Что такое тиристорный преобразователь

Высокая эффективность тиристоров особенно заметно проявляется в электронных устройствах, выполняющих конвертирование переменного тока в постоянный (равно как и наоборот), а также изменение основных параметров переменного тока. Массивные объёмы шкафов, где размещаются тиристорные преобразователи, никого смущать не должны: сами схемы довольно компактны, но при работе выделяют значительное количество тепловой энергии. Поэтому между элементами схемы должны быть определённые расстояния, где избыточная энергия и рассеивается.

Классификация

Разработанные в начале ХХ века ртутные выпрямители отличались низким КПД и чувствительностью к ударным нагрузкам. Это обусловило их постепенную замену на тиристорные преобразователи (ТП), которые были разработаны и практически одновременно внедрены в СССР и в США.

В зависимости от конечного результата инвертирования тиристорный преобразователь может выполнять следующие функции:

• Превращать переменный ток в постоянный.
• Изменять частоту.
• Преобразовывать значение напряжения.

Все указанные параметры востребованы в промышленных силовых системах большой мощности, а также в тяговых устройствах подвижного состава электрифицированных железных дорог. Производятся также устройства комбинированного типа, позволяющие совмещать некоторые из вышеперечисленных возможностей.

Характеристики и конструктивные исполнения полупроводниковых устройств отечественного производства регламентированы ГОСТ 26284–84. Его действие распространяется на все типы соответствующей электронной техники.

Классификация ТП отечественного производства производится по следующим признакам:

• Функции агрегата — выпрямитель, инвертор, преобразователь (в том числе, многоканальный).
• Вид тока на входе электродвигателя — постоянный, переменный однофазный, переменный трёхфазный.
• Вид тока на выходе из устройства.
• Способ охлаждения — естественное и /или принудительное.
• Тип приборов, использующихся для преобразования.

Из эксплуатационных показателей тиристорных преобразователей нормируются следующие:

• Номинальное значение тока на выходе, А (кА, если характеристика устройства рассчитана на токи свыше 1000 А).
• Номинальное значение напряжения на выходе, В (кВ, если характеристика устройства рассчитана на напряжение 1000 В и более).
• Значение номинальной частоты, Гц.
• Модификационный код.
• Климатическое исполнение.

Соответствующие примеры маркировки приведены в ГОСТ 26284–84.

Особенности конструкции и принцип действия

Структурными элементами тиристорного преобразователя являются:

• Токоограничивающий реактор (трансформатор).
• Выпрямительный блок.
• Сглаживающий реактор (фильтр).
• Система управления.

Трансформатор (TV) играет роль сглаживающего звена между напряжением на входе и на выходе. Фильтр (Ф) нужен для нейтрализации пульсаций, присутствующих в преобразованном токе или напряжении. Ток после прохождения через трансформатор поступает в блок выпрямления (VS). Последний строится на тиристорах, функционирующих в режиме электронных ключей.

Тиристоры — это полууправляемые элементы. Они обычно представляют собой трехвыводные устройства, которые имеют четыре слоя чередующихся p-n-переходов из материала p-типа и n-типа, составляющих его основную секцию управления мощностью. Рассматриваемые устройства фактически являются идеальными замкнутыми или разомкнутыми переключателями для управления потоком мощности в цепи. Тиристоры способны оптимизировать внутренние потери мощности за счет скорости переключения.

Включить тиристор можно за счет подачи короткого импульса на управляющий вывод. Выключение происходит в результате приложения обратного напряжения или снижения коммутирующего тока до нулевого значения. Тиристоры в схеме выпрямителя работают попеременно. Их включение и выключение происходит в определенные моменты времени в зависимости от запрограммированного режима работы используемого оборудования. За это отвечает система управления. Данная система, кроме управления тиристорами, выполняет еще множество вспомогательных задач (защита, контроль, диагностика).

После блока выпрямления пульсирующее напряжение проходит через сглаживающий фильтр, задачей которого является устранение высокочастотных помех и выпрямление пульсаций напряжения. В результате напряжение на выходе из преобразователя приобретает форму из как бы вырезанных участков синусоиды входного напряжения, то есть, несинусоидальную «пилообразную» форму.

На данный момент наиболее широко применяется тиристорный преобразователь с выраженным звеном постоянного тока, состоящим из выпрямителя и емкостного фильтра. В таких устройствах используется двойное преобразование электроэнергии: синусоидальное входное напряжение с постоянной частотой и амплитудой выпрямляется в выпрямителе, проходит через фильтр, а затем в инверторе преобразуется в переменное напряжение с изменяемой частотой и амплитудой.

Силовые схемы преобразователей

Существует два исполнения силовых схем ТП: реверсивные и нереверсивные. В схемах первого типа используется две выпрямительных группы, а второго — одна. Нереверсивный тиристорный преобразователь обеспечивает одностороннее прохождение тока.

Для управления вентильными группами в реверсивном ТП используется совместный или раздельный способ. Совместное управление может быть еще согласованным и несогласованным. В первом случае включение тиристоров после поступления управляющего сигнала должно происходить так, чтобы на выходе и из выпрямительной группы, и из инверторной у напряжения было одинаковое среднее значение. При использовании несогласованного способа управления напряжение после выпрямительной группы будет меньше, чем после инверторной.

При использовании несогласованного управления существенно уменьшается диапазон углов регулирования. Это становится причиной снижения коэффициента мощности. Кроме того, искажаются линейные характеристики электропривода. Поэтому в основном применяется раздельное управление. Оно заключается в том, что управляющие сигналы отпирают исключительно ту группу тиристоров, которая должна функционировать в данный момент. На элементы не задействованной группы управляющие сигналы не поступают.

Изменение режима работы преобразователя осуществляется с помощью специального переключающего устройства. Когда значение тока становится нулевым, это устройство снимает управляющие сигналы с ранее задействованной группы и после небольшой паузы подает их на другую группу.

Одно- и трёхфазные тиристорные конвертеры

Такие типы ТП являются наиболее универсальными, поэтому широко применяются в производственной и транспортной практике.

Однофазный преобразователь

Используется при передаче сравнительно небольших силовых нагрузок. Однофазный преобразователь тока/частоты на тиристорах производит конвертирование переменного напряжения V_ном в постоянное напряжение V_ф на выходе. Поток мощности является двунаправленным между стороной переменного и постоянного тока. Работа схемы зависит от состояния источника переменного тока и угла открытия α двухимпульсного генератора. Индуктивностью источника для простоты пренебрегают.

Рассматривают три случая:

• α = 0°. Когда угол открытия тиристоров равен нулю, данная схема представляет собой обычный диодный выпрямитель с индуктивной нагрузкой.
• 0 ° < α < 90 °. Если угол открытия больше нуля, это означает, что тиристор имеет положительное напряжение блокировки. Это приводит к отрицательному напряжению при постоянном токе, а также к меньшему среднему напряжению нагрузки: V_ф= 0.9 V _ном  cos(α).
• 90° < α < 180°.Схема находится в режиме инвертора, при этом мощность передаётся от источника постоянного тока к потребителю переменного тока.

Влияние катушки индуктивности источника L_s и напряжения нагрузки V_ном проявляется в том, что, как и в случае с однофазным диодным выпрямителем, индуктивность источника L_s  меньше нуля. Это обеспечивает  некоторый интервал коммутации между парами тиристоров T₁/T ₂ и T₃ /T ₄. Такой интервал увеличивает угол открытия α и приводит к дальнейшему снижению среднего напряжения на нагрузке.

При увеличении напряжения нагрузки ток через дроссель уменьшается. Как и в случае преобразователей постоянного тока, схема начинает действовать в режиме прерывистой проводимости (если ток через L_d достигает нуля), и в режиме непрерывной проводимости — в противоположном варианте.

Трёхфазный преобразователь

Такие устройства характеризуются повышенной мощностью и, следовательно, возможностями. Чаще всего тиристорный преобразователь интегрируется в двигатель постоянного тока с целью управления его функциями.

Трёхфазные ТП либо воспринимают высокое напряжение и предотвращают протекание тока нагрузки, либо переключаются на низкое напряжение, открывая путь нагрузочному току.

Третья клемма таких устройств используется для подачи управляющего сигнала, который инициирует действие отключения. Эффективность трёхфазных ТП довольно высокая. Они способны блокировать напряжение в несколько сотен вольт при утечке в несколько миллиампер, либо проводить до 50 ампер при падении напряжения до 1.0 вольта.

Применение

Силовые электронные системы для двигателя постоянного тока (ДПТ) на тиристорных преобразователях обеспечивают максимальную эффективность мотора или сварочного инвертора. Они отличаются:

• Высокой надежностью.
• Доступной стоимостью.
• Малым весом.
• Компактностью.

Приложения делятся на два типа — статические и вращающиеся для управления электродвигателями. Первые применяются в оборудовании для  сварки, нагрева, охлаждения, при производстве гальванопокрытий. Вращающиеся ТП используются для регулировки мощности такого привода как нереверсивный ДПТ, а также электроприводов в компрессорах, насосах, конвейерах, системах кондиционирования.

Видео по теме