Tyristori taajuusmuuttaja

Tyristoritaajuusmuuttaja (TFC) - tyristoreja käyttävä laite , joka on suunniteltu muuttamaan teollisen taajuuden kolmivaiheinen virta vaihtelevaksi monivaihevirraksi tietyllä taajuudella, samanlainen kuin autonomisen virran invertteri [1] [2] [3] [4] , ja sitä käytetään metallien induktiokuumentamiseen .

TFC on historiallisesti vakiintunut lyhenne Neuvostoliitossa 1960-luvulta lähtien, ja se tarkoittaa perinteisesti sarjaa tyristoritaajuusmuuttajia, joita on käytetty virtalähteinä metallien induktiolämmitykseen. Lyhenne TFC vahvistettiin vain AIT :hen perustuville lähteille [1] [2] [3] [4] . Kehitettävissä olevalla TFC-sarjalla on useita sukupolvia. Myös lyhennettä TFC käytettiin joskus, mutta myöhemmin ja paljon harvemmin sähkökäyttöjen tyristoritaajuusmuuttajien osoittamiseen. Käyttömuuntimien lyhennettä TFC ei kuitenkaan pidetä oikeana, jos sähkökäyttöä ei mainita lyhenteen TFC kanssa. Käytännön epäselvyyden poistamiseksi sähkökäytölle on kehitetty yleisiä nimiä, jotka poikkeavat TFC-sarjasta: Taajuusmuuttaja (sähkökäyttö) , Taajuusmuuttaja .

Kehityshistoria

Yleiskatsaus keskitaajuisista induktiolämmityslähteistä

Induktiolämmityslähteen kuormitus on kela - kela, jonka sisään metalli asetetaan. Metallin aiheuttamat pyörrevirrat lämmittävät metallin siten, että lämpö poistuu mahdollisimman vähän ympäristöstä. Induktiokuumennusmenetelmä mahdollistaa korkean lämmitysnopeuden sekä lämpöenergian virtauksen hienosäädön ja näin saavuttaa kustannustehokkuuden, suuren tarkkuuden ja teollisten teknisten prosessien toistettavuuden. Induktiokuumennusta käytetään koneenrakennuksessa ja metallurgisessa teollisuudessa sulatukseen, takomiseen, meistämiseen, pinta- ja läpikarkaisuun, hehkutukseen, leikkurien juottamiseen, suurtaajuushitsaukseen sekä muihin erikoissovelluksiin, joissa vaaditaan metallien kuumennusta.

Lähteen lähtötaajuuden vaatimus riippuu lämmitettävän kappaleen (osion) tilavuudesta ja geometriasta. Lähteen lähtötehon tarve määräytyy lämmityslinjan määritellyn kapasiteetin mukaan. Taajuus ja teho ovat yleensä riippumattomia parametreja. Metallurgisessa teollisuudessa ns. taajuuksien keskitaajuusalue on 0,5, 1,0, 2,4, 4,0, 8,0, 10 kHz ja tehoalue 100 kW - 1600 kW, tehoa 320 kW - 800 kW käytetään muita useammin taajuuksilla 0,5, 1,0 ja 2,4 kHz. Suurissa terässulatusuuneissa, joiden tilavuus on kymmeniä tonneja, käytetään suhteellisen matalia taajuuksia 0,25 ja 0,125 kHz suurilla 5 MW:n ja suuremmilla lähdetehoilla. Konepaja- ja muilla teollisuudenaloilla käytetään korotettuja ja korkeita taajuuksia: 22; 44; 66; 100; 220; 500 kHz jne. Korkeilla taajuuksilla yli 100 kW tehoja käytetään harvemmin, lukuun ottamatta suurtaajuista hitsausta, jossa korkea taajuus yhdistetään suureen tehoon.

Kuvassa Kuvassa 1 on esitetty kaksilinkkinen rakenteen omaavan tyristoritaajuusmuuttajan peruspiiri: tasasuuntaaja muuntaa verkkovirran (50 Hz) tasavirraksi tasoitusreaktorissa , invertteri muuntaa tasavirran halutun taajuuden vaihtovirraksi. Kuvan 1 piirin tunnusomainen piirre on tasasuuntaajan ja invertterin välinen suodatuskela piirissä. Induktorin virta siltatulossa on vakio ja on absoluuttisesti sama kuin sillan lähdön vaihtovirta , joka syöttää värähtelevää piiriä linjainduktanssin kautta . Virtojen polariteetti osuu yhdellä puolijaksolla (polariteetti on positiivinen, jos sillan V1, V2 lävistäjä on auki), toisella se on päinvastainen (napaisuus on negatiivinen, jos vastakkainen lävistäjä V3, V4 on auki) . Tähän toimintaperiaatteeseen perustuvaa invertteriä kutsutaan "virtainvertteriksi". Koska tämän invertterin kuorma on passiivinen piiri, tällaista invertteriä kutsutaan autonomiseksi virtainvertteriksi (AIT). Kuormapiirinä käytetään useimmiten rinnakkaispiiriä (kuva 1), josta nimi tulee: rinnakkainen autonominen invertteri vastaa nimeä AIT [5] . ${\näyttötyyli L_{d))$ ${\näyttötyyli L_{d))$ $id$ ${\näyttötyyli L_{d))$ ${\näyttötyyli eli}$ $L_{k}$ $C_{e}L_{e}R_{e}$ $id$ ${\näyttötyyli eli}$ ${\näyttötyyli eli}$ ${\näyttötyyli eli}$

Jos induktorissa käytetään suurta induktanssia (tasoitus), niin tällaista invertteriä kutsutaan AIT:ksi jatkuvalla virralla. Jos käytetään pientä induktanssia , vaihtosuuntaajan virrassa näkyy taukoväli. Tällaista invertteriä kutsutaan AIT:ksi jaksottaisella virralla. ${\näyttötyyli L_{d))$ ${\näyttötyyli L_{d))$

Jännitteen sovittamiseksi kelaan tai käynnistyksen parantamiseksi käytetään joskus muita piirin muunnelmia, jotka sisältävät 2 tai 3 kondensaattoria: G-, T- ja U-muotoiset piirit [1] [2] [3] [ 4] [5] . Näissä piireissä induktorikelan päät on aina suljettu yhden tai kahden kondensaattorin piirin kautta. Tällaisten piirien ominaisuudet ovat lähellä kuvan 1 rinnakkaispiirin ominaisuuksia, joten invertterin toiminnan perusperiaatteet ovat yhtenevät kuvan 1 AIT:n rinnakkaispiirin kanssa.

Perustava ero invertterin toimintaperiaatteessa ilmenee, kun piirissä käytetään sarjakondensaattoria rinnakkaisen sijasta. Tällöin kuristinta invertterin tuloon ei tarvita, vaihtosuuntaajan virta muodostetaan värähtelylain mukaan muodostamalla virran taukoväli. Invertteriä ilman tulokuristinta kutsutaan erilliseksi jänniteinvertteriksi ( AVI ), vaihtoehtoinen nimi: sarja stand-alone invertteri. Tieteellisessä maailmankirjallisuudessa [6] [7] [8] [9] [10] on vakiintunut terminologia "rinnakkaisinvertterit" ja "sarjainvertterit" (Parallel Inverter, Series Inverter - vastaavasti kuristimella ja ilman). Rinnakkaispiirillä tarkoitetaan mielivaltaisen suljetun kondensaattoripiirin olemassaoloa, jotka on kytketty rinnan induktorin napojen kanssa, vaikka tavallisesti käytetään kuvan 1 tavallista rinnakkaispiiriä. Rinnakkais- ja sarjasuuntaajat kuuluvat olennaisesti eri laiteluokkiin (AIT ja AIN). Myös rinnakkais- tai sarjainvertterien kannattajia on syntynyt tieteellisiä kouluja ja suuria maailmanyrityksiä. Erityisesti yritykset Otto Junker (Saksa), Brown Boveri (Sveitsi), Asea (Ruotsi), General Electric (USA) sekä kansainvälinen yhtiö Ajax Tocco Magnethermic kehittivät pääasiassa rinnakkaisinvertterisuuntaa [6] [7] , kun taas toisena globaalina yrityksenä Inductotherm (johon kuuluu useita kymmeniä yksittäisiä yrityksiä ympäri maailmaa) kehitti pääasiassa peräkkäisen järjestelmän. Japanissa [8] ja Neuvostoliitossa keskitaajuista induktiolämmitystä kehitettiin pääasiassa rinnakkaispiirin pohjalta. Neuvostoliitossa tieteellisessä kirjallisuudessa ilmaisun "rinnakkaisautonominen invertteri" ohella termiä AIT käytettiin useammin [1] [2] [3] [4] [5] . ${\näyttötyyli L_{d))$ ${\näyttötyyli L_{d))$ ${\näyttötyyli L_{d))$

TFC-sarja

AIT-pohjaisten induktiolämpölähteiden valmistus Neuvostoliitossa (kuva 1), joita kutsuttiin "TFC-sarjaksi", sai alkunsa 1960-luvulla Tallinnassa nimetyssä Sähköteknisessä tehtaassa. Kalinina [5] . TFC-sarjan päämallit kattavat tehoalueen 100 kW - 1600 kW, taajuudet 0,5 - 10 kHz, useimmiten käytetään TFC:itä, joiden teho on 320 kW ja 800 kW taajuudella 1 kHz. 1980-luvun jälkipuoliskolla tuotantomäärä Neuvostoliitossa nousi jopa 800 kappaleeseen TFC:tä vuodessa, mikä oli noin puolet keskitaajuisten induktiolämmityslähteiden vuotuisesta maailmanlaajuisesta tuotannosta (yksikkönä mitattuna tyypillisillä kapasiteetilla). alueella 160 ... 800 kW taajuusalueella 0,5 ... 10 kHz). Erityisesti suurin amerikkalainen yritys Inductotherm tuotti 1980-luvulla noin 180 keskitaajuista lähdettä vuodessa. 1990-luvulla monet yritykset Venäjällä ja Ukrainassa aloittivat AIT-pohjaisten lähteiden massatuotannon samalla nimellä "TPC-sarja". Muilla induktiolämmityksen lähteillä, joiden piiritopologia eroaa AIT:stä, on vakiintuneen lyhenteen TFC yhteydessä TFC:stä poikkeava nimi.

Suuritehoisten tehotransistorien ilmaantuminen markkinoille 1990-luvulta lähtien on antanut sysäyksen tehoelektroniikan kehitykselle useilla teollisuudenaloilla. Transistorien kiistattomat edut ovat täydellinen ohjattavuus ja suuri nopeus. Nämä ominaisuudet loivat perustan sekä itse transistorien että yleisten tehotransistorien ohjauslaitteiden (älykkäiden moduulien) kehittämiselle kaikkiin sovelluksiin. On syntynyt voimakas universaalien tehoelektroniikan komponenttien teollisuus. Pienille yrityksille, jotka eivät aiemmin harjoittaneet korkean teknologian tuotteita, tuli mahdolliseksi ostaa valmiita komponentteja, koota ja toimittaa kilpailukykyisiä tuotteita markkinoille, mikä vaikutti markkinoiden nopeaan kasvuun. Sähkökäytön, tuuligeneraattoreiden ja aurinkoenergian alalla on valmistettu kymmeniä tuhansia tuotteita, mukaan lukien IGBT-transistoreihin perustuvia tuotteita, joiden yksikköteho on useita megawatteja. Tehoelektroniikassa on edistytty myös induktiolämmityksen alalla. Pienten, muutaman kilowatin tai kymmenien kilowatin lähteiden markkinat, jotka aiemmin olivat markkinoilta lähes puuttuneet, alkoivat kehittyä nopeasti. Myös lamppugeneraattoreita, joita käytettiin induktiolämmitykseen kymmenien ja satojen kilohertsien suurtaajuusalueella, alettiin intensiivisesti vaihtaa.

Keskitaajuusalueella, jossa nopeille puolijohteille ei ole kysyntää, induktiolämmityslähteiden tuotanto on jaettu kahteen sektoriin: tyristori- ja transistorilähteisiin. Keskitaajuusalueella tyristorit eivät ole niin herkkiä epätäydelliselle ohjattavuudelle, eivätkä tältä osin ole niin huonompia kuin täysin ohjatut transistorit, mutta luotettavuuden ja kustannusten suhteen ne voittavat. Tyristoripiirin vahvistus tuntuu erityisesti yli 250 kW:n tehoilla, kun suhteellisen kallis ohjausjärjestelmä jää vähemmän havaittavaksi tuotteen kokonaiskustannuksissa ja tyristoripiirin luotettavuudesta tulee ostajalle vallitseva tekijä. Tehokkaissa lähteissä ohjausjärjestelmän rooli suoja-, diagnostiikka-, valvonta-, automaatio- ja säätöongelmien ratkaisemisessa kasvaa. Siksi tällaisten lähteiden osalta tyristori- ja transistorilähteiden ohjausjärjestelmien kustannukset ovat vertailukelpoisia. Tyristori on tehotransistoriin verrattuna monta kertaa suurempi yksikköteholtaan ja halvemmalla. Tyristori pystyy kestämään hetkellisesti virtaa, joka on suuruusluokkaa suurempi kuin käyttövirta, kun taas transistori menee kyllästymisestä pois ja tuhoutuu. Mitä enemmän transistorien rinnakkaisia kytkentöjä, sitä vaarallisempia hätätilat ovat, joihin voi liittyä kotelon räjähdys. Siksi tyristori- ja transistorilähteiden sektorien välisillä markkinoilla keskitaajuisen lämmityksen alalla on muodostettu vakaa raja noin 250 kW tehotasolla. Raja on olemassa yksinomaan induktiolämmityksessä ja yksinomaan keskitaajuusalueella, kun taas muilla alueilla markkinat ovat selvästi täynnä transistoripiirejä.

Puolijohdeteollisuuden edistyminen on johtanut tyristorien ilmestymiseen modulaarisessa paketissa, joka on samanlainen kuin tehotransistoripaketti, ja jolla on samat edut - eristys jäähdyttimestä ja modulaaristen rakenteiden kokoonpanon helppous. Myös AIT-tyristoriinvertteripiirissä jotkut valmistajat ottavat käyttöön transistorikatkojan invertterin tuloon, ns. IGBT-katkoja, jonka avulla voit parantaa piirin ohjattavuutta ja ominaisuuksia ja samalla olla menettämättä vastusta tyristoreille ominaisia hätätiloihin.

TFC-sarja on kehittynyt pitkän matkan. Alla oleva taulukko antaa kuvan TFC-sarjan sukupolvien vaihdosta. Taulukko antaa mahdollisuuksien mukaan objektiivisia merkkejä eri valmistajille yhteisen TFC:n tuotantotekniikan edistymisestä. Taulukko rajoittuu tekniikan kehityksen huomioimiseen vain TFC-lähteille niiden luontaisen AIT-topologian kanssa. Yhteen laiteluokkaan kuuluminen säilyy myös siinä tapauksessa, että AIT on vain osa virtapiiriä. Esimerkiksi laitteet, joissa tehotransistorikatkoja (IGBT-katkoja) on asennettu tai ei ole asennettu AIT-tuloon, kuuluvat samaan luokkaan. AITSP-piirillä (AIT synkronisella katkaisijalla) ja AITAP-piirillä (AIT asynkronisella katkaisijalla, jossa katkaisijaa ei ole synkronoitu invertterin kanssa) on merkittävästi erilaiset ominaisuudet, vaikka ne kuuluvatkin samaan laiteluokkaan.

Autonomiseen virtainvertteriin (AIT) perustuvan TFC-sarjan sukupolvien vaihto

TFC-sarja	Valmistustekniikan edistymisen merkkejä
1. sukupolvi	1960-luku. Ohjausjärjestelmässä ei ole painettuja piirilevyjä - asennus on kolmiulotteinen (paneeleilla) erillisessä kaapissa. Logiikkakomponentit: erilliset puolijohteet (transistorit ja diodit) ja suuret logiikkamoduulit posliinikotelossa (Logika-T). Teho-osassa käytetään nastatyristoreita, jotka ovat suhteellisen pienitehoisia. Jokaisessa muuntimen varressa on suuri määrä rinnakkais- ja sarjaliitäntöjä. Tehokkaissa TFC:issä, jos tehoosat kytketään rinnakkain, erillisen osan autonominen (yksi) käyttö ei ole sallittua. Taajuusjärjestys: 0,5; 1 kHz. Hyötysuhde on noin 92 % 1 kHz:llä. TFC:n ominaisindikaattorit: noin 6…8 kg/kW.
2. sukupolvi	1970-luku. Ohjausjärjestelmään ilmestyy painettu johdotus, mikä mahdollistaa ohjausjärjestelmän mittojen pienentämisen ja samalla sen toimivuuden lisäämisen. Jokaisella yksittäisellä ohjausyksiköllä on suhteellisen vähän toimintoja. Suuri määrä lohkoja asennetaan erilliseen kaappiin. Tablettityristorit ilmestyvät teho-osaan, rinnakkaisten ja sarjaliitäntöjen määrä yhdessä varressa vähenee. Rinnakkain kytkettyjen teho-osien osalta erillisen osan autonominen (yksi) käyttö ei ole sallittua. Syötä maksimitaajuus 2,4 kHz, taajuusjärjestys: 0,5; yksi; 2,4 kHz. Tehokkuus nousi 92...93 %:iin 1 kHz:llä. TFC:n ominaisindikaattorit ovat parantuneet: noin 4…5 kg/kW.
3. sukupolvi	1986 Logiikkakomponentit: pienten ja keskisuurten integraatioasteiden sirut. Ohjausjärjestelmä on rakennettu kasetille suurille monitoimiisille piirilevyille, joissa on jopa 300 komponenttia johdinjohtimilla. Tehoosassa käytetään tehokkaita tablettityristoreita, rinnakkaisliitännät jätetään pois ja sarjaliitännät pysyvät yhdessä varressa. Rinnakkain kytkettyjen teho-osien osalta autonominen (yksi) käyttö on sallittu. Esitetään käsitteet "yksittäisen TFC:n työ", "yhteisellä kuormalla varustettujen TFC-ryhmien työ", "TFC:n yksittäinen toiminta kompleksissa", "TFC-kompleksin ryhmätyö". Syötetyt taajuudet 4, 8 ja 10 kHz, taajuusjärjestys: 0,5; yksi; 2,4; neljä; kahdeksan; 10 kHz. Tehokkuus nousi 94...95 %:iin 1 kHz:llä. TFC:n ominaisindikaattorit ovat parantuneet: noin 2…2,5 kg/kW.
4. sukupolvi	2002 Logiikkakomponentit: yksi LSI on suuri integroitu piiri, joka kattaa koko ohjausjärjestelmän loogisen (digitaalisen) osan. Ohjausjärjestelmä on rakennettu pienikokoisille monikäyttöisille monikerroksisille levyille, jotka perustuvat ns. "reikätön" eli pintatekniikka ( SMD ), jossa miniatyyrikomponentit tasomaisilla johtimilla (tyypillinen vastuskoko 1,5 x 0,75 mm) juotetaan suoraan levyn pintaan. Hankala "reikä"-tekniikka (HMD - Hole Mount Technology), jossa komponentit, joissa on johtojohdot, juotetaan levyn reikiin, on minimoitu. Tehoosassa käytetään tehokkaita tablettityristoreita, jotka mahdollistavat tehovarren rakentamisen yhdelle tyristorille. Poikkeus: suurtaajuus 8 ja 10 kHz, joissa käytetään suhteellisen matalan jänniteluokan nopeita tyristoreita, jotka yleensä vaativat 2 tyristoria sarjassa yhdessä invertterivarressa. Suhteellisen pienille tehoille (jopa 320 kW) jotkut valmistajat käyttävät ns. "modulaariset" tyristorit, jotka on ruuvattu yhteiseen alumiinilevyyn, mikä yksinkertaistaa tehoyksikön suunnittelua ja tarjoaa galvaanisen eristyksen jäähdytysnesteestä (vedestä). TFC-kompleksin ryhmätyö on ennallaan. Taajuusjärjestys muuttumaton: 0,5; yksi; 2,4; neljä; kahdeksan; 10 kHz. Tehokkuus nousi 95...96 %:iin 1 kHz:llä. TFC:n ominaisindikaattorit ovat parantuneet: noin 1,6…2,5 kg/kW.
5. sukupolvi	2015 TFC Internet Diagnostics -järjestelmä otetaan käyttöön ohjausjärjestelmään. Ohjausjärjestelmä sisältää työkalut työ- ja hätäoskilogrammien lukemiseen ja tallentamiseen Black Boxin pysyvään muistiin sekä välineet Internet-yhteyden muodostamiseen GSM-modeemilla. Hälytysaaltomuodot lähetetään automaattisesti yhteisön sivustolle . Demokraattisin TFC-diagnostiikkasivusto ilman pääsyrajoituksia ja ilman rekisteröintiä toimii toisaalta "pikareagointityökaluna" korjausten aikana, toisaalta "kollektiivisena tietopohjana" tyypillisten hätätilanteiden ja prosessien tutkimiseen. henkilöstön toimintataitojen kouluttamiseen. Transistorisynkroninen kytkin (SP) viedään teho-osaan tyristorin AIT tuloon. AITSP-piirissä yhdistyvät kahden tyyppisen puolijohteen edut samanaikaisesti: transistorit (täysi ohjattavuus) ja tyristorit (luotettavuus hätätiloissa). Jälkimmäisiä käytetään modulaarisissa ja tablet-koteloissa. TFC-kompleksin ryhmätyö on ennallaan. Taajuustyyppialuetta on laajennettu sekä taajuuden pienentämisen että taajuuden lisäyksen suuntaan: 50 (60), 125, 250, 500, 1000, 2500, 4000, 8000 (10000), 16000, 22000 Hz . Tehokkuus nousi 97,5...98,5 %:iin 1 kHz:llä. TFC:n ominaisindikaattorit ovat parantuneet: noin 1 kg/kW.

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 4 Gorbatšov G. N., 1988 , s. 306.
↑ 1 2 3 4 Schilling W., 1950 .
↑ 1 2 3 4 Tolstov Yu.G., 1978 .
↑ 1 2 3 4 Chizhenko I.M., 1978 .
↑ 1 2 3 4 E. I. Berkovich, 1973 .
↑ 12 Alfred Muhlbauer , 2008 .
↑ 1 2 John William Motto, Jr., 1977 .
↑ 1 2 Takesi FUJITSUKA, 1971 .
↑ Nikolay L. Hinov, 2005 .
↑ pantechsolutions .

Kirjallisuus

Gorbatšov G. N., Chaplygin E. E. Teollisuuselektroniikka: Oppikirja yliopistoille / Toim. V. A. Labuntsova. . - M . : Energoatomin julkaisema, 1988. - 320 s.

Schilling V. Tasasuuntaajien, invertterien ja taajuusmuuttajien kaaviot: Per. hänen kanssaan .. - L . : Gosenergo-julkaistu, 1950. - 464 s.

Tolstov Yu.G. Autonomiset virtainvertterit. - M . : Toim. "Energia", 1978. - 208 s.

Chizhenko I.M. Muuntotekniikan käsikirja .. - K . : Technіka, 1978. - 447 s.

E. I. Berkovich. Korkeataajuiset tyristorimuuntimet. - L .: Energia, 1973.

Alfred Muhlbauer. Induktiokuumennuksen ja -sulatuksen historia . – Vulkan-Verlag GmbH, 2008.

John William Motto Jr. Johdatus Solid State Power Electronicsiin . - Westinghouse Electric Corp., 1977.

Takesi Fujitsuka. Rinnakkaisinduktiivisen kuorman rinnakkaisen invertteripiirin analyysi ja suunnittelu . - Kioton yliopisto, 1971.

Nikolai L. Hinov. Rinnakkaisinvertterianalyysi matemaattisten ohjelmistojen avulla . Bulgaria: 1000 Sofia, 2005.

Pantech ProLabs India Pvt Ltd. Johdatus rinnakkaisinvertteriin (englanniksi) (linkkiä ei ole saatavilla) . Haettu 22. syyskuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 13. tammikuuta 2014.