Тиристорные преобразователи частоты – устройства для пуска и регулирования скорости вращения электродвигателей переменного тока. Первые полупроводниковые преобразователи частоты с непосредственной связью с сетью были выполнены на базе тиристоров.
Устройства построены на базе схемы встречно-параллельного мостового инвертора. Напряжение из сети частотой 50 Гц преобразуется в переменное напряжение с заданной частотой и амплитудой. Частота на выходе преобразователя регулируется путем изменения управляющего напряжения, поочередно отпирающего и запирающего группы полупроводниковых вентилей.
Связь входной и выходной частоты устройства выражается формулой ; где mn – пульсность напряжения, n – число участков синусоид в полуволне выходного напряжения, и – входная и выходная частота соответственно. Из формулы видно, что частота на выходе устройства может принимать только дискретные значения, например, если mn = 6 при частоте f1 =50 Гц частота f2 равна 50; 37,5; 30; 25; 21,45; 18,75. Для обеспечения вращения ротора двигателя необходим сдвиг фаз на 1200 относительно друг друга, то есть диапазон частот преобразователя такой конструкции снижается еще больше.
Преобразователи частоты на тиристорах с непосредственной связью имеют относительно простую конструкцию и низкую стоимость. Устройства также имеет высокий к.п.д., потери мощности снижены за счет однократного преобразования напряжения. Мощность преобразователей можно масштабировать путем присоединение дополнительных тиристорных модулей. Устройство позволяет получать выходное низкочастотное напряжение без снижения амплитуды. Преобразователи обеспечивают стабильную работу электродвигателя на малых скоростях. Непосредственная гальваническая связь преобразователя с сетью позволяет возвращать электроэнергию в сеть при торможении двигателя в генераторном режиме.
К недостаткам тиристорной схемы с непосредственной связью относят:
- Несинусоидальную форму напряжения на выходе. Это вызывает нагрев обмоток, увеличение шума и вибраций при работе электродвигателя.
- Наличие гармонических помех на входе и выходе. Преобразователи частоты с непосредственной связью комплектуют фильтрами для подавления искажений, возникающих при неблагоприятном сочетании частот.
- Невозможность увеличения скорости. Устройства позволяют только снижать частоту вращения ротора.
Область применения тиристорных преобразователей – мощные тихоходные электроприводы с переменной нагрузкой, высоковольтное технологическое оборудование с частыми пусками, торможениями, реверсами и остановками.
Тиристорные преобразователи со звеном постоянного тока
Для приводов высокоскоростного оборудования, сетей с высоких требований к электромагнитной совместимости применяют устройства на базе схемы двойного преобразования. Напряжение сети поступает на выпрямитель, затем фильтруется на емкостном или индуктивном элементе. Далее на тиристорном инверторе преобразуется в переменное. Выходная частота регулируется отпирающими и запирающими импульсами, поступающими на управляющие контакты тиристоров.
Различают преобразователи частоты, построенные по схеме:
- Инвертора тока.
- Инвертора напряжения.
Устройства на базе инверторов тока содержат реактор с большой индуктивностью. Такие преобразователи имеют возможность рекуперации электроэнергии в сеть при электродинамическом торможении двигателя.
Амплитуда напряжения на входе и выходе таких устройств зависит от характера нагрузки. Устройства применяют для регулирования момента и скорости вращения двигателей, где важно поддерживать постоянную величину тока в обмотках. Преобразователи с инверторами тока дешевле за счет небольшого количества силовых элементов. Они не могут работать при отключенном электродвигателе. Кроме того, устройства создают помехи и имеют низкий коэффициент мощности. Для нормальной работы электропривода переменного тока требуется установка фильтров, обеспечивающих синусоидальную форму напряжения на выходе.
В звене постоянного тока инвертора напряжения содержится конденсатор, который поддерживает постоянную величину напряжения на выходе, не зависящую от нагрузки. Такие устройства не поддерживают режим рекуперации при торможении электродвигателя.
Главное преимущество тиристорного преобразователя частоты – близкая к синусоидальной форма выходного напряжения.
Особенности преобразователей, выполненных по каскадной схеме
Частотные преобразователи на тиристорах широко применяют в схемах управления асинхронными двигателями с фазным ротором. Изменения частоты вращения осуществляется за счет изменения частоты тока ротора двумя тиристорными преобразователями, последовательно включенными между обмотками ротора и статора.
Такая схема позволяет управлять скоростью и моментом, а также осуществлять:
- Реверсирование электродвигателей.
- Рекуперативное торможение привода.
- Изменение частоты вращения с обратной связью по скорости.
- Снижение пусковых токов.
- Управление нескольким двигателями.
Каскадные преобразователи частоты на базе тириторного инвертора тока применяют в высоковольтных электроприводах, работающих при постоянной и динамической нагрузке.
Топология силовой цепи
Силовая часть состоит из 2 тиристорных мостов, роторного и сетевого, согласующего транформатора . Цепи мостовых блоков постоянного тока подключены через высокоиндуктивный реактор. Вход сетевого моста подключается к обмоткам разделительного трансформатора, выход роторного тиристорного инвертора соединен с цепью обмотки фазного ротора электродвигателя. Такая топология обеспечивает двусторонний обмен электроэнергией между цепью обмотки вращающейся части двигателя и электросетью и осуществлять торможение в генераторном режиме с рекуперацией энергии.
Схема управления
Блок управления обеспечивает генерацию управляющих импульсов, отпирающих и запирающих полупроводниковые ключи в зависимости от запрограммированного режима и изменения технологических параметров.
Встроенные алгоритмы обеспечивают управление скоростью при постоянном или динамическом моменте на валу. Диапазон изменения частоты вращения составляет 1:50 без датчика скорости. К большинству каскадных преобразователей частоты можно подключать энкодеры и задавать режимы работы на сверхмалых скоростях.
Устройство также обеспечивает связь с датчиками и удаленным оборудованием верхнего уровня системы автоматизации через аналоговые, дискретные, релейные входы и выходы.
Принцип управления скоростью и моментом электродвигателя
Преобразователи частоты с управляемыми тиристорными мостами регулируют частоту вращения ротора от номинальной скорости до нуля, а также позволяют переходить в режим работы с короткозамкнутым ротором и обратно.
Изменение частоты достигается регулированием угла отпирания и запирания управляемых полупроводниковых элементов сетевого и роторного моста. Микропроцессорное устройство управления обеспечивает согласованную коммутацию электронных ключей, нужную частоту и фазность тока. При работе двигателя, сетевой мост работает в режиме выпрямителя, роторный функционирует в инверторном режиме.
При снижении скорости вращения и переходе на короткое время в генераторный режим, электрический ток, генерируемый в обмотках ротора, проходит через преобразователь и возвращается обратно в сеть. В таком режиме роторный мост становится выпрямителем, а сетевой работает как инвертор.
При торможении электрической машины, блок управления переключает фазы, электроэнергия через преобразователь передается на ротор. Это вызывает электродинамическое торможение двигателя.
Перегрузочная способность
Для стабильной работы электропривода при ограниченном времени разгона, с высокой нагрузкой на валу предусмотрена повышенная коммутационная устойчивость сетевого моста в инверторном режиме. Это достигается применением мощных быстродействующих тиристоров, способных выдержать кратковременные перегрузки по току.
В режиме торможения преобразователи имеют ограниченную перезагрузочную способность. Это связано с увеличением угла отпирания и запирания полупроводниковых элементов роторного моста в начале торможения при высокой частоте вращения ротора. Коммутационная устойчивость электронных ключей при этом снижается.
Область применения каскадных преобразователей ограничена временем торможения. Их нельзя использовать в приводе механизмов с невысоким временем торможения.
Реверсирование
Преобразователи частоты такой конструкции позволяют реализовать реверс электродвигателей. Порядок подключения фаз в этом случае задается с устройства управления или внешнего оборудования через аналоговые входы или по протоколам обмена данными.
Управление несколькими двигателями
Устройства позволяют управлять многодвигательными приводами механизмов и технологического оборудования. Устройство автоматически выравнивают загрузку на электрические машины при пуске и работе в устоявшемся режиме.
Заключение
Тиристоры устройства позволяют регулировать частоту вращения и момент, обеспечивают снижение потребления электроэнергии, облегчают условия пуска. Главные недостатки преобразователей этого типа – несинусоидальная форма напряжения и генерация паразитных гармоник в электросеть. Эта проблема решается установкой фильтров для подавления искажений тока и напряжения.
С появлением силовых транзисторов IGBT количество выпускаемых тиристорных преобразователей значительно сократилось. Транзисторные ключи имеет высокое быстродействие. Число коммутаций электронных ключей на базе этих полупроводниковых элементов за единицу времени значительно больше, чем тиристорных схем.
Однако, тиристорные преобразователи частоты по-прежнему широко используются в высоковольтных электроприводах для управления мощными двигателями. Это связано с высокой надежностью полупроводниковых элементов. Тиристор способен выдержать кратковременный ток, в несколько раз превышающий номинальную величину. Транзистор при этом выходит из режима насыщения и разрушается. Параллельное соединение транзисторов также не всегда оправдано, это значительно снижает надежность схемы и увеличивает цену преобразователя. Тиристорные устройства намного дешевле.
Преобразователи частоты на базе тиристорных схем используются при высоких требованиях к надежности и устойчивости к аварийным режимам.
