Лекция 10. Тиристорные инверторы

Лекция 10

Тиристорные (автономные) инверторы.

План:

1. Тиристорные инверторы. Назначение, применение.

2. Инверторы тока и напряжения.

3. Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора. Принцип работы схемы.

4. Задание, метод. указания для самостоятельной работы по вопросу: «Принцип работы схемы инвертора с нулевым выводом».

Литература.

1. А. А. Бокуняев. Электропитание устройств связи: Учебник для высших учебных заведений.- М.: Радио и связь 1988. с. 156-159.

1. Тиристорные инверторы. Назначение, применение.

Тиристорные инверторы – это устройства, которые работают на автономную нагрузку и предназначены для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока заданной или регулируемой частоты.

Применение:

1. В системах электроснабжения потребителей переменного тока, когда единственным источником питания является источник напряжения постоянного тока (например: аккумуляторная или солнечная батарея).

2. В системах гарантированного электроснабжения при исчезновении напряжения сети питания (например: для личных нужд электростанций, ЭВМ)..

3. Для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей.

4. Для питания потребителей переменного тока от линий электроснабжений постоянного тока.

5. В конверторах для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.

Коммутационными элементами в инверторах является тиристоры или силовые транзисторы.

2. Инверторы тока и напряжения.

В зависимости от специфики электромагнитных процессов различают инверторы тока и инверторы напряжения (рис. 1а, б).

Рисунок 1: а) инвертор тока б) инвертор напряжения

В инверторах тока силовая цепь схемы подключается к источнику постоянного напряжения через дроссель L с большим индуктивным сопротивлением (источник тока должен иметь большое сопротивление).

В инверторах напряжения параллельно источнику питания включается конденсатор большой ёмкости, чем исключается влияние на работу устройства R_внутр источника (получаем источник напряжения с переменным током). Таким образом, коммутация тиристоров в инверторах тока проводится при постоянном токе, а инверторах напряжения – при постоянном напряжении.

При работе инвертора схема управления поочерёдно включает пару тиристоров VS1, VS4 или VS2, VS3, благодаря чему на нагрузке появляется переменное напряжение – с помощью ключевой схемы нагрузка подключается таким образом, чтобы в ней протекал ток разных направлений.

Если нагрузка инвертора напряжения имеет индуктивный или активно-индуктивный характер, то параллельно тиристорам включают обратные диоды. Этим обеспечивается передача накопленной в индуктивности энергии назад в источник питания.

Основной проблемой при проектировании инверторов является обеспечение надёжного выключения тиристоров, которые находятся в открытом состоянии, перед выключением тиристоров, которые не проводили ток. Это реализуется с помощью схем принудительной коммутации, которые обеспечивают запирание тиристоров в цепях постоянного тока. В цепях постоянного тока включение тиристора осуществляется путём включения параллельно тиристору предварительно заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна относительно тиристора (

принудительная коммутация).

3. Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора. Принцип работы схемы.

В цепях постоянного тока выключение тиристора обеспечивается путём включения параллельно тиристору ранее заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна по отношению к тиристору (принудительная коммутация). Рис. 2.

Рис. 2 Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора

По способу включения конденсатора С с нагрузкой тиристорные инверторы делят на: параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

Принцип действия мостового инвертора (рис. 2):

Тиристоры открываются попарно (VS1 и VS3, VS2 и VS4) на время равное Т / 2 под воздействием положительных импульсов тока, которые подаются от схемы управления в управляющие электроды тиристоров. Выходной ток инвертора распределяется между нагрузкой и конденсатором, заряжая конденсатор полярностью, указанной на рисунке 2 без скобок. При t = T/2 схема управления посылает импульсы и включает тиристоры VS2 и VS4. Конденсатор оказывается закороченным. Ток заряда конденсатора, протекая навстречу анодному току тиристоров VS1 и VS3, уменьшает его до 0 практически мгновенно из-за малости сопротивления в контуре разряда конденсатора через тиристоры.

После падения анодного тока тиристоров VS1 и VS3 до 0 к ним прикладывается обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе. VS1 и VS3 запираются. Конденсатор перезаряжается через VS2 и VS4, приобретая противоположную. Полярность, необходимую для осуществления коммутации на следующем полупериоде, когда включаются VS1 и VS3. Перезаряд конденсатора должен быть медленным.

4. Задание, метод. указания для самостоятельной работы по вопросу: «Принцип работы схемы инвертора с нулевым выводом».

В течение первого полупериода включён VS1. При этом в обмотках трансформатора под действием возрастающего тока I₁ наводится ЭДС, под действием которой конденсатор заряжается до U, полярность которого указана без скобок. При Т/2 схема управления подаёт импульс и включается VS2. Конденсатор через открытый тиристор VS2 подключается параллельно тиристору VS1, и он запирается под воздействием обратного напряжения. В течение второго полупериода конденсатор

С перезаряжается, приобретая противоположную полярность (в скобках). В начале третьего полупериода схема управления вновь включит тиристор VS1, коммутирующий конденсатор окажется подключенным через VS1 параллельно VS2, и он запрется. В дальнейшем процесс повторяется.

Рис. 3 Схема инвертора с нулевым выводом.

Литература.

1. А. А. Бокуняев. Электропитание устройств связи: Учебник для высших учебных заведений.- М.: Радио и связь 1988. с. 158-159.

2. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб./ За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. – К.: Каравела, 2004. с. 302 – 303.

Контрольные вопросы:

1. Что такое тиристорный инвертор?

2. Какие элементы в качестве коммутационных использует в тиристорных инверторах?

3. Где применяют тиристорные инверторы?

4. Принцип работы инвертора тока и инвертора напряжения?

5. Какое назначение дросселя на входе схемы инвертора тока?

6. Зачем необходим конденсатор, подключенный параллельно к источнику питания, в схеме инвертора напряжения?

7. В чем заключается главная проблема при проектировании инверторов?

8. Что такое принудительная коммутация, т.е. как осуществляется выключение тиристора в цепях постоянного тока?

3

Виды промышленных тиристорных преобразователей (инверторов)

В особых преобразовательных устройствах, работающих с мощными нагрузками величиной порядка десятков киловатт и более, традиционно применяются инверторы на основе переключающих тиристорных приборов. Они широко используются в самой различной промышленной аппаратуре, включая сварочные агрегаты, пусковые и зарядные приборы, выпрямители, электрические нагреватели и подобные им устройства. Во всех этих агрегатах преобразование исходного параметра осуществляется по общей функциональной схеме, приводимой далее.

Функциональная схема тиристорного преобразователя

Разберёмся с видами тиристорных преобразователей и принципом их работы более подробно.

Виды преобразовательных агрегатов

В соответствии с подлежащим преобразованию параметром, все известные виды устройств этого класса подразделяются на следующие категории:

• Инверторы напряжения;
• Преобразователи тока;
• Устройства, предназначенные для трансформации частоты управляющего сигнала (ТПЧ).

Первые из этих моделей предназначаются для приведения выходного напряжения к удобному для работы с нагрузкой виду и способны преобразовывать переменное напряжение в постоянное и наоборот. Для этого используются электронные схемы, обеспечивающие либо выпрямление поступающего на вход переменного тока, либо превращение постоянного напряжения в серию импульсов, которые впоследствии преобразуются в синусоиду.

Обратите внимание! Как в первом, так и во всех остальных случаях, для получения требуемого результата удобнее всего воспользоваться высокоскоростными переключающими элементами – тиристорами.

Внешний вид тиристора

На этих же электронных приборах работает и тиристорный преобразователь частоты.

Схемы преобразования сигнала посредством частотных преобразователей особой конструкции (ТПЧ) используются для плавной регулировки оборотов электродвигателя. При наличии частотного инвертора удаётся получить оптимальные показатели его функционирования, как при запуске, так и в рабочих режимах.

Особенности тиристорного управления

В отличие от транзисторных элементов, тиристоры – это не полностью независимые электронные устройства, нуждающиеся в стороннем управлении. Для их открывания в проводящем направлении потребуется внешнее воздействие в виде импульса тока, подаваемого между катодом и управляющим выводом прибора.

Важно! При необходимости обратного действия (его запирания) недостаточно прекратить подачу управляющих импульсов. Для этого потребуется резко уменьшить значение протекающего через него тока, либо поменять полярность поданного напряжения анод-катод.

Исключением являются так называемые «запираемые тиристоры», закрываемые за счёт подачи на их электроды управления импульсов нужной полярности.

При наличии таких элементов изготовить преобразователь напряжения на тиристорах удаётся значительно легче, поскольку в этом случае сокращается количество необходимых узлов.

Дополнительная информация. Иногда в схемах преобразователей (ТПЧ, в частности) для запирания триодных приборов в нагрузке устанавливаются реактивные дискретные компоненты, такие как конденсаторы и дроссели.

За счёт реактивного характера их работы предварительно накопленная в них электрическая энергия расходуется на запирание уже открытых тиристоров.

Помимо этого, с целью подавления паразитных колебаний, сопровождающих высокоскоростные переключения тиристоров, в параллель им включаются специальные демпфирующие цепочки на основе RС-элементов.

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

Среди всего многообразия схемных решений, относящихся к проектированию тиристорных преобразователей напряжения, тока и частоты (ТПЧ), особо выделяются следующие варианты:

• Последовательные и параллельные токовые инверторы;
• Комбинированные инверторы тока;
• Преобразователи напряжения Мак-Муррея;
• Мостовые (резонансные) схемы.

Рассмотрим каждый из указных подходов к обустройству преобразователей на основе тиристоров более подробно.

Последовательный и параллельный инверторы тока

Этот тип преобразовательного устройства на выходе содержит отдельный конденсатор, подсоединённый последовательно к нагрузочной цепи (смотрите рисунок ниже).

Последовательный инвертор тока

Имеющийся в линии питания дроссель выполняет фильтрующую функцию: с его помощью удаётся частично сгладить образующиеся при переключении тиристоров токовые импульсы.

На начальном этапе (при подаче питания) переключающие элементы VS2 и VSЗ пребывают в открытом состоянии, а тиристоры VS1 и VS4, напротив, – закрыты. Протекающий по последовательной цепочке ток заряжает выходной конденсатор до возможного для него уровня.

После того, как на управляющие электроды VS1 и VS4 поступают токовые импульсы от внешнего источника, они открываются и остаются в этом состоянии вместе с двумя другими.

За счёт их открытия зарядившийся ранее конденсатор С1 может разряжаться токами, по знаку противоположными тем, что протекают через элементы VS2 и VSЗ. В тот момент, когда значения токов через тиристоры VS2 и VS3 приблизятся к нулю, эти коммутирующие приборы закроются.

Ток потечёт по другой цепочке, вследствие чего напряжение на выходном конденсаторе сменит свою полярность. То же самое, только в обратном порядке, будет наблюдаться, если управляющие импульсы подать на входы VS2 и VSЗ.

В результате под действием таких импульсов из постоянного входного тока на выходе формируются синусоидальные колебания с требуемыми параметрами.

Обратите внимание! При изменении частоты управляющих импульсов меняется амплитуда и частота получаемой на выходе синусоиды. По этой причине такая схема может использоваться в качестве частотозадающего узла в ТПЧ.

Все электрические процессы, происходящие в преобразователе параллельного типа, практически полностью совпадают с описанными ранее для последовательной структуры. Разница состоит лишь в том, что выходной конденсатор включается не последовательно, а в параллель с нагрузкой.

Комбинированные схемы

Параллельно-последовательные или комбинированные схемы инверторов тока характеризуются тем, что содержат элементы обоих видов включения нагрузки. Благодаря этому они совмещают преимущества как одного, так и другого способа подключения (смотрите размещённый ниже рисунок).

Инвертор комбинированного типа

В основе работы этой схемы заложены те же принципы, что уже были рассмотрены для предыдущих технических решений. Комбинированное включение заряжающихся и разряжающихся емкостей существенно улучшает рабочие параметры схемы и обеспечивает получение стабильной нагрузочной характеристики.

В отличие от других импульсных преобразующих устройств, такие приборы могут работать в отсутствии активной нагрузки.

Преобразователь напряжения Мак-Муррея

Особенностью устройств этого типа является наличие в них отдельного контура LС, обеспечивающего запирание основных рабочих тиристоров. Для этого в подходящий момент времени его элементы L и С объединяются через цепи, создаваемые путем включения дополнительных тиристоров. С электрической схемой такого оригинального устройства можно ознакомиться на размещённом ниже рисунке.

Инвертор напряжения

С её подробнейшим описанием можно ознакомиться в приводимом далее источнике http://meandr.org/archives/25356. В размещённом по этому адресу обзоре описаны все перечисленные ранее типы преобразователей. Особое внимание в нём уделяется мостовой схеме, которая требует специального рассмотрения.

Схема последовательного резонансного инвертора

Резонансный инвертор последовательного типа, изображенный на приводимом ниже рисунке, в отличие от уже описанных ранее схем, имеет одно преимущество. Последнее состоит в том, что он приспособлен к работе на больших преобразуемых частотах, что объясняется меньшими потерями в резонансном контуре.

Общий вид полумостовой резонансной схемы

При рассмотрении этой схемы можно отметить, что элементы С1 и С2 представляют собой делитель напряжения емкостного типа. Совместно с индуктивностями половинных обмоток (I и П) катушки L1 они образуют колебательный контур с резонансом на частоте следования управляющих импульсов.

Дополнительная информация. При небольших отличиях в указанных параметрах, что характерно для реальных (практических) схем, правильнее было бы называть их квазирезонансными.

В тех случаях, когда добротность такого контура очень мала, устройство не будет работать по причине отсутствия резонанса. При большой же величине этого показателя на квазирезонансном контуре (его первичной обмотке) и тиристорах будет действовать слишком большое напряжение. Последнее обстоятельство также усложнит работу схемы.

Обычно добротность такого контура выбирается в пределах от единицы до четырёх, а номиналы ёмкостей С1 и С2 подбираются по возможности равными. За счёт их одинаковости ток, протекающий через первичную обмотку TV1, в два раза превышает тот же показатель для каждого из конденсаторов.

Одновременно с этим частота нагрузочного тока определяется параметрами основных составляющих самого колебательного контура. Что касается формы выходных токовых импульсов, действующих в течение каждого из полупериодов, она практически ничем не отличается от синусоиды (точнее её половинки). В конце каждого из рабочих полупериодов величина токовых импульсов снижается до нуля, и тиристор VS1 закрывается.

Обратите внимание! При описанном выше порядке работы схемы тиристоры переходят в состояние отсечки при обнулении тока через них.

В заключение обзора отметим, что каждый из рассмотренных способов тиристорного преобразования энергии востребован в определённых условиях, когда возникает потребность в управлении вполне конкретным электромеханическим устройством. При необходимости выбора наиболее подходящей для данной ситуации схемы следует подробно исследовать все её сильные и слабые стороны.

Видео

Оцените статью:

Тиристорные инверторы с обратными диодами для преобразователей частоты в установках индукционного нагрева металлов

Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ), как правило, используют в схемах электроприводов. Это, действительно, их традиционное применение, что нашло широкое отражение в технической литературе и учебных курсах для студентов учебных заведений. Однако для техники электропривода, по известным причинам, в основном используются тиристорные автономные инверторы с симметричным трехфазным выходом. В установках индукционного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ) применяют однофазные схемы автономных тиристорных инверторов, которые обладают рядом особенностей.

Таким образом, тиристорные преобразователи частоты для электропривода стали основой при проектировании ТПЧ для техники индукционного нагрева ТВЧ. А название «независимый инвертор» [1] можно считать синонимом современного «автономного инвертора».

В технике индукционного нагрева тиристорным преобразователем частоты (ТПЧ) называется силовое устройство, подключенное к сети промышленной частоты, которое состоит из выпрямителя и автономного инвертора (АИ), преобразующего постоянный ток в однофазный ток высокой частоты (ТВЧ). Это, как правило, преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока — выпрямителем.

 

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 четвертьмостовая 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.

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.

Кривая выходного тока четвертьмостовой 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.

 

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 t_восст) 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 четвертьмостовой 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.

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.

 

Условие равной мощности автономных инверторов

Из изображенных на рис. 1 установках для индукционного нагрева металлов обычно применяются первая и третья схемы. Полумостовая схема автономного инвертора не имеет каких-либо существенных преимуществ, поэтому в данной работе произведем сравнительный анализ четвертьмостовой и мостовой схем, нашедших самое широкое применение в отечественных и зарубежных разработках.

Следует отметить, что применение новой схемы инвертора или ее модификации для практической реализации требует от разработчиков большого опыта и изучения особенностей. Основная задача — выявление режимов работы, которые характерны эффективной загрузкой полупроводниковых элементов автономного инвертора по току, напряжению, частоте, а для конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов — загрузкой по установленной реактивной мощности.

На рис. 4 в рабочем окне программы MicroCAP справа показаны четвертьмостовая и мостовая схемы автономных инверторов. Параметры коммутирующих элементов автономных инверторов изменены в сравнении с рис.1 таким образом, чтобы обеспечить одинаковую входную мощность и рабочую частоту.

Слева на рис. 4 показаны две кривые переходного процесса входных токов автономных инверторов с одинаковыми источниками питания и величиной входных дросселей.

Важнейшими константами схем инверторов являются волновое сопротивление

и собственная угловая частота

колебательного контура.

Волновое сопротивление определяет критическую величину эквивалентного сопротивления нагрузки в цепи коммутации тиристоров инвертора. Потенциально первая схема должна допускать большую величину максимального эквивалентного сопротивления нагрузки, чем вторая. Это качественный вывод.

Здесь уместно сказать, что точный анализ электромагнитных процессов в автономных инверторах может потребовать применения специфических методов расчета. Результаты такого анализа менее информативны, чем применение методов схемотехнического моделирования, с помощью которого несложно определить требуемую величину сопротивления нагрузки.

На рис. 4 показаны входные токи двух автономных инверторов, практически совпадающие по всем параметрам (время переходного процесса, амплитуда и частота пульсаций, максимальное значение).

Особо отметим различную величину эквивалентного сопротивления нагрузки — 0,3 Ом для четвертьмостового инвертора и 1 Ом для мостовой схемы, которые соответствуют равной потребляемой мощности при установленных параметрах коммутирующих элементов и определенной частоте включения тиристоров.

Установившаяся величина входной мощности после окончания переходного процесса в каждой из схем (согласно рис. 4) составляет:

Условие равенства входных токов автономных инверторов (а значит, и мощности) является основанием для сравнения других параметров этих схем. Наличие дросселя в цепи постоянного тока автономного инвертора превращает источник его питания из источника напряжения в источник тока. Поэтому эти инверторы можно рассматривать в качестве переключателя тока резонансного типа.

Равную мощность этих схем АИ можно получить и при одинаковой величине эквивалентного сопротивления нагрузки. Мы же рассматриваем параметры коммутирующих элементов, соответствующие базовому режиму [5].

 

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 — четвертьмостовой 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.

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].

Другой параметр — величина среднего тока, протекающего через диоды, — существенно выше у четвертьмостовой 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.

 

Характеристики тиристорных преобразователей частоты

На рис. 7 показаны графики напряжений на коммутирующих конденсаторах автономного инвертора. Графики имеют различную форму, но у них много общего. В частности, в интервале паузы напряжение на конденсаторах возрастает по линейному закону, достигая максимального значения к моменту включения тиристора.

Линейное возрастание напряжения объясняется протеканием постоянного тока входного дросселя по конденсатору на этом этапе работы автономного инвертора. Максимальная величина этого напряжения определяет уровень напряжения на других элементах автономного инвертора — тиристорах и катушках индуктивности. Превышение этой величины над значением напряжения питания инвертора (его относительная величина) изменяется при переменной нагрузке автономного инвертора.

Нагрузка инвертора меняется при нагреве изделия в индукторе. Это свойство называется «раскачкой напряжения». Схема инвертора целесообразна для применения в установках индукционного нагрева металлов, если она мало реагирует на изменение нагрузки величиной «раскачки напряжения». В этом отношении обе схемы равноценны [7].

Уменьшение «раскачки напряжения» обусловлено использованием в схеме автономных инверторов обратных диодов и допустимым изменением параметров нагрузки в пределах обеспечения резонансного режима работы.

На рис. 8 показаны графики выходного напряжения, получаемые в этих схемах.

Величина выходного напряжения первой — четвертьмостовой схемы — существенно ниже, чем у мостовой схемы автономного инвертора. Это во многом определяет ее область применения с эквивалентной нагрузкой меньшей величины, чем у мостовой схемы.

В мостовой схеме величина выходного напряжения ближе к стандартной величине для элементов индукционной нагрузки и электротермических конденсаторов в 500 В, что является определенным ее преимуществом. Отметим еще раз, что сравнение по данному параметру производится при одинаковой величине входного тока автономных инверторов равной мощности.

На рис. 9 представлены графики напряжений на тиристорах и диодах обеих схем. Форма этих напряжений одинакова, она характерна для инверторов с обратными диодами. Первый скачок напряжения с большой величиной скорости нарастания du/dt объясняется высокой скоростью обрыва обратного тока неуправляемым диодом. Затем следует этап линейного возрастания напряжения до максимальной величины, соответствующей моменту очередного включения тиристора автономного инвертора.

Кратковременные перенапряжения и скачки напряжений на тиристоре сглаживаются демпфирующими цепочками — малогабаритными ВЧ-конденсаторами с повышенным номинальным напряжением.

На рис. 10 показана кривая напряжения на входных дросселях автономных инверторов. Ее форма и амплитудная величина соответствуют напряжению на тиристорах.

На рис. 11 представлен специфический параметр автономных инверторов — напряжение на коммутирующей катушке индуктивности. Этот параметр характеризует затраты на обеспечение электрической изоляции витков катушки.

Технические параметры силовых элементов следует рассматривать с точки зрения изменения их стоимости как эквивалента рыночной экономики. Ориентация российской электротехнической промышленности на интеллектуальную составляющую в стоимости изделий — очередной этап ее развития. Первый этап — производство современных компонентов силовой электроники — отечественная промышленность уступила зарубежным производителям.

Исходя из изложенного, отметим, что рассмотренные принципиальные схемы АИ определяют следующие свойства:

• мостовой инвертор — это минимальная установленная мощность реактивных элементов, пониженная рабочая частота; четвертьмостовой инвертор — это повышенная рабочая частота;
• «раскачка» напряжения или тока на элементах инвертора при переменной нагрузке от номинальной величины при рабочей нагрузке инвертора, а также способность работать в режиме холостого хода или короткого замыкания нагрузки у этих схем одинакова;
• номинальная величина выходного напряжения, по отношению к входному, определяет эффективное применение стандартных компонентов (с номинальным напряжением для силовых конденсаторов, реактивной мощностью выходных высокочастотных трансформаторов). С этой точки зрения лучше мостовая схема.

Справедливости ради отметим, что рассмотренное представление сопротивления нагрузки активным эквивалентом нагрузочного колебательного контура существенно упрощается для применения инвертора в установках индукционного нагрева металлов. При представлении эквивалентной нагрузки автономного инвертора колебательным контуром гармонической ЭДС (что не вызывает затруднений в ходе схемотехнического моделирования) оценивают отклик нагрузки, влияющий на протекание электромагнитных процессов в рассматриваемых схемах [7].

Разумеется, перечисленные свойства являются важными, в основном, для применения автономных инверторов в установках индукционного нагрева металлов токами высокой частоты. Для иного использования рассмотренных автономных инверторов (в схемах электропривода) оценки свойств могут быть другими.

Тиристорные инверторы в установках индукционного нагрева реализуют закон электромагнитной индукции, для них важны поверхностный эффект и эффект близости, и они эксплуатируются в условиях существенного изменения электрофизических свойств металла в процессе нагрева.

На рис. 12 и 13 изображены установки индукционного нагрева, созданные на базе ТПЧ с тиристорными автономными инверторами, построенными на основе рассмотренных выше схем.

Первый промышленный комплекс для индукционного нагрева металлов создан в 1971 г. на основе изобретения мостового резонансного инвертора по схеме Кацнельсона [1].

Тиристорные преобразователи, разработанные в 70-х годах прошлого столетия, имели значительные габариты и большой вес (рис. 12). Эти параметры на то время не являлись приоритетом. Первые ТПЧ промышленного применения использовались для методического нагрева заготовок в кузнечном индукционном нагревателе (КИН). Потом эти ТПЧ широко применялись для индукционной плавки металлов в печах типа ИСТ 016.

На рис. 13 показан общий вид современного комплекса нагрева ТВЧ, работающего под управлением ЭВМ. Индукционный комплекс используется для эпитаксиальной технологии в производстве элементов микроэлектроники. Автономный инвертор выполнен по несимметричной однотактной схеме с обратным диодом (четвертьмостовой АИ), рассмотренной выше.

Диаграмма совершенствования технических характеристик ТПЧ для индукционного нагрева с момента их первого промышленного применения приведена на рис. 14. Графики КПД, веса и габаритов тиристорных преобразователей приведены в относительных единицах, за базовую величину приняты соответствующие параметры первых разработок. Диаграмма составлена нами на основе экспертной оценки.

Габариты и вес современных ТПЧ, определяющие их стоимость, и коэффициент использования силовых элементов по установленной мощности значительно снижены по сравнению с первыми разработками.

Увеличение стоимости индукционных комплексов сегодня определяется, в первую очередь, постоянным ростом цены на конструкционные материалы — медь, сталь электротехническую, современную изоляцию.

 

Заключение

1. При сравнении стоимости автономных инверторов для установок индукционного нагрева металлов в качестве обобщенного критерия предлагается произведение выходной мощности на номинальную частоту выходного тока.
2. Эффективность использования силовых элементов в автономных инверторах с одинаковыми обобщенными критериями предлагается оценивать по доли стоимости основных тиристоров и обратных диодов, силовых конденсаторов и катушек индуктивности.
3. В ходе сравнительного анализа выявлены рациональные области использования типовых схем тиристорных автономных инверторов при эффективной загрузке элементов по установленной мощности и напряжении питания 520 В. Четвертьмостовая схема обеспечивает повышенную частоту выходного тока (до 20 кГц) при выходной мощности до 40 кВт. Мостовой тиристорный инвертор эффективен для применения в установках индукционного нагрева большой мощности (до 400 кВт) и пониженной частоте выходного тока (до 2 кГц).
4. Массо-габаритные и энергетические показатели инверторно-индукционных силовых установок взаимосвязаны, но они еще не достигли предельных значений, что является основным направлением совершенствования таких установок.

Продолжение следует

Литература

1. Независимый инвертор. АС № 235177. Кацнельсон С. М., Ухов В. С. БИ № 5, 1969.
2. Патент № 2215361. Мостовой инвертор. Зинин Ю. М., Ветошкин А. В., Ройзман Ю. П. 2003.
3. Тиристорные преобразователи высокой частоты. Беркович Е. И., Ивенский Г. В., Иоффе Ю. С., Матчак А. Т.,.Моргун В. В. Л.: Энергия, 1973.
4. Шапиро С. В., Зинин Ю. М., Иванов А. В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. М.: Энергоатомиздат, 1989.
5. Ройзман П. С., Зинин Ю. М., Марон В. М., Иванов А. В. Метод базового режима для инженерного расчета автономных инверторов с обратными диодами // Электромеханика. Известия вузов. 1981. № 4.
6. Зинин Ю. М. Анализ интервала восстановления управляемости тиристора в несимметричном инверторе // Электричество. 2006. № 10.
7. Валиуллина З., Зинин Ю. Проектирование тиристорного инверторно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором // Силовая электроника. 2007. № 3.

34.4 Трёхфазные тиристорные автономные инверторы

Появление на рынке мощных управляемых полупроводниковых приборов – тиристоров в 50-60 годах дало мощный толчок для развития теории и практики не только силовых преобразователей постоянного тока – управляемых выпрямителей, но и преобразователей переменного тока – автономных инверторов.

Это время знаменуется массой оригинальных схемотехнических разработок, которые послужили базой дальнейшего развития силовой преобразовательной техники. И несмотря на то, что современный автономный инвертор существенно отличается от своего прародителя, следует, пусть в конспективной форме, рассмотреть работу и свойства тиристорных автономных инверторов. Это следует сделать как с методической, так и с практической точки зрения, поскольку до сих тиристорные инверторы полностью не вытеснены из производства и продолжают «трудиться» во многих отраслях промышленности.

В тиристорных автономных инверторах, в отличие от транзисторных, всегда присутствуют цепи коммутации (коммутирующие устройства КУ).

Классификацию тиристорных автономных инверторов в зависимости от способа коммутации представляет рис. 5.20 [3].

Первоначально инверторы разделены на два класса:

Рис. 209. Классификация тиристорных автономных инверторов

В схемах с одноступенчатой коммутацией включение очередного силового тиристора вызывает выключение (гашение) предыдущего силового тиристора. Поэтому эти инверторы при регулировании частоты не обладают способностью регулирования напряжения на выходе. Регулирование напряжения на выходе осуществлялось в звене постоянного тока, как правило, при использовании управляемого выпрямителя.

Схема трёхфазного автономного инвертора с одноступенчатой коммутацией показана на рис. 210.

Рис. 210. Трёхфазный автономный инвертор с одноступенчатой коммутацией

Схемы второго класса содержат дополнительные коммутационные тиристоры, которые выключают соответствующий силовой тиристор в независимости от состояния остальных. Это обеспечивает возможность регулирования напряжения и частоты на выходе инвертора.

Схемы с двухступенчатой коммутацией, в зависимости от способа построения КУ, делятся на три группы:

• схемы с групповой коммутацией;

• схемы с пофазной коммутацией;

• схемы с индивидуальной коммутацией.

В первом случае КУ выключает одновременно всю группу анодных или катодных тиристоров.

При этом те, которые закрыты, остаются в закрытом состоянии, а те, которые открыты и проводят ток, запираются.

Пример трёхфазного инвертора с групповым КУ показан на рис. 211. Здесь при включении вспомогательного тиристора (Т1) запирающее напряжение прикладывается ко всем анодным тиристорам (Т1, Т3, Т5).

В схемах с пофазной коммутацией КУ коммутирует одну фазу (плечо) инвертора, поочерёдно запирая то анодный, то катодный тиристор.

Пример инвертора с пофазной коммутацией показан на рис. 212.

Рис. 211. Трёхфазный инвертор с групповым КУ

Рис. 212. Трёхфазный инвертор с пофазной коммутацией

В схемах с индивидуальной компенсацией КУ «обслуживает» отдельный тиристор. Построение таких схем показано на (рис. 213).

Рис. 213. Трёхфазный инвертор с индивидуальной коммутацией

Коммутационные процессы при выключении тиристоров практически не сказываются на электромагнитные процессы в нагрузке инвертора. Поэтому всё, что было сказано выше для инверторов на полностью управляемых полупроводниковых приборах, остаётся справедливым и для тиристорных инверторов.

Тиристорный последовательный инвертор в индукционной плите

Явление индукционного нагрева металлов не ново; оно используется в десятках промышленных процессов, таких как закалка шестерен и дру­гих частей машины. До настоящего времени, однако, индукционный на­грев для приготовления пищи практически не применялся из-за высокой стоимости, больших габаритов и невысокой надежности. Такие преобра­зователи как вращающиеся машины, тиратроны, игнитроны или элект­ронные лампы могут устанавливаться и использоваться в промышленно­сти, но едва ли подходят для дома. А мощные транзисторы до сих пор остаются слишком дорогими для этой цели.

Схема индукционной печи, показанная на рис. 5.5, является экспе­риментальной, но пригодна для практических целей. С функциональной точки зрения ее можно представить в виде трех блоков. Первым являет­ся последовательный тиристорный инвертор, на тиристоре SCR2. При периодическом включении и выключении тиристора в последовательном колебательном контуре LIC4 возникают колебания ударного возбуждения. Колебание не продолжается непрерывно, а имеет вид однократных «вспышек» (как показано на рис. 5.6). Частота переключения тиристора, около 18 кГц, едва превышает порог слышимого звука. Резонансная час­тота колебательного контура L1C4 выбирается вблизи 35 кГц. Разность между частотой возбуждения и резонансной частотой LС-контура необ­ходима для того, чтобы обеспечить надежную коммутацию тиристора.

Рис. 5.5. Схема индукционной печи с тиристорным инвертором последовательного типа. International Rectifier Corp.

Катушка индуктивности L\ фактически является преобразователем. Она представляет собой медную спираль, индуктивность которой равна 6 мкГн. Металлическая кастрюля помещается над этой катушкой и нагре­вается вихревыми токами. Если кастрюля железная или стальная, то гис­терезис также вносит вклад в нагревание. Медные витки катушки остают­ся относительно холодными. Емкость конденсатора С4 выбрана равной 3,45 мкФ, чтобы с катушкой L\ получить резонанс на частоте 35 кГц.

На рис. 5.6 первая, или положительная, половина каждого отдельно­го цикла вызвана протеканием тока через резонансный LС-контур и ти­ристор SCR1, Однако как только ток изменяет направление, тиристор выключается. Продолжительность отрицательной части цикла определя­ется током, протекающим через C4/Z1 и диод RD1. Таким образом, SCR1 и RD1 вместе участвуют в формировании одного полного цикла. До по­явления следующего импульса запуска, тиристор имеет достаточное вре­мя для восстановления, что гарантирует надежную коммутацию. Имен­но поэтому, как видно на рис. 5.6, между двумя циклами имеется пауза.

10 мкс/деление

Рис. 5.6. Форма тока в колебательном контуре схемы, изображенной на рис. 5.5. International Rectifier Corp.

Резистор R4 и конденсатор С5 образуют демпфирующую цепь, кото­рая уменьшает скорость изменения напряжения на тиристоре. Это по­вышает надежность коммутации и предупреждает ложный запуск.

Второй блок индукционной плиты представляет собой генератор на однопереходном транзисторе. В его функции входит формирование пос­ледовательности запускающих импульсов, поступающих на управляющий электрод SCR2. Частота повторения импульсов равна примерно 18 кГц. Эту частоту можно получить, используя времязадающий конденсатор С7 емкостью 0,01 мкФ. Сопротивления резисторов /?7 и /?8 в этом случае бу­дут равны 10 Ом и 1 Ом соответственно. Эмиттерный повторитель на транзисторе Q\ обеспечивает усиление импульсов по току. Для этой цели подходят транзисторы общего применения типа 2N697 или 2N3565. Ис­точник питания для генератора импульсов состоит из 25-вольтового трансформатора накала 71 и однополупериодного выпрямителя, содер­жащего диод /?/)3, конденсатор фильтра С8 емкостью 1000 мкФ и стаби­литрон. Стабилитрон имеет следующие параметры: напряжение стабили­зации 25 В, рассеиваемая мощность 3 Вт. Проволочный резистор R9 имеет сопротивление 150 Ом и мощность рассеяния 5 Вт.

Третий блок индукционной печи ~ основной источник питания -представляет собой выпрямитель с фазовым управлением, который позво­ляет осуществлять плавное регулирование выходного напряжения практи­чески от нуля до 130 В. Таким образом, маломощным переменным резис­тором R2 можно регулировать количество тепла, выделяемого в кастрюле. Однополупериодное выпрямление и управление выходной мощностью вы­полняются тиристором SCR\, а однополярные выходные импульсы сгла­живаются конденсатором фильтра СЗ. Полученное таким образом посто­янное напряжение используется при ударном возбуждении резонансного контура. Применяемый выпрямитель с фазовым управлением использует схему запуска с двумя времязадающими /?С-цепями, чтобы гарантировать стабильность рабочих характеристик, предъявляемую к оборудованию для тепловой обработки продуктов. Например, печь должна быть свободна от раздражающего «гистерезиса», которым страдают схемы запуска с одной времязадающей цепью. (Ранее недорогие регуляторы силы света часто об­ладали этим свойством – установка регулятора в одно и тоже положение не всегда давала одну и ту же интенсивность света.) Кроме того, приме­нение «двойной постоянной времени» позволяет получить более широкий диапазон регулировки — почти от нуля до максимальной мощности.

Ради эксперимента можно применить двухполупериодный выпрями­тель вместе с регулируемым автотрансформатором. Применение такого устройства можно оправдать с точки зрения улучшения характеристик, но оно не будет конкурентоспособно с приведенной схемой по стоимости.

Тиристорные преобразователи — полное описание функций и область применения

Главное предназначение тиристорного преобразователя организовать управляемое питание электродвигателя от сети однофазного трехфазного переменного тока.

Установка полупроводниковых элементов осуществляется на одной фазе или на трехфазном мосте.

Существует несколько вариантов комплектования моста – это: комбинация триодов или диодов, или исключительно из тиристоров. При создании моста только из тиристоров достигается получение преобразовательного устройства небольших компактных размеров.

 

 

Рис.№1. Мостовая схема постоянного тока для электродвигателя постоянного тока.

Тип тиристорных регуляторов приспособлен к осуществлению различных решений для совместного применения с двигателями постоянного тока, имеющими независимое возбуждение, кроме электродвигателей с постоянными магнитами, для которых не нужна отдельная цепь для возбуждения. В сочетании с реверсом электродвигателей они входят в группу устройств управления электродвигателями. Для двигателей постоянного тока использование тиристорных преобразователей сопряжено с рядом некоторых трудностей – это постоянное техническое обслуживание, заключаемое в периодической замене графитовых щеток и достижение высоких скоростей работы.

Использование преобразователей для двигателей, работающих от сети переменного тока, в частности, асинхронные двигатели представляется более надежным и рентабельным вариантом, чем использование двигателей постоянного тока.

Асинхронный двигатель обладает лучшей защитой от внешних воздействий и неблагоприятных погодных условий, преобладающее большинство двигателей обладает высокой степенью защиты IP55.

Система управления тиристорным преобразователем

Для осуществления точностных и динамических характеристик, свойственных для оборудования, необходимо решение, которое позволит реализовать операции по управлению тиристорным преобразователем в полной мере. Это двухуровневая система управления.

Первый уровень – это программно-аппаратный способ. Он подразумевает использование специализируемого контроллера, второй относится к информационным уровням.

Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей

ТПН (тиристорный преобразователь напряжения) успешно применяется для низковольтных до 1000 кВ двигателей и для высоковольтных электрических машин  с напряжением от 3,6 до 10 кВ. Широкое распространение таких машин является следствием их энергоемкости. Их мощность соразмерна с мощностью некоторых трансформаторных подстанций, поэтому устройства плавного пуска с использованием тиристоров весьма важное решение.

 

 

Рис. №2. Функциональная схема ПАД-В

Создание тиристорных преобразователей реализуется на базе концепции, главные аспекты которой – это:

1. Использование ТПН типа ПАД-8 (плавный пуск АД).
2. Блоки, из которых состоит силовая часть ТПН-В построены на основе тиристорного модуля (ВТМ) высокого напряжения.
3. Применение цифровой системы управления на основе однокристального микроконтроллера RISC.
4. Информационная часть состоит из специальных высоковольтных датчиков, которые реализуют качественное и точное измерение, кодирование сигнала и его передачу в системный контроллер по оптико-волоконному кабелю.
5. Для формирования тока и напряжения высоковольтного двигателя применяется оригинальный алгоритм от преобразователя ПАД-В.

 

 

Рис. №3. Высоковольтный тиристорный модуль ВТМ.

Модуль состоит из двух встречно-параллельных тиристоров, оборудованных охладителями, выравнивающими резистором R2, оптоуправляемыми моделями, формирователями тиристорных импульсов (ФИ). Дополнят конструкцию: датчики напряжения, температуры и синхронизации с оптическим выходом.

Основные схемы тиристорных преобразователей

Главные схемы преобразователей на тиристорах – это: встречно-параллельная и перекрестная схема. Первая схема питается от общей обмотки трансформатора, перекрестная схема подразумевает питание каждой группы тиристоров от отдельной обмотки трансформатора. Существует раздельное управление, управляющие импульсы приходят только на работающую группу тиристоров, тиристоры с противоположной полярностью оказываются запертыми. Одновременная работа вентильных групп недопустима.

Для предотвращения неисправностей и аварийных ситуаций запрещено:

1. Одновременно подавать отпирающие импульсы на оба комплекта тиристоров.
2. Запрет на включение одного комплекта во время присутствия тока в другом комплекте.
3. Запрет на снятие отпирающих импульсов с действующей тиристорной группы.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

тиристорный инвертор — патент РФ 2314631

Предложен мостовой тиристорный инвертор для нагрузок типа электродуговых сварочных трансформаторов. Отличительной особенностью является система управления, позволившая исключить режимы холостого хода и малых нагрузок, что, в свою очередь, дало возможность выполнить инвертор на обычных (SCR) тиристорах и без обратного диодного моста. Постоянная составляющая в нагрузке предложенного инвертора устранена конденсатором, включенным последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора. Технический результат — упрощение, уменьшение потерь и повышение частоты. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2314631

Изобретение относится к области электротехники, а именно к инверторам, предназначенным преимущественно для электродуговых сварочных аппаратов инверторного типа.

Электродуговые сварочные аппараты инверторного типа, то есть аппараты, в которых питание сварочного трансформатора осуществляется от инвертора с частотой до 100 кГц, нашли широчайшее применение [1, 2, 3]. Инверторы в таких аппаратах могут быть выполнены как по однотактной, так и по двухтактной схеме. Однотактные инверторы дают несколько худшее использование сердечника сварочного трансформатора, чем двухтактные. Однако мостовые двухтактные инверторы создают асимметрию в напряжении питания сварочного трансформатора. С увеличением частоты эта асимметрия увеличивается, приводит к насыщению сердечника трансформатора, что сводит на нет преимущества мостовых инверторов (двухтактных) перед однотактными. Асимметрия исключается в схемах двухтактных инверторов с конденсаторами в силовой цепи. В частности, асимметрия отсутствует в полумостовом инверторе [4, 5]. Недостаток такого инвертора — плохое использование емкости конденсаторов. В мостовом инверторе использование конденсатора вчетверо лучше, но при холостом ходе и малых нагрузках возможны перенапряжения в диагонали нагрузки моста.

Общим недостатком как полумостовых, так и мостовых инверторов является необходимость использования запираемых ключей, то есть транзисторов или запираемых (GTO) тиристоров. Транзисторы ограничивают диапазон мощностей электросварочных аппаратов, а запираемые (GTO) тиристоры имеют более сложную систему управления и главное, большие потери и меньшую допустимую частоту коммутаций по сравнению с обычобычными (SCR) тиристорами.

Известны также инверторы на обычных (SCR) тиристорах с принудительной коммутацией с помощью конденсаторов («С»-коммутация) или сочетанием конденсаторов и индуктивностей («L-C»-коммутация) [6], но принудительная коммутация усложняет силовую схему инвертора. «Классический» тиристорный инвертор на запираемых тиристорах или на обычных тиристорах с принудительной коммутацией описан, в частности, в [6] и содержит в силовой части мост из четырех запираемых тиристоров и обратный мост из четырех диодов. В случае нагрузки трансформаторного типа, например, сварочного трансформатора, в диагональ нагрузки тиристорного инвертора включают конденсатор последовательно с первичной обмоткой трансформатора, а вторичная обмотка через блок в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя подключается выходом постоянного тока упомянутого блока к электроду и свариваемой детали.

Указанный тиристорный инвертор является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

Схема прототипа содержит в силовой части мост из четырех запираемых (GTO) тиристоров и четырех обратных диодов, а также нагрузку в виде сварочного трансформатора, который первичной обмоткой последовательно с конденсатором включен в диагональ нагрузки упомянутого тиристорного инвертора, а вторичной обмоткой подключен к блоку, содержащему выпрямитель и сглаживающий дроссель. Выход постоянного тока указанного блока подключен соответствующими выводами к электроду и свариваемой детали. Схема также содержит типовую систему управления, соединенную соответствующими выходами с управляющими входами тиристоров тиристорного инвертора. Типовая система управления обеспечивает поочередное включение и запирание диагональных пар тиристоров тиристорного инвертора. Система автоматического регулирования является типовым элементом устройства.

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, состоят в следующем:

1. Включение конденсатора последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора может при холостом ходе и малых нагрузках привести к перенапряжениям в диагонали нагрузки (на конденсаторе и первичной обмотке).

2. Запираемые (GTO) тиристоры значительно дороже, а потери в них больше, чем в обычных (SCR) тиристорах. Сложнее и их система управления. Частотные характеристики запираемых тиристоров также хуже, чем обычных, поэтому устройство прототипа может применяться лишь для сравнительно низких частот, что увеличивает массогабаритные показатели устройства в целом.

Технический результат — упрощение силовой схемы устройства, уменьшение потерь, увеличение частоты инвертора и исключение перенапряжений в цепи диагонали нагрузки инвертора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, представляющем тиристорный инвертор и содержащем в силовой части мост из четырех тиристоров и нагрузку в виде сварочного трансформатора, включенного первичной обмоткой последовательно с конденсатором в диагональ нагрузки упомянутого тиристорного инвертора, вторичной обмоткой подключенного к блоку в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя, выход постоянного тока упомянутого блока подключен соответствующими выводами к электроду и свариваемой детали, а также содержащем типовую систему управления, соединенную соответствующими выходами с управляющими входами тиристоров тиристорного инвертора, запираемые тиристоры инвертора заменены обычными (SCR) тиристорами, обратный диодный мост исключен из схемы тиристорного инвертора, а типовая система управления снабжена дополнительно датчиком тока, датчиком сопротивления промежутка «электрод — деталь», элементом задержки, логическим элементом «И», отсекающим диодом и четырьмя ключами, причем датчик тока включен последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора, выход датчика тока соединен с входом элемента задержки, выход элемента задержки подключен к инверсному входу логического элемента «И», датчик сопротивления промежутка «электрод — деталь» включен последовательно с анодом отсекающего диода и соединен свободным концом с плюсом вспомогательного источника постоянного напряжения, катод отсекающего диода и минус вспомогательного источника постоянного напряжения присоединены к соответствующим зажимам «электрод — деталь», выход датчика сопротивления промежутка «электрод — деталь» соединен с прямым входом логического элемента «И», выход логического элемента «И» размножен на управляющие входы четырех ключей, а соответствующие выходы типовой системы управления через упомянутые ключи подключены к управляющим входам тиристоров тиристорного инвертора.

Это позволило заменить запираемые тиристоры обычными, исключить из силовой схемы обратный диодный мост, устранить перенапряжения в цепи диагонали нагрузки инвертора, увеличить частоту и уменьшить потери в инверторе, то есть достичь заданного технического результата.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Для простоты цепи формирования и гальванической развязки сигналов управления на фиг.1 не показаны. Схема содержит в силовой части тиристорный инвертор в виде моста из четырех тиристоров 1÷4 и нагрузку, представляющую собой сварочный трансформатор 5, включенный первичной обмоткой 6 последовательно с конденсатором 7 в диагональ нагрузки тиристорного инвертора 1÷4. Вторичная обмотка 8 сварочного трансформатора 5 подключена к блоку 9 в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя. Выход постоянного тока блока 9 подключен соответствующими выводами к электроду 10 и свариваемой детали 11, например плюсом к электроду 10. Кроме типовой системы управления 12, схема содержит датчик тока 13, датчик сопротивления 14 промежутка «электрод — деталь», элемент задержки 15, логический элемент «И» 16, отсекающий диод 17 и четыре ключа 18÷21. При этом тиристоры 1÷4 — это тиристоры SCR, то есть обычные полууправляемые тиристоры. Датчик тока 13 включен последовательно с первичной обмоткой 6 сварочного трансформатора 5, а его выход соединен со входом элемента задержки 15. Выход элемента задержки 15 подключен к инверсному входу логического элемента «И» 16, датчик сопротивления 14 промежутка «электрод 10 — деталь 11» включен последовательно с анодом отсекающего диода 17 и соединен свободным концом с плюсом вспомогательного источника постоянного напряжения U _в. Катод отсекающего диода 17 и минус вспомогательного источника постоянного напряжения U_в присоединены к соответствующим зажимам «электрод 10 — деталь 11». Выход датчика сопротивления 14 промежутка «электрод 10 — деталь 11» подключен к прямому входу логического элемента «И» 16, а выход логического элемента «И» 16 размножен на управляющие входы четырех ключей 18÷21. Соответствующие выходы типовой системы управления 12 через ключи 18÷21 подключены к управляющим входам тиристоров 1÷4 тиристорного инвертора.

Устройство (фиг.1) функционирует следующим образом. В состоянии готовности к работе включен источник питания инвертора U_п и вспомогательный источник напряжения U_в, причем U _в>U_dм, где U_dм — максимальное напряжение «горящей дуги». Если ток в первичной обмотке 6 сварочного трансформатора 5 отсутствует, то через элемент задержки 15 на инверсный вход логического элемента «И» 16 поступает логический нуль. Если в это же время электрод 10 не соприкасается со свариваемой деталью 11, то ток в цепи датчика сопротивления 14 отсутствует, и с его выхода на прямой вход логического элемента «И» 16 поступает логический ноль. Таким образом, нули на обоих входах логического элемента «И» 16 обеспечивают ноль на его выходе, то есть «запрет» на ключи 18÷21, поэтому отпирающие импульсы из типовой системы управления 12 не проходят на управляющие входы тиристоров 1÷4 тиристорного инвертора. То есть холостой ход исключен. Как только электрод 10 коснется свариваемой детали 11, от вспомогательного источника питания U_в через датчик сопротивления 14, отсекающий диод 17, электрод 10 и деталь 11 потечет ток, что обеспечит логическую единицу на прямом входе логического элемента «И» 16. Сочетание нуля на инверсном и единицы на прямом входах логического элемента «И» 16 дает единицу на его выходе. Все ключи 18÷21 отпираются, и отпирающие импульсы из типовой системы управления 12 поступают на управляющие входы тиристоров 1÷4 тиристорного инвертора. При этом каждый цикл включения диагональной пары тиристоров сопровождается перезарядом конденсатора 7, то есть на первичной обмотке 6 сварочного трансформатора 5 амплитуда напряжения U₇ =2U_н, а энергия, поступающая в нагрузку (не считая потерь), за каждый цикл перезаряда конденсатора 7

где С — емкость конденсатора 7, U _п — напряжение источника питания инвертора.

Ток в диагональной паре тиристоров 1, 2 или 3, 4 прерывается естественным путем после перезаряда конденсатора 7. Сказанное иллюстрируется диаграммами на фиг.2: 1 — ток отпирающих импульсов i _y на управляющих входах тиристоров; 2 — напряжение U ₇ на конденсаторе 7; 3 — напряжение на первичной обмотке 6 сварочного трансформатора 5 (для большей простоты и наглядности диаграммы 1÷3 выполнены из условия прямоугольности петли гистерезиса сердечника трансформатора 5), 4 — внешние характеристики устройства (т.е. вольт-амперные характеристики дуги) при различной величине емкости «С» конденсатора 7.

Элемент задержки 15 обеспечивает паузу после спада тока первичной обмотки 6 сварочного трансформатора 5 до нуля, необходимую для восстановления запирающих свойств проводившей ток диагональной пары тиристоров.

Для получения семейства внешних характеристик, т.е. для ступенчатой регулировки тока сварки, конденсатор 7 должен состоять как минимум из двух конденсаторов разной емкости и переключателя режимов: два конденсатора дают четыре ступени тока сварки, что достаточно в большинстве практических случаев, три конденсатора с соответствующим переключателем дают до 17 ступеней. Таким образом, дискретность регулирования режимов сварки не является существенным недостатком предложенного устройства.

В то же время реализация инвертора на обычных (SCR) тиристорах и их бестоковая коммутация не только существенно упрощают силовую схему за счет исключения обратного диодного моста и R-С цепей защиты от коммутационных перенапряжений (так называемых «снабберов»), но и значительно уменьшают потери в инверторе, т.к. коммутация (запирание тиристоров) бестоковая, падение напряжения в SCR тиристорах меньше, чем в GTO тиристорах, как отмечено выше, лучше и частотные характеристики SCR тиристоров по сравнению с GTO тиристорами.

В заключение следует отметить, что устройство рассмотрено с нагрузкой в виде сварочного трансформатора. Однако предложенное устройство применимо и для других электротехнологических нагрузок трансформаторного типа, в которых режим холостого хода и малых токов не является рабочим и может быть исключен.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Castolin. GmbH — Германия, kraftz werg, 1994÷1996.

2. «Invertec» — V — 130-S-Lincom. США, 1998.

3. «ДС200» «А/ — Технотрон» — Россия, 1998.

4. В.А.Прянишников. Электроника. Санкт-Петербург, 1998, рис.33.11.

5. О.Г.Булатов и др. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии. — М.: Энергоатомиздат, 1989.

6. И.Л.Каганов. Промышленная электроника. М.: «Высшая школа», 1968.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Тиристорный инвертор, содержащий в силовой части мост из четырех тиристоров, а нагрузку в виде сварочного трансформатора, включенного первичной обмоткой последовательно с конденсатором в диагональ нагрузки упомянутого тиристорного инвертора, вторичной обмоткой подключенного к блоку в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя, выход постоянного тока упомянутого блока подключен соответствующими выводами к электроду и свариваемой детали, а также содержащий типовую систему управления, соединенную соответствующими выходами с управляющими входами тиристоров тиристорного инвертора, отличающийся тем, что запираемые тиристоры инвертора заменены обычными (SCR) тиристорами, а типовая система управления снабжена дополнительно датчиком тока, датчиком сопротивления промежутка «электрод — деталь», элементом задержки, логическим элементом «И», отсекающим диодом и четырьмя ключами, причем датчик тока включен последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора, выход датчика тока соединен с входом элемента задержки, выход элемента задержки подключен к инверсному входу логического элемента «И», датчик сопротивления промежутка «электрод — деталь» включен последовательно с анодом отсекающего диода и соединен свободным концом с плюсом вспомогательного источника постоянного напряжения, катод отсекающего диода и минус вспомогательного источника постоянного напряжения присоединены к соответствующим зажимам «электрод — деталь», выход датчика сопротивления промежутка «электрод — деталь» соединен с прямым входом логического элемента «И», выход логического элемента «И» размножен на управляющие входы четырех ключей, а соответствующие выходы типовой системы управления через упомянутые ключи подключены к управляющим входам тиристоров тиристорного инвертора.