ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ НА ТИРИСТОРНЫХ КЛЮЧАХ

Тиристорный преобразователь частоты

Тиристоры – полупроводниковые элементы с односторонней проводимостью, переключения в режимы «открыт/заперт» осуществляется сигналом, подаваемым на управляющий контакт. На полупроводниковых элементах были построены первые преобразователи напряжения и частоты. Изобретение силовых транзисторов изменило сферы применения устройств. Тиристорные частототники с меньшей частотой коммутации стали применяться для металлургических печей с индукционным нагревом, на базе быстродействующих транзисторов стали производить преобразователи частоты для управления электродвигателями.

Однако, в ряде случаев использование тиристорных ключей в ПЧ для двигателей остается экономически и технически выгодным. Рассмотрим варианты схем частотников для электропривода на базе тиристоров, достоинства и недостатки устройств на таких элементах.

Преобразователи частоты с непосредственной связью

Одна из самых распространенных схем частотных преобразователей – циклоконверторы или устройства с непосредственной связью с электрической сетью. Электрооборудование построено на тиристорных ключах, включенных по перекрестным и нулевым, мостовым, встречно-параллельным схемам.Преобразователи частоты на тиристорных ключах

Частота вращения ротора изменяется регулировкой частоты тока или напряжения питания обмотки статора. Это достигается поочередным открыванием и запиранием полупроводниковых ключей, управляющим напряжением с блока управления. Такие преобразователи обладают следующими достоинствами:

  • Регулирование на низких скоростях без потери жесткости механических характеристик. Устройства позволяют получать выходное напряжение низкой частоты без уменьшения его величины. Таким образом, механические параметры двигателя остаются неизменными при низкой частоте вращения ротора.
  • Высоким коэффициентом полезного действия. Преобразование напряжения осуществляется однократно, в частотниках с непосредственной связью отсутствуют потери в звене постоянного тока.
  • Возврат электроэнергии в режиме торможения. Непосредственная гальваническая связь с электросетью обеспечивает рекуперации электричества в сеть при торможении двигателя в режиме генератора.
  • Возможность увеличения мощности привода без замены частотника. К преобразователям возможно подключать параллельно дополнительные ячейки.
  • Невысокая стоимость. За счет простоты схемы и относительно низкой цены элементов такие устройства стоят дешевле транзиторных ПЧ.

Несмотря на плюсы, тиристорные преобразователи такого типа имеют ряд серьезных недостатков. К ним относятся ограниченный диапазон регулирования частоты вращения ротора, форма напряжения на выходе «резаная синусоида», высокий уровень ЭМ помех. Частота выходного напряжения преобразователя может иметь только дискретные значения, таким образом, диапазон изменения частот существенно ограничен.

Искаженная форма выходного напряжения и высоко- низкочастотные составляющие негативно влияют на качество электричества и работу электродвигателя, в большинстве случаев приводы такого типа требует установки фильтров. Кроме того, при рекуперации требуется согласовывать передаваемую электроэнергию с параметрами сети.

Сфера применения тиристорных частотников с непосредственной связью – привод тяжелонагруженного, низкоскоростного и инерционного оборудования, механизмы, функционирующие в повторно-кратковременном режиме.

Тиристорные частотники с двойным преобразованием

Для приводов с высокой частотой вращения (при номинальной частоте напряжения на обмотках 50-60 Гц), а также при высоких требованиях к ЭМС, используют тиристорные преобразователи на базе инверторов тока или напряжения.

Схема устройств состоит из выпрямителя на тиристорах или диодах, емкостного или индуктивного звена постоянного тока, инвертора на тиристорных вентилях.

Звено постоянного тока в инверторах тока представляет собой элемент со значительной индуктивностью. Такие устройства:

  • Обеспечивают неизменную величину тока на выходе, независимо от частоты и нагрузки.
  • Могут применяться в режиме электродинамического торможения и возвращать генерируемую энергию в сеть.
  • Нечувствительны к коротким замыканиям на выходе.

Инверторы тока дешевле за счет небольшого количества силовых тиристоров. К их недостаткам относятся низкий коэффициент мощности, высокий уровень ЭМ помех, невозможность работы с отключенным электродвигателем и на несколько потребителей.tiristornye-preobrazovateli-chastoty-s-dvojnym-preobrazovaniem

В звене инвертора напряжения есть индуктивно-емкостной или емкостной элемент, поддерживающий постоянную величину напряжения на выходе независимо от частоты и нагрузки на валу двигателя. Частотные преобразователи на базе такой схемы позволяют задавать частоту в диапазоне от 0 до 1500 Гц, обеспечивают форму напряжения на выходе приближенную к синусоиде. К недостаткам устройств относятся значительная стоимость емкостного элемента, относительно высокие потери при двойном преобразовании, невозможность рекуперации электроэнергии в сеть.ТИРИСТОРНЫЕ ЧАСТОТНИКИ С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Тиристорные преобразователи частоты на базе двухмостовой схемы

Для управления высоковольтными приводами с электродвигателями с фазным ротором широко применяют тиристорные частотные преобразователи на базе двухмостовой схемы.

Устройство состоит:

  • Из сетевого моста, который включается в сеть через разделительный трансформатор.
  • Из роторного моста, подключенного к обмоткам вращающейся части.
  • Из блока управления.

Такая схема обеспечивает значительную экономию электроэнергии при пуске, возможность торможения в режиме генератора и отдачу электроэнергии в сеть при замедлении вращения вала. При изменении скорости вращения, ток циркулирует по цепи «обмотки ротора – преобразователь частоты – обмотки статора электродвигателя», практически не потребляя мощность из сети. Это позволяет не применять пусковые резисторы, а также возвращать часть электроэнергии в сеть при торможении.ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ НА БАЗЕ ДВУХМОСТОВОЙ СХЕМЫ

Управление скоростью вала и моментом осуществляется за счет регулирования частоты тока, подаваемого на обмотки ротора путем изменения угла отпирания и запирания полупроводниковых силовых элементов. При этом роторный мост работает как выпрямитель, сетевой – как преобразователь постоянного тока в переменный.

При торможении, мосты меняются местами, роторный начинает функционировать в режиме инвертора, а сетевой как выпрямитель. Двухмостовые тиристорные преобразователи частоты имеют ограниченный тормозной момент, при резком торможении значительно снижается коммутационная устойчивость силовых ключей. Для ее сохранения необходимо ограничить ток в обмотках ротора, что достигается только снижением тормозного момента.

При пуске и разгоне двигателя с высоким моментом на валу, коммутационную устойчивость сетевого моста можно обеспечить увеличением напряжения питания. Частотные преобразователи такого типа могут регулировать момент на валу в пределе до 200% от номинала.

Кроме регулирования частоты вращения вала и момента с датчиками обратной связи и без них, тиристорные частотники также обеспечивают изменение порядка чередования фаз для реверсирования электродвигателя, управления несколькими электрическими машинами с выравниванием нагрузки и механическим тормозом, перевод ротора в короткозамкнутый режим и обратно.

Устройства также можно применять для динамичного торможения с рекуперацией электроэнергии в сеть.

К недостаткам частотных преобразователей такого типа относится значительная реактивная мощность. Полная мощность электрической машины больше чем в 1,5 раза больше номинальной. Кроме того, такие электроприводы существенно искажают форму тока и являются источниками сильных электромагнитных помех. Для компенсации требуется установка дорогостоящих фильтров, увеличение сечения жил питающих силовых кабелей и мощности трансформатора.

Еще один недостаток – ограниченный пусковой момент. При его превышении возможен срыв инвертирования сетевого моста.

Электроприводы на базе двухмостовых тиристорных преобразователей рекомендуются для оборудования с невысокими требованиями к тормозному моменту, а также в установках, где недостатки устройств несущественны.

Заключение

По сравнению с транзисторными частотниками тиристорные устройства дешевле. За счет этого преобразователи быстрее окупаются. Кроме того, тиристоры гораздо надежнее транзисторных ключей. При прохождении тока в несколько раз больше номинального, IGBT транзисторы выходят из насыщения и необратимо повреждаются. Попытки решения этой проблемы параллельным включением транзисторов безуспешны, такое включение сильно снижает надежность схемы и увеличивает стоимость.

Ключи на тиристорах выдерживают большие токи без проблем.

К недостаткам тиристорных преобразователей частоты относятся:

  • Относительно невысокая скорость коммутации ключей. Оборудование не подходит для скоростных электродвигателей и приводов с высокоточным позиционированием.
  • Высокий уровень ЭМ помех. Требуется устанавливать фильтры подавления гармоник и защиту от наводок.

Преобразователи на быстродействующих полевых транзисторах с изолированным затвором и управляемых и неуправляемых тиристорах имеют свои достоинства и недостатки. Первые применяются в высокоточных приводах, системах с точным позиционированием, а также в условия повышенных требований к ЭМС.

Область применения устройств на тиристорах – технологическое оборудование, где главное требование надежность. Такие преобразователи используют в приводах инерционного оборудования, установок, работающих с частым торможением, реверсом и пуском, динамическим моментом, а также для управления двигателями выше 1000 В.

В смежных сферах применения выбор частотного преобразователя делается исходя из технического и экономического эффекта.