Тиристорные силовые преобразователи конспект

Обновлено: 03.07.2024

Тиристорные преобразователи применяются в качестве источников регулируемого напряжения для питания якорной цепи или цепи возбуждения электродвигателей постоянного тока. Для управления асинхронным двигателем (АД) применяется тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) со звеном постоянного тока или непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) с векторным управлением потокосцеплением. На рис. 4.12. приведена обобщенная функциональная схема тиристорного преобразователя.

Тиристорный преобразователь (ТП) как элемент системы управления должен быть описан в статике и динамике.

Статическая модель.

Содержит регулировочную характеристику в осях U_у- е_п, т. е. е_п=¦(U_у).

Разобьем ТП на два основных модуля - систему импульсно-фазового управления (СИФУ) и силовую часть (см. рис. 4.12).

ММ силовой части.

Схемотехника силовой части представляет собой один или два комплекта управляемых вентилей, включенных по нулевой или мостовой схеме (встречно-параллельной или перекрестной).

Опишем статическую зависимость е_п от a для силовой части, т.е. е_п=¦(a).

Для зоны непрерывного тока:

где e_d₀ - максимальное средне-выпрямленное (среднее) значение э.д.с. преобразователя,

Е_2ф - вторичная фaзная ЭДС силового трансформатора,

К_сх - коэффициент схемы силового комплекта вентилей:

К_сх = 2,34 - для мостовой схемы,

К_сх = 1,17 - для нулевой схемы.

Для зоны прерывистых токов:

где l - интервал проводимости тока ,

m - пульсность выпрямленного напряжения преобразователя (l 0 ). Синхронизация с питающей сетью наиболее просто осуществляется с помощью RC-цепочек, включаемых на выходе обмоток синхронизирующего трансформатора. Пилообразное напряжение генерируется интегратором со "сбросом" при напряжении пилы U_оп,м=( 10..15 )В.

Очевидно, что для пилообразного (линейного) опорного напряжения искомая статическая зависимость будет иметь вид

Следует заметить, что реальный диапазон изменения угла отпирания тиристоров, как правило, не превышает 5 - 175°. Минимальный (5°) угол отпирания определяется максимальной э.д.с. тиристорного преобразователя, а ограничение максимального угла (175°) предохраняет реверсивный тиристорный преобразователь от "прорыва" инвертора. Кроме того, важен правильный выбор начального угла отпирания тиристоров a_нач , зависящего от способа управления комплектами тиристоров реверсивного преобразователя и параметров активно-индуктивной нагрузки преобразователя. В любом случае, этот угол равен полусумме углов отпирания тиристоров обоих комплектов вентилей, т. е.

где a₁, a₂ - углы отпирания тиристоров выпрямительной и инверторной групп вентилей. Как правило, начальный угол отпирания тиристоров находится в диапазоне a_нач= 90 0 ..125 0 , причем a_нач = 90 0 выбирается только при совместном согласованном управлении комплектами вентилей.

2. Гармоническое (косинусоидальное) опорное напряжение U_оп.

Аналогично рассмотренному выше случаю статическая характеристика преобразователя будет характеризоваться зависимостью

В качестве опорного напряжения иногда применятся U_оп в виде отрезков полусинусоид (обычно для маломощных тиристорных преобразователей старых модификаций).

Найдем результирующую статическую зависимость е_п=¦(U_у). Воспользуемся графическим способом, причем в целях упрощения построений рассмотрим лишь один из квадрантов работы реверсивного преобразователя (рис. 4.14).

Возьмем произвольную точку А на кривой , опустим из нее перпендикуляр на кривые , соответствующие линейному и гармоническому опорным напряжениям, из точек пересечения с ними проведем горизонтальные прямые до пересечения с вертикальной осью координат. Далее, через точки пересечения с вертикальной осью координат проведем концентрические дуги (пунктирные кривые на рис. 4.14) до пересечения с горизонтальной осью координат и восстановим перпендикуляры до пересечения с горизонтальными прямыми, проходящими через точку А.

Таким образом, получим точки результирующих кривых e_п=f (U_у) для обоих опорных напряжений СИФУ. Кривая 1 соответствует линейному опорному напряжению, кривая 2 - гармоническому опорному напряжению. Полученные кривые характеризуются аналитическими зависимостями:

где K_тп - коэффициент передачи тиристорного преобразователя, определяемый выражением

Заметим, что при линейном опорном напряжении статическая характеристика тиристорного преобразователя является нелинейной, а, следовательно, коэффициент передачи преобразователя является величиной переменной.

Те же самые зависимости реверсивного преобразователя, питающего цепь якоря двигателя постоянного тока с учетом зоны прерывистых токов имеют вид, приведенный на рис. 4.15.

Регулировочная характеристика для зоны прерывистых токов является неоднозначной, т. е. одному значению U_у соответствует семейство значений е_п .

На выходе ТП мы получаем э.д.с., зависящую от:

1.величины статической нагрузки (потребляемого преобразователем тока);

2. величины противо-э.д.с. двигателя при работе преобразователя на якорную цепь двигателя;

3. характера нагрузки (активный, активно-индуктивный).

Регулировочная характеристика имеет зону 2DU_у нечувствительности работы ТП, величина которой зависит от характера нагрузки преобразователя.

Для гармонического опорного напряжения U_оп СИФУ регулировочная характеристика ТП имеет вид параллелограмма (рис. 4.16).

Динамическая модель.

Модель ТП в динамике с учетом его временных, либо частотных свойств выбирается в зависимости от характера решаемой задачи.

Для целей синтеза САУ на практике применяют три модели:

1. В виде безынерционного звена

W(p)=К_тп . (4.46)

Как элемент объекта управления предпочтительнее иметь модель ТП с гармоническим U_оп. В этом случае К_тп= E_d₀ / U_оп,м.

2. В виде инерционного звена 1-го порядка (апериодического звена)

Постоянная времени T_тп тиристорного преобразователя определяется выражением:

где m - пульсность преобразователя (m=3 для нулевых m=6 для мостовых схем выпрямителей); первое слагаемое - среднестатистическое запаздывание преобразователя;

f_c - частота питающей сети (50 Гц для отечественных преобразователей);

T_ф,сифу - постоянная времени фильтра на входе СИФУ. Для большинства тиристорных преобразователей величина T_тп находится в диапазоне 5 - 10 мc.

3. В виде звена с чистым запаздыванием

W(p)=К_тпе -ТтпР . (4.48)

Эти модели применимы как для целей синтеза, так и анализа САУ. Для целей анализа могут применяться более сложные модели, учитывающие влияние дискретного характера работы преобразователя, неполную управляемость тиристоров, а также аспекты, связанные с характером нагрузки ТП.

Тиристорный преобразователь (ТП) как элемент системы управления должен быть описан в статике и динамике.

Статическая модель.

Содержит регулировочную характеристику в осях U_у- е_п, т. е. е_п=¦(U_у).

Разобьем ТП на два основных модуля - систему импульсно-фазового управления (СИФУ) и силовую часть (см. рис. 4.12).

ММ силовой части.

Опишем статическую зависимость е_п от a для силовой части, т.е. е_п=¦(a).

Для зоны непрерывного тока:

где e_d₀ - максимальное средне-выпрямленное (среднее) значение э.д.с. преобразователя,

Е_2ф - вторичная фaзная ЭДС силового трансформатора,

К_сх - коэффициент схемы силового комплекта вентилей:

К_сх = 2,34 - для мостовой схемы,

К_сх = 1,17 - для нулевой схемы.

Для зоны прерывистых токов:

где l - интервал проводимости тока ,

2. Гармоническое (косинусоидальное) опорное напряжение U_оп.

где K_тп - коэффициент передачи тиристорного преобразователя, определяемый выражением

На выходе ТП мы получаем э.д.с., зависящую от:

1.величины статической нагрузки (потребляемого преобразователем тока);

2. величины противо-э.д.с. двигателя при работе преобразователя на якорную цепь двигателя;

3. характера нагрузки (активный, активно-индуктивный).

Динамическая модель.

Для целей синтеза САУ на практике применяют три модели:

1. В виде безынерционного звена

W(p)=К_тп . (4.46)

2. В виде инерционного звена 1-го порядка (апериодического звена)

Постоянная времени T_тп тиристорного преобразователя определяется выражением:

f_c - частота питающей сети (50 Гц для отечественных преобразователей);

3. В виде звена с чистым запаздыванием

W(p)=К_тпе -ТтпР . (4.48)

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.

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.

Реактор в виде трансформатора.
Блоки выпрямления тока.
Реактор для сглаживания преобразования.
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:

Принцип действия нагрузки. Схема 3-фазного частотника

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

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

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

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

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах инвертора

Технические данные и стоимость

Характеристики частотников на тиристорах зависят от вида, опций.

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

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

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.

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.

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.

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.

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

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:

Большинство электрических машин рассчитано на работу при стабильном значении напряжения и частоты питающей сети. Для управления параметрами двигателя (мощность на валу, частота вращения) необходимо изменение номиналов напряжения питания. В преобразователях напряжения и частоты используются транзисторы и тиристоры. Последние традиционно применяются для устройств высокой мощности, хотя появление достаточно мощных IGBT транзисторов позволяет постепенно избавляться от тиристорных схем из-за присущих им недостатков.

Принципы регулировки различаются для питающего напряжения постоянного тока или переменного.

Важно! В промышленности под аббревиатурой ТПЧ подразумеваются преобразователи для систем индукционного нагрева металлов. Для электроприводов используется термин – частотно-регулируемый привод или частотный преобразователь для электропривода.

Виды преобразовательных агрегатов

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

Управляемые выпрямители;
Инверторные преобразователи.

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

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

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

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

Схема 3-фазного частотника

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

Различают два класса устройств по принципу коммутации управляющих элементов:

С одноступенчатой коммутацией;
Двухступенчатые.

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

В свою очередь, двухступенчатые преобразователи делятся на схемы:

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

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

Групповая коммутация

Управляющие сигналы поступают раздельно на анодную или катодную группу.

Пофазная коммутация

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

Индивидуальная коммутация

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

Особенности тиристорного управления

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

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

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

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

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

Последовательный и параллельный инверторы тока

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

Комбинированные схемы

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

Преобразователь напряжения Мак-Мюррея

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

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

Последовательный резонансный инвертор

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

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

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах

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

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

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

Видео

Тиристорные преобразователи позволяют подавать на двигатель импульсы электрического тока различной конфигурации. Характеристики и пропускная способность меняются в зависимости от спецификаций системы и самого устройства.

В последнее время промышленные системы, приводимые в движение электричеством, все чаще включают в себя тиристорный преобразователь для двигателя постоянного тока. Эти полупроводниковые вентили позволяют осуществлять управление приводом в значительном диапазоне: сила тока может превышать сотни ампер, а напряжение достигает 1000В и выше.

При своих повышенных технических показателях тиристорный электропривод отличается компактными габаритными размерами. При этом его быстродействие превышает аналогичные показатели у других систем похожего назначения, а диапазон рабочих температур позволяет эксплуатировать двигатель постоянного тока в окружающей среде от -60 до +60 по Цельсию.

Что такое тиристор

Тиристорная система – это частично управляемая система преобразования напряжения. Общая схема работы предполагает активацию привода в момент подачи потенциала необходимого уровня на управляющий электрод. Чтобы отключить тиристорный преобразователь двигателя постоянного тока, необходимо выполнить принудительный разрыв цепи. Это можно осуществить тремя способами:

подать гасящее напряжение, имеющее значение, противоположное пусковому импульсу;
отключить энергоснабжение всего привода;
провести ток питания через ноль.

Скорость вращения электродвигателя зависит от среднего значения напряжения, уже прошедшего через выпрямитель. Тиристорный электропривод позволяет управлять моментом подачи основного потока выпрямленного напряжения и его задержкой. Регулируя момент подачи, можно осуществлять общее управление двигателем постоянного тока.

Общая классификация

Проведя исследование системы, предполагающей наличие тиристора, можно определить наиболее оптимальную схему включения. От выбранного типа запуска непосредственно зависит средний уровень напряжения, выдаваемого выпрямителем при условии отсутствия вмешательства со стороны оператора. В случаях, когда тиристор применяется для двигателя постоянного тока, используются два класса тиристорных преобразователей – мостовые и оснащенные выходом с нулевым значением.

Тиристорный преобразователь мостового типа, как правило, устанавливается в высокомощных системах. Это оптимально в силу того, что каждый такой тиристор может обладать меньшим уровнем напряжения, что позволяет распределить общую нагрузку между несколькими узлами и снизить нагрузку на каждый из них. Кроме того, выпрямленное через мостовой тиристор напряжение не будет иметь постоянную составляющую, что повышает стабильность работы при проходе электрического тока через преобразующие обмотки.

Еще одним отличием между разными классами тиристоров является количество фазовых выходов. Оборудование и приборы, имеющие малый уровень энергопотребления, требуют наличия у тиристора всего нескольких фаз. Если преобразователь спроектирован для работы в высоконагруженных комплексах, его конструкция может включать от 12 до 24 фазовых контактов.

Вне зависимости от выбранного типа активации и общей конструкции данная категория преобразователей напряжения будет иметь все преимущества использования тиристоров. Сюда входит полное отсутствие вращающихся деталей, которые ускоряют процесс износа и требуют периодической замены. Из этого вытекает другое преимущество – низкая инерционность. Главным отличием от простых электромеханических преобразователей электрического тока является компактность, что положительно влияет на совместимость с устройствами, где мало свободного места.

При всех своих преимуществах тиристорный преобразователь имеет ряд недочетов:

если настройка напряжения проводится в сторону снижения, выходная мощность начинает падать пропорционально уменьшению энергоснабжения;
при работе преобразователя создаются высшие гармоники, которые сразу попадают в сеть питания всей системы;
тиристор жестко связан с цепью подачи питания, из-за чего малейший скачок напряжения сразу отзывается в системе. Изменение характеристик подаваемого на двигатель тока создает толчок оси, скачкообразно меняя скорость ее вращения, а это в свою очередь вызывает всплеск тока.

Эксплуатационные показатели электродвигателя, который работает в связке с тиристорным преобразователем, напрямую зависят от уровня напряжения, которое подается на якорь. Также важную роль играет создаваемая приводом нагрузка.

Типовая конструкция и принцип работы

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

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

Управление работой

Общая схема действия заключается в прохождении через тиристор электричества под действием анодного напряжения. При этом величина напряжения на выходе зависит от показателей управляющего тока, который подается на контрольный электрод. Если подача управляющего тока прервана, анодное напряжение, выходящее к потребителю, начнет расти, при этом сохраняя низкую величину.

Когда входящее напряжение нарастает, объем тока, необходимого для открытия тиристора, уменьшается. Между этими показателями наблюдается прямая пропорция, которая прослеживается в любой конструкции тиристорного преобразователя.

Применение закона синуса для управления входящим напряжением также позволяет снизить уровень последнего. При этом управляющий ток снижается пропорционально импульсу, необходимому для открытия основного механизма. Сохранение постоянного управляющего напряжения не приводит к открытию тиристора в случае, когда его уровень ниже, чем у импульса управления.

Наращивание управляющего напряжения приводит к открытию тиристора при определенных условиях. Для этого необходимо обеспечить превышение показателя управляющего импульса. Используя возможность настройки характеристик управляющего импульса, можно менять угол открытия тиристора в диапазоне от нуля до 90 градусов.

В тех случаях, когда необходимо открыть тиристор на больший угол, управляющее напряжение меняется на переменное. В большинстве ситуаций амплитуда тока является синусоидальной. Когда напряжение достигает показателя, равного точке пересечения синусоидой величины управляющего импульса, происходит открытие тиристора.

Путем изменения интервала синуоиды в меньшую или большую сторону, также можно настраивать угол открытия пропускного механизма преобразователя. Данный тип управления работой тиристора называется горизонтальным и реализуется благодаря применению устройства под названием фазосмещатель. Обратный вид контроля – вертикальный – предполагает сдвиг синусоиды вверх либо вниз, что также приводит к изменению угла открытия проводника. Чтобы определить конечную величину, необходимую для воздействия на угол, необходимо выполнить вычисление суммы переменного управляющего напряжения и постоянного тока, формирующего синусоиду. Задать конкретный угол, на который необходимо открыть тиристор, возможно путем настройки постоянного напряжения.

Как только тиристор открыт на нужный угол, система сохраняет заданное положение, пока не будет окончен положительный полупериод. В этот промежуток времени управляющее напряжение не воздействует на функции проводника. Благодаря этой особенности становится возможным использование импульсного управления.

Импульсное управление заключается в подаче периодических волновых воздействий, равных по величине управляющему напряжению и имеющих положительный показатель. Для нормализации работы следует пускать импульсы в четко определенные моменты времени. Такой тип управления позволяет повысить четкость функционирования системы, в составе которой находится тиристорный преобразователь.

Путем изменения угла открытия тиристора можно настраивать форму импульсов, передаваемые на прибор-потребитель. Стоит учитывать, что такое управление приводит к изменению средневзвешенного уровня напряжения на зажимах потребляющего энергию устройства или механизма.

Использование трансформатора

Иногда для обеспечения более точного и стабильного управления работой тиристорных преобразователей используются сторонние узлы, например, трансформаторы. В этом случае первичная обмотка последних будет запитана непосредственно от питающей переменной сети. При этом вторичная обмотка будет включать в себя выпрямитель двухполупериодного типа, который обладает повышенным уровнем индуктивности в цепи, где присутствует постоянное напряжение.

С этим подходом становится возможным устранение эффекта пульсации тока, выпущенного из выпрямителя. Однако таким свойством обладают только двухполупериодные выпрямители, адаптированные под переменное напряжение. Амплитуда выпрямленного тока также должна соответствовать определенным характеристикам: в данном случае ее форма должна быть пилообразной либо прямоугольной. Поэтому выпрямитель также выполняет функцию преобразования формы переменного напряжения.

В процессе работы конденсаторы трансформатора попеременно получают электрический ток сразу двух форм. Прямоугольная амплитуда энергоснабжения наблюдается в заряжающих потоках. Обкладки в свою очередь накапливают пилообразный электрический ток, который впоследствии прикладывается к транзисторным базам. Если присутствует такой тип напряжения, то его классифицируют как опорное.

Каждый установленный в трансформаторе транзистор оснащен собственной базой, которая имеет выделенную цепь. В ней действует напряжение постоянного типа, которое приводит к появлению положительных потенциалов на всех транзисторных базах при условии, что пилообразный ток на обкладках конденсаторов равен нулю. При этом открытие транзисторов производится в момент образования на базе отрицательного потенциала.

Чтобы был запущен вышеописанный процесс, необходимо увеличить отрицательную величину опорного тока настолько, чтобы она превысила значение управляющего напряжения. Это производится в зависимости от текущего уровня последнего для определенного фазового угла. В этом случае время открытия транзистора будет напрямую зависеть от значения управляющего напряжения.

Если один или оба транзистора оказываются открытыми, вторая или третья первичные обмотки трансформаторной установки пропускают через себя импульс прямоугольной формы. В момент прохождения переднего фронта вторичная обмотка формирует объем электрического тока, который выбрасывается непосредственно на электрод тиристора, управляющий его открыванием.

Когда волна напряжения проходит и первичная обмотка задета задним фронтом импульса, во вторичной обмотке образуется такой же ток, но обратной полярности. Затем происходит замыкание этого напряжения на полупроводниковым диодом, который непрерывно проводит шунтирование вторичной обмотки трансформатора. В этом случае тиристорный преобразователь бездействует, так как не получает питание.

Если необходимо реализовать параллельное подключение тиристорного массива к двум трансформаторам, конфигурация схемы меняется. Для этого выполняется генерация двух импульсов с противоположными фазами, сдвиг которых равен 180 градусам.

Управление электродвигателем при помощи тиристора

Механизмы тиристорного контроля работы электромоторов работают по принципу регулировки уровня напряжения, подаваемого на якорь и сохраняющего постоянную частоту. С помощью этого меняется скорость вращения двигателя. Как правило, реализация такого комплекса производится через многофазное выпрямление электрического тока.

Типовая конструкция тиристорной системы управления включает в себя три таких узла, каждый из который последовательно подключен к якорю электродвигателя и вторичной обмоткой трансформаторной установки. При этом электродвижущая сила, генерируемая на последних, имеет сдвинутую фазу. Чтобы это компенсировать, в процессе настройки угла открытия тиристора на якорный комплекс мотора подается несколько пусковых импульсов, которые также смещены по фазе относительно друг друга.

В этой схеме якорь двигателя может получать как переменный, так и постоянный ток. Это зависит от того, насколько широко открыт тиристор в момент активации. Если необходимо включить многофазный реверсивный комплекс, конструкция будет включать в себя два тиристорных массива, промаркированных Т1-3 и Т4-6 соответственно. Изменение направления подачи напряжения происходит путем задействования одного из массивов, в результате чего якорь электродвигателя будет вращаться в ту или иную сторону.

В качестве альтернативного способа реверса мотора создана схема изменения направления движения электрических импульсов в обмотке возбуждения. Принцип действия будет несколько отличаться; также стоит принимать во внимание снижение коэффициента полезного действия. Это обеспечивает совместимость с двигателями, работающими в ограниченном диапазоне мощности, так как обмотки возбуждения имеют повышенный уровень индуктивности. В этом заключается их отличие от якорных обмоток, где этот показатель значительно ниже. Чаще всего такие приводы используются для приведения в действие станков для резки металла.

При помощи дополнительного массива тиристоров оператор электропривода может использовать торможение ротора, осуществив это также при помощи изменения направления электрической энергии. Помимо этого, тиристоры позволяют запускать и останавливать вращение ротора и ограничить интенсивность стартового импульса, который используется также для торможения. Благодаря этому отсутствует необходимость внедрения в электроцепь контакторов и реостатных устройств, регулирующих напряжение цепи в ручном режиме.

Применение тиристорного привода регулировки работы двигателя в сети постоянного тока может привести отсутствии выгоды интеграции силовых трансформаторных установок. Причина заключается в существенном увеличении габаритных размеров оборудования, управляемого по такому принципу. Кроме того, увеличивается итоговая стоимость комплектации, сборки и монтажа привода. Поэтому для оптимизации расходов и экономии свободного места часто применяется упрощенная схема.

Читайте также: