Convertor de frecvență tiristor

Convertor de frecvență tiristor (TFC)  - un dispozitiv care utilizează tiristoare , conceput pentru a converti un curent trifazat de frecvență industrială într-un curent alternant multifazic cu o frecvență dată, similar cu un invertor de curent autonom [1] [2] [3] [4] și utilizat pentru încălzirea prin inducție a metalelor .

TFC  este o abreviere consacrată istoric, încă din anii 1960 în URSS, desemnând în mod tradițional o serie de convertoare de frecvență tiristoare utilizate ca surse de energie pentru încălzirea prin inducție a metalelor. Abrevierea TFC a fost fixată numai pentru sursele bazate pe AIT [1] [2] [3] [4] . Seria TFC în dezvoltarea sa are mai multe generații. Abrevierea TFC a fost, de asemenea, folosită uneori, dar mai târziu, și mult mai rar, pentru a desemna convertoarele de frecvență cu tiristoare pentru acționările electrice. Cu toate acestea, abrevierea TFC pentru desemnarea convertoarelor de antrenare nu este considerată corectă dacă o acționare electrică nu este menționată împreună cu abrevierea TFC. Pentru a elimina ambiguitatea în practică, s-au dezvoltat denumiri comune pentru o acționare electrică care sunt diferite de seria TFC: Convertor de frecvență (acționare electrică) , Unitate de frecvență variabilă .

Istoricul dezvoltării

Prezentare generală a surselor de încălzire prin inducție de frecvență medie

Sarcina sursei de încălzire prin inducție este un inductor - o bobină în interiorul căreia este plasat metalul. Curenții turbionari induși în metal încălzesc metalul cu un minim de îndepărtare a căldurii către mediu. Metoda de încălzire prin inducție permite o rată mare de încălzire, precum și o reglare fină a fluxului de energie termică și, astfel, obținerea rentabilității, preciziei ridicate și repetabilității proceselor tehnologice industriale. Încălzirea prin inducție este utilizată în inginerie mecanică și industria metalurgică pentru topire, forjare, ștanțare, călire de suprafață și prin călire, recoacere, lipire a frezelor, sudare de înaltă frecvență, precum și pentru alte aplicații speciale în care este necesară încălzirea metalelor.

Cerința pentru frecvența de ieșire a sursei depinde de volumul și geometria corpului încălzit (secțiune). Cerința pentru puterea de ieșire a sursei este determinată de capacitatea specificată a liniei de încălzire. Frecvența și puterea sunt, în general, parametri independenți. În industria metalurgică, așa-numita. intervalul de frecvență medie de frecvențe este de 0,5, 1,0, 2,4, 4,0, 8,0, 10 kHz și domeniul de putere este de la 100 kW la 1600 kW, puterea de la 320 kW la 800 kW este folosită mai des decât altele la frecvențe de 0,5, 1,0 și 2,4 kHz. Pentru cuptoarele mari de topire a oțelului, cu un volum de zeci de tone, se folosesc frecvențe relativ scăzute de 0,25 și 0,125 kHz la puteri mari ale surselor de 5 MW și mai mari. În inginerie și alte industrii se folosesc frecvențe crescute și înalte: 22; 44; 66; 100; 220; 500 kHz etc. La frecvențe înalte, puterile de peste 100 kW sunt mai puțin utilizate, cu excepția sudării de înaltă frecvență, unde frecvența înaltă este combinată cu puterea mare.

Pe Fig. 1 prezintă circuitul de bază al unui convertor de frecvență tiristor având o structură cu două legături: redresorul transformă curentul de rețea (50 Hz) în curent continuu într-un reactor de netezire , invertorul transformă curentul continuu în curent alternativ cu frecvența dorită. O trăsătură caracteristică a circuitului din Fig. 1 este prezența în circuit a unui inductor de filtrare între redresor și invertor. Curentul inductorului la intrarea în punte este constant și coincide în valoare absolută cu curentul alternativ la ieșirea punții, care alimentează circuitul oscilator prin inductanța de linie . Polaritatea curenților coincide pe un semiciclu (polaritatea este pozitivă dacă diagonala punții V1, V2 este deschisă), pe de altă parte este opusă (polaritatea este negativă dacă diagonala opusă V3, V4 este deschisă) . Un invertor bazat pe acest principiu de funcționare se numește „invertor de curent”. Deoarece sarcina acestui invertor este un circuit pasiv, un astfel de invertor se numește un invertor de curent autonom (AIT). Ca circuit de sarcină, cel mai des este folosit un circuit paralel (Fig. 1), de unde provine denumirea: un invertor autonom paralel este echivalent cu denumirea AIT [5] .

Dacă în inductor este utilizată o inductanță mare (netezire), atunci un astfel de invertor se numește AIT cu curent continuu. Dacă este utilizată o inductanță mică , atunci apare un interval de pauză în curentul invertorului. Un astfel de invertor se numește AIT cu curent intermitent.

Pentru a potrivi tensiunea cu inductorul sau pentru a îmbunătăți pornirea, uneori sunt utilizate și alte modificări ale circuitului, care includ 2 sau 3 condensatoare: circuite în formă de G, T și U [1] [2] [3] [ 4] [5] . În aceste circuite, capetele bobinei inductorului sunt întotdeauna închise printr-un circuit de unul sau doi condensatori. Proprietățile unor astfel de circuite sunt apropiate de proprietățile circuitului paralel din Fig.1, astfel încât principiile de bază ale funcționării invertorului coincid cu circuitul paralel al AIT din Fig.1.

O diferență fundamentală în principiul de funcționare a invertorului apare atunci când în circuit este utilizat un condensator în serie în loc de unul paralel. Atunci nu este necesară o șoke la intrarea invertorului, curentul invertorului se formează conform unei legi oscilatorii cu formarea unui interval de pauză de curent. Un invertor fără bobine de intrare se numește invertor de tensiune autonom ( AVI ), denumire alternativă: invertor autonom de serie. În literatura științifică mondială [6] [7] [8] [9] [10] , a fost stabilită terminologia invertoare „paralel” și „în serie” (Invertor paralel, inversor în serie - cu și, respectiv, fără șoc). Prin circuit paralel se înțelege existența unui circuit închis arbitrar de condensatoare conectate în paralel cu bornele inductorului, deși în general se folosește circuitul paralel obișnuit din Fig.1. Invertoarele paralele și seriale aparțin unor clase fundamental diferite de dispozitive (AIT și AIN). Au apărut și școli științifice și mari companii mondiale care sunt susținători ai invertoarelor în paralel sau în serie. În special, companiile Otto Junker (Germania), Brown Boveri (Elveția), Asea (Suedia), General Electric (SUA), precum și corporația internațională Ajax Tocco Magnethermic , au dezvoltat în principal direcția invertorului paralel [6] [7] , în timp ce, ca o altă corporație globală, Inductotherm (cuprinzând câteva zeci de firme individuale din întreaga lume) a dezvoltat în mod predominant o schemă secvențială. În Japonia [8] și în URSS, încălzirea prin inducție de frecvență medie a fost dezvoltată predominant pe baza unui circuit paralel. În URSS, alături de termenul „invertor autonom paralel” din literatura științifică, termenul AIT a fost mai des folosit [1] [2] [3] [4] [5] .

Seria TFC

Producția de surse de încălzire prin inducție în URSS pe baza AIT (Fig. 1), care au fost numite „seria TFC”, a apărut în anii 1960 în Tallinn, la Uzina Electrotehnică numită după. Kalinina [5] . Principalele modele ale seriei TFC acoperă domeniul de putere de la 100 kW la 1600 kW, frecvența de la 0,5 la 10 kHz, cele mai des utilizate sunt TFC-uri cu o putere de 320 kW și 800 kW la o frecvență de 1 kHz. În a doua jumătate a anilor 1980, volumul producției în URSS a atins până la 800 de bucăți de TFC pe an, ceea ce reprezenta aproximativ jumătate din producția mondială anuală de surse de încălzire prin inducție de frecvență medie (în termeni unitari pentru capacități tipice în intervalul de 160 ... 800 kW în domeniul de frecvență de 0,5 ... 10 kHz). În special, cea mai mare companie americană Inductotherm în anii 1980 a produs aproximativ 180 de surse de frecvență medie pe an. În anii 1990, multe întreprinderi din Rusia și Ucraina au început producția în masă de surse bazate pe AIT cu același nume „serie TPC”. În legătură cu abrevierea bine stabilită TFC, alte surse de încălzire prin inducție cu o topologie de circuit care diferă de AIT au un nume care diferă de TFC.

Apariția pe piață a tranzistorilor de putere de mare putere începând cu anii 1990 a dat un impuls dezvoltării electronicii de putere într-o serie de industrii. Avantajele indubitabile ale tranzistorilor sunt controlabilitatea completă și viteza mare. Aceste proprietăți au oferit baza dezvoltării atât a tranzistorilor înșiși, cât și a dispozitivelor de control universale a tranzistorilor de putere (module inteligente) pentru orice aplicație. A apărut o industrie puternică a componentelor electronice de putere universale. Pentru firmele mici care nu erau angajate anterior în produse de înaltă tehnologie, a devenit posibilă achiziționarea de componente gata făcute, asamblarea și furnizarea de produse competitive pe piață, ceea ce a contribuit la creșterea rapidă a pieței. În domeniul acționării electrice, generatoarelor eoliene și energiei solare, au fost produse zeci de mii de produse, inclusiv produse bazate pe tranzistoare IGBT cu o putere unitară mare de câțiva megawați. Progresul în electronica de putere a venit și în domeniul încălzirii prin inducție. Piața surselor mici de câțiva kilowați sau zeci de kilowați, care anterior fuseseră aproape absente pe piață, a început să se dezvolte rapid. De asemenea, generatoarele de lămpi, care au fost folosite pentru încălzirea prin inducție în regiunea de înaltă frecvență de zeci și sute de kiloherți, au început să fie înlocuite intens.

În regiunea de frecvență medie, unde nu există cerere pentru semiconductori de mare viteză, producția de surse de încălzire prin inducție este împărțită în două sectoare: surse de tiristoare și tranzistori. În regiunea de frecvență medie, tiristoarele nu sunt atât de sensibile la controlabilitatea incompletă și, în acest sens, nu sunt atât de inferioare tranzistorilor complet controlați, dar câștigă în ceea ce privește fiabilitatea și costul. Câștigul circuitului tiristoare este resimțit mai ales la puteri de peste 250 kW, atunci când sistemul de control relativ scump devine mai puțin vizibil în costul total al produsului, iar fiabilitatea circuitului tiristor devine un factor predominant pentru cumpărător. În surse puternice, rolul sistemului de control pentru rezolvarea problemelor de protecție, diagnosticare, monitorizare, automatizare și reglare crește. Prin urmare, pentru astfel de surse, costul sistemelor de control pentru sursele tiristoare și tranzistoare este comparabil. Un tiristor, în comparație cu un tranzistor de putere, este de multe ori mai mare în ceea ce privește puterea unitară și mai mic ca cost. Tiristorul are capacitatea de a rezista pentru scurt timp la un curent care este cu un ordin de mărime mai mare decât curentul de funcționare, în timp ce tranzistorul iese din saturație și este distrus. Cu cât sunt mai multe conexiuni paralele ale tranzistorilor, cu atât modurile de urgență sunt mai periculoase, care pot fi însoțite de o explozie a carcasei. Prin urmare, pe piața dintre sectoarele surselor de tiristoare și tranzistori din domeniul încălzirii cu frecvență medie s-a stabilit o limită stabilă la un nivel de putere de aproximativ 250 kW. Frontiera există exclusiv pentru încălzirea prin inducție și exclusiv în domeniul de frecvență medie, în timp ce în alte zone piața este clar saturată de circuite cu tranzistori.

Progresul industriei semiconductoarelor a dus la apariția tiristoarelor într-un pachet modular, care este similar cu pachetul de tranzistori de putere și are aceleași avantaje - izolarea de răcitor și ușurința de asamblare a structurilor modulare. De asemenea, în circuitul invertorului cu tiristoare AIT, unii producători introduc un chopper tranzistor la intrarea invertorului, așa-numitul. IGBT-chopper, care vă permite să îmbunătățiți controlabilitatea și caracteristicile circuitului și, în același timp, să nu pierdeți rezistența la modurile de urgență inerente tiristoarelor.

Seria TFC a parcurs un drum lung de evoluție. Tabelul de mai jos oferă o idee despre schimbarea generațiilor din seria TFC. Tabelul oferă, pe cât posibil, semne obiective de progres în tehnologia de producție a TFC, comune pentru diverși producători. Tabelul se limitează la a lua în considerare progresul tehnologiei numai pentru sursele TFC cu topologia lor inerentă AIT. Apartenența la o clasă de dispozitive rămâne și în cazul în care AIT este doar o parte a circuitului de alimentare. De exemplu, dispozitivele în care un chopper tranzistor de putere (chopper IGBT) este instalat sau nu este instalat la intrarea AIT aparțin aceleiași clase. Circuitul AITSP (AIT cu întrerupător sincron) și circuitul AITAP (AIT cu întrerupător asincron, unde întrerupătorul nu este sincronizat cu invertorul) au caracteristici semnificativ diferite, deși aparțin aceleiași clase de dispozitive.

Note

1. ↑ 1 2 3 4 Gorbaciov G. N., 1988 , p. 306.
2. ↑ 1 2 3 4 Schilling W., 1950 .
3. ↑ 1 2 3 4 Tolstov Yu.G., 1978 .
4. ↑ 1 2 3 4 Cijenko I.M., 1978 .
5. ↑ 1 2 3 4 E. I. Berkovich, 1973 .
6. ↑ 12 Alfred Muhlbauer , 2008 .
7. ↑ 1 2 John William Motto, Jr., 1977 .
8. ↑ 1 2 Takesi FUJITSUKA, 1971 .
9. ↑ Nikolay L. Hinov, 2005 .
10. ↑ pantechsolutions .

Literatură

• Gorbaciov G. N., Chaplygin E. E. Electronică industrială: Manual pentru universități / Ed. V. A. Labuntsova. . - M . : Energoatom-publicat, 1988. - 320 p.

• Schilling V. Scheme de redresoare, invertoare și convertoare de frecvență: Per. cu el .. - L . : Gosenergo-publicat, 1950. - 464 p.

• Tolstov Yu.G. Invertoare de curent autonome. - M . : Ed. „Energie”, 1978. - 208 p.

• Cijenko I.M. Manual de tehnologie de conversie .. - K . : Technіka, 1978. - 447 p.

• E. I. Berkovici. Convertoare tiristoare de înaltă frecvență. - L. : Energie, 1973.

• Alfred Muhlbauer. Istoria încălzirii și topirii prin inducție . – Vulkan-Verlag GmbH, 2008.

• John William Motto Jr. Introducere în electronica de putere în stare solidă . - Westinghouse Electric Corp., 1977.

• Takesi Fujitsuka. Analiza și proiectarea circuitului inversor paralel cu sarcină inductivă paralelă . - Universitatea din Kyoto, 1971.

• Nikolay L. Hinov. Analiza invertorului paralel utilizând software matematic . Bulgaria: 1000 Sofia, 2005.

• Pantech ProLabs India Pvt Ltd. Introducere în Parallel Inverter  (engleză)  (link nu este disponibil) . Consultat la 22 septembrie 2014. Arhivat din original la 13 ianuarie 2014.