи Принцип работы и устройство

Модули IGBT

Поскольку IGBT, как правило, крайне редко применяются в одиночном варианте, конструкторы стали думать о модульных вариантах их компоновки. Модуль конструктивно гораздо проще и компактнее использовать в изделиях. Но не только это.

Потребуется, правда, вмешательство достаточно квалифицированных инженеров, так как речь идет о переделке схемы частотников, так как далеко не все модели допускают такое расширение: там нет ни выходов для таких подключений, и ни слова в инструкциях, кроме, разве что, запрета вмешательства в схему преобразователя со стороны потребителей и отказа об ответственности для таких случаев. Кроме технической стороны дела, есть еще и возможная юридическая: возможное нарушение патентов, лицензий и т.д. Это тоже надо иметь в виду.

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

Особенностью схем на тиристорах является то, что они рассчитаны на работу с определенным характером нагрузки.

Последовательный и параллельный инверторы тока

Данный тип преобразователей имеет дополнительный конденсатор, включенный последовательно или параллельно нагрузке. Назначение конденсатора – обеспечение надежного запирания тиристоров, не участвующих в прохождении тока по силовой цепи. Для стабилизации тока через нагрузку вход инвертора тока содержит индуктивность, которая в идеальном случае должна стремиться к бесконечности.

Комбинированные схемы

Комбинированная последовательно-параллельная схема содержит два конденсатора и позволяет улучшить нагрузочные характеристики устройства. В частности, такая схема отличается большей устойчивостью при работе с малой нагрузкой.

Преобразователь напряжения Мак-Мюррея

Схема Мак-Мюррея включает в себя контур LC. Данный контур образуется из соединения конденсатора и катушки индуктивности через открытый в данный момент тиристор, закрывая противоположный.

Данное решение позволяет питать индуктивную нагрузку, например, устройства, в которых производится индукционный нагрев или сварка металлических конструкций.

Последовательный резонансный инвертор

В подобной схеме емкость конденсатора и индуктивность подобраны таким образом, чтобы на частоте преобразования LC контур находился в резонансе. Таким образом, управление тиристорами будет происходить на резонансной частоте.

Преобразование может вестись на более высокой частоте, что улучшает характеристики схемы из-за лучших условий переключения ключевых элементов.

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах

Устройства индукционного нагрева наиболее часто используют схему Мак-Мюррея или резонансный преобразователь, поскольку нагрузка носит явно выраженный индуктивный характер. Индукционные нагревательные приборы потребляют значительный ток, поэтому в мощных печах используются именно тиристоры, несмотря на более лучшие по параметрам транзисторы.

Поскольку для питания объектов промышленных предприятий используется трехфазный переменный ток, конструкция обязательно содержит выпрямитель, который на выходе образует постоянный ток.

Использование тиристоров в качестве ключевых элементов инвертора позволяет создавать простые и надежные схемы, основной недостаток которых заключается в достаточно сильных искажениях формы напряжения и высоком уровне электромагнитных помех.

Как сделать преобразователь частоты собственноручно

Многие любители пробуют изготавливать преобразователи частоты своими руками.

Схема самодельного инвертора

Схема хорошо работает с мотором мощностью до 1 кВт, российского и зарубежного производства.

Для изготовления инвертора понадобятся следующие детали:

• микросхемы: К155ЛА3, К155ИЕ4, К155ЛП5;
• транзисторы: КТ315 (3 шт.), КТ817В (3шт.);
• диоды: КД105Г – 3 шт.;
• резисторы сопротивлением: 10 кОм (3 шт.), 6,2 кОм (3 шт.), 1 кОм (3 шт.), 220 Ом и переменный резистор на 1 кОм;
• конденсаторы: 0,33 и 0,1 мкФ;
• электролитические конденсаторы: 100 мкФ*10 В и 1000 мкФ*50 В.

Этому частотнику, своими руками изготовленному, обязательно нужен блок питания на 27 В и 5 В постоянного напряжения. Электродвигатель подключают согласно схеме.

Если обращаться к современным технологиям, то создание инвертора можно выполнять на базе платформы Ардуино. Регуляторы частоты – незаменимая вещь для управления электроприводом, как в бытовых, так и в промышленных условиях.

Трёхфазные инверторы

Тиристорный (GTO) тяговый преобразователь по схеме «Ларионов-звезда»

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например, для питания трёхфазного асинхронного двигателя. При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора.

Высокомощные трёхфазные инверторы применяются в тяговых преобразователях в электроприводе локомотивов, теплоходов, троллейбусов (например, АКСМ-321), трамваев, прокатных станов, буровых вышек, в индукторах (установки индукционного нагрева).

На рисунке приведена схема тиристорного тягового преобразователя по схеме «Ларионов-звезда». Теоретически возможна и другая разновидность схемы Ларионова «Ларионов-треугольник», но она имеет другие характеристики (эквивалентное внутреннее активное сопротивление, потери в меди и др.).

Типовая конструкция и принцип работы

Тиристором называется полупроводник, изготовленный из кремния. Как правило, он состоит из четырех токопроводящих слоев. Сборка проводится на медном основании, которое имеет шесть граней и хвостовик с нарезанной резьбой. Этот элемент дополняется основной структурой, в производстве которой применяется специальный кремний.

Четырехслойный пропускной комплекс имеет два выхода – управляющий и отрицательный. Снаружи вся конструкция защищена железным корпусом, имеющим форму цилиндра и оснащенным изоляционным слоем. При помощи резьбы тиристор устанавливается в специальное посадочное место и подключается к плюсовому полюсу цепи питания с анодным напряжением.