Меню

Тиристорный преобразователь частоты со звеном постоянного тока

Частотный тиристорный преобразователь – подробное описание ТПЧ

Тиристорный преобразователь частоты

Для выпрямления переменного тока используются спецустройства. Тиристорный преобразователь частоты в 2017 году служит во многих областях производства для регулировки выходного напряжения и различных параметров линии питания.

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.

Тиристорный преобразователь частоты

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.

  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.

Разработка

Схема электрических соединений тиристорного преобразователя частоты и двигателя бесступенчатого переключения состоит из двух видов:

  1. 1- фазная.
  2. 2-х фазная.

Принцип действия нагрузки. Схема 3-фазного частотника

Тиристорный преобразователь частоты

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.

эксплуатации частотника

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:

эксплуатации частотника

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.

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах инвертора

эксплуатации частотника

Технические данные и стоимость

Характеристики частотников на тиристорах зависят от вида, опций.

Значения ТПЧ 320 800
Мощность, кВт 320 800
Наибольшая мощность, кВ-А 640 1250
Частота, герц 50 50
Входное напряжение, В 380 500
Величина наибольшего постоянного тока, А 630 1000
КПД, % 94 94
Выходное напряжение, В 800 1000

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

Ток, А 25
Наибольший ток нагрузки, А 100
Входное напряжение, В 380

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 2017 г составляет в районе ста рублей.

Самодельный преобразователь частоты на тиристорах

Я взял двигатель асинхронного типа мощностью 2 кВт. Все собирал самостоятельно. Нужно было получить из сети в 220 вольт три фазы для управления электродвигателем. Нужно было управлять оборотами двигателя, не получать скачков выходного напряжения.

Посмотрев информацию в Интернете, нашел схемы различного рода. Предлагается очень много разных вариантов. Я остановился именно на этой схеме, так как его мощность до 4 кВт, функции защиты работают нормально.

Я взял корпус от системного блока компьютера и вмонтировал в него все детали. Можно было сэкономить, и сделать по-другому, но у меня уже был этот шкаф. Блок питания я покупал отдельно.

Тиристорный преобразователь частоты

Хотя можно было собрать схему блока питания самому. Ни с кем не советовался и сам начал собирать. Собрал набор конденсаторов с реле, диодный мост с полевыми транзисторами. Установил вентилятор охлаждения на случай, если будет двигатель нагрузки 4 кВт, и будет нагреваться. При двигателях 2-3 кВт преобразователь работает нормально, никаких проблем с нагревом нет. Я решил сделать так, чтобы вентилятор не работал постоянно, так как он будет засасывать в шкаф пыль, потом его надо будет чистить. Решил сделать так, чтобы кулер включался и выключался при определенных температурах.

Для этого я сделал небольшую плату регулировки с реле, хотя можно тоже ее купить. За полдня собрал эту плату из имеющихся деталей. В шкафу имеется шунт, который настроен для двигателя 4 кВт. Если будет перегрузка по току, то двигатель выключится. Плата преобразователя сделана на микроконтроллере. Если поменять контроллер и поставить кварц на 20 мГц и два конденсатора в обвязке кварца, то можно поменять прошивку, вынести на панель корпуса монитор, ручку регулятора оборотов. При работе можно будет изменять частоту.

Тиристорный преобразователь частоты

Но я делать этого не стал, так как нужны были дополнительные деньги. Этот частотник мне обошелся около трех тысяч рублей, это на 2017 год. Заводской преобразователь на тиристорах такого же класса, пусть даже в меньшем корпусе обошелся бы около 7-10 тысяч рублей. Это зависит от бренда изготовителя.

Такой частотный преобразователь можно применять на станках с ЧПУ на шпиндель, вывести контроль на пульт управления. Проверим, как он работает. Включаем старт, двигатель плавно включился и работает. Выключаем его, затем включаем реверс и повторяем операции. Все работает нормально.

Недавно купил выпрямитель за 1000 рублей. Это недорого для тиристорного выпрямителя. Такие диоды приходится заказывать из других регионов. Если управляющий электрод замкнуть на анод, то он превращается в диод. Если убираем, то превращается в тиристор. Если к проводам припаять плату управления, то им можно управлять. Получается тиристорный выпрямитель. Я поставил его на сварочный аппарат. На ручную дуговую сварку не стоит ставить тиристорный выпрямитель, так как при сварке большие пульсации, сварочный шов получается плохого качества. Для полуавтомата тиристоры подойдут, там пульсации не важны.

Преобразователь частоты на логических элементах

Современные асинхронные двигатели управляются весьма сложно. Дело в том, что пуск мощного асинхронного двигателя сопряжен со значительными токовыми перегрузками. Мощный вращающий момент может вывести из строя подшипники и опоры, на которых установлены двигатели.

Резкое отключение двигателя может привести к перенапряжению и к серьезным электрическим авариям. Поэтому, на сегодняшний день наиболее перспективными системами управления двигателями являются частотные преобразователи. Путь, к которому шел частотный преобразователь к цифровому варианту, довольно сложен. В современных устройствах была проблема в том, чтобы выходные каскады были мощными. Не было мощных транзисторов. Сейчас появились IGBT транзисторы или мощные транзисторы с изолированным затвором.

Рассмотрим преобразование однофазной цепи в трехфазную.

Тиристорный преобразователь частоты

Это структурная схема простейшего преобразователя. Он состоит из генератора тактовых импульсов, частотой которого можно управлять. Собран он на простейших логических элементах. Включенных в режим логических элементов нет. Три логических элемента. Конденсатор и резистор задают постоянную величину времени, то есть, частоту выдачи импульсов. Эти импульсы поступают на счетчик Джонсона, который является и счетчиком, и дешифратором, преобразующим выходной сигнал в сигнал с одним импульсом на выходе.

Предусмотрено так, что импульсы проходят последовательно. Для того, чтобы получить трехфазную систему, десятку импульсов разделили на последовательность до шести импульсов. При этом окончание седьмого импульса завершает работу счетчика, установку его в нулевое состояние. Импульс подает команду обнуления счетчика, отсчет начинается с нуля. Выходы этих элементов, в данном случае дешифратора, присоединены к трем элементам, которые являются коммутирующими. Эти коммутирующие элементы, которые управляют работой двухтактных транзисторных включений, составляют основу выхода.

Читайте также:  Какая вода не передает ток

На выходе появляется напряжение с частотой, которую мы зададим на этом генераторе. Тактовые импульсы поступают на счетчик Джонсона с дешифратором, запускают логические элементы. Если будет на входе единица, которая поступает на два мощных транзистора, включенных по схеме моста, то пары транзисторов осуществляют коммутацию направления тока в обмотке двигателя вправо и влево. В результате этого с ростом регулирования частоты вращения будет плавно увеличиваться частота переключения выходного напряжения в обмотке, что приведет к росту средней частоты в двигателе и росту числа его оборотов.

Если мы рассмотрим систему как полученную трехфазную систему переменного тока, то можем получить на выходе трехфазный переменный ток. Он будет прямоугольной формы. Чтобы получить импульсы, близкие к гармоническим колебаниям, необходимо применить L или C фильтры для получения полноценного сигнала. Если мы имеем дело с постоянным током, то данный преобразователь может получить из него трехфазный переменный ток. Поэтому наш частотный преобразователь, который питается постоянным током, может работать от однофазного выпрямителя.

В мощных приводах не подходят к применению транзисторы. Поэтому вместо них используют тиристорные частотники. На малой частоте вращения труднее удерживать момент, так как приводы с жесткими характеристиками. Привод насоса происходит по системе склеивания синуса. Выходная частота меньше 50 герц.

Тиристорный преобразователь частоты

Тиристорный преобразователь частоты

Тиристорные преобразователи ТПЧ – 320 2,4

Преобразователи частоты ТПЧ-320-2,4 служат для регулирования частоты и изменения 3-фазного тока в среднюю частоту. Мощность по номиналу этого прибора 320 кВт, частота 2,4 кГц. В заводских условиях эти частотники применяют для линии питания колебаний печей.

Технические данные тиристорного частотника ТПЧ 320 2,4

Выходная мощность по номиналу (кВт) Частота по номиналу (кГц) Входное номинальное напряжение (В) Интервал средней частоты (Гц) Интервал напряжения выхода (В)
320 2,4 3 х 380 1500 – 3000 100 – 800

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.

Источник

Тиристорный преобразователь постоянного тока

Для выравнивания переменного тока в постоянный требуется использование специальных устройств. Тиристорный преобразователь частоты для индукционного нагрева применяется в различных областях промышленности для регулирования напряжения и прочих параметров электрической энергии.

Принцип работы и конструкция

Для преобразования нагрузки может использоваться тиристорный или транзисторный высоковольтный преобразователь на базе IGBT. Тиристорный частотный преобразователь (ТП, ТПР или ТПЧ) – это электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный, регулирования его уровня и прочих характеристик. С его помощью можно уравнивать различные параметры электрических редукторов: скорость вращения в момент пуска, угол и прочие.

Фото — тиристорный уравнитель

Тиристорный преобразователь применяется для двигателя постоянного тока (ДПТ) вместе с системой автоматического регулирования (FR A700 в Mitsubishi Electric, Siemens Simoreg DC Master, Omron Yaskawa). Он имеет очень широкую область применения благодаря своим достоинствам:

  1. Высокий показатель КПД – до 95 % (к примеру, у модели ПН-500);
  2. Широкий спектр контроля. Его можно использовать для двигателя с мощностью от десятых киловатта до нескольких мегакиловатт;
  3. Способность выдерживать сильные импульсные нагрузки при включении электродвигателя в сеть;
  4. Высокие показатели надежности и долговечности;
  5. Точность в работе.

Но у такой системы есть определенные недостатки. В первую очередь – это низкий коэффициент мощности, который проявляется при глубоком регулировании производственных процессов. Компенсировать его можно при помощи дополнительных устройств. Кроме этого, мощный преобразователь вызывает помехи в электрической сети, что сказывается на работе чувствительного электро- и радиооборудования.

  1. Трансформатор или реактор;
  2. Выпрямительные блоки;
  3. Дополнительный реактор, сглаживающий преобразование;
  4. Система защиты оборудования от перенапряжений.

Большинство современных преобразователей подключаются к трансформатору через реактор. Трансформатор в этой схеме является согласующим звеном между входящим и выходным напряжением, он уравновешивает разницу между ними. Помимо него, электросхема также включает в себя специальный сглаживающий реактор. Этот прибор необходим для нейтрализации определенных пульсаций, возникающих при выпрямлении и изменении типа тока. Но система не всегда включает в себя реактор, т. к. при достаточной индуктивности асинхронного двигателя в нем нет необходимости.

Агрегат пропускает через автономный инвертор (расположенный во входящем звене) первичную нагрузку. Они попадают в выпрямляющие блоки, установленные в выходном звене. Для подключения других индукционных потребителей используются специальные шины, которые помогают выравнивать питание в целой группе устройств.

Такой преобразователь бывает низкочастотный и высокочастотный. В зависимости от потребных частот и имеющихся параметров электричества подбирается нужная модель. Нужно отметить, что в станках, где используется трехфазный ток, применяется другой тип подключения. Однофазный переносит воздействия и преобразования, в то время как на преобразовании трехфазного тока теряется КПД.

преобразовательный пункт

Фото — преобразовательный пункт

Система используется в плавке металлов, сварочных работах, контроле кранового механизма и многих других производственных и технологических процессах. Применение такого принципа работы позволяет реализовать систему генератор-двигатель без использования генератора. Благодаря этому производится широкая регулировка частот вращения шпинделя даже на самых малых скоростях, настраиваются механические и другие характеристики электропривода и прочие параметры.

Разработка

Электрическая схема тиристорный преобразователь-двигатель (к примеру, КТЭ) для плавного переключения может быть двух видов:

  1. Однофазной;
  2. Многофазной.

В зависимости от типа исполнения варьируются соотношения расчетных единиц и принципы работы преобразователя.

нулевая схема трехфазного преобразованияФото — нулевая схема трехфазного преобразования

На этом чертеже схематически показано изменение электрической энергии при работе тиристорного преобразователя в режиме выпрямителя и инвертора. В то же время, для мостовой схемы можно сделать такую же диаграмму, но только состоящую из двух нулевых. Именно она наиболее часто используется при проектировании преобразователя для станочного оборудования. Это происходит из-за того, что исходное фазовое напряжение в ней в два раза превышает фазовой напряжение (Udo) в нулевой схеме работы.

питание

Фото — питание

Однофазная схема используется для контроля питания и работы привода машин с высоким индуктивным сопротивлением. Она работает в пределах мощности от 10 кВт до 20, намного реже – при больших мощностях. К примеру, подойдет для электрической печи, домашнего станка.

однолинейная схема

Фото — однолинейная схема

Трехфазная используется для оборудования, где требуется от 20 кВт для работы. К примеру, для синхронных приводов, двигателя крана и экскаватора. Еще одной популярной многофазной схемой контроля является шестифазная (Кемрон). Её проект предусматривает использование в конструкции уравнительного реактора, который направлен на контроль низкого напряжения и высокого тока. Этот силовой электрический прибор пропускает и преобразовывает электрическую энергию параллельным путем, а не последовательным (как большая часть аналогичных устройств). Его более сложно разработать своими руками, но степень надежности и эффективности значительно больше, нежели у однофазного тиристорного преобразователя. Но такой реверсивный контроллер имеет серьезный недостаток – его КПД менее 70 %.

Своими руками можно сделать собственный преобразователь, но многое зависит от используемой базы. Внизу дана схема, разработанная на основе Micro-Cap 9. Главной особенностью этой модели является необходимость в совместном моделировании различных узлов.

Схема тиристорного уравнителя

Фото — Схема тиристорного уравнителя

Видео: как работают тиристорные преобразователи

Техническое описание и обзор цен

Характеристики тиристорных преобразователей зависят от типа их исполнения и функциональных особенностей.

Параметры ТПЧ 320 800
Выходная мощность, кВт 320 800
Максимальная полная мощность, кВ-А 640 1250
Частота, Гц 50 50
Входящее напряжение, В 380 500
Максимальный ток, А 630 1000
КПД, % 94 94
Выходное напряжение, В 800 1000
Номинальный ток, А 400
Максимальный ток, А 800
Входящее напряжение, В 460
Габаритные размеры, мм 800x775x1637

ЭПУ-1-1-3447Е УХЛ4 (производитель заявляет, что этот преобразователь может работать в сложных условиях, повышенной пыльности и влажности):

Номинальный ток, А 25
Максимальный ток, А 100
Входящее напряжение, В 380

Но тиристорные преобразователи продаются не только по одной единице, но и в виде выпрямляющих комплексов (КТЭУ). Если единичный уравнитель при поломке нуждается в полном ремонте или демонтаже, то у комплекса производится замена вышедшего из строя оборудования. Такие системы используются как в приводах станков, так и в ЭКТ (комплектных тиристорных электроприводах).

Рассмотрим, какова цена тиристорного преобразователя ABB DCS400:

Купить устройство можно в любом магазине электрических товаров, прайс-лист зависит от характеристик и типа исполнения.

Источник



Преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Принцип действия и основные характеристики

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Принцип действия и основные характеристики

Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, построенные по схеме выпрямитель — автономный инвертор. Принцип работы и области применения таких преобразователей частоты зависят от типа используемого выпрямителя и автономного инвертора (инвертор напряжения или инвертор тока).

Существует несколько различных схем выпрямителей. По принципу действия они могут быть разделены на три группы: управляемые, полууправляемые и неуправляемые. Схемотехнически все выпрямители строятся по трехфазной мостовой схеме.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока (выпрямительно-инверторные).В этом преобразователе переменное напряжение U1, f1, m1 питающей сети выпрямляется с помощью выпрямителя В, фильтруется фильтром Ф и инвертируется автономным инвертором АИ в выходное напряжение U2, имеющее частоту f2и количество фаз m2. Регулирование частоты выходного напряжения осуществляется инвертором, а величины – управляемым выпрямителем. Иногда обе функции выполняет инвертор, а выпрямитель используется неуправляемый. Управление выпрямителем осуществляется системой управления выпрямителя – СУВ, а инвертора – СУИ.

Данный тип преобразователей частоты проще, чем НПЧ и позволяет регулировать выходную частоту f2 в широком диапазоне как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Недостатком выпрямительно-инверторных преобразователей частоты является двойное преобразование энергии, что ухудшает их КПД и приводит к увеличению массы и габаритов.

Важнейшим элементом преобразователей частоты со звеном постоянного тока является автономный инвертор. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет источника переменной ЭДС. Поэтому автономный инвертор принципиально нуждается в полностью управляемых вентилях, выполняющих роль ключей, коммутирующих фазы нагрузки к источнику постоянного напряжения.

Кроме 180° управления вентилями инвертора распространено также 120° управление, что при соединении нагрузки в звезду обеспечивает прямоугольную форму напряжения на нагрузке, а при соединении нагрузки треугольником – двухступенчатую, как для 180° управления.

4. Области применения статических преобразователей в электроэнергетике и промышленности.

Основными областями применения статических преобразователей частоты являются:

— вентильный электропривод переменного тока,

— Выпрямительные электролитные установки,

Такие печи мощностью от 90 до 2500 кВּА с повышенной частотой (500, 1000 и 2400 Гц), тиристорные преобразователи частоты широко применяются для индукционной поверхностной закалки изделий из стали и чугуна. В этих установках используются преобразователи частоты типа ТПЧ мощностью 100-3200 кВт и частотой 0,15-8 кГц. Напряжение питания преобразователей 0,38; 0,66; 6;10 кВ. Машинно-вентильные системы типа ПС-ПЧ: переменная скорость вращения, постоянная частота генерируемого переменного тока. Такие системы преобразуют первичную электроэнергию электромашинного генератора, вращаемого с переменной скоростью от вала отбора мощности ходового двигателя транспортного средства или от турбины, работающей в потоке воды или воздуха.

Достоинствами систем типа ПС-ПЧ являются высокие энергетические показатели, хорошее качество выходного напряжения в установившихся и переходных режимах, экономичность построения источников электропитания за счет упрощения конструкций турбин, исключение устройств стабилизации частоты вращении генератора.

Динамические характеристики силовых полупроводниковых приборов. Быстродействие тиристорного коммутатора переменного тока с естественной и искусственной коммутацией.

Различают естественную и искусственную (принудительную) коммутацию. При естественной коммутации ток с одного рабочего тиристора на другой переходит под действием напряжения сети переменного тока, от которой или на которую дан­ный вентильный преобразователь работает (выпрямители, ведо­мые сетью инверторы, непосредственные преобразователи частоты, реверсивные преобразователи постоянного тока).

При искусственной коммутации прерывание тока рабочего ти­ристора осуществляется с помощью вспомогательного (не отно­сящегося к сети) источника энергии постоянного (импульсного) тока или предварительно заряженных конденсаторов, принадлежа­щих вентильному преобразователю. Если комму­тация происходит между двумя рабочими тиристорами, то ее на­зывают прямой (одноступенчатой) коммутация же между рабочим и вспомогательным тиристорами является не пря­мой (двухступенчатой) Теристор имеет время включения порядка десятков микросекунд. Время вклбчения тиристора с естественной коммутацией определяетса в основном частотой сети и составляет велечену порядка половины его периуда. Искусственная коммутация позволяет уменьшить время выключения СПП

ВАХ силового тиристора и потери мощности в статич. Режиме. Условия естественной коммутации полупроводниковых диодов и однооперационных тиристоров. Принцип принудительного запирания вентилей – искусственная коммутация.

Тиристор – это прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями равновесия: состоянием с низкой проводимостью и состоянием с высокой проводимостью. Переход из одного состояния равновесия в другое обусловлен действием внешних факторов: напряжения, света, температуры.

Вольт-амперная характеристика управляемого вентиля — тиристора.

Рис. Вольт – амперная характеристика тиристора

При отсутствии тока управления iу =0, тиристор закрыт для напряжения любой полярности, если его величина не превосходит напряжение переключения Uпер. Обычно величина Uпер соответствует классу прибора по напряжению. В этом состоянии через тиристор протекают только прямой и обратный токи утечки.

При подаче на управляющий электрод тиристора тока управления достаточной величины, прямая ветвь ВАХ тиристора спрямляется и приобретает диодный вид. Ток управления в этом случае называется током управления спрямления. Как правило, тиристор используется как управляемый бесконтактный ключ, состояние которого определяется наличием или отсутствием управляющего сигнала. Выключается однооперационный тиристор только по цепи силовых электродов, когда его прямой ток станет меньше тока удержания Iуд. При работе в сети переменного тока тиристор выключается в момент перехода кривой его тока через нулевое значение. В этом случае коммутация тиристора называется естественной. В других случаях, называется искусственной.

Мощность потерь. выделяющаяся в полупроводниковой структуре прибора, при прохождении по нему тока можно представить в виде суммы основных DР и дополнительных потерь DРдоп

DРå = DР + DРдопПри работе приборов на частоте, меньшей 400 Гц, мощность основных потерь является определяющей и дополнительными потерями пренебрегают. При больших частотах необходимо учитывать дополнительные потери, возникающие от обратного тока и от токов при включении и выключении прибора.

Мощность основных потерь определяется интегральными значениями прямого тока, протекающего через вентиль:

DР=UIср + Iд 2 Rд, где Iср , Iд— среднее и действующее значение токов вентиля. Для упрощения расчетов используется коэффициент формы kф= Iд / Iср, который для известной формы тока вентиля позволяет легко определить действующее значение тока по известному среднему.

Таким образом, на частотах до 400 Гц расчет основных потерь в тиристоре можно производить по той же схеме замещения, что и для диода. Для больших частот следует учитывать и дополнительные потери, которые для тиристора включают потери от прямого тока утечки, потери в цепи управления, а так же дополнительные потери, учитываемые для неуправляемого вентиля.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Принцип действия и основные характеристики

Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, построенные по схеме выпрямитель — автономный инвертор. Принцип работы и области применения таких преобразователей частоты зависят от типа используемого выпрямителя и автономного инвертора (инвертор напряжения или инвертор тока).

Существует несколько различных схем выпрямителей. По принципу действия они могут быть разделены на три группы: управляемые, полууправляемые и неуправляемые. Схемотехнически все выпрямители строятся по трехфазной мостовой схеме.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока (выпрямительно-инверторные).В этом преобразователе переменное напряжение U1, f1, m1 питающей сети выпрямляется с помощью выпрямителя В, фильтруется фильтром Ф и инвертируется автономным инвертором АИ в выходное напряжение U2, имеющее частоту f2и количество фаз m2. Регулирование частоты выходного напряжения осуществляется инвертором, а величины – управляемым выпрямителем. Иногда обе функции выполняет инвертор, а выпрямитель используется неуправляемый. Управление выпрямителем осуществляется системой управления выпрямителя – СУВ, а инвертора – СУИ.

Данный тип преобразователей частоты проще, чем НПЧ и позволяет регулировать выходную частоту f2 в широком диапазоне как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Недостатком выпрямительно-инверторных преобразователей частоты является двойное преобразование энергии, что ухудшает их КПД и приводит к увеличению массы и габаритов.

Важнейшим элементом преобразователей частоты со звеном постоянного тока является автономный инвертор. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет источника переменной ЭДС. Поэтому автономный инвертор принципиально нуждается в полностью управляемых вентилях, выполняющих роль ключей, коммутирующих фазы нагрузки к источнику постоянного напряжения.

Кроме 180° управления вентилями инвертора распространено также 120° управление, что при соединении нагрузки в звезду обеспечивает прямоугольную форму напряжения на нагрузке, а при соединении нагрузки треугольником – двухступенчатую, как для 180° управления.

4. Области применения статических преобразователей в электроэнергетике и промышленности.

Основными областями применения статических преобразователей частоты являются:

— вентильный электропривод переменного тока,

— Выпрямительные электролитные установки,

Такие печи мощностью от 90 до 2500 кВּА с повышенной частотой (500, 1000 и 2400 Гц), тиристорные преобразователи частоты широко применяются для индукционной поверхностной закалки изделий из стали и чугуна. В этих установках используются преобразователи частоты типа ТПЧ мощностью 100-3200 кВт и частотой 0,15-8 кГц. Напряжение питания преобразователей 0,38; 0,66; 6;10 кВ. Машинно-вентильные системы типа ПС-ПЧ: переменная скорость вращения, постоянная частота генерируемого переменного тока. Такие системы преобразуют первичную электроэнергию электромашинного генератора, вращаемого с переменной скоростью от вала отбора мощности ходового двигателя транспортного средства или от турбины, работающей в потоке воды или воздуха.

Читайте также:  Ученый установивший закон теплового действия тока

Достоинствами систем типа ПС-ПЧ являются высокие энергетические показатели, хорошее качество выходного напряжения в установившихся и переходных режимах, экономичность построения источников электропитания за счет упрощения конструкций турбин, исключение устройств стабилизации частоты вращении генератора.

Источник

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ)

В качестве элементной базы для устройств частотного управления электродвигателями используются силовые тиристоры и транзисторы. Несмотря высокое быстродействие и другие преимущества транзисторных ключей, тиристорные преобразователи частоты продолжают применяться и развиваться сейчас.

Сфера применения частотников на тиристорах – мощные электроприводы с высокими требованиями к перегрузочной способности. Благодаря способности выдерживать ток на порядок выше номинального значения, устройства широко используются в приводах механизмов на напряжение более 1000 В, в грузоподъемных машинах, высокоинерционном промышленном оборудовании.

Схема тиристорных преобразователей частоты

Преобразователи частоты с непосредственной связью

ПЧ с непосредственной связью с питающей электросетью или циклоконверторы преобразуют напряжение частотой 50 Гц в переменное напряжение с регулируемой фазой и частотой. Электронные ключи таких устройств – управляемые и неуправляемые тиристоры, включенные по встречно-параллельным, мостовым, перекрестным и нулевым схемам.

Преобразователи частоты с непосредственной связью

Частота напряжения, поступающего на обмотки двигателя, изменяется путем циклического отпирания и запирания электронных ключей.

Элементная база тиристорных частотников стоит значительно дешевле силовых быстродействующих транзисторов. Преобразователи частоты такого типа:

  • Отличаются высоким к.п.д. Электрические потери уменьшаются за счет однократного преобразования напряжения.
  • Обеспечивают устойчивые механические характеристики двигателя на низких скоростях. Прямое преобразование позволяет выдавать на обмотки электродвигателя напряжение низкой частоты без уменьшения амплитуды. Жесткость механических характеристик привода на невысоких скоростях при этом не снижается.
  • Позволяют возвращать энергию в сеть при электродинамическом торможении двигателя. Частотники с гальванической связью с питающей сетью позволяют свободно обмениваться электроэнергий в генераторном режиме двигателя.

Мощность преобразователей с непосредственной связью практически не ограничена. Такие электроприводы можно легко модернизировать путем подключения дополнительных тиристорных модулей.

Устройства такого типа также имеют недостатки:

  • Несинусоидальное выходное напряжение. Гармоники вызывают дополнительный нагрев двигателя, шум при работе оборудования. Кроме того, паразитные составляющие поступают в сеть и ухудшают качество электроэнергии.
  • Сложность регулирования скорости двигателя выше номинальной. Непосредственные преобразователи способны изменять частоту только в меньшую сторону.

Относительная сложность схемы управления. Связь входной и выходной частоты определяется выражением f_(1 )=(m_n×f_2)/(2(n-1)+m_n ); где mn – пульсность напряжения, n – число участков синусоид в полуволне выходного напряжения, f_(1 )и f_(2 )– частоты на входе и выходе. Таким образом, для создания крутящего момента и сдвига фаз на 1200 относительно друг друга необходимо обеспечить строгую временную последовательность отпирания и запирания тиристоров.

Схема управления тиристорных преобразователей

Так, основная сфера применения преобразователей частоты с гальванической связью с электросетью – низкоскоростные приводы мощного оборудования, а также двигатели механизмов, работающих с частыми остановками, перезапусками и реверсами.

Тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока

При необходимости регулирования скорости вращения вала выше номинальной частоты, а также при высоких требованиях к отсутствию паразитных гармоник, применяются частотные преобразователи на базе инвертора тока или инвертора напряжения.

Такие ПЧ дважды преобразуют напряжение: переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается и преобразуется обратно в переменное другой частоты.

Различают 2 схемы двойного преобразования: инвестор тока или напряжения.

В цепь первых включен дроссель с большой индуктивностью. На выходе преобразователя частоты поддерживается постоянная амплитуда тока, независимая от нагрузки.

Преобразователи частоты такого типа могут рекуперировать электроэнергию обратно в сеть в режиме электродинамического торможения, сфера их применения – оборудование и механизмы, работающие с частыми отключениями, реверсами и стартами.

В цепь преобразователя частоты, построенного по схеме инвертора напряжения, включен индуктивно-емкостной фильтр. Величина выходного напряжения таких устройств не зависит от тока, потребляемого электродвигателем.

Главное достоинство частотников – форма напряжения «чистый синус». Такое электрооборудование обеспечивают устойчивую работу привода во всем диапазоне регулирования скоростей.

Таким образом, ПЧ двойного преобразования:

  • Позволяют регулировать выходное напряжение в широком диапазоне частот: для устройств, построенных по схеме источника напряжения от 0 до 1500 Гц, для частотных преобразователей «инвертора тока» – 0-125 Гц. Частота ограничивается только быстродействием полупроводниковых элементов.
  • Не ухудшают работу двигателей. Выходное напряжение преобразователей частоты имеет форму, близкую к синусоиде.
  • Имеют небольшое количество тиристорных ключей по сравнению с преобразователями с непосредственной связью. Инверторные схемы не требуют синхронизации с сетью и сложной схемы управление открытием и закрытием элементов.
  • Нечувствительны к коротким замыканиям на выходе. Инверторы тока обеспечивают безаварийный режим при коротких замыканиях выходной цепи, а также возможность рекуперации электроэнергии в сеть.

К недостаткам частотников на базе схемы двойного преобразования относятся: невозможность работы инвертора тока на групповую нагрузку, зависимость искусственной коммутации от cosϕ и уровня нагрузки электродвигателя, значительная стоимость конденсатора или дросселя, снижение к.п.д. при двукратном преобразовании. Инверторы напряжения без дополнительных цепей также не обеспечивают возврат электроэнергии в сеть.

Принцип действия и схема тиристорного преобразователя для высоковольтных двигателей с фазным ротором.

Рассмотрим конструкцию тиристорного преобразователя частоты на базе каскадной схемы инвертора тока.

Принцип действия и схема тиристорного преобразователя для высоковольтных двигателей с фазным ротором

Силовой блок преобразователя состоит из 2 трехфазных управляемых мостов. Один из них подключен к сети через разделительный трансформатор. Второй включен в цепь обмоток ротора электродвигателя.

Такая схема обеспечивает обмен активной и реактивной мощностью между обмотками ротора и сетью электропитания, замедление двигателя в генераторном режиме с отдачей электричества в сеть.

Изменение угловой скорости вала достигается регулировкой частоты тока в цепи обмоток ротора двумя мостами на базе управляемых тиристоров, последовательно включенными между ротором и электросетью.

Изменение скорости возможно только в меньшую сторону, диапазон угловой частоты вала – от 0 до номинального. Частота тока регулируется уменьшением или увеличением углов отпирания и запирания управляемых полупроводниковых элементов. При регулировке роторный мост работает как выпрямитель, сетевой – как инвертор, возвращая активную мощность в сеть. При переводе привода в режим торможения, управляющие сигналы меняют фазу. Ток меняет направление и начинает протекать в цепи обмоток ротора, вызывая рекуперативное торможение. В таком режиме мост, подключенный к сети, работает как выпрямитель, роторный – в режиме инвертора. Рекуперация электроэнергии снижает ее расходы и уменьшает время торможения.

При проектировании привода с каскадными тиристорными преобразователями, следует учесть перегрузочную способность частотника в режиме торможения.

При электродинамическом торможении мост в роторной цепи должен работать с высокой коммутационной устойчивостью. В момент перевода в тормозной режим при высокой частоте вала двигателя ЭДС ротора имеет небольшого значение, угол коммутации тиристоров возрастает особенно при снижении напряжения сети. Коммутационная устойчивость моста снижается. Повысить устойчивость можно только путем ограничения тока ротора, что приводит к увеличению времени торможения и снижению тормозного момента. Таким образом, ограниченную перегрузочную способность при рекуперативном торможении необходимо учитывать при выборе типа частотника для приводов ответственных механизмов.

При работе оборудования с изменяющейся нагрузкой на валу, требуется предусмотреть увеличение напряжения и уменьшение тока цепи сетевого моста. Это предотвратит срыв инвертора и позволит развить динамический момент на валу электродвигателя до 200% от номинального.

Каскадный тиристорный выпрямитель может работать на групповую нагрузку. Для многодвигательных приводов предусмотрено выравнивание тока и момента при старте двигателей и работе после разгона вала до заданной скорости.

Таким образом, тиристорные преобразователи частоты на базе каскадной схемы обеспечивают:

  • Управление моментом и скоростью электродвигателя с обратной связью и бездатчиковое регулирование в отношении 1:50 от номинальных величин.
  • Экономию электроэнергии путем снижения пусковых токов и рекуперации при торможении в режиме генератора.
  • Управление несколькими двигателями.
  • Электродинамическое торможение без дополнительного оборудования.
  • Изменение частоты вращения вала.
  • Работу электродвигателя в режиме короткозамкнутого ротора.

К недостаткам преобразователей относятся ограниченная коммутационная устойчивость мостов в динамическом режиме и при торможении, искажение формы напряжения сети (полная мощность при максимальной скорости в 1,5 раза больше номинальной). Недостатки тиристорных преобразователей устраняются установкой фильтров паразитных гармоник и коррекцией выходной мощности.

Заключение

В отдельных случаях тиристорные преобразователи не уступают частотникам на базе транзисторов IGBT. Главные их достоинства: относительно низкая стоимость и способность выдерживать ток, значительно превышающий номинальный. Применение преобразователей на управляемых и неуправляемых тиристорах ограничивает только быстродействие полупроводниковых элементов. Выбор частотника делается исходя из требований к электроприводу, технической и экономической эффективности того или иного устройства.

Преобразователи частоты на IGBT-транзисторах используют преимущественно в двигателях на напряжение до 660 В, высокоточных и полеорентированных приводах.

Тиристорные ПЧ устанавливают в схемах управления грузоподъемного оборудования, механизмов, работающих в повторно-кратковременных режимах и двигателях с динамической нагрузкой, а также в схемах управления высоковольтными электрическими машинами.

Источник