Как отмечалось в предыдущей статье [1], в преобразователях частоты (ПЧ) малой и средней мощности для трехфазных моторов переменного тока чаще всего используются изолированные IGBT-модули: полные трехфазные инверторы, полумосты и чопперы. Применение IGBT компонентов оправдано в силу простоты управления IGBT и простой интегрированной схемотехники.

В трехфазных регуляторах малой и средней мощности целесообразно применять специально спроектированные тиристорные модули: трехфазные управляемые мосты Ларионова и трехфазные встречно-параллельные тиристорные регуляторы мощности.

Но в мощных мегаваттных приложениях (выше 600А и выше 1600В) применение вышеперечисленных компонентов ограничено или неэффективно:

• тиристорные компоненты модульной конструкции (для регуляторов мощности) ограниченны по току до 300А и 16ым классом напряжения*, а на большие токи и напряжения стоимость изолированных модулей резко возрастает, что делает их применение нецелесообразным.
• IGBT-модули — полумосты и чопперы выше 17ого класса* напряжения и выше 600А это достаточно дорогие компоненты. Кроме того все IGBT компоненты имеют всего лишь двукратный кратковременный запас по максимальному току**.

IGBT-модули — полумосты и чопперы выше 17ого класса* напряжения и выше 600А это достаточно дорогие компоненты. Кроме того все IGBT компоненты имеют всего лишь двукратный кратковременный запас по максимальному току**.

запираемые тиристоры (GTO), используемые в инверторных ПЧ имеют некоторые ограничения, а именно импульс запирания имеет сложную форму:

• сначала короткий импульс (в 4 раза больший по напряжению и в 5 раз больший по току, чем у импульса отпирания)
• этот короткий импульс переходит в достаточно продолжительный (более 100мкс) запирающий импульс небольшого тока и напряжения на весь период запирания.

Основное преимущество обычного тиристора — 10ти...30ти кратный кратковременный запас по току** именно в момент запирания GTO отсутствует, что делает их уязвимыми аналогично IGBT-компонентам. Модификация запираемого тиристора — IGCT находится в той же ценовой нише, что и высоковольтные IGBT.

Поэтому рассмотрим бюджетный вариант — применение «классических» (незапираемых) тиристоров таблеточного типа в мощных мегаваттных приложениях.

Применение тиристоров таблеточного типа в мощных регуляторах мощности

Поскольку тиристоры таблеточного типа Kubara Lamina до 3000В и до 1900А на данный момент являются самыми дешевыми приборами по сравнению с тиристорными модулями и тиристорами винтовой конструкции, а также имеют в среднем 17-ти кратный запас по току**, это делает их основой для построения трехфазных регуляторов мощности.

Трехфазные тиристорные регуляторы мощности могут быть с трехфазным выходом (рис.1), которые применяются как для симметричных нагрузок (например моторный привод), так и несимметричной, но взаимосвязанной в общую систему управления (например диммируемая система освещения больших концертных залов).


Рис.1

Одно из таких применений — твердотельный трехфазный тиристорный контактор.

Другое применение (с симметричной нагрузкой) — примитивный регулятор скорости трехфазного асинхронного двигателя (рис.2), частным случаем которого может быть устройство плавного пуска/плавного останова двигателя.


Рис.2Функциональная схема тиристорного регулятора c фазовым управлением:

ТКЭ1,ТКЭ2,ТКЭ3 — тиристорный коммутирующий (регулирующий) элемент; БУ1,БУ2,БУ3 — блоки управления силовыми ключами; БНП — блок создания начального поля; ФИУ — фазоизмерительное устройство; КС — командный сигнал включения; БВД — блок включения двигателя; АД — асинхронный двигатель переменного тока.

Недостаток такой схемы на больших токах — нечетные гармоники напряжения большой амплитуды, которые не дают возможность компенсировать реактивную энергию мотора без использования специального антирезонансного реактора.

При мощных нагрузках, безразличных к форме тока (переменный или постоянный): например освещение, нагревательные элементы, плавильные печи, целесообразно применять регуляторы мощности по схеме трехфазного регулируемого тиристорного выпрямителя Ларионова (рис.3)


Рис.3

Эта схема также может применяться для мощных гальванических ванн и для зарядных устройств аккумуляторных батарей большой емкости.

Применение классических тиристоров в преобразователях частоты (ПЧ) для трехфазных двигателей переменного тока

Как известно, в зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса ПЧ (рис.4):

1. С непосредственной связью (далее НПЧ).
2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока;

Рис.4

Преобразователи частоты с непосредственной связью без звена постоянного тока (НПЧ), построенные на тиристорах обладают рядом положительных свойств, обусловливающих целесообразность их применения:

1. коммутация тока в вентилях (тиристорах) НПЧ происходит за счет напряжения питающей сети, поэтому не требуется применение каких-либо специальных коммутирующих устройств и фильтрующего высоковольтного конденсатора большой емкости;
2. НПЧ позволяет осуществлять двусторонний обмен мощности: из питающей сети в цепь нагрузки и из цепи нагрузки в питающую сеть. Благодаря этому легко обеспечивается рекуперативное торможение двигателей нагрузки и работа НПЧ на нагрузку с любым коэффициентом мощности;
3. НПЧ позволяет осуществлять плавное регулирование амплитуды и частоты напряжения на выходе (начиная с нуля), что необходимо для частотного управления мотором переменного тока;
4. питание НПЧ производится непосредственно от сети переменного тока (с разделительным трансформатором или без него) без промежуточного выпрямления, что позволяет строить силовые схемы с меньшим числом вентилей по сравнению с ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока;
5. в НПЧ с помощью системы управления тиристорами мы получаем на выходе ток, по форме близкий к синусоидальному для работы на двигатель большой мощности, используя при этом недорогие вентили — классические тиристоры;
6. высокая перегрузочная способность НПЧ по току.

НПЧ присущи некоторые недостатки:

1. НПЧ потребляют из сети значительную реактивную мощность. При необходимости этот недостаток преодолевается путем применения косинусных конденсаторов;
2. главным недостатком, вытекающим из самого принципа работы НПЧ, является ограничение верхнего предела выходных частот;
3. более сложная система управления тиристорами, по сравнению с управлением ключами в ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.
4. критичность тиристоров к скорости нарастания тока diA/dt при реактивной нагрузке.

Рассмотрим структуру НПЧ, построенную на фазных тиристорах (рис.5).



На данном рисунке изображена лишь одна фаза НПЧ. Но в реальности для трехфазных двигателей (синхронных и асинхронных) применяется схема, показанная на рисунке 6, называемая также трехфазным шести-импульсным циклоконвертором. Эта схема состоит из трех фаз однофазного преобразователя (типа рис.5), присоединенных к трем фазам (1-2,2-3,1-3).

Как сказано было ранее, недостаток такого НПЧ — ограничение выходной частоты: 0


Для увеличения диапазона частот выходного напряжения необходимо увеличить количество фаз, аналогично тому, как описано в статье о 12и-пульсном выпрямителе [2].

Особенностью схемы на рисунке 7 есть то, что входы двух фаз НПЧ питаются от фазосмещающих (на ± 20º) трансформаторов: получаем 18и-пульсный преобразователь, устраняющий гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. Для данной схемы количество импульсов m=18, следовательно fmax = 18*f0/15 = 60 Гц, что для большинства НПЧ вполне достаточно.


Рис.7

При питании НПЧ от сети авиационного/военного стандарта 400Гц, например от аэродромного генератора ГТ60ПЧ8Б (трехфазная сеть 208В, 400Гц, 100кВт) огибающая синусоида тока частотой f на выходе НПЧ будет иметь более высокочастотные гармоники f0 и больший диапазон регулировки f, но в такой схеме НПЧ желательно использовать импульсные или быстрые тиристоры (со временем запирания порядка 20мкс). Следует также отметить, что трехфазные трансформаторы на 400Гц имеют объем и вес в более чем 10 раз меньший, чем аналогичные трансформаторы 50Гц.

Для мегаваттных приложений рекомендуется использовать тиристоры таблеточного типа низкочастотные Т83-800(до 24кл.), Т83-900(до 20кл.), Т83-1000(до 12кл.), Т95-800(до 30кл.), Т95-1000(до 24кл.), Т95-1400(до 24кл.), Т95-1900(до 12кл.), P95-800(до 18кл.), P95-1000(до 14кл.). Для приложений сотни киловатт (НПЧ), работающих на частоте 400Гц (до 2кГц) рекомендуется использовать тиристоры таблеточного типа импульсные: P83-500, P83-600, P75-600, P75-700, быстрые: F63-300, F75-500, F75-700. Здесь указаны типы приборов производства Kubara Lamina.

Защита тиристоров

В заключении отметим, что при достаточном запасе по максимальному току, тиристоры критичны к скоростям нарастания прямого тока diA/dt и прямого напряжения duAC/dt. Тиристорам присуще явление протекания обратного тока восстановления, резкое спадание которого до нуля порождает возникновение перенапряжений с высоким значением duAC/dt в случае индуктивного характера нагрузки. Такие перенапряжения являются следствием резкого прекращения тока в обмотках двигателя. Поэтому для защиты тиристоров обычно используют различные схемы, которые в динамических режимах осуществляют защиту от недопустимых значений diA/dt и duAC/dt.

В большинстве случаев внутреннее индуктивное сопротивление источников напряжения в цепи включенного тиристора, оказывается достаточным, чтобы не вводить дополнительные ограничители тока, поэтому на практике чаще всего возникает необходимость в цепях защиты тиристоров, снижающих уровень и скорость перенапряжений именно при выключении (рис. 8).


Рис. 8. Типовая схема защиты тиристора

Для этой цели обычно используют RC-цепи, подключаемые параллельно тиристору. Существуют различные схемотехнические модификации RC-цепей (в т.ч. с быстрым диодом Df параллельно Rs) и методики расчета их параметров для разных условий эксплуатации тиристоров. RC-цепь выполняет функцию, аналогичную функции снабберного конденсатора в цепях IGBT-модуля [1].

1] «Особенности продукции POWERSEM, лидера по производству силовых полупроводниковых приборов в миниатюрных корпусах ECO-PAC™», Глава «Пример применения IGBT-модулей POWERSEM в приводах переменного тока»

2] «Использование диодов таблеточного типа в выпрямителях тяговых подстанций»

*) класс напряжения для тиристоров на 10...15% ниже напряжения обратного лавинного пробоя или динисторного отпирания (лавинный пробой тиристора при ограниченном токе допускается);

для IGBT кратковременное 10%-ное превышение класса напряжения (максимального напряжения коллектор — эмиттер запертого транзистора) вызывает пробой и выход из строя прибора.

**) для IGBT токовая перегрузка (двукратная) нормируется для 1мс;

для тиристора токовая перегрузка (10...30-кратная) нормируется для 10мс, т.е. для полупериода сети 50Гц.