- Что такое тиристор
- Общая классификация
- Схема модели индукционного комплекса на тиристорах
- Тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока
- Особенности преобразователей, выполненных по каскадной схеме
- Топология силовой цепи
- Схема управления
- Принцип управления скоростью и моментом электродвигателя
- Перегрузочная способность
- Реверсирование
- Типовая конструкция и принцип работы
- Управление работой
- Использование трансформатора
- Схемные решения преобразователей на основе тиристоров
- Последовательный и параллельный инверторы тока
- Комбинированные схемы
- Преобразователь напряжения Мак-Мюррея
- Последовательный резонансный инвертор
- Схема 3-фазного частотника
- Групповая коммутация
- Пофазная коммутация
- Индивидуальная коммутация
Что такое тиристор
Тиристорная система представляет собой частично управляемую систему преобразования напряжения. Общая схема работы предполагает включение станции в момент подачи на управляющий электрод потенциала необходимого уровня. Чтобы отключить тиристорный преобразователь двигателя постоянного тока, необходимо выполнить принудительное размыкание цепи.
Это можно сделать тремя способами:
- подать демпфирующее напряжение, имеющее значение, противоположное пусковому импульсу;
- отключить электропитание всей станции;
- пропустите ток питания через ноль.
Скорость вращения электродвигателя зависит от среднего значения напряжения, уже прошедшего через выпрямитель. Работа электрического тиристора позволяет управлять входным моментом основного тока выпрямленного напряжения и его запаздыванием. Регулируя крутящий момент подачи, можно реализовать общее управление двигателем постоянного тока.
Общая классификация
Проведя исследование системы, предполагающей наличие тиристора, можно определить наиболее оптимальную схему включения. Выбранный тип пуска напрямую влияет на средний уровень напряжения от выпрямителя при отсутствии вмешательства оператора. В случаях, когда для двигателя постоянного тока используется тиристор, применяются два класса тиристорных преобразователей — мостовые и оборудованные выходом с нулевым значением.
Преобразователь тиристорного мостового типа обычно устанавливается в системах большой мощности. Это оптимально в связи с тем, что каждый такой тиристор может иметь меньший уровень 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 постоянной составляющей, что повышает стабильность работы при прохождении электрического тока через обмотки преобразования.
Еще одним отличием тиристоров разных классов является количество фазных выводов. Оборудование и устройства с малым потреблением тока требуют, чтобы тиристор имел всего несколько фаз. Если преобразователь предназначен для работы в высоконагруженных комплексах, в его конструкцию может входить от 12 до 24 фазных контактов.
Независимо от выбранного типа включения и общей конструкции преобразователи напряжения этой категории будут иметь все преимущества использования тиристоров. Сюда относится полное отсутствие вращающихся деталей, ускоряющих процесс износа и требующих периодической замены. Из этого вытекает еще одно преимущество – малая инерционность. Основным отличием от простых электромеханических преобразователей электрического тока является компактность, что положительно сказывается на совместимости с устройствами, где мало свободного места.
При всех своих достоинствах тиристорный преобразователь имеет ряд недостатков:
- если регулировка напряжения осуществляется в сторону уменьшения, выходная мощность начинает падать пропорционально уменьшению мощности питания;
- при работе преобразователя создаются высшие гармоники, которые сразу попадают в сеть электроснабжения всей системы;
- тиристор жестко связан с цепью питания, благодаря чему на малейшее повышение напряжения система сразу же реагирует. Изменение характеристик тока, подаваемого на двигатель, создает толчок на ось, резко изменяя скорость вращения, а это, в свою очередь, вызывает увеличение тока.
Производительность электродвигателя, работающего с тиристорным преобразователем, напрямую зависит от уровня напряжения, подаваемого на якорь. Нагрузка, создаваемая приводом, также играет важную роль.
Схема модели индукционного комплекса на тиристорах
В индукционных нагревательных устройствах чаще всего используется схема Мак-Мюррея или резонансный преобразователь, поскольку нагрузка явно индуктивная. Устройства индукционного нагрева потребляют значительный ток, поэтому в мощных печах применяют именно тиристоры, несмотря на лучшие по параметрам транзисторы.
Поскольку для питания промышленных установок используется трехфазный переменный ток, в конструкции обязательно присутствует выпрямитель, формирующий на выходе постоянный ток.
Использование тиристоров в качестве основных элементов преобразователя позволяет создавать простые и надежные схемы, основным недостатком которых является достаточно сильное искажение формы волны напряжения и высокий уровень электромагнитных помех.
Тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока
При необходимости регулирования скорости вращения вала выше номинальной частоты, а также при повышенных требованиях к отсутствию паразитных гармоник применяют преобразователи частоты на основе преобразователя тока или преобразователя напряжения.
Такие инверторы дважды преобразуют напряжение: напряжение сети переменного тока выравнивается, сглаживается и преобразуется обратно в частоту переменного тока.
Есть 2 схемы двойного преобразования: инвертор тока или инвертор напряжения.
В схему первого включен дроссель с большой индуктивностью. На выходе преобразователя частоты поддерживается постоянная амплитуда тока независимо от нагрузки.
Преобразователи частоты этого типа могут восстанавливать электроэнергию обратно в сеть в режиме электродинамического торможения, область их применения – оборудование и механизмы, работающие с частыми отключениями, реверсами и пусками.
В схему преобразователя частоты, построенную по схеме преобразователя напряжения, включен индуктивно-емкостной фильтр. Выходное напряжение таких устройств не зависит от тока, потребляемого электродвигателем.
Основным преимуществом частотников является «чистая синусоидальная» форма напряжения. Такое электрооборудование обеспечивает стабильную работу станции во всей зоне регулирования скорости.
Таким образом, IF с двойным преобразованием:
- Позволяет регулировать выходное напряжение в широком диапазоне частот: для устройств, построенных по схеме источника напряжения от 0 до 1500 Гц, для преобразователей частоты типа «преобразователь мощности» — 0-125 Гц. Частота ограничена только скоростью полупроводниковых элементов.
- Не снижайте мощность двигателя. Выходное напряжение преобразователей частоты имеет форму, близкую к синусоидальной.
- Они имеют небольшое количество тиристорных ключей по сравнению с преобразователями прямого включения. Инверторные схемы не требуют синхронизации с сетью и сложной схемы управления открытием и закрытием элементов.
- Нечувствителен к коротким замыканиям на выходе. Преобразователи тока обеспечивают безаварийную работу при коротком замыкании выходной цепи, а также возможность рекуперации мощности в сеть.
К недостаткам частотников на основе схемы двойного преобразования относятся: невозможность работы преобразователя тока на групповую нагрузку, зависимость искусственной связи от cosϕ и уровня нагрузки двигателя, значительная стоимость конденсатора или дросселя, снижение КПД при двойном преобразовании. Преобразователи напряжения без дополнительных цепей также не возвращают мощность в сеть.
Особенности преобразователей, выполненных по каскадной схеме
Преобразователи частоты на основе тиристоров широко применяются в схемах управления асинхронными двигателями с фазным ротором. Изменение частоты вращения осуществляется изменением частоты тока ротора двумя тиристорными преобразователями, включенными последовательно между обмотками ротора и статора.
Данная схема позволяет управлять скоростью и крутящим моментом, а также выполнять:
- Реверсивные электродвигатели.
- Рекуперативное торможение.
- Изменение скорости с обратной связью по скорости.
- Снижение пусковых токов.
- Несколько органов управления двигателем.
Каскадные преобразователи частоты на основе тиристорного преобразователя тока применяются в высоковольтных электроприводах, работающих при постоянных и динамических нагрузках.
Топология силовой цепи
Силовая часть состоит из 2-х тиристорных мостов, вращающегося и сетевого, согласующего трансформатора. Мостовые цепи постоянного тока подключаются через реактор большой индуктивности. Вход сетевого моста подключен к обмоткам разделительного трансформатора, выход поворотного тиристорного преобразователя подключен к цепи обмотки фазного ротора электродвигателя. Такая топология обеспечивает двусторонний обмен электрической энергией между цепью обмотки вращающейся части двигателя и сетью и осуществляет торможение в генераторном режиме с рекуперацией энергии.
Схема управления
Блок управления вырабатывает управляющие импульсы, разблокирующие и блокирующие полупроводниковые ключи в зависимости от запрограммированного режима и изменения технологических параметров.
Встроенные алгоритмы обеспечивают регулирование скорости с постоянным или динамическим крутящим моментом на валу. Диапазон скорости 1:50 без датчика скорости. Энкодеры могут быть подключены к большинству каскадных преобразователей частоты, а рабочие режимы могут быть установлены на сверхнизкие скорости.
Устройство также обеспечивает связь с датчиками и внешним оборудованием на верхнем уровне системы автоматизации через аналоговые, дискретные релейные входы и выходы.
Принцип управления скоростью и моментом электродвигателя
Преобразователи частоты с управляемыми тиристорными мостами регулируют скорость вращения ротора от номинальной до нулевой, а также позволяют переключаться в режим короткозамкнутого ротора и наоборот.
Изменение частоты достигается регулировкой угла отпирания и запирания управляемых полупроводниковых элементов в сети и поворотного моста. Микропроцессорный блок управления обеспечивает согласованное переключение электронных ключей, необходимую частоту и фазу тока. При работающем двигателе сетевой мост работает в режиме выпрямителя, поворотный мост работает в режиме инвертора.
При снижении скорости вращения и кратковременном переходе в генераторный режим электрический ток, образующийся в обмотках ротора, проходит через преобразователь и возвращается в сеть. В этом режиме роторный мост становится выпрямителем, а сеть выступает в роли инвертора.
При торможении электрической машины блок управления меняет фазы, электроэнергия через преобразователь передается на ротор. Это вызывает электродинамическое торможение двигателя.
Читайте также: Сколько может выдержать киловатт автомат на 16, 25, 32 и 40 Ампер.?
Перегрузочная способность
Для устойчивой работы электропривода с ограниченным временем разгона, при высокой нагрузке на вал предусмотрена повышенная коммутационная устойчивость сетевого моста в инверторном режиме. Это достигается применением мощных быстродействующих тиристоров, выдерживающих кратковременные перегрузки по току.
В режиме торможения инверторы имеют ограниченную перегрузочную способность. Это связано с увеличением угла отпирания и запирания полупроводниковых элементов моста ротора в начале торможения при высокой частоте вращения ротора. Таким образом снижается коммутационная стабильность электронных переключателей.
Ассортимент каскадных преобразователей ограничен временем торможения. Их нельзя использовать для привода механизмов с малым временем торможения.
Реверсирование
Преобразователи частоты такой конструкции позволяют реализовать противоположность электродвигателям. Порядок подключения фаз в этом случае задается с блока управления или внешнего оборудования по аналоговым входам или по протоколам обмена данными.
Типовая конструкция и принцип работы
Тиристор представляет собой полупроводник из кремния. Как правило, он состоит из четырех ведущих команд. Сборка осуществляется на медном основании, имеющем шесть поверхностей и резьбовой вал. Этот элемент дополняется основной структурой, в производстве которой используется, в частности, кремний.
Четырехслойный проточный комплекс имеет два выхода — контрольный и отрицательный. Снаружи вся конструкция защищена железным коробом в форме цилиндра, снабженным изолирующим слоем. С помощью провода тиристор устанавливается в специальное посадочное место и подключается к положительному полюсу цепи питания с анодным напряжением.
Управление работой
Общая схема действия — прохождение электричества через тиристор под действием анодного напряжения. При этом выходное напряжение зависит от показателей управляющего тока, который подается на управляющий электрод. В случае прерывания подачи управляющего питания анодное напряжение, поступающее к потребителю, начнет расти, сохраняя при этом низкое значение.
По мере увеличения входного напряжения величина тока, необходимая для включения тиристора, уменьшается. Между этими показателями существует прямая зависимость, которую можно проследить в любой конструкции тиристорного преобразователя.
Использование закона синусоиды для управления входным напряжением позволяет также снизить уровень последнего. При этом управляющий ток уменьшается пропорционально импульсу, необходимому для открытия основного механизма. Поддержание постоянного управляющего напряжения не приводит к открытию тиристора в случае, когда уровень ниже уровня управляющего импульса.
Увеличение управляющего напряжения приводит к открытию тиристора при определенных условиях. Для этого необходимо добиться превышения показателя контрольного импульса. Используя возможность регулировки характеристик управляющего импульса, можно изменять угол открытия тиристора в диапазоне от нуля до 90 градусов.
В тех случаях, когда необходимо открыть тиристор на больший угол, управляющее напряжение меняют на переменное. В большинстве ситуаций амплитуда тока синусоидальна. При достижении напряжением показателя, равного пересечению величины управляющего импульса с синусоидой, тиристор открывается.
Изменяя интервал синусоиды в меньшую или большую сторону, также можно регулировать угол раскрытия преобразователя потока механизма. Такой вид управления работой тиристора называется горизонтальным и реализуется с помощью устройства, называемого фазовращателем. Обратный тип управления — вертикальный — предполагает смещение синусоиды вверх или вниз, что также приводит к изменению угла раскрытия проводника.
Для определения конечной величины, необходимой для воздействия на угол, необходимо рассчитать сумму переменного управляющего напряжения и постоянного тока, образующих синусоиду. Можно задать конкретный угол, на который должен открываться тиристор, установив постоянное напряжение.
Как только тиристор открывается на нужный угол, система сохраняет заданное положение до завершения положительного полупериода. В течение этого периода управляющее напряжение не влияет на функции контроллера. Благодаря этой функции становится возможным использование импульсного управления.
Импульсное управление состоит в применении периодических волновых воздействий, равных управляющему напряжению и имеющих положительный показатель. Для нормализации работы импульсы должны подаваться в строго определенное время.
Такой вид управления позволяет повысить точность работы системы, в состав которой входит тиристорный преобразователь.
Изменяя угол открытия тиристора, можно регулировать форму импульсов, подаваемых на блок-потребитель. Следует учитывать, что такое управление приводит к изменению средневзвешенного уровня напряжения на зажимах энергопотребляющего устройства или механизма.
Использование трансформатора
Иногда для обеспечения более точного и стабильного управления работой тиристорных преобразователей используются сторонние компоненты, например трансформаторы. При этом первичная обмотка последнего будет питаться непосредственно от сети переменного питания. В этом случае во вторичную обмотку будет входить выпрямитель двухполупериодного типа, который имеет повышенный уровень индуктивности в цепи, где присутствует постоянное напряжение.
При таком подходе появляется возможность устранить влияние пульсаций тока, выделяемого из выпрямителя. Однако этим свойством обладают только двухполупериодные выпрямители, адаптированные к переменному напряжению. Амплитуда выпрямленного тока также должна соответствовать определенным характеристикам: в этом случае форма должна быть пилообразной или прямоугольной. Поэтому выпрямитель выполняет еще и функцию преобразования формы в переменное напряжение.
В процессе работы на конденсаторы трансформатора попеременно поступает электрический ток двух форм одновременно. В зарядных токах наблюдается прямоугольная амплитуда подачи питания. Пластины, в свою очередь, накапливают пилообразный электрический ток, который затем подается на базы транзисторов. Если этот тип напряжения присутствует, он классифицируется как опорный.
Каждый транзистор, установленный в трансформаторе, снабжен собственной базой, имеющей выделенную цепь. В нем действует постоянный тип напряжения, что приводит к возникновению положительных потенциалов на всех базах транзисторов при условии, что пилообразный ток на обкладках конденсатора равен нулю. При этом открытие транзисторов в момент формирования осуществляется по отрицательному потенциалу.
Для запуска вышеуказанного процесса необходимо увеличить отрицательное значение опорного тока так, чтобы оно превысило значение управляющего напряжения. Делается это в зависимости от текущего уровня последнего для определенного фазового угла. В этом случае время открытия транзистора будет напрямую зависеть от величины управляющего напряжения.
Если один или оба транзистора включаются, вторая или третья первичная обмотка трансформаторной установки посылает через них прямоугольный импульс. В момент прохождения переднего фронта вторичная обмотка формирует объем электрического тока, который отбрасывается непосредственно на электрод тиристора, управляющий открытием.
При прохождении волны напряжения и касании первичной обмотки задним фронтом импульса во вторичной обмотке образуется такой же ток, но противоположной полярности. Затем это напряжение замыкается на полупроводниковом диоде, который непрерывно шунтирует вторичную обмотку трансформатора. В этом случае тиристорный преобразователь неактивен, так как на него не поступает ток.
При необходимости реализовать параллельное подключение тиристорной группы к двум трансформаторам конфигурация схемы меняется. Для этого генерируются два импульса с противоположными фазами, смещение которых равно 180 градусам.
Схемные решения преобразователей на основе тиристоров
Провод ПуГВ
Особенностью тиристорных схем является то, что они рассчитаны на работу с определенным видом нагрузки.
Последовательный и параллельный инверторы тока
Этот тип инвертора имеет дополнительный конденсатор, подключенный последовательно или параллельно нагрузке. Назначение конденсатора — обеспечить надежную блокировку тиристоров, не участвующих в прохождении тока по цепи. Для стабилизации тока через нагрузку на входе преобразователя тока имеется индуктивность, которая в идеальном случае должна стремиться к бесконечности.
Комбинированные схемы
Комбинированная последовательно-параллельная схема содержит два конденсатора и улучшает нагрузочные характеристики устройства. В частности, такая схема более устойчива при работе с небольшой нагрузкой.
Последовательные, параллельные и комбинированные цепи
Преобразователь напряжения Мак-Мюррея
Схема Мак-Мюррея включает в себя LC-цепь. Эта цепь образована из соединения конденсатора и дросселя через открытый в данный момент тиристор, закрывающий противоположный.
Схема МакМюррея
Это решение позволяет питать индуктивные нагрузки, например, устройства, где осуществляется индукционный нагрев или сварка металлоконструкций.
Последовательный резонансный инвертор
В такой схеме емкость и индуктивность конденсатора выбираются таким образом, чтобы на частоте преобразования LC схема находилась в резонансе. Таким образом, тиристоры будут управляться на резонансной частоте.
Преобразование может выполняться на более высокой частоте, что повышает производительность схемы за счет лучших условий переключения ключевых элементов.
Схема 3-фазного частотника
Как сделать диммер из паяльника
Тиристорные трехфазные преобразователи частоты применяются для управления большой нагрузкой и применяются там, где нет возможности включить оборудование на IGBT-транзисторах.
Различают два класса устройств по принципу переключения элементов управления:
- С одноступенчатым переключением;
- Двухэтапный.
Однокаскадные устройства отличаются простотой схем, но не имеют возможности регулировки выходного напряжения, так как все тиристоры управляются одновременно. Регулирование напряжения работает за счет установки в цепи постоянного напряжения питания за счет установки регулируемого выпрямителя.
В свою очередь двухкаскадные преобразователи делятся на схемы:
- С групповой сменой;
- С изменением фазы;
- С индивидуальным управлением.
Эти устройства сложнее не только по схеме управления, но и по силовой части, так как имеют две группы тиристоров: анодную и катодную.
Групповая коммутация
Сигналы управления подаются отдельно на анодную или катодную группу.
Пофазная коммутация
Управление осуществляется отдельно для каждой фазы преобразования путем отключения анодного или катодного тиристора.
Индивидуальная коммутация
Здесь каждый тиристор инвертора управляется отдельно. Благодаря индивидуальному управлению можно реализовать большое количество алгоритмов преобразования, минимизировать искажения формы сигнала и уровень электромагнитных помех.