Тиристорный преобразователь частоты

Министерство образования и науки Российской Федерации

Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова

Кафедра А Э Т У С

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине « Источники питания ЭТУС»

На тему:

«Тиристорный преобразователь частоты»

Выполнил студент

группы ЭТ-51-03

Логвинов Е.В.

Проверил руководитель:

Терехов В.П.

Чебоксары 2006 г.



РЕФЕРАТ

Записка содержит страниц, рисунков, источника литературы, таблицу.

Объектом проектирования является тиристорный преобразователь частоты с последовательным инвертором и обратными диодами.

Пояснительная записка включает в себя расчёт электрического режима инвертора, расчёт выпрямителя, выбор основных элементов и системы автоматического управления и защиты тиристорного преобразователя частоты. Спроектирована принципиальная электрическая схема, структурная схема управления, построены временные диаграммы токов и напряжений и характеристики инвертора.

Ключевые слова: ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ЧАСТОТА, ИНВЕРТОР, ТИРИСТОР, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, КОНДЕНСАТОР, КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ.



Введение

Для некоторых электротехнологических процессов, например, при индукционном нагреве требуются источники питания повышенной и высокой частоты от нескольких сотен Гц до нескольких МГц.

Для получения таких частот применяются как электромашинные, так и статические преобразователи частоты. В качестве последних используются полупроводниковые преобразователи частоты и ламповые генераторы.

Генерация токов повышенной частоты от 250 Гц до 10 кГц в мировом масштабе осуществляется почти исключительно тиристорными преобразователями частоты. По сравнению с электромашинными преобразователями они имеют ряд преимуществ:

возможность изменения рабочей частоты, обеспечивающей режим работы, близкий к оптимальному, без переключения в силовой цепи;

более высокий КПД от 0,92 до 0,97, не зависящий от изменения выходной мощности преобразователя;

практически мгновенная готовность к работе;

меньший расход активных материалов;

более низкие эксплуатационные затраты и расходы по техническому обслуживанию;

меньшее время простоев на ремонт преобразователя и его элементов.[1]

Большие преимущества тиристорных преобразователей заключены в их регулировочных свойствах. Современные регуляторы преобразователей повышенной частоты позволяют вести регулирование с запаздыванием всего на один - два полупериода выходной частоты. Регулирование осуществляется без переключений в силовых цепях, что позволяет обходиться без громоздких коммутирующих устройств. [2]

Следует отметить, однако, что статическим преобразователям частоты присущи специфические особенности, которые необходимо учитывать при согласовании источника питания с нагрузкой, при выборе силовых схем, систем управления, регулирования и защиты, режимов работы вентилей, конструктивных решений. [1]

Тиристорные преобразователи высокой частоты (0,5 и более килогерц) находят применение как в энергоемких устройствах (индукционные нагревательные установки, преобразовательные подстанции на железнодорожном транспорте и т.п.), так и в установках сравнительно небольшой мощности (питание люминесцентных ламп, установки для активации полимерных материалов и т.п.). [3]

Техническая характеристика

Мощность установки, кВт 120

Напряжение сети, В 380

Число фаз 3

Частота тока на выходе ТПЧ, Гц 2400



1. Принцип действия ТПЧ и автономного инвертора

а) Автономные инверторы по принципу действия делятся на три типа: инверторы тока или апериодические; резонансные или колебательные; инверторы напряжения.

В инверторах тока вентили переключают постоянный ток, потребляемый от источника питания. Постоянство его обеспечивается дросселем большой величины. Выходной ток имеет прямоугольную форму.

В инверторах напряжения вентили переключают постоянное напряжение источника питания. Малое внутреннее сопротивление источника питания обеспечивается конденсатором большой величины. Напряжение на нагрузке имеет прямоугольную форму.

Резонансные инверторы, в зависимости от соотношения параметров и схемы, могут быть близки либо к инверторам тока, либо к инверторам напряжения. Выключение вентилей в них осуществляется благодаря колебательному характеру тока, которая обеспечивается последовательным резонансным LC-контуром, а нагрузка включается последовательно с ним, либо параллельно ему (или одному из реактивных элементов).

Рассмотрим подробнее принцип действия последовательного резонансного инвертора со встречными диодами.

В резонансных автономных инверторах выключение вентилей осуществляется благодаря колебательному характеру тока. Такой ток обеспечивается последовательным резонансным LC-контуром, а нагрузка включается либо последовательно с ним, либо параллельно, либо параллельно одному из реактивных элементов.

Резонансные инверторы применяют при частотах выше 1-2 кГц. Скорость нарастания тока в таких инверторах относительно небольшая, что облегчает условия работы вентилей.

Резонансным инверторам свойственен недостаток, заключающийся в том, что напряжения на элементах могут во много раз превышать напряжение питания. Одним из способов ограничения напряжения на элементах является включение обратных или встречных диодов, с помощью которых накопленная на этапе проводимости тиристоров в конденсаторе С_к энергия возвращается либо в источник питания, либо в другой накопитель энергии.

При работе инвертора возможны перегрузки по напряжению, что заставляет выбирать тиристоры на высокое напряжение с большим запасом. С повышением класса тиристора его цена растет при том же допустимом действующем значении тока. Поэтому были предложены многочисленные модернизации схем инверторов для снижения напряжения на элементах этих схем. К их числу относят схемы инверторов с диодами встречного тока, в которых предусмотрено встречно-параллельное включение каждого тиристора и диода. Мостовая схема последовательного резонансного инвертора с диодами встречного тока приведена на рис.1, а на рис. 2 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу такого инвертора.

Рис.1. Принципиальная электрическая схема последовательного резонансного инвертора с диодами встречного тока

К моменту = О конденсатор С имел полярность, указанную на рис. 1 без скобок. В момент = 0 отпираются тиристоры VS1, VS4, через них потечет анодный ток ia1 = ia4, и конденсатор С начнет перезаряжаться на противоположную полярность, указанную на рис. 1 в скобках. Очевидно, что ток перезаряда конденсатора равен току в нагрузке rнLн. В момент анодный ток тиристоров VS1, VS4 становится равным нулю и тиристоры запираются. Поскольку в результате колебательного характера процесса перезаряда конденсатор С приобретает напряжение, Превышающее напряжение источника питания, то диоды VS1 и VS4 отпираются и конденсатор С разряжается на источник питания, обеспечивая протекание тока нагрузки в другом направлении.

В момент отпираются тиристоры VS2, VS3 и ток нагрузки коммутируется на эти тиристоры. Конденсатор С перезаряжается с исходной полярностью. После запирания тиристоров VS2, VS3, ток нагрузки переходит на диоды VD2, VD3.

Когда ток протекает через тиристоры, источник питания отдает энергию нагрузке, a на интервалах проводимости диодов часть реактивной энергии возвращается в источник постоянного |тока.

В течение интервалов - и - выключенного состояния тиристоров к ним не прикладывается большого обратного напряжения, что вызывает увеличение времени восстановления управляемости тиристоров. Обратное напряжение, появляющееся на тиристорах в интервалах - и -, равно падению |напряжения на открытых диодах. Поэтому в таких схемах необходимы тиристоры с весьма малым временем восстановления рапирающих свойств.

Диаграммы, приведенные на рис.2, справедливы для диодов VD1 - VD4 с временем восстановления t_B = 0. Для реальных вентилей в кривой тока тиристоров, а следовательно, и в кривой тока нагрузки появятся выбросы. Пусть на интервале - проводили диоды VD1, VD4. В момент отпираются тиристоры VS2, VS3, в результате чего полное напряжение питания прикладывается к параллельным цепям, состоящим из VD1, VS2 и VD4, VS3.

Поскольку диоды в течение некоторого времени не проявляют своих запирающих свойств, то протекание тока через них будет проходить в обратном направлении со скоростью нарастания,

где L_М -- индуктивность монтажных проводов.

Уменьшение амплитуды выброса и крутизны может быть достигнуто за счет последовательного включения с каждой ячейкой VS-VD индуктивностей L_K.



Рис. 2. Временные диаграммы работы последовательного резонансного инвертора с диодами встречного тока

Режим работы инвертора, близкий к холостому ходу, невозможен в связи с уменьшением времени, отводимого на восстановление запирающих свойств.

Схема может работать при коротком замыкании нагрузки. Это объясняется тем, что в данном случае инвертор не потребляет энергии, осуществляется лишь обмен энергией между реактивными элементами контура и источником питания, что возможно благодаря диодам встречного тока. Поскольку в этом режиме добротность контура повышается, то угол запирания увеличивается, поэтому срыва инвертирования не наблюдается.

б)На рис.4. приведена принципиальная схема силовых цепей преобразователя. Кроме основных элементов (вентилей, реакторов , силового трансформатора Т и т.д.) показаны также вспомогательные элементы, датчики для системы регулирования и защиты СУРЗ. Преобразователь питается от трёхфазной сети 380 В через автоматический выключатель QF, служащий для отключения преобразователя внутренних КЗ в выпрямителе и при отказе быстродействующей электронной защиты. Трансформаторы тока ТА1-ТА3 предназначены для формирования сигналов на ваттметр PW и в систему защиты в случае перегрузок по входному току.

В каждом плече выпрямителя имеется одна цепочка, состоящая из тиристора и параллельно подключенная к ней RC-цепочка.

В каждом плече инвертора имеются цепочка, состоящая из двух последовательно соединённых тиристоров (VS7-VS10) и RC-цепей, присоединённых параллельно каждому тиристору, а также параллельно подключенных встречных диодов (VD1-VD4) . Напряжение на нагрузку подаётся с диагонали моста через силовой трансформатор. Здесь же формируются сигналы, поступающие в блок датчиков системы управления инвертором через трансформатор напряжения TU. На рисунке показано подключение приборов.



2.Расчет электрического режима инвертора

1. Определяем минимальный угол запирания

=1,017 рад/с

2. Угол запирания имеет минимальное значение в первом периоде коммутации и определяется из следующего выражения

отсюда можно найти величины и

Найдем =рад/c

=2,123 рад (121,7°)

3. В установившемся режиме угол определяется из соотношения

откуда, задаваясь коэффициентом увеличения = находим угол (рис.2, в)

4. Находим индуктивность L.

L=1,035мкГн

Т.к. L<Lн_х ,то оставляем значение Lн_х и находим из

=7,4

рад

5. Принимаем собственную частоту колебательного контура из L_kC на 10% больше двойной частоты инвертирования

6. Задаваясь добротностью колебательного контура , определяем

Примем Q=2 тогда =0,46

7. Находим значение потребляемого из сети тока



8. Ток первичной обмотки трансформатора

9. Емкость коммутирующего конденсатора

10. Индуктивность коммутирующего контура

11.Коэффициент трансформации трансформатора Т

12. Пересчитываем параметры нагрузки на первичную стону.

13. Индуктивность коммутирующего дросселя

14. Среднее значение тока тиристора

15. Среднее значение тока диода

16. Максимальное значение тока тиристора и диода соответственно

17.Действующее значение токов тиристора и диода

18 Максимальное значение напряжения на конденсаторе

3. Расчет выпрямителя и LC-фильтра

а) При питании от трёхфазной сети 380 В 50 Гц напряжение холостого хода выпрямителя принимается В.

Амплитуда обратного напряжения прикладываемая к вентилям выпрямителя

В.

Среднее и максимальное значения анодного тока вентиля соответственно:

А;

А.

б) Индуктивность входного LC-фильтра определяется

,

где А;

- кратность пульсаций выпрямленного тока по отношению к частоте питающей сети (для мостовой схемы ).

Гн.

Ёмкость конденсатора С_ф рассчитывается из условия

,

где - коэффициент фильтрации, равный отношению действующих значений переменной составляющей на входе и выходе фильтра.

;

Ф.



4. Расчет нагрузочных характеристик

Расчёт нагрузочных характеристик проведём по формулам:

;

.

Вычисленные по этим формулам характеристики последовательного резонансного инвертора в функции коэффициента нагрузки D при постоянстве частотного коэффициента (=0,6) при активно-индуктивной нагрузке представлены на рис.3.

Таблица 1. Нагрузочные характеристики последовательного инвертора.

D
0,03	4,58253	21,52	4,75263
0,05	4,58329	12,92	3,9509
0,07	4,58444	9,23	3,53074
0,1	4,58689	6,467	3,1628
0,2	4,60142	3,252	2,63274
0,3	4,6262	2,189	2,41429
0,4	4,66212	1,664	2,29355
0,5	4,71053	1,355	2,21813
0,6	4,77345	1,156	2,16841
0,7	4,85378	1,019	2,13547
0,8	4,95575	0,924	2,11481
0,9	5,08568	0,857	2,10422
1	5,25334	0,813	2,10292
1,1	5,47474	0,79	2,11137
1,2	5,7781	0,787	2,13157
1,3	6,21898	0,811	2,16826
1,4	6,92704	0,88	2,23276
1,5	8,31239	1,052	2,35898

Рис.3 Характеристики симметричного последовательного резонансного инвертора с диодами встречного тока:1-, 2- , 3-л



5. Выбор основных элементов ТПЧ

На рис.4. приведена принципиальная схема силовых цепей преобразователя. Кроме основных элементов (вентилей, реакторов , силового трансформатора Т и т.д.) показаны также вспомогательные элементы, датчики для системы регулирования и защиты СУРЗ. Преобразователь питается от трёхфазной сети 380 В через автоматический выключатель QF, служащий для отключения преобразователя внутренних КЗ в выпрямителе и при отказе быстродействующей электронной защиты. Трансформаторы тока ТА1-ТА3 предназначены для формирования сигналов на ваттметр PW и в систему защиты в случае перегрузок по входному току.

В каждом плече выпрямителя имеется одна цепочка, состоящая из тиристора и параллельно подключенная к ней RC-цепочка. Между выпрямителем и инвертором включен входной LC-фильтр (L_ф=283 мкГн, С_ф=10,4 мкФ).

В каждом плече инвертора имеются цепочка, состоящая из двух последовательно соединённых тиристоров (VS7-VS10) типа ТБ153-630, и RC-цепей, присоединённых параллельно каждому тиристору, а также параллельно подключенных встречных диодов (VD1-VD4) типа . Напряжение на нагрузку подаётся с диагонали моста через силовой трансформатор. Здесь же формируются сигналы, поступающие в блок датчиков системы управления инвертором через трансформатор напряжения TU.



рис.4 Принципиальная схема ТПЧ



6. Выбор системы автоматического управления и защиты ТПЧ

6.1 Задачи управления при эксплуатации преобразователя

Управление преобразователем в составе ЭТУ должно обеспечивать нормальную эксплуатацию преобразователя, соблюдение данного электрического режима установки и наилучшие энергетические показатели.

Нормальная эксплуатация преобразователя обеспечивается при выполнении следующих условий:

1. Постоянный ток не должен превышать номинальное значение .

2. Инвертированное напряжение и напряжение на отдельных элементах схемы установки не должно превышать максимально допустимых значений.

3. Время запирания t_з, обеспечиваемое схемой, должно превышать номинальное время выключения тиристоров t_в. Практически при работе инвертора на индуктор частота меняется не более чем на 15-25%. Поэтому условия устойчивости работы инвертора можно выразить через угол запирания: , где t_в - минимальный допустимый угол запирания.

С точки зрения эксплуатации индукционных установок возможны два способа регулирования электрического режима:

1. Стабилизация напряжения на нагрузке . Описанный режим применяется в установках для поверхностной закалки и нагревателях методического действия, в которых необходимо обеспечить повторяемость процесса нагрева периодически сменяемых заготовок.

2. Стабилизация тока на номинальном уровне, равном . Этот режим применяется в плавильных установках, так как обеспечивает максимальное потребление мощности и, следовательно, максимально быстрый нагрев и расплавление металла.

При работе индукционной установки в каждом из этих размеров из-за изменения эквивалентного сопротивления контура возможно нарушение условий нормальной эксплуатации преобразователя.

6.2 Структура системы управления, регулирования и защиты

Система управления, регулирования защиты (СУРЗ) ТПЧ должна выполнять следующие функции:

1. формировать импульсы управления тиристорами выпрямителя и инвертора; формирование осуществляется системой управления выпрямителем (СУВ) и системой управления инвертором (СУИ);

2. регулировать электрический режим преобразователя; регулирование производится системой автоматического регулирования (САР);

3. защищать преобразователь при авариях; защита осуществляется системой защиты (СЗ).

4. обеспечивать надёжный пуск преобразователя; обеспечение производится (СП).

Из силовой схемы преобразователя на системы САР СЗ подаются сигналы, пропорциональные основным электрическим параметрам преобразователя. САР в свою очередь воздействуют через СУВ и СУИ на фазу управляющих импульсов выпрямителя и на частоту управляющих импульсов инвертора. СЗ при превышении допустимых значений параметров отключает преобразователь, запрещая через СУВ подачу импульсов на тиристоры выпрямителя.

Возникшие в процессе работы преобразователя перегрузки по току и напряжению можно разделить на эксплуатационные и аварийные. Эксплуатационные перегрузки вызываются непредвиденным изменением параметров в процессе нагрева. Они, как правило, медленно изменяются во времени и устраняются САР, использующей отсечки - ограничения тока и напряжения. Аварийные перегрузки вызываются повреждением в силовой части преобразователя и нагрузки и быстро увеличиваются во времени, что требует немедленного отключения преобразователя.

СЗ должна отключать преобразователь при следующих видах аварий:

1. нарастание тока возникающее при коротких замыканиях и срывах инвертирования;

2. нарастание инвертированного напряжения U, возникающем , например, в динамических режимах. В системе должен быть предусмотрен плавный пуск преобразователя.

6.3 Системы управления выпрямителем и инвертором

Система управления выпрямителем должна обеспечивать надёжное включение тиристоров в требуемой последовательности, изменение в необходимом диапазоне фазы импульсов управления относительно напряжения питающей сети и их симметрию.

Различают одноканальный и многоканальный способы построения систем фазового управления.

В одноканальной системе смещение импульсов во всех каналах осуществляется одним устройством, выходное напряжение которого управляет работой коммутатора, осуществляющего разделение сигналов управления по каналам формирования импульсов. Напряжением одной из фаз сети синхронизируется работа фазосдвигающего устройства ФСУ, в котором вырабатываемое пилообразное напряжение сравнивается с напряжением управления.

Схема управления инвертором состоит из следующих функциональных узлов:

1. управляемого или неуправляемого задающего генератора (ЗГ) для автономного инвертора с независимым возбуждением или устройства фазового управления для автономного инвертора с самовозбуждением;

2. разделителя импульсов РИ;

3. формирователей импульсов ФИ;

4. усилителей импульсов УИ.



Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован тиристорный преобразователь частоты для питания индукционной установки. Рассчитаны основные электрические режимы, выбран согласующий трансформатор, рассчитаны выпрямитель, нагрузочные характеристики, выбраны основные элементы ТПЧ и система автоматического управления и защиты.



Список использованной литературы

1.Полупроводниковые преобразователи частоты для установок индукционного нагрева: Учеб. пособие/ В.М. Яров, В.П. Терехов, А.Н. Ильгачев. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2005,228с.

2.Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок./Под редакцией Берковича. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - 208 с., ил.

3.Тиристорные преобразователи высокой частоты./Е.И. Беркович, Г.В. Ивенский, Ю.С. Иоффе, А.Т. Матчак, В.В. Моргун. Л., «Энергия», 1973.

4.Расчёт тиристорных преобразователей частоты. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. - Чебоксары, 1978.

5.Расчёт автономных резонансных инверторов. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. - Чебоксары, 1978

6.Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник /Под редакцией В. Я. Замятина. - М.: Радио и связь, 1987. - 576 с.: ил.

7.Источники питания электротермических установок/ А. С. Васильев, С. Г. Гуревич, Ю. С. Иоффе. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 248 с., ил.

8.Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник/ Под общ. ред. А.П. Альтгаузена., Бершицкий И.М. и др.- М.: Энергия, 1978.