Тиристорный преобразователь

Определение величины преобразуемой мощности

С чего нужно начинать расчет? Самым главным параметром любого источника питания является мощность. Именно от нее напрямую зависят все остальные параметры преобразователя, в том числе масса, габариты и стоимость. В данном случае выходную мощность РВЫХ можно легко определить как сумму мощностей обоих каналов:

(1)

где РВЫХ1, РВЫХ2 – соответственно, выходная мощность первого и второго канала.

Однако на самом деле на массу, габариты и стоимость ключевое влияние оказывает не выходная, а преобразуемая мощность РПМ – скорость передачи энергии через магнитные или электрические поля элементов, изменяющих параметры электрической энергии. В нашем примере это процесс происходит в дросселе L1, поэтому именно от его режима работы зависят все остальные параметры схемы.

В общем случае, величина преобразуемой мощности может быть меньше мощности преобразователя. Это связано с тем, что за счет особенностей схемотехники силовой части часть энергии поступает в нагрузку непосредственно из источника первичного питания (с входа преобразователя), минуя магнитное поле дросселя. Этот вопрос подробно рассмотрен в [], где и получены формулы, позволяющие рассчитать величину РПМ для четырех наиболее распространенных («базовых») схем:

Тиристорный преобразователь

(2)

где UВХ, UВЫХ – соответственно, напряжение на входе и выходе преобразователя.

Наша схема, на первый взгляд, не является ни одной из «базовых», однако посмотрим на нее внимательно. Если мысленно убрать из нее все элементы, относящиеся ко второму каналу преобразования (обмотку W2, VD1, C3), то останется классический повышающий преобразователь, а если убрать элементы первого канала (VD2, C2) – то обратноходовой (Рисунок 3).

Тиристорный преобразователь

Рисунок 3. Разделение схемы (Рисунок 1) на элементарные «базовые» преобразователи.

Для первого канала (повышающая схема) преобразуемая мощность РПМ1 зависит от соотношения напряжений на входе и выходе, причем, чем больше разница напряжений, тем больше РПМ1. Определим эту величину для худшего случая – при минимальном входном напряжении UВХ_MIN:

(3)

Во втором канале (обратноходовая схема) вся энергия проходит через магнитное поле дросселя, поэтому преобразуемая мощность РПМ2 не зависит от соотношения напряжений на входе и выходе:

(4)

Магнитопровод дросселя L1 является общим для двух каналов, поэтому, используя принцип суперпозиции, суммарную преобразуемую мощность РПМ можно представить в виде суммы преобразуемых мощностей первого и второго каналов:

(5)

Сравнивая результаты расчетов по формулам (1) и (5), видим, что РПМВЫХ. Недостающие 4 Вт за счет электрической связи поступают в нагрузку первого канала напрямую с входа без каких-либо преобразований. Это позволяет сделать нашу схему почти на 17% меньше и легче, чем в случае включения обоих каналов по обратноходовой схеме (Рисунок 2б). Кстати, если у читателя есть желание попрактиковаться в расчетах преобразуемой мощности, то на Рисунке 2 приведены результаты расчетов РПМ, для всех индуктивных компонентов, которые можно использовать для самопроверки.

Конкретные способы тиристорного управления

Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.

Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.

Фазовый.

Тиристорный преобразователь

Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.

Фазово-импульсный.

Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.

Управление электродвигателем при помощи тиристора

Механизмы тиристорного контроля работы электромоторов работают по принципу регулировки уровня напряжения, подаваемого на якорь и сохраняющего постоянную частоту. С помощью этого меняется скорость вращения двигателя. Как правило, реализация такого комплекса производится через многофазное выпрямление электрического тока.

Типовая конструкция тиристорной системы управления включает в себя три таких узла, каждый из который последовательно подключен к якорю электродвигателя и вторичной обмоткой трансформаторной установки. При этом электродвижущая сила, генерируемая на последних, имеет сдвинутую фазу. Чтобы это компенсировать, в процессе настройки угла открытия тиристора на якорный комплекс мотора подается несколько пусковых импульсов, которые также смещены по фазе относительно друг друга.

В этой схеме якорь двигателя может получать как переменный, так и постоянный ток. Это зависит от того, насколько широко открыт тиристор в момент активации. Если необходимо включить многофазный реверсивный комплекс, конструкция будет включать в себя два тиристорных массива, промаркированных Т1-3 и Т4-6 соответственно. Изменение направления подачи напряжения происходит путем задействования одного из массивов, в результате чего якорь электродвигателя будет вращаться в ту или иную сторону.

В качестве альтернативного способа реверса мотора создана схема изменения направления движения электрических импульсов в обмотке возбуждения

Принцип действия будет несколько отличаться; также стоит принимать во внимание снижение коэффициента полезного действия. Это обеспечивает совместимость с двигателями, работающими в ограниченном диапазоне мощности, так как обмотки возбуждения имеют повышенный уровень индуктивности

Популярные статьи  Пожарный извещатель: назначение, устройство, принцип действия, виды

В этом заключается их отличие от якорных обмоток, где этот показатель значительно ниже. Чаще всего такие приводы используются для приведения в действие станков для резки металла.

При помощи дополнительного массива тиристоров оператор электропривода может использовать торможение ротора, осуществив это также при помощи изменения направления электрической энергии. Помимо этого, тиристоры позволяют запускать и останавливать вращение ротора и ограничить интенсивность стартового импульса, который используется также для торможения. Благодаря этому отсутствует необходимость внедрения в электроцепь контакторов и реостатных устройств, регулирующих напряжение цепи в ручном режиме.

Применение тиристорного привода регулировки работы двигателя в сети постоянного тока может привести отсутствии выгоды интеграции силовых трансформаторных установок. Причина заключается в существенном увеличении габаритных размеров оборудования, управляемого по такому принципу. Кроме того, увеличивается итоговая стоимость комплектации, сборки и монтажа привода. Поэтому для оптимизации расходов и экономии свободного места часто применяется упрощенная схема.

Типы сварочных аппаратов

Современный рынок наполнен достаточно большим разнообразием сварочных аппаратов, но далеко не все целесообразно собирать своими руками.

В зависимости от рабочих параметров устройств различают такие виды устройств:

  • на переменном токе – выдающие переменное напряжение от силового трансформатора напрямую к сварочным электродам;
  • на постоянном токе – выдающие постоянное напряжение на выходе сварочного трансформатора;
  • трехфазные – подключаемые к трехфазной сети;
  • инверторные аппараты – выдающие импульсный ток в рабочую область.

Первый вариант сварочного агрегата наиболее простой, для второго понадобиться доработать классическое трансформаторное устройство выпрямительным блоком и сглаживающим фильтром. Трехфазные сварочные аппараты используются в промышленности, поэтому рассматривать изготовление таких устройств для бытовых нужд мы не будем. Инверторный или импульсный трансформатор довольно сложное устройство, поэтому чтобы собрать самодельный инвертор вы должны уметь читать схемы и иметь базовые навыки сборки электронных плат. Так как базой для создания сварочного оборудования является понижающий трансформатор, рассмотрим порядок изготовления от наиболее простого, к более сложному.

На переменном токе

По такому принципу работают классические сварочные аппараты: напряжение с первичной обмотки 220 В понижается до 50 – 60 В на вторичной и подается на сварочный электрод с заготовкой.

Перед тем, как приступить к изготовлению, подберите все необходимые элементы:

  • Магнитопровод – более выгодными считаются наборные сердечники с толщиной листа 0,35 – 0,5мм, так как они обеспечивают наименьшие потери в железе сварочного аппарата. Лучше использовать готовый сердечник из трансформаторной стали, так как плотность прилегания пластин играет основополагающую роль в работе магнитопровода.
  • Провод для намотки катушек – сечение проводов выбирается в зависимости от величины, протекающих в них токов.
  • Изоляционные материалы – основное требование, как к листовым диэлектрикам, так и к родному покрытию проводов – устойчивость к высоким температурам. Иначе изоляция сварочного полуавтомата или трансформатора расплавится и возникнет короткое замыкание, что приведет к поломке аппарата.

Наиболее выгодным вариантом является сборка агрегата из заводского трансформатора, в котором вам подходит и магнитопровод, и первичная обмотка. Но, если подходящего устройства под рукой нет, придется изготовить его самостоятельно. С принципом изготовления, определения сечения и других параметров самодельного трансформатора вы можете ознакомиться в соответствующей статье: https://www.asutpp.ru/transformator-svoimi-rukami.html.

В данном примере мы рассмотрим вариант изготовления сварочного аппарата из блока питания микроволновки. Следует отметить, что трансформаторная сварка должна обладать достаточной мощностью, для наших целей подойдет сварочный аппарат хотя бы на 4 – 5кВт. А так как один трансформатор для микроволновки имеет только 1 – 1,2 кВт, для создания аппарата мы будем использовать два трансформатора.

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

Тиристорный преобразовательВ последнее время они стали очень популярны, так как на их изготовление, а в частности, производство трансформаторов, нужно тратить немалые средства, ведь обмотка их выполняется из цветного металла, цена на который постоянно растёт. Основное преимущество таких преобразователей это, конечно же, цена. Среди отрицательных сторон есть одно существенно отличающее его от трансформаторных блоков питания и преобразователей. В результате пробоя одного или нескольких полупроводниковых приборов, вся выходная энергия может попасть на клеммы потребителя, а это обязательно выведет его из строя. Вот простейший преобразователь переменного напряжения в постоянное. Роль регулирующего элемента играет тиристор.

Проще обстоят дела с преобразователями, в которых отсутствуют трансформаторы, но работающие на основе и в режиме повышающего напряжение аппарата. Здесь даже при выходе одного элемента или нескольких на нагрузке не появится опасной губительной энергии.Тиристорный преобразователь

4.3.Описание силовой части схемы

При управлении двигателями постоянного тока  плавное регулирование скорости достигается за счет изменения напряжения питания цепи якоря или обмотки возбуждения. В режиме торможения энергия вращающихся частей отдается в сеть. Регулировка напряжения производится за счет угла задержки отпирания а тиристоров тиристорного преобразователя постоянного тока ТП. В режиме пуска идет набор двигателем скорости, а следовательно, повышение напряжения. Пусковой ток в несколько раз больше статического. Поэтому при пуске а @ p/2 для уменьшения тока. По мере пуска ток снижается, а напряжение на двигателе увеличивается. Когда ток уменьшится до какого-то минимального значения, двигатель набирает необходимую скорость и угол а устанавливается в статическое положение @ p/3. Установку угла управления осуществляют за счет контроля тока при помощи цепей обратной связи. При выходе на номинальную характеристику, соответствующую углу амин , двигатель вращается с номинальной скоростью и развивает номинальный момент.

В режиме торможения задается угол управления b, который переводит двигатель на соответствующую характеристику преобразователя, что и  приводит к торможению двигателя. Углы b также, как и а задаются так, чтобы работа ТП была в токовом коридоре.

В данном курсовом проекте рассматривается схема реверсивного ТП с раздельной системой управления. Реверс выпрямленного напряжения осуществляется за счет двух антипараллельных трехфазных мостовых комплектов тиристоров. В каждый момент времени работает только один комплект (выпрямительный или инверторный). Переключение между комплектами производится с помощью логики в СУ.

Популярные статьи  Где возникает межфазное замыкание и его причины

Система управления формирует сдвоенные импульсы управления тиристорами для обеспечения работы схемы в зоне прерывистых токов.

Библиографический список

1.Григорьев О.П. и др. Тиристоры. Справочник. – М. Радио и связь.1990.

2.Зимин Е. Н. и др. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. – М.: Энергия, 1981.

3.Перельмутер В. М. и др. Системы управления тиристорными ЭП постоянного тока. – М.: Энергия, 1987.

4.Чебовский О. Г. и др. Силовые полупроводниковые преобразователи: справочник / Чебовский О. Г., Моисеев А. Г. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.: ил.

5.Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники: учебное пособие / Руденко В. С., Сенько В. И., Чиженко И.М. – М.: Высшая школа, 1980. – 430 с.: ил.

Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей

ТПН (тиристорный преобразователь напряжения) успешно применяется для низковольтных до 1000 кВ двигателей и для высоковольтных электрических машин с напряжением от 3,6 до 10 кВ. Широкое распространение таких машин является следствием их энергоемкости. Их мощность соразмерна с мощностью некоторых трансформаторных подстанций, поэтому устройства плавного пуска с использованием тиристоров

весьма важное решение

Рис. №2. Функциональная схема ПАД-В

Создание тиристорных преобразователей реализуется на базе концепции, главные аспекты которой – это:

  • Использование ТПН типа ПАД-8 (плавный пуск АД).
  • Блоки, из которых состоит силовая часть ТПН-В построены на основе тиристорного модуля (ВТМ) высокого напряжения.
  • Применение цифровой системы управления на основе однокристального микроконтроллера RISC.
  • Информационная часть состоит из специальных высоковольтных датчиков, которые реализуют качественное и точное измерение, кодирование сигнала и его передачу в системный контроллер по оптико-волоконному кабелю.
  • Для формирования тока и напряжения высоковольтного двигателя применяется оригинальный алгоритм от преобразователя ПАД-В.

Рис. №3. Высоковольтный тиристорный модуль ВТМ.

Модуль состоит из двух встречно-параллельных тиристоров, оборудованных охладителями, выравнивающими резистором R2, оптоуправляемыми моделями, формирователями тиристорных импульсов (ФИ). Дополнят конструкцию: датчики напряжения, температуры и синхронизации с оптическим выходом.

Условие равной мощности автономных инверторов

Из изображенных на рис. 1 установках для индукционного нагрева металлов обычно применяются первая и третья схемы. Полумостовая схема автономного инвертора не имеет каких-либо существенных преимуществ, поэтому в данной работе произведем сравнительный анализ четверть мостовой и мостовой схем, нашедших самое широкое применение в отечественных и зарубежных разработках.

Следует отметить, что применение новой схемы инвертора или ее модификации для практической реализации требует от разработчиков большого опыта и изучения особенностей. Основная задача — выявление режимов работы, которые характерны эффективной загрузкой полупроводниковых элементов автономного инвертора по току, напряжению, частоте, а для конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов — загрузкой по установленной реактивной мощности.

На рис. 4 в рабочем окне программы MicroCAP справа показаны четверть мостовая и мостовая схемы автономных инверторов. Параметры коммутирующих элементов автономных инверторов изменены в сравнении с рис.1 таким образом, чтобы обеспечить одинаковую входную мощность и рабочую частоту.

Тиристорный преобразователь

Рис. 4. Включение дросселей постоянного тока (справа) и временные диаграммы переходного процесса и пульсаций тока в них (слева)

Слева на рис. 4 показаны две кривые переходного процесса входных токов автономных инверторов с одинаковыми источниками питания и величиной входных дросселей.

Важнейшими константами схем инверторов являются волновое сопротивление

и собственная угловая частота

колебательного контура.

Волновое сопротивление определяет критическую величину эквивалентного сопротивления нагрузки в цепи коммутации тиристоров инвертора. Потенциально первая схема должна допускать большую величину максимального эквивалентного сопротивления нагрузки, чем вторая. Это качественный вывод.

Здесь уместно сказать, что точный анализ электромагнитных процессов в автономных инверторах может потребовать применения специфических методов расчета. Результаты такого анализа менее информативны, чем применение методов схемотехнического моделирования, с помощью которого несложно определить требуемую величину сопротивления нагрузки.

На рис. 4 показаны входные токи двух автономных инверторов, практически совпадающие по всем параметрам (время переходного процесса, амплитуда и частота пульсаций, максимальное значение).

Особо отметим различную величину эквивалентного сопротивления нагрузки — 0,3 Ом для четвертьмостового инвертора и 1 Ом для мостовой схемы, которые соответствуют равной потребляемой мощности при установленных параметрах коммутирующих элементов и определенной частоте включения тиристоров.

Установившаяся величина входной мощности после окончания переходного процесса в каждой из схем (согласно рис. 4) составляет:

Ud × Id = 520 В × 300 А = 156 кВт

Условие равенства входных токов автономных инверторов (а значит, и мощности) является основанием для сравнения других параметров этих схем. Наличие дросселя в цепи постоянного тока автономного инвертора превращает источник его питания из источника напряжения в источник тока. Поэтому эти инверторы можно рассматривать в качестве переключателя тока резонансного типа.

Равную мощность этих схем АИ можно получить и при одинаковой величине эквивалентного сопротивления нагрузки. Мы же рассматриваем параметры коммутирующих элементов, соответствующие базовому режиму .

Критерии эффективности использования тиристоров

Критерием эффективности использования силовых элементов в различных схемах автономных инверторов ранее рассматривалась суммарная установленная мощность однотипных элементов в сравнении с выходной мощностью схемы. Этот критерий достаточно полно характеризует силовые конденсаторы и индуктивные элементы (по величине кВАр). Однако силовые полупроводниковые элементы — тиристоры, диоды, IGBT-модули — не полностью зависят от него.

Для тиристоров, в свое время, использовались такие критерии, как n (Um × Jm), где n — количество тиристоров, Um и Jm — максимальная величина напряжения и тока тиристоров. Предлагались различные комбинации произведений основных параметров с эмпирическими коэффициентами — (к1 Um), (к2 Jm), (к3 du/dt), (к4 di/dt), (к5 tвосст) и т. д.

В настоящее время целесообразно использовать единую оценку для всех полупроводниковых элементов принципиальных силовых схем, в качестве которой необходимо принять стоимость однотипных комплектующих элементов для изделий с одинаковыми обобщенными параметрами.

Популярные статьи  Влияние внешних факторов на работу автоматических выключателей

Обобщенным параметром ТПЧ для индукционного нагрева может являться произведение номинальной выходной мощности и рабочей частоты потому, что силовые инверторы 320 кВт × 1000 Гц, 80 кВт × 4 кГц, 20 кВт × 16 кГц имеют одинаковую стоимость комплектующих элементов. Поясним, что для четверть мостовой схемы, согласно рис. 1, конструктивно требуется 4 тиристора, соединенных последовательно, в полумостовой схеме требуется 2 × 2 тиристора, минимальное количество тиристоров для мостовой схемы равно 4.

Цена электротехнического изделия в самом общем случае определяется стоимостью комплектующих элементов, издержками производства и стоимостью интеллектуальной составляющей, в составе которой можно рассматривать отличительные свойства изделия, например, расширенный диапазон регулирования выходной частоты. Такой подход соответствует современным требованиям.

Отметим, что при схемотехническом моделировании в MicroCAP, кроме мощности (POWER) силового диода, можно фиксировать и другие параметры, например, его стоимость, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Панель параметров силового диода для автономного инвертора в рабочем окне программы MicroCAP

На рис. 3 представлена панель параметров диода (слева) в рабочем окне программы схемотехнического моделирования MicroCAP 9. На панели приведена стоимость (COST) примененного типа диода в списке элементов, показывающих общую стоимость электрической схемы (справка внизу панели).

Первый и второй уровень представления модели элемента (LEVEL) для силового полупроводникового диода позволяет упростить расчеты при исследовании переходных процессов, частотного анализа, разложения Фурье и т. д. в процедурах схемотехнического моделирования исследуемой схемы. В то же время варьирование параметров элемента, согласно процедуре stepping для перечисленных видов анализа, возможно только для таких параметров, которые, оказывается, существенно не влияют на стоимость элемента.

В меню Transient analysis устанавливается рабочая температура схемы, уточняющая результаты расчета переходных процессов при моделировании диода элементом высшего третьего уровня.

Заметим, что вес и габариты статических преобразователей, как многих других изделий силовой электроники, при повышении рабочей частоты в настоящее время имеют существенную тенденцию к уменьшению. Снижает эту разницу поверхностный эффект, при котором проводники имеют уменьшенное эффективное сечение, обусловленное глубиной проникновения тока, и возрастание потерь на вихревые токи в конструкционных материалах.

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.

Сварочный инвертор: особенности и функции аппарата

Работа инвертора заключается в том, чтобы преобразовывать переменный сетевой ток в его постоянный высокочастотный аналог.

Это происходит в несколько этапов. К выпрямительному блоку из сети идет ток. Там, после трансформации, напряжение из переменного становится постоянным. А инвертор производит обратное преобразование, то есть поступающее постоянное напряжение снова становится переменным, но с уже более высокой частотой. После этого напряжение понижается трансформатором, через выходной выпрямитель происходит модификация этого параметра в высокочастотное постоянное напряжение.

Конструкция сварочного инвертора и его особенности

Благодаря тому что в конструкции аппарата отсутствуют тяжелые детали, он является очень компактным и легким. В нее входят следующие составляющие:

Устройство простого инвертора с перекрестными связями.

  • инвертор;
  • сетевой и выходной выпрямители;
  • дроссель;
  • высокочастотный трансформатор.

Даже начинающие сварщики могут работать с такими аппаратами. Их применяют как в быту, так и в строительной сфере или в автосервисах. Благодаря тому что присутствует регулировка рабочих режимов, варить можно и тонкие, и толстые металлы. А повышенные условия горения дуги и формирования сварного шва дают вам возможность варить сварочными инверторами любые сплавы, черные и цветные металлы, используя все возможные технологии их сварки.

Преимущества использования инвертора

В области сварного оборудования такие аппараты пользуются особым спросом из-за множества своих преимуществ и достоинств. Сделав инвертор своими руками, вы получите:

Устройство сварочного инвертора .

  • возможность варить сложные цветные металлы и конструкционные стали;
  • защиту от перегревов, колебаний сетевого напряжения, перегрузов по току;
  • высокую стабильность сварного тока даже при том, что напряжение может колебаться в сети;
  • качественно сформированный шов;
  • при сварке практически не будет разбрызгивания;
  • горение дуги будет стабилизированным в заданном ключе, даже если наблюдается внешнее неблагоприятное воздействие;
  • многие другие полезные в работе функции.
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: