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.

Частотный тиристорный преобразователь – подробное описание ТПЧ

Для выпрямления переменного тока используются спецустройства. Тиристорный преобразователь частоты в 2017 году служит во многих областях производства для регулировки выходного напряжения и различных параметров линии питания.

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.

1. Реактор в виде трансформатора.
2. Блоки выпрямления тока.
3. Реактор для сглаживания преобразования.
4. 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.

Разработка

Схема электрических соединений тиристорного преобразователя частоты и двигателя бесступенчатого переключения состоит из двух видов:

Принцип действия нагрузки. Схема 3-фазного частотника

На схеме изображена электроэнергия эксплуатации частотника. Подобную диаграмму делают для мостовой схемы. Она чаще применяется при конструировании частотника для нагрузки оборудования и станков. Напряжение фазы в схеме увеличено.

Схема с одной фазой применяется для линии питания, эксплуатации механизма с большим сопротивлением индуктивности. Она действует в интервале мощности 10 – 20 кВт, редко при значительных мощностях. Для электропечи или станка в быту применяется такую схему:

Схема цепей с тремя фазами используется для механизмов на 20 кВт, моторов синхронных, экскаваторов и кранов. Популярной схемой с несколькими фазами 6-фазная схема. Она предусматривает применение уравнителя малого потенциала и большого тока. Прибор с током проводит и изменяет электроэнергию параллельно, в отличие от многих подобных устройств. Сделать его трудно, однако надежность у него больше, чем на тиристорах с одной фазой. Этот контроллер с реверсом имеет негативную сторону – КПД у него составляет меньше 70%.

Свой тиристорный преобразователь частоты изготовить, возможно, в зависимости от основы применения. На рисунке показана схема на базе Micro-Cap 9. Основным достоинством является необходимость в нагрузке нескольких узлов совместно.

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах инвертора

Технические данные и стоимость

Характеристики частотников на тиристорах зависят от вида, опций.

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

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 2017 г составляет в районе ста рублей.

Самодельный преобразователь частоты на тиристорах

Я взял двигатель асинхронного типа мощностью 2 кВт. Все собирал самостоятельно. Нужно было получить из сети в 220 вольт три фазы для управления электродвигателем. Нужно было управлять оборотами двигателя, не получать скачков выходного напряжения.

Посмотрев информацию в Интернете, нашел схемы различного рода. Предлагается очень много разных вариантов. Я остановился именно на этой схеме, так как его мощность до 4 кВт, функции защиты работают нормально.

Я взял корпус от системного блока компьютера и вмонтировал в него все детали. Можно было сэкономить, и сделать по-другому, но у меня уже был этот шкаф. Блок питания я покупал отдельно.

Хотя можно было собрать схему блока питания самому. Ни с кем не советовался и сам начал собирать. Собрал набор конденсаторов с реле, диодный мост с полевыми транзисторами. Установил вентилятор охлаждения на случай, если будет двигатель нагрузки 4 кВт, и будет нагреваться. При двигателях 2-3 кВт преобразователь работает нормально, никаких проблем с нагревом нет. Я решил сделать так, чтобы вентилятор не работал постоянно, так как он будет засасывать в шкаф пыль, потом его надо будет чистить. Решил сделать так, чтобы кулер включался и выключался при определенных температурах.

Для этого я сделал небольшую плату регулировки с реле, хотя можно тоже ее купить. За полдня собрал эту плату из имеющихся деталей. В шкафу имеется шунт, который настроен для двигателя 4 кВт. Если будет перегрузка по току, то двигатель выключится. Плата преобразователя сделана на микроконтроллере. Если поменять контроллер и поставить кварц на 20 мГц и два конденсатора в обвязке кварца, то можно поменять прошивку, вынести на панель корпуса монитор, ручку регулятора оборотов. При работе можно будет изменять частоту.

Но я делать этого не стал, так как нужны были дополнительные деньги. Этот частотник мне обошелся около трех тысяч рублей, это на 2017 год. Заводской преобразователь на тиристорах такого же класса, пусть даже в меньшем корпусе обошелся бы около 7-10 тысяч рублей. Это зависит от бренда изготовителя.

Такой частотный преобразователь можно применять на станках с ЧПУ на шпиндель, вывести контроль на пульт управления. Проверим, как он работает. Включаем старт, двигатель плавно включился и работает. Выключаем его, затем включаем реверс и повторяем операции. Все работает нормально.

Недавно купил выпрямитель за 1000 рублей. Это недорого для тиристорного выпрямителя. Такие диоды приходится заказывать из других регионов. Если управляющий электрод замкнуть на анод, то он превращается в диод. Если убираем, то превращается в тиристор. Если к проводам припаять плату управления, то им можно управлять. Получается тиристорный выпрямитель. Я поставил его на сварочный аппарат. На ручную дуговую сварку не стоит ставить тиристорный выпрямитель, так как при сварке большие пульсации, сварочный шов получается плохого качества. Для полуавтомата тиристоры подойдут, там пульсации не важны.

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.

Тиристорные преобразователи ТПЧ – 320 2,4

Преобразователи частоты ТПЧ-320-2,4 служат для регулирования частоты и изменения 3-фазного тока в среднюю частоту. Мощность по номиналу этого прибора 320 кВт, частота 2,4 кГц. В заводских условиях эти частотники применяют для линии питания колебаний печей.

Технические данные тиристорного частотника ТПЧ 320 2,4

Цифровая система микропроцессоров управления ТПЧ 320

Микропроцессорные системы управления ТПЧ 320 регулируют, защищают и диагностируют. Она сформирована на плате с микросхемами и экраном через кабели. Эта система дает гарантию надежной работы, защищает от помех.

Каждому вентилю передается импульс. Информация выдается на экран панели. Можно получить информацию от механизмов цепи. Система управления обрабатывает много данных, передающихся по связи. Это такие данные:

• Мощность.
• Частота.
• Вес загрузки.
• Вес расплавленного металла.
• Время.

Комплектность шкафа ТПЧ 320:

• Выпрямитель.
• Система выравнивания мощности.
• Дроссель сглаживания.
• Диагностика.
• Контроль температуры.
• Контроль охлаждения.
• Блокировка дверей.
• Защита, перезапуск частотника при отключении линии питания.