Thyristor frekvensomformer

Thyristor frekvensomformer (TFC)  - en enhed, der anvender tyristorer , designet til at konvertere en trefaset strøm af industriel frekvens til en veksel flerfasestrøm med en given frekvens, svarende til en autonom strøminverter [1] [2] [3] [4] , og bruges til induktionsopvarmning af metaller .

TFC  er en historisk etableret forkortelse, siden 1960'erne i USSR, der traditionelt betegner en række tyristor frekvensomformere, der bruges som strømkilder til induktionsopvarmning af metaller. Forkortelsen TFC blev kun fastsat for kilder baseret på AIT [1] [2] [3] [4] . TFC-serien i sin udvikling har flere generationer. Forkortelsen TFC blev også nogle gange brugt, men senere, og meget sjældnere, til at betegne tyristorfrekvensomformere til elektriske drev. Forkortelsen TFC for betegnelse af drevomformere anses dog ikke for korrekt, hvis et elektrisk drev ikke er nævnt sammen med forkortelsen TFC. For at eliminere tvetydighed i praksis er der udviklet almindelige navne for et elektrisk drev, der er forskellige fra TFC-serien: Frekvensomformer (elektrisk drev) , Variabel frekvensomformer .

Udviklingshistorie

Oversigt over mellemfrekvente induktionsvarmekilder

Belastningen af ​​induktionsvarmekilden er en induktor - en spole, indeni hvilken metal er placeret. Hvirvelstrømmene induceret i metallet opvarmer metallet med et minimum af varmefjernelse til miljøet. Induktionsopvarmningsmetoden giver mulighed for en høj opvarmningshastighed, samt finregulering af strømmen af ​​termisk energi, og derved opnå omkostningseffektivitet, høj nøjagtighed og repeterbarhed af industrielle teknologiske processer. Induktionsopvarmning anvendes i maskinteknik og den metallurgiske industri til smeltning, smedning, stempling, overflade- og gennemhærdning, udglødning, lodning af fræsere, højfrekvenssvejsning, samt til andre specielle applikationer, hvor opvarmning af metaller er påkrævet.

Kravet til kildens udgangsfrekvens afhænger af volumen og geometri af det opvarmede legeme (sektion). Kravet til kildens udgangseffekt bestemmes af den specificerede kapacitet af varmeledningen. Frekvens og effekt er generelt uafhængige parametre. I den metallurgiske industri er den såkaldte. mellemfrekvensområdet af frekvenser er 0,5, 1,0, 2,4, 4,0, 8,0, 10 kHz og effektområdet er fra 100 kW til 1600 kW, effekt fra 320 kW til 800 kW bruges oftere end andre ved frekvenser på 0,5, 1,0 og 2,4 kHz. For store stålsmelteovne med et volumen på titusvis af tons anvendes relativt lave frekvenser på 0,25 og 0,125 kHz ved høje kildeeffekter på 5 MW og højere. I ingeniør- og andre industrier bruges øgede og høje frekvenser: 22; 44; 66; 100; 220; 500 kHz osv. Ved høje frekvenser er ydelser på mere end 100 kW mindre udbredt, med undtagelse af højfrekvent svejsning, hvor højfrekvens kombineres med høj effekt.

På Fig. 1 viser grundkredsløbet for en tyristorfrekvensomformer med en toledsstruktur: ensretteren omdanner netstrømmen (50 Hz) til jævnstrøm i en udjævningsreaktor , vekselretteren omdanner jævnstrøm til vekselstrøm med den ønskede frekvens. Et karakteristisk træk ved kredsløbet i fig. 1 er tilstedeværelsen i kredsløbet af en filtreringsinduktor mellem ensretteren og inverteren. Induktorstrømmen ved broindgangen er konstant og falder i absolut værdi sammen med vekselstrømmen ved broudgangen, som føder oscillatorkredsløbet gennem linjeinduktansen . Strømmenes polaritet falder sammen på den ene halvcyklus (polariteten er positiv, hvis diagonalen på broen V1, V2 er åben), på den anden er den modsat (polariteten er negativ, hvis den modsatte diagonal V3, V4 er åben) . En inverter baseret på dette driftsprincip kaldes en "strøminverter". Da belastningen af ​​denne inverter er et passivt kredsløb, kaldes en sådan inverter en autonom strøminverter (AIT). Som belastningskredsløb anvendes oftest et parallelkredsløb (fig. 1), hvor navnet kommer fra: en parallel autonom inverter svarer til navnet AIT [5] .

Hvis der anvendes en stor induktans (udjævning) i induktoren, så kaldes en sådan inverter AIT med kontinuerlig strøm. Hvis der anvendes en lille induktans , vises der et pauseinterval i inverterstrømmen. En sådan inverter kaldes AIT med intermitterende strøm.

For at matche spændingen med induktoren, eller for at forbedre starten, bruges nogle gange andre modifikationer af kredsløbet, som inkluderer 2 eller 3 kondensatorer: G-, T- og U-formede kredsløb [1] [2] [3] [ 4] [5] . I disse kredsløb er enderne af induktorspolen altid lukket gennem et kredsløb med en eller to kondensatorer. Egenskaberne for sådanne kredsløb er tæt på egenskaberne for parallelkredsløbet i fig. 1, så de grundlæggende principper for inverterdriften falder sammen med parallelkredsløbet i AIT i fig.

En grundlæggende forskel i inverterens funktionsprincip opstår, når en seriekondensator bruges i kredsløbet i stedet for en parallel. Så er der ikke behov for en drossel ved inverterindgangen, inverterstrømmen dannes i henhold til en oscillerende lov med dannelsen af ​​et strømpauseinterval. En inverter uden indgangsdrossel kaldes en stand-alone voltage inverter ( AVI ), alternativt navn: serie stand-alone inverter. I den videnskabelige verdenslitteratur [6] [7] [8] [9] [10] er terminologien "parallelle" og "serier" invertere (henholdsvis Parallel Inverter, Serie Inverter - med og uden choker) blevet etableret. Ved parallelkreds menes eksistensen af ​​et vilkårligt lukket kredsløb af kondensatorer forbundet parallelt med induktorens terminaler, selvom det sædvanlige parallelkredsløb i fig. Parallelle og serielle invertere tilhører fundamentalt forskellige klasser af enheder (AIT og AIN). Der er også opstået videnskabelige skoler og store verdensvirksomheder, som er tilhængere af parallel- eller serieinvertere. Især virksomhederne Otto Junker (Tyskland), Brown Boveri (Schweiz), Asea (Sverige), General Electric (USA), samt det internationale selskab Ajax Tocco Magnethermic , udviklede hovedsageligt den parallelle inverterretning [6] [7] , mens Inductotherm (som omfatter flere dusin individuelle firmaer rundt om i verden) som en anden global virksomhed overvejende udviklede en sekventiel ordning. I Japan [8] og i USSR blev mellemfrekvent induktionsopvarmning overvejende udviklet på basis af et parallelt kredsløb. I USSR, sammen med udtrykket "parallel autonom inverter" i den videnskabelige litteratur, blev udtrykket AIT oftere brugt [1] [2] [3] [4] [5] .

TFC-serien

Produktionen af ​​induktionsvarmekilder i USSR på basis af AIT (fig. 1), som blev kaldt "TFC-serien", opstod i 1960'erne i Tallinn på det elektrotekniske anlæg opkaldt efter. Kalinina [5] . TFC-seriens hoveddesign dækker effektområdet fra 100 kW til 1600 kW, frekvensen fra 0,5 til 10 kHz, TFC'er med en effekt på 320 kW og 800 kW ved en frekvens på 1 kHz anvendes oftest. I anden halvdel af 1980'erne nåede produktionsmængden i USSR op til 800 stykker TFC om året, hvilket var omkring halvdelen af ​​den årlige verdensproduktion af mellemfrekvente kilder til induktionsopvarmning (i enhedstermer for typiske kapaciteter i området 160 ... 800 kW i frekvensområdet 0,5 ... 10 kHz). Især det største amerikanske firma Inductotherm i 1980'erne producerede omkring 180 mellemfrekvente kilder om året. I 1990'erne begyndte mange virksomheder i Rusland og Ukraine masseproduktion af kilder baseret på AIT med samme navn "TPC-serien". I forbindelse med den veletablerede forkortelse TFC har andre kilder til induktionsopvarmning med en kredsløbstopologi, der adskiller sig fra AIT, et navn, der adskiller sig fra TFC.

Fremkomsten af ​​højeffekttransistorer på markedet siden 1990'erne har sat gang i udviklingen af ​​effektelektronik i en række industrier. De utvivlsomme fordele ved transistorer er fuldstændig kontrollerbarhed og høj hastighed. Disse egenskaber dannede grundlaget for udviklingen af ​​både transistorerne selv og universelle effekttransistorkontrolenheder (intelligente moduler) til enhver applikation. En stærk industri af universelle kraftelektronikkomponenter er opstået. For små virksomheder, der ikke tidligere var engageret i højteknologiske produkter, blev det muligt at købe færdige komponenter, samle og levere konkurrencedygtige produkter til markedet, hvilket bidrog til markedets hurtige vækst. Inden for elektrisk drev, vindgeneratorer og solenergi er der produceret titusindvis af produkter, herunder produkter baseret på IGBT-transistorer med en stor enhedseffekt på flere megawatt. Fremskridt inden for kraftelektronik er også kommet til området induktionsopvarmning. Markedet for små kilder på få kilowatt eller titusinder kilowatt, som tidligere næsten havde været fraværende på markedet, begyndte at udvikle sig hurtigt. Også lampegeneratorer, som blev brugt til induktionsopvarmning i højfrekvensområdet på ti og hundreder af kilohertz, begyndte at blive intensivt udskiftet.

I mellemfrekvensområdet, hvor der ikke er efterspørgsel efter højhastighedshalvledere, er produktionen af ​​induktionsvarmekilder opdelt i to sektorer: tyristor- og transistorkilder. I mellemfrekvensområdet er tyristorer ikke så følsomme over for ufuldstændig kontrollerbarhed, og i denne henseende er de ikke så ringere end fuldt kontrollerede transistorer, men de vinder med hensyn til pålidelighed og omkostninger. Forstærkningen af ​​tyristorkredsløbet mærkes især ved ydelser over 250 kW, når det relativt dyre styresystem bliver mindre mærkbart i den samlede pris for produktet, og pålideligheden af ​​tyristorkredsløbet bliver en fremherskende faktor for køberen. I kraftfulde kilder øges kontrolsystemets rolle til løsning af problemer med beskyttelse, diagnostik, overvågning, automatisering og regulering. For sådanne kilder er omkostningerne ved styresystemer til tyristor- og transistorkilder derfor sammenlignelige. En tyristor, sammenlignet med en effekttransistor, er mange gange højere med hensyn til enhedseffekt og lavere i omkostninger. Tyristoren har evnen til kortvarigt at modstå en strøm, der er en størrelsesorden højere end driftsstrømmen, mens transistoren går ud af mætning og ødelægges. Jo flere parallelle forbindelser af transistorer, jo farligere er nødtilstandene, som kan ledsages af en eksplosion af sagen. Derfor er der på markedet mellem sektorerne for tyristor- og transistorkilder inden for mellemfrekvent opvarmning etableret en stabil grænse ved et effektniveau på omkring 250 kW. Grænsen eksisterer udelukkende for induktionsopvarmning og udelukkende i mellemfrekvensområdet, mens markedet i andre områder er tydeligt mættet med transistorkredsløb.

Fremskridtene i halvlederindustrien har ført til udseendet af tyristorer i en modulær pakke, som ligner effekttransistorpakken og har de samme fordele - isolering fra køler og nem montering af modulære strukturer. Også i AIT-tyristorinverterkredsløbet introducerer nogle producenter en transistorchopper ved inverterindgangen, den såkaldte. IGBT-chopper, som giver dig mulighed for at forbedre kredsløbets kontrollerbarhed og egenskaber og samtidig ikke miste modstanden mod nødtilstande, der er iboende i tyristorer.

TFC-serien er nået en lang vej i udviklingen. Tabellen nedenfor giver en idé om generationsskiftet i TFC-serien. Tabellen giver så vidt muligt objektive tegn på fremskridt i produktionsteknologien af ​​TFC, fælles for forskellige producenter. Tabellen er begrænset til kun at overveje teknologiens fremskridt for TFC-kilder med deres iboende AIT-topologi. Tilhørsforhold til en klasse af enheder forbliver også i tilfældet, hvor AIT kun er en del af strømkredsløbet. For eksempel hører enheder, hvor en effekttransistorchopper (IGBT-chopper) er installeret eller ikke er installeret ved AIT-indgangen, til samme klasse. AITSP-kredsløbet (AIT med en Synchronous Breaker) og AITAP-kredsløbet (AIT med en Asynkron Breaker, hvor Breakeren ikke er synkroniseret med inverteren) har væsentligt forskellige karakteristika, selvom de tilhører samme klasse af enheder.

Noter

1. ↑ 1 2 3 4 Gorbatjov G. N., 1988 , s. 306.
2. ↑ 1 2 3 4 Schilling W., 1950 .
3. ↑ 1 2 3 4 Tolstov Yu.G., 1978 .
4. ↑ 1 2 3 4 Chizhenko 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. ↑ pantechløsninger .

Litteratur

• Gorbatjov G. N., Chaplygin E. E. Industriel elektronik: Lærebog for universiteter / Ed. V. A. Labuntsova. . - M . : Energoatom-udgivet, 1988. - 320 s.

• Schilling V. Skemaer af ensrettere, invertere og frekvensomformere: Pr. med ham .. - L . : Gosenergo-udgivet, 1950. - 464 s.

• Tolstov Yu.G. Autonome strøminvertere. - M . : Ed. "Energy", 1978. - 208 s.

• Chizhenko I.M. Håndbog i konverteringsteknologi .. - K . : Technіka, 1978. - 447 s.

• E. I. Berkovich. Thyristorkonvertere af høj frekvens. - L . : Energi, 1973.

• Alfred Muhlbauer. Historie om induktionsopvarmning og -smeltning . – Vulkan-Verlag GmbH, 2008.

• John William Motto Jr. Introduktion til Solid State Power Electronics . - Westinghouse Electric Corp., 1977.

• Takesi Fujitsuka. Analyse og design af parallel inverterkredsløb med parallel induktiv belastning . - Kyoto Universitet, 1971.

• Nikolay L. Hinov. Parallel inverteranalyse ved hjælp af matematisk software . Bulgarien: 1000 Sofia, 2005.

• Pantech ProLabs India Pvt Ltd. Introduktion til Parallel Inverter  (engelsk)  (link ikke tilgængeligt) . Hentet 22. september 2014. Arkiveret fra originalen 13. januar 2014.