Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ)

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

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

Преобразователи частоты с непосредственной связью

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

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

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

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

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

Устройства такого типа также имеют недостатки:

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

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

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

Тиристорные преобразователи частоты с звеном постоянного тока

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

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

Различают 2 схемы двойного преобразования: инвестор тока или напряжения.

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

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

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

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

Таким образом, ПЧ двойного преобразования:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

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:

• Использование ТПН типа ПАД-8 (плавный пуск АД).
• Блоки, из которых состоит силовая часть ТПН-В построены на основе тиристорного модуля (ВТМ) высокого напряжения.
• Применение цифровой системы управления на основе однокристального микроконтроллера RISC.
• 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.
• 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:

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

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала