Тиристорный преобразователь частоты

Преобразователь частоты на логических элементах

Современные асинхронные двигатели управляются весьма сложно. Дело в том, что пуск мощного асинхронного двигателя сопряжен со значительными токовыми перегрузками. Мощный вращающий момент может вывести из строя подшипники и опоры, на которых установлены двигатели.

Резкое отключение двигателя может привести к перенапряжению и к серьезным электрическим авариям. Поэтому, на сегодняшний день наиболее перспективными системами управления двигателями являются частотные преобразователи. Путь, к которому шел частотный преобразователь к цифровому варианту, довольно сложен. В современных устройствах была проблема в том, чтобы выходные каскады были мощными. Не было мощных транзисторов. Сейчас появились IGBT транзисторы или мощные транзисторы с изолированным затвором.

Рассмотрим преобразование однофазной цепи в трехфазную.

Это структурная схема простейшего преобразователя. Он состоит из генератора тактовых импульсов, частотой которого можно управлять. Собран он на простейших логических элементах. Включенных в режим логических элементов нет. Три логических элемента. Конденсатор и резистор задают постоянную величину времени, то есть, частоту выдачи импульсов. Эти импульсы поступают на счетчик Джонсона, который является и счетчиком, и дешифратором, преобразующим выходной сигнал в сигнал с одним импульсом на выходе.

Предусмотрено так, что импульсы проходят последовательно. Для того, чтобы получить трехфазную систему, десятку импульсов разделили на последовательность до шести импульсов. При этом окончание седьмого импульса завершает работу счетчика, установку его в нулевое состояние. Импульс подает команду обнуления счетчика, отсчет начинается с нуля. Выходы этих элементов, в данном случае дешифратора, присоединены к трем элементам, которые являются коммутирующими. Эти коммутирующие элементы, которые управляют работой двухтактных транзисторных включений, составляют основу выхода.

На выходе появляется напряжение с частотой, которую мы зададим на этом генераторе. Тактовые импульсы поступают на счетчик Джонсона с дешифратором, запускают логические элементы. Если будет на входе единица, которая поступает на два мощных транзистора, включенных по схеме моста, то пары транзисторов осуществляют коммутацию направления тока в обмотке двигателя вправо и влево. В результате этого с ростом регулирования частоты вращения будет плавно увеличиваться частота переключения выходного напряжения в обмотке, что приведет к росту средней частоты в двигателе и росту числа его оборотов.

Если мы рассмотрим систему как полученную трехфазную систему переменного тока, то можем получить на выходе трехфазный переменный ток. Он будет прямоугольной формы. Чтобы получить импульсы, близкие к гармоническим колебаниям, необходимо применить L или C фильтры для получения полноценного сигнала. Если мы имеем дело с постоянным током, то данный преобразователь может получить из него трехфазный переменный ток. Поэтому наш частотный преобразователь, который питается постоянным током, может работать от однофазного выпрямителя.

В мощных приводах не подходят к применению транзисторы. Поэтому вместо них используют тиристорные частотники. На малой частоте вращения труднее удерживать момент, так как приводы с жесткими характеристиками. Привод насоса происходит по системе склеивания синуса. Выходная частота меньше 50 герц.

Тиристор в цепи переменного тока

При подключении к источнику переменного тока тиристор работает несколько иначе. Это связано с периодическим изменением полярности переменного напряжения.

Поэтому применение в схемах с питанием переменным напряжением автоматически будет приводить к состоянию обратного смещения перехода. То есть в течение половины каждого цикла прибор будет находиться в состоянии «отключено».

Для варианта с переменным напряжением схема тиристорного запуска аналогична схеме с питанием постоянным напряжением. Разница незначительная — отсутствие дополнительного переключателя КН2 и дополнение диода D1.

Благодаря диоду D1, предотвращается обратное смещение по отношению к управляющему электроду У. Положительным полупериодом синусоидальной формы сигнала устройство смещено прямо вперёд. Однако при выключенном переключателе КН1 к тиристору подводится нулевой ток затвора и прибор остается «выключенным».

В отрицательном полупериоде устройство получает обратное смещение и также останется «выключенным», независимо от состояния переключателя КН1.

YZ140EAA

Схема 3: КН1 — переключатель с фиксацией; D1 — диод любой под высокое напряжение; R1, R2 -резисторы постоянные 180 Ом и 1 кОм, Л1 — лампа накаливания 100 Вт

Если переключатель КН1 замкнуть, вначале каждого положительного полупериода полупроводник останется полностью «выключенным». Но в результате достижения достаточного положительного триггерного напряжения (возрастания тока управления) на электроде У, тиристор переключится в состояние «включено».

Фиксация состояния удержания остаётся стабильной при положительном полупериоде и автоматически сбрасывается, когда положительный полупериод заканчивается. Очевидный момент, учитывая падение тока анода ниже текущего значения.

На момент следующего отрицательного полупериода, устройство полностью «отключается» до прихода следующего положительного полупериода. Затем процесс вновь повторяется.

Получается, нагрузка имеет только половину доступной мощности источника питания. Тиристор действует как выпрямляющий диод и проводит переменный ток лишь во время положительных полуциклов, когда переход смещен вперед.

Управление половинной волной

Фазовое управление тиристором является наиболее распространенной формой управления мощностью переменного тока. Пример базовой схемы управления фазой показан ниже. Здесь напряжение затвора тиристора формируется цепочкой R1C1 через триггерный диод D1.

На момент положительного полупериода, когда переход смещен вперед, конденсатор C1 заряжается через резистор R1 от напряжения питания схемы. Управляющий электрод У активируются только тогда, когда уровень напряжения в точке «x» вызывает срабатывание диода D1.

Конденсатор C1 разряжается на управляющий электрод У, устанавливая прибор в состояние «включено». Длительность времени положительной половины цикла, когда открывается проводимость, контролируется постоянной времени цепочки R1C1, заданной переменным резистором R1.

ZP300A

Схема 4: КН1 — переключатель с фиксацией; R1 — переменный резистор 1 кОм; С1 — конденсатор 0,1 мкф; D1 — диод любой на высокое напряжение; Л1 — лампа накаливания 100 Вт; П — синусоида проводимости

Увеличение значения R1 приводит к задержке запускающего напряжения, подаваемого на тиристорный управляющий электрод, что, в свою очередь, вызывает отставание по времени проводимости устройства.

В результате доля полупериода, когда устройство проводит, может регулироваться в диапазоне 0 -180º. Это означает, что половинная мощность, рассеиваемая нагрузкой (лампой), поддаётся регулировке.

Существует масса способов достижения полноволнового управления тиристорами. Например, можно включить один полупроводник в схему диодного мостового выпрямителя. Этим методом легко преобразовать переменную составляющую в однонаправленный ток тиристора.

Однако более распространенным методом считается вариант использования двух тиристоров, соединенных инверсной параллелью. Самым практичным подходом видится применение одного симистора. Этот полупроводник допускает переход в обоих направлениях, что делает симисторы более пригодными для схем переключения переменного тока.

Схемы инвертора своими руками

Взяв за основу то, как строится схема и как управляется сам процесс инверторного преобразования, выделяют несколько видов аппаратов, которые являются самыми распространенными в использовании. Варианты полного моста и полумоста относятся к двум двухтактным схемам, а «косой» мост – к однотактной. Схема полного моста, которую называют двухтактной, работает с двухполярными импульсами. Они подаются на ключевые транзисторы (которые являются парными), а те запирают и открывают электрическую цепь.

Схема инвертора “косой” мост.

Полумостовая схема будет отличаться от предыдущего варианта тем, что потребление тока у нее повышенное. Как ключи выступают транзисторы, работающие по той же двухтактной модели. На каждый из них подается половина входного напряжения сети. Мощность инвертора, в сравнении по току с полным мостом, составляет половину значения. Подобная схема имеет свои преимущества в маломощных устройствах. К тому же можно использовать группу транзисторов, а не один очень мощный.

Последний вариант – «косой» мост. Это инверторы, которые работают по однотактному принципу. Тут вы будете иметь дело с однополярными импульсами. Одновременное открытие транзисторных ключей исключит возможность короткого замыкания. Но среди недостатков этой схемы выделяют подмагничивание магнитопровода трансформатора.

Посмотрите на одну из стандартных схем инвертора. Это конструкция по проекту Ю.Негуляева. Чтобы собрать такой аппарат в домашних условиях, потребуется ваше желание, готовность к работе и необходимая элементная база, которую вы сможете либо найти на радиорынке, либо выпаять из старой бытовой техники.

1.6 Расчёт защитных цепей тиристоров

Для защиты тиристорных преобразователей от коммутационных перенапряжений применяют RC цепочки, включенные параллельно тиристорам.

Расчет защитной емкости выполняется по формуле:

, мкФ (39)

где: -заряд обратного восстановления, мкКл;

Принимаем конденсатор фольговый металлизированный полипропиленовый серии К78-2, емкостью С=0,068 мкФ и номинальным напряжением 1000 В.

Расчет защитного сопротивления производится по формуле:

, Ом (40)

где: L-эквивалентное значение индуктивности преобразователя

(), Гн

С-защитная емкость, мкФ

По расчетам принимаем резистор марки ПЭВ-25, сопротивлением R=200 Ом, мощностью 25 Вт

Расшифровка маркировки резистора : ПЭВ-проволочные эмалированные влагостойкие.

Принцип работы и конструкция

Для преобразования нагрузки может использоваться тиристорный или транзисторный высоковольтный преобразователь на базе IGBT. Тиристорный частотный преобразователь (ТП, ТПР или ТПЧ) – это электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный, регулирования его уровня и прочих характеристик. С его помощью можно уравнивать различные параметры электрических редукторов: скорость вращения в момент пуска, угол и прочие.

Фото — тиристорный уравнитель

Тиристорный преобразователь применяется для двигателя постоянного тока (ДПТ) вместе с системой автоматического регулирования (FR A700 в Mitsubishi Electric, Siemens Simoreg DC Master, Omron Yaskawa). Он имеет очень широкую область применения благодаря своим достоинствам:

Высокий показатель КПД – до 95 % (к примеру, у модели ПН-500);
Широкий спектр контроля. Его можно использовать для двигателя с мощностью от десятых киловатта до нескольких мегакиловатт;
Способность выдерживать сильные импульсные нагрузки при включении электродвигателя в сеть;
Высокие показатели надежности и долговечности;
Точность в работе.

Но у такой системы есть определенные недостатки. В первую очередь – это низкий коэффициент мощности, который проявляется при глубоком регулировании производственных процессов. Компенсировать его можно при помощи дополнительных устройств. Кроме этого, мощный преобразователь вызывает помехи в электрической сети, что сказывается на работе чувствительного электро- и радиооборудования.

Конструкция:

Трансформатор или реактор;
Выпрямительные блоки;
Дополнительный реактор, сглаживающий преобразование;
Система защиты оборудования от перенапряжений.

Большинство современных преобразователей подключаются к трансформатору через реактор. Трансформатор в этой схеме является согласующим звеном между входящим и выходным напряжением, он уравновешивает разницу между ними. Помимо него, электросхема также включает в себя специальный сглаживающий реактор. Этот прибор необходим для нейтрализации определенных пульсаций, возникающих при выпрямлении и изменении типа тока. Но система не всегда включает в себя реактор, т. к. при достаточной индуктивности асинхронного двигателя в нем нет необходимости.

Агрегат пропускает через автономный инвертор (расположенный во входящем звене) первичную нагрузку. Они попадают в выпрямляющие блоки, установленные в выходном звене. Для подключения других индукционных потребителей используются специальные шины, которые помогают выравнивать питание в целой группе устройств.

Такой преобразователь бывает низкочастотный и высокочастотный. В зависимости от потребных частот и имеющихся параметров электричества подбирается нужная модель. Нужно отметить, что в станках, где используется трехфазный ток, применяется другой тип подключения. Однофазный переносит воздействия и преобразования, в то время как на преобразовании трехфазного тока теряется КПД.

Фото — преобразовательный пункт

Система используется в плавке металлов, сварочных работах, контроле кранового механизма и многих других производственных и технологических процессах. Применение такого принципа работы позволяет реализовать систему генератор-двигатель без использования генератора. Благодаря этому производится широкая регулировка частот вращения шпинделя даже на самых малых скоростях, настраиваются механические и другие характеристики электропривода и прочие параметры.

Общая классификация

Проведя исследование системы, предполагающей наличие тиристора, можно определить наиболее оптимальную схему включения. От выбранного типа запуска непосредственно зависит средний уровень напряжения, выдаваемого выпрямителем при условии отсутствия вмешательства со стороны оператора. В случаях, когда тиристор применяется для двигателя постоянного тока, используются два класса тиристорных преобразователей – мостовые и оснащенные выходом с нулевым значением.

Тиристорный преобразователь мостового типа, как правило, устанавливается в высокомощных системах. Это оптимально в силу того, что каждый такой тиристор может обладать меньшим уровнем 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 постоянную составляющую, что повышает стабильность работы при проходе электрического тока через преобразующие обмотки.

Еще одним отличием между разными классами тиристоров является количество фазовых выходов. Оборудование и приборы, имеющие малый уровень энергопотребления, требуют наличия у тиристора всего нескольких фаз. Если преобразователь спроектирован для работы в высоконагруженных комплексах, его конструкция может включать от 12 до 24 фазовых контактов.

Вне зависимости от выбранного типа активации и общей конструкции данная категория преобразователей напряжения будет иметь все преимущества использования тиристоров. Сюда входит полное отсутствие вращающихся деталей, которые ускоряют процесс износа и требуют периодической замены. Из этого вытекает другое преимущество – низкая инерционность. Главным отличием от простых электромеханических преобразователей электрического тока является компактность, что положительно влияет на совместимость с устройствами, где мало свободного места.

При всех своих преимуществах тиристорный преобразователь имеет ряд недочетов:

если настройка напряжения проводится в сторону снижения, выходная мощность начинает падать пропорционально уменьшению энергоснабжения;
при работе преобразователя создаются высшие гармоники, которые сразу попадают в сеть питания всей системы;
тиристор жестко связан с цепью подачи питания, из-за чего малейший скачок напряжения сразу отзывается в системе. Изменение характеристик подаваемого на двигатель тока создает толчок оси, скачкообразно меняя скорость ее вращения, а это в свою очередь вызывает всплеск тока.

Эксплуатационные показатели электродвигателя, который работает в связке с тиристорным преобразователем, напрямую зависят от уровня напряжения, которое подается на якорь. Также важную роль играет создаваемая приводом нагрузка.

1.3 Расчет параметров двигателя постоянного тока

ток трансформатор тиристор замыкание

Номинальная угловая скорость двигателя определяется по формуле:

,рад/с (1)

где: -номинальная частота вращения, об/мин

Номинальный ток двигателя определяется по формуле:

, (2)

где: — номинальная мощность ДПТ, Вт

— номинальное напряжение якоря, В

— коэффициент полезного действия, %

А.

Суммарное сопротивление цепи якоря:

(3)

где: — сопротивление цепи якоря, Ом

— добавочное сопротивление, Ом

Ом,

Номинальный магнитный поток двигателя определяется по формуле:

,Вс (4)

Вс,

Номинальный момент двигателя определяется по формуле:

, Нм (5)

Нм,

Номинальная ЭДС двигателя определяется по формуле:

, В (6)

В,

Постоянная времени якорной цепи определяется по формуле:

, с (7)

где: — индуктивность якорной цепи, Гн

с,

Постоянная времени обмотки возбуждения определяется по формуле:

, с (8)

с,

Определяем индуктивность обмотки возбуждения:

, Гн (9)

где: — активное сопротивление обмотки возбуждения.

Гн,

Определяем ток в обмотке возбуждения:

, А (10)

где: — напряжение обмотки возбуждения.

А,

Индуктивность цепи намагничивания двигателя определяется по формуле:

, Гн (11)

Гн,

2.5 Построение внешней характеристики Ud=f(Id)

Построение внешней характеристики с помошью моделирования системы в среде Matlab

В данном методе требуется, для фиксированных значений тока, определить электромагнитный момент () по формуле (5). Далее для каждого значения электромагнитного момента снять показания вольтметра и построить внешнюю характеристику. Момент изменять в схеме, собранной в среде Matlab.

Данные для построения внешней характеристики приведены в таблице 7.

Таблица 7- Данные для построения внешней характеристики

Id	0,15•Id	0,3•Id	0,45•Id	0,6•Id	0,75•Id	0,9•Id	Id	1,25•Id	1,5•Id
M	31,683	63,36	95,05	126,7	158,41	190,1	211,2	264	316,8
Ud	445	438,4	435,8	432,7	430,4	427,4	425,1	423	419,7	414,7

Внешняя характеристика представлена на рисунке 11.

Рисунок 11- Внешняя характеристика

Технические данные и стоимость

Характеристики частотников на тиристорах зависят от вида, опций.

ТПЧ

Значения	ТПЧ 320	800
Мощность, кВт	320	800
Наибольшая мощность, кВ-А	640	1250
Частота, герц	50	50
Входное напряжение, В	380	500
Величина наибольшего постоянного тока, А	630	1000
КПД, %	94	94
Выходное напряжение, В	800	1000

Преобразователь на тиристорах, работающий в условиях с влажностью и запыленностью (ЭПУ-1-1-3447Е УХЛ4).

Ток, А	25
Наибольший ток нагрузки, А	100
Входное напряжение, В	380

Тиристорные преобразователи объединяют в комплексы по выпрямлению. У одного уравнителя при неисправности ремонтируют полностью все оборудование или демонтируют. У выпрямительного комплекса заменяют только тот механизм, который вышел из строя. Эти системы применяются в станках. Стоимость оборудования тиристорного преобразователя АВВ DCS400 на 2020 г составляет в районе ста рублей.

Принцип действия и конструктивные особенности

Чтобы преобразовать нагрузку применяют тиристорный преобразователь цепей высокого напряжения на основе IGBT. Частотный преобразователь на тиристорах – это прибор преобразования тока, регулировки его параметров и уровня тока. Частотным преобразователем можно выровнять значения параметров приводов на электромоторах: угол, обороты вала при запуске и другие.

Схема тиристорного выравнивателя.

Для мотора постоянного тока используют преобразователь на тиристорах. Достоинства этого прибора позволили создать ему широкое применение. К преимуществам относятся:

КПД (95%) у марки ПН-500.
Область контроля: мотора от малых мощностей до мегаватт.
Может выдерживать значительные импульсы нагрузок запуска двигателя.
Долговечная и надежная эксплуатация.
Точность.

Недостатки имеются и у этой системы. Мощность находится на низшем уровне. Это проявляется при точном регулировании процесса производства. В качестве компенсации используют дополнительные устройства. Такой частотный преобразователь не может работать без помех. Это видно при эксплуатации чувствительных приборов электрооборудования и радиотехнических устройств.

Составные части:

Реактор в виде трансформатора.
Блоки выпрямления тока.
Реактор для сглаживания преобразования.
Перенапряжение не воздействует на защиту.

Преобразователи (2017 г) подключаются через реактор. Трансформатор служит для согласования звена напряжения выхода и входа, выравнивания между ними напряжения. Схема электрического соединения включает в себя реактор для сглаживания. Частотный преобразователь имеет схему, в которой есть сглаживающий реактор.

Частотник пропускает нагрузку. Нагрузка идет в блоки выпрямителя в выходное звено. Чтобы выровнять питание нескольких устройств подключают индукционные потребители на специальных шинах.

Преобразователи частоты бывают двух типов – высокочастотные и низкочастотные. Подбор нужной модели осуществляется по необходимым параметрам цепей электроэнергии. В 3-фазных станках тип подключения иной. 1-фазный ток переносит воздействия, но КПД теряется на преобразовании 3-фазного тока.

Система применяется в плавильном производстве, контроле подъемно-транспортных устройствах, сварочном производстве. Такой принцип работы нагрузки реализовывает систему двигателя с генератором. На наименьших оборотах двигателя происходит регулировка оборотов шпинделя в широком диапазоне, настройка разных характеристик привода мотора.

Принцип действия и конструктивные особенности

Схема тиристорного выравнивателя.

КПД (95%) у марки ПН-500.
Область контроля: мотора от малых мощностей до мегаватт.
Может выдерживать значительные импульсы нагрузок запуска двигателя.
Долговечная и надежная эксплуатация.
Точность.

Составные части:

Реактор в виде трансформатора.
Блоки выпрямления тока.
Реактор для сглаживания преобразования.
Перенапряжение не воздействует на защиту.

1.2 Обоснование выбора схемы выпрямителя

Для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока с помощью полупроводниковых вентилей, используют две основных схемы. Схема Ларионова и схема с нулевым выводом . Будем использовать первый вариант — схему Ларионова (Рисунок 1) т.к. трехфазная мостовая схема обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на , коэффициэнт передачи по напряжению равен 2,34.

Рисунок 1 — Схема трёхфазной мостовой схемы выпрямителя(Схема Ларионова).

К недостаткам схемы можно отнести:

1) увеличенное количество вентилей;

2) выпрямитель не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

1) низкий уровень пульсаций;

2) наименьшее обратное напряжение на тиристорах.