Классификация преобразователей частоты

Тиристорные преобразователи частоты. Классификация. Функциональная схема преобразователя частоты.

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) — серия тиристорных преобразователей частоты на базе автономного инвертора тока АИТ, применяемых для индукционного нагрева металлов.

ТПЧ — это исторически сложившаяся аббревиатура, начиная с 1960-х годов в СССР, традиционно обозначающая серию тиристорных преобразователей частоты, применяемых в качестве источников питания для индукционного нагрева металлов. Аббревиатура ТПЧ закрепилась только для источников на базе АИТ^[1][2][3][4]. Серия ТПЧ в своём развитии насчитывает несколько поколений. Аббревиатура ТПЧ также иногда использовалась, но позднее, и значительно реже, для обозначения тиристорных преобразователей частоты для электропривода. Однако аббревиатура ТПЧ для обозначения приводных преобразователей не считается корректной, если вместе с аббревиатурой ТПЧ не упомянут электропривод. Для исключения двусмысленности в практике сложились распространённые названия для электропривода, отличительные от серии ТПЧ: Частотный преобразователь (электропривод), Частотно-регулируемый привод.

Серия ТПЧ

Производство источников индукционного нагрева в СССР на базе АИТ (Рис.1), которые получили название "серия ТПЧ", зародилось в 1960-е годы в Таллине на Электротехническом заводе им. Калинина^[5]. Основные конструктивные исполнения серии ТПЧ охватывают диапазон по мощности от 100 кВт до 1600 кВт, по частоте от 0.5 до 10 кГц, чаще других используются ТПЧ мощностью 320 кВт и 800 кВт на частоте 1кГц. Во второй половине 1980-х годов объем производства в СССР достигал до 800 штук ТПЧ в год, что составляло порядка половины ежегодного мирового производства средне частотных источников индукционного нагрева (в штучном выражении по типовым мощностям в диапазоне 160...800 кВт в диапазоне частот 0.5...10 кГц). В частности, наиболее крупная американская компания Inductotherm в 1980-е годы выпускала порядка 180 средне частотных источников в год. В 1990-е годы на многих предприятиях в России и на Украине появилось серийное производство источников на базе АИТ с одинаковым названием "серия ТПЧ". В связи с прочно закрепившейся аббревиатурой ТПЧ, другие источники индукционного нагрева с топологией схемы, отличающейся от АИТ, имеют название, отличающееся от ТПЧ.

Появление на рынке мощных силовых транзисторов, начиная с 1990-х годов, дало толчок развитию силовой электроники в ряде отраслей. Безусловными достоинствами транзисторов являются полная управляемость и высокое быстродействие. Эти свойства дали основу для развития как самих транзисторов, так и универсальных устройств управления силовыми транзисторами ( интеллигентные модули) для любых применений. Возникла мощная индустрия универсальных компонентов силовой электроники. Для малых фирм, ранее не занимавшихся наукоёмкой продукцией, появилась возможность закупать готовые компоненты, собирать и поставлять на рынок конкурентоспособные изделия, что способствовало быстрому росту рынка. В области электропривода, ветро-генераторов и солнечной энергетики выпущены десятки тысяч изделий, в том числе появились изделия на IGBT-транзисторах большой единичной мощности в несколько мегаватт. Прогресс силовой электроники пришёл также в область индукционного нагрева. Стал быстро развиваться рынок малых источников в несколько килловатт или десятков киловатт, которые раньше почти отсутствовали на рынке. Также стали интенсивно вытесняться ламповые генераторы, которые использовались для индукционного нагрева в области высоких частот в десятки и сотни килогерц.

В средне частотной области, где нет востребованности в быстродействии полупроводников, производство источников индукционного нагрева разделилось на два сектора: источники тиристорные и транзисторные. В средне частотной области тиристоры не столь чувствительны к неполной управляемости, и в этом отношении не столь проигрывают полностью управляемым транзисторам, зато выигрывают по надёжности и стоимости. Особенно выигрыш тиристорной схемы ощущается при мощностях более 250 кВт, когда относительно дорогая система управления становится уже не столь заметна в общей стоимости изделия, а надежность тиристорной схемы становится превалирующим фактором для покупателя. В мощных источниках возрастает роль системы управления для решения задач защиты, диагностики, мониторинга, автоматики и регулирования. Поэтому для таких источников стоимость систем управления для тиристорных и транзисторных источников сопоставима. Тиристор по сравнению с силовым транзистором многократно выше по единичной мощности и ниже по стоимости. Тиристор обладает свойством кратковременно выдерживать ток, на порядок превышающий рабочий ток, в то время как транзистор выходит из насыщения и разрушается. Чем больше параллельных соединений транзисторов, тем опаснее аварийные режимы, которые могут сопровождаться взрывом корпуса. Поэтому на рынке между секторами тиристорных и транзисторных источников в области средне частотного нагрева установилась устойчивая граница на уровне мощности порядка 250 кВт. Граница существует исключительно для индукционного нагрева и исключительно в области средних частот, в то время как в других областях со всей очевидностью происходит насыщение рынка транзисторными схемами.

Прогресс полупроводниковой индустрии привёл к появлению тиристоров в модульном корпусе, который аналогичен корпусу силового транзистора, и имеет те же достоинства - изоляцию от охладителя и простота сборки модульных конструкций. Также в схему тиристорного инвертора АИТ некоторые производители вводят на входе инвертора транзисторный прерыватель, т.н. IGBT-чоппер, который позволяет улучшить управляемость и характеристики схемы, и в то же время не потерять присущую тиристорам устойчивость к аварийным режимам.

Серия ТПЧ прошла длительный путь эволюции. В таблице ниже дано представление о смене поколений серий ТПЧ. В таблице даны по возможности объективные признаки прогресса в технологии производства ТПЧ, общие для различных производителей. Таблица ограничивается рассмотрением прогресса технологий только для источников ТПЧ с присущей им топологией АИТ. Принадлежность к одному классу устройств остаётся также в том случае, когда АИТ является только частью силовой схемы. Например, устройства, где на входе АИТ устанавливается или не устанавливается силовой транзисторный Прерыватель (IGBT-чоппер), относятся к одному классу. Схема АИТСП (АИТ с Синхронным Прерывателем) и схема АИТАП (АИТ с Асинхронным Прерывателем, где Прерыватель не синхронизирован с инвертором) имеют существенно разные характеристики, хотя и относятся к одному классу устройств.

Классификация преобразователей частоты

Техническое устройство, преобразующее переменное напряжения одной частоты на входе, в изменяющееся по определённому закону переменное напряжение, но уже другой частотой на выходе называется преобразователем частоты (ПЧ). Бывают двух типов:

· Непосредственные

· Двухзвенные

Непосредственные – это реверсивный тиристорный преобразователь. Главное его достоинство в том, что он подключается напрямую в сеть без дополнительных устройств.

Двухзвенные – представляют собой транзисторный или тиристорный преобразователь. Но главное их отличие от непосредственных преобразователей в том, что для корректной и безопасной работы инвертора необходимо звено постоянного напряжения. Соответственно для подключения их к общепромышленным сетям необходим выпрямитель. Как правило изготавливаются комплектными (инвертор и выпрямитель поставляются вместе и работают от одной системы управления).