Классификация тиристорных преобразователей частоты

Недостатками данного способа регулирования можно считать большую сложность преобразовательного устройства, сравнительно высокую стоимость оборудования и др.

Однако в ряде случаев в приводах металлообрабатывающих и  деревообрабатывающих  станков,  электроверетен, вентиляторов аэродинамических труб частотное регулирование является  единственно  возможным.

Кроме описанных существуют другие способы регулирования частоты вращения двигателей: каскадные схемы включения, несимметричное включение статорных и роторных обмоток, изменение питающего напряжения двигателя с помощью магнитных усилителей и тиристоров и другие, которые имеют меньшее распространение по сравнению с описанными выше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Классификация тиристорных преобразователей частоты.

 

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

• Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
• Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и  недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 6.3), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах.

Рис.6.3. Преобразователь с непосредственной связью. 

Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется  из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.6.4. показан пример формирования выходного напряжения  для одной из фаз нагрузки.      На входе преобразователя действует трехфазное синусоидальное напряжение uа, uв, uс. Выходное напряжение uвых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия).  Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров. 

 

 

Рис.6.4. Формирование выходного напряжения для одной из фаз нагрузки.

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом. Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

• практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),
• способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,
• относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

 

 

 

 

 

 

 

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.5).

Рис.6.5. Преобразователь с явно выраженным звеном постоянного тока.

 

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью. Преобразователи частоты могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. В этом случае защита преобразователя частоты осуществляется быстродействующими предохранителями.

 

 

 

 

 

3.1 Принцип действия ТПЧ  и автономного инвертора.

 

 

 Автономные инверторы по принципу действия делятся на три типа: инверторы тока или апериодические, резонансные или колебательные, инверторы напряжения.

В инверторах тока вентили переключают постоянный ток, потребляемый от источника питания. Постоянство его обеспечивается дросселем большой величины. Выходной ток имеет прямоугольную форму.

В инверторах напряжения вентили переключают постоянное напряжение источника питания. Малое внутреннее сопротивление источника питания обеспечивается конденсатором большой величины. Напряжение на нагрузке имеет прямоугольную форму.

Резонансные инверторы, в зависимости от соотношения параметров и схемы, могут быть близки либо к инверторам тока, либо к инверторам напряжения. Выключение вентилей в них осуществляется благодаря колебательному характеру тока, которая обеспечивается последовательным резонансным LC-контуром, а нагрузка включается последовательно с ним, либо параллельно ему (или одному из реактивных элементов).

Рассмотрим подробнее принцип действия последовательного резонансного инвертора со встречными диодами.

В резонансных автономных инверторах выключение вентилей осуществляется благодаря колебательному характеру тока. Такой ток обеспечивается последовательным резонансным LC-контуром, а нагрузка включается либо последовательно с ним, либо параллельно, либо параллельно одному из реактивных элементов.

Резонансные инверторы применяют при частотах выше 1-2 кГц. Скорость нарастания тока в таких инверторах относительно небольшая, что облегчает условия работы вентилей.

Резонансным инверторам свойственен недостаток, заключающийся в том, что напряжения на элементах могут во много раз превышать напряжение питания. Одним из способов ограничения напряжения на элементах является включение обратных или встречных диодов, с помощью которых накопленная на этапе проводимости тиристоров в конденсаторе Ск энергия возвращается либо в источник питания, либо в другой накопитель энергии.

При работе инвертора возможны перегрузки по напряжению, что заставляет выбирать тиристоры на высокое напряжение с большим запасом. С повышением класса тиристора его цена растет притом же допустимом действующем значении тока. Поэтому были предложены многочисленные модернизации схем инверторов для снижения напряжения на элементах этих схем. К их числу относят схемы инверторов с диодами встречного тока, в которых предусмотрено встречно-параллельное включение каждого тиристора и диода.

Когда ток протекает через тиристоры, источник питания отдает энергию нагрузке, a на интервалах проводимости диодов часть реактивной энергии возвращается в источник постоянного тока.

В течение интервалов - и - выключенного состояния тиристоров к ним не прикладывается большого обратного напряжения, что вызывает увеличение времени восстановления управляемости тиристоров. Обратное напряжение, появляющееся на тиристорах в интервалах и, равно падению напряжения на открытых диодах. Поэтому в таких схемах необходимы тиристоры с весьма малым временем восстановления рапирающих свойств.

 

 

 

 

3.2 Новое поколение тиристорных преобразователей частоты серии ТПЧ

 

Преобразователи частоты тиристорные серии ТПЧ предназначены для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в переменный ток средней частоты для питания индукционных плавильных печей, индукционных нагревательных и закалочных установок.

Основное преимущество использования тиристорных преобразователей частоты в качестве источников питания среднечастотных установок индукционного нагрева и плавки состоит в том, что за счет высокого коэффициента полезного действия и отсутствия потерь холостого хода на 10-15% снижается расход электроэнергии, потребляемой от питающей сети, по сравнению с использованием электромашинных преобразователей частоты. Снижаются также эксплуатационные расходы, меньше время восстановления работоспособного состояния. Большие преимущества ТПЧ в их регулировочных свойствах. Регулирование выходных параметров и мощ-ности осуществляется без переключения в силовых цепях, что позволяет обходиться без громоздких коммутирующих устройств.

СТРУКТУРА УСЛОВНОГО ОБОЗНАЧЕНИЯ

ТПЧ - Х - 0,5 / Х - Х - 3 - Х - 4

Т - тиристорный; 
П - преобразователь; 
Ч - частоты; 
Х - номинальная мощность при работе ТПЧ на номинальной частоте, кВт; 
0,5 - номинальная выходная частота, кГц; 
Х - базовая выходная мощность при наибольшей выходной частоте, кВт; 
Х - наибольшая выходная частота (из ряда 1; 2,4; 4), кГц; 
3 - модификация; 
Х - климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69;

УХЛ - для внутренних и экспортных поставок в страны с умеренным климатом,

О - для поставок на экспорт в страны с тропическим климатом;

4 - категория размещения  по ГОСТ 15150-69.

 

 

 

1. Автоматический  выключатель предназначен для  подачи дистанционного снятия  силового питающего напряжения, для осуществления защиты от перегрузки и токов короткого замыкания, а также от снижения питающего напряжения.

В ТПЧ используются токоограничивающие выключатели с электромагнитным независимым расцепителем.

Высокое быстродействие выключателей (не более 40 μs в зоне токов короткого замыкания) позволило исключить из силовой схемы ТПЧ плавкие предохранители.

2. Выпрямитель предназначен  для преобразования переменного  напряжения силовой сети в  регулируемое постоянное напряжение, для обеспечения оперативного  управления электрическими параметрами ТПЧ (совместно с инвертором) и для осуществления быстродействующей бесконтактной защиты ТПЧ при перегрузках и коротком замыкании.

Выпрямитель собран по схеме трехфазного симметричного управляемого моста. Эта схема при достаточной простоте обеспечивает (в номинальном режиме ТПЧ, α= 0) низкий уровень высших гармоний в кривых выходного напряжения и потребляемого тока, хорошее использование питающего трансформатора и тиристоров, симметричную нагрузку фаз питающей сети, меньший уровень перенапряжений на тиристорах самого выпрямителя.

В каждом плече выпрямителя установлен только один тиристор. При количестве параллельных тиристоров, равном единице, защита тиристора плавким предохранителем неосуществима, так как тепловой эквивалент полного отключения предохранителя превышает значение допустимого теплового эквивалента тиристора.

В ТПЧ реализована бесконтактная защита. Как при нормальном, так и при аварийном выключении ТПЧ выпрямитель переводится в инверторный режим путем подачи управляющих импульсов при α=120 , а затем через время достаточное для спадания тока тиристоров до нулевого значения, производится снятие импульсов управления.

3. Реактор предназначен  для создания режима непрерывного  тока, необходимого для работы  инвертора тока, сглаживания выпрямленного тока. А также препятствует проникновению в инвертор переменных составляющих тока, вызванных пульсацией выпрямленного напряжения, и в питающую сеть высокочастотных составляющих тока, возбужденных работой инвертора. Ограничивает скорость нарастания тока короткого замыкания при опрокидывании инвертора.

4. Инвертор предназначен  для преобразования постоянного  тока в однофазный переменный  ток повышенной частоты и для  регулирования выходных параметров  ТПЧ (совместно с выпрямителем).

 

 

Инвертор выполнен по однофазной мостовой схеме инвертора тока. Защита инвертора осуществляется двухстадийно - сначала бесконтактно, выпрямителем, а затем автоматическим выключателем. Инвертор работает в режиме автономного самовозбуждающегося инвертора, следовательно, выходная частота ТПЧ определяется характеристиками (резонансной частотой цепей) нагрузки, т.е. не может быть изменена в широких пределах посредством системы управления.Для увеличения выходной частоты необходимо (при параллельной схеме подключения конденсатов к приемнику энергии) уменьшить емкость конденсатора и, наоборот, для снижения частоты следует увеличить емкость.

5. Пусковое устройство  предназначено для запуска ТПЧ  посредством осуществления ударного  заряда конденсатора нагрузки  и возбуждения в контуре нагрузки синусоидальных затухающих колебаний. ТПЧ построен по схеме двухзвенного преобразователя частоты, выпрямитель преобразует переменное трехфазное напряжения силовой сети в регулируемое постоянное напряжение, далее реактор сглаживает напряжение, а инвертор преобразовывает постоянное напряжение в однофазный переменный ток повышенной частоты (частотой от 500 гц до 10000 гц.). ТПЧ допускают работу в повторно-кратковременном режиме при частоте включений не более 10 в минуту, длительности отключенного состояния не менее 1 с и длительности цикла вкл. / откл. не менее 6 с. ТПЧ допускает изменения параметров нагрузки (сброс-наброс нагрузки) монотонно, но не менее чем за 0,5 с из любого допустимого состояния, соответствующее изменению выходного тока на 50 % от ранее установленного значения. Также допускается скачкообразное изменение уставки задания выходного напряжения в допустимых пределах. Работоспособность ТПЧ гарантируется при выходной мощности не менее 2 % от номинальной. В ТПЧ предусмотрена возможность подключения двух видов внешних блокировок, действующих: