Тиристорный преобразователь

В особых преобразовательных устройствах, работающих с мощными нагрузками величиной порядка десятков киловатт и более, традиционно применяются инверторы на основе переключающих тиристорных приборов. Они широко используются в самой различной промышленной аппаратуре, включая сварочные агрегаты, пусковые и зарядные приборы, выпрямители, электрические нагреватели и подобные им устройства. Во всех этих агрегатах преобразование исходного параметра осуществляется по общей функциональной схеме, приводимой далее.

Функциональная схема тиристорного преобразователя

Разберёмся с видами тиристорных преобразователей и принципом их работы более подробно.

Виды преобразовательных агрегатов

В соответствии с подлежащим преобразованию параметром, все известные виды устройств этого класса подразделяются на следующие категории:

• Инверторы напряжения;
• Преобразователи тока;
• Устройства, предназначенные для трансформации частоты управляющего сигнала (ТПЧ).

Первые из этих моделей предназначаются для приведения выходного напряжения к удобному для работы с нагрузкой виду и способны преобразовывать переменное напряжение в постоянное и наоборот. Для этого используются электронные схемы, обеспечивающие либо выпрямление поступающего на вход переменного тока, либо превращение постоянного напряжения в серию импульсов, которые впоследствии преобразуются в синусоиду.

Внешний вид тиристора

На этих же электронных приборах работает и тиристорный преобразователь частоты.

Схемы преобразования сигнала посредством частотных преобразователей особой конструкции (ТПЧ) используются для плавной регулировки оборотов электродвигателя. При наличии частотного инвертора удаётся получить оптимальные показатели его функционирования, как при запуске, так и в рабочих режимах.

Особенности тиристорного управления

В отличие от транзисторных элементов, тиристоры – это не полностью независимые электронные устройства, нуждающиеся в стороннем управлении. Для их открывания в проводящем направлении потребуется внешнее воздействие в виде импульса тока, подаваемого между катодом и управляющим выводом прибора.

Исключением являются так называемые «запираемые тиристоры», закрываемые за счёт подачи на их электроды управления импульсов нужной полярности.

При наличии таких элементов изготовить преобразователь напряжения на тиристорах удаётся значительно легче, поскольку в этом случае сокращается количество необходимых узлов.

За счёт реактивного характера их работы предварительно накопленная в них электрическая энергия расходуется на запирание уже открытых тиристоров.

Помимо этого, с целью подавления паразитных колебаний, сопровождающих высокоскоростные переключения тиристоров, в параллель им включаются специальные демпфирующие цепочки на основе RС-элементов.

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

Среди всего многообразия схемных решений, относящихся к проектированию тиристорных преобразователей напряжения, тока и частоты (ТПЧ), особо выделяются следующие варианты:

• Последовательные и параллельные токовые инверторы;
• Комбинированные инверторы тока;
• Преобразователи напряжения Мак-Муррея;
• Мостовые (резонансные) схемы.

Рассмотрим каждый из указных подходов к обустройству преобразователей на основе тиристоров более подробно.

Последовательный и параллельный инверторы тока

Этот тип преобразовательного устройства на выходе содержит отдельный конденсатор, подсоединённый последовательно к нагрузочной цепи (смотрите рисунок ниже).

Последовательный инвертор тока

Имеющийся в линии питания дроссель выполняет фильтрующую функцию: с его помощью удаётся частично сгладить образующиеся при переключении тиристоров токовые импульсы.

На начальном этапе (при подаче питания) переключающие элементы VS2 и VSЗ пребывают в открытом состоянии, а тиристоры VS1 и VS4, напротив, – закрыты. Протекающий по последовательной цепочке ток заряжает выходной конденсатор до возможного для него уровня.

После того, как на управляющие электроды VS1 и VS4 поступают токовые импульсы от внешнего источника, они открываются и остаются в этом состоянии вместе с двумя другими.

За счёт их открытия зарядившийся ранее конденсатор С1 может разряжаться токами, по знаку противоположными тем, что протекают через элементы VS2 и VSЗ. В тот момент, когда значения токов через тиристоры VS2 и VS3 приблизятся к нулю, эти коммутирующие приборы закроются.

Ток потечёт по другой цепочке, вследствие чего напряжение на выходном конденсаторе сменит свою полярность. То же самое, только в обратном порядке, будет наблюдаться, если управляющие импульсы подать на входы VS2 и VSЗ.

В результате под действием таких импульсов из постоянного входного тока на выходе формируются синусоидальные колебания с требуемыми параметрами.

Все электрические процессы, происходящие в преобразователе параллельного типа, практически полностью совпадают с описанными ранее для последовательной структуры. Разница состоит лишь в том, что выходной конденсатор включается не последовательно, а в параллель с нагрузкой.

Комбинированные схемы

Параллельно-последовательные или комбинированные схемы инверторов тока характеризуются тем, что содержат элементы обоих видов включения нагрузки. Благодаря этому они совмещают преимущества как одного, так и другого способа подключения (смотрите размещённый ниже рисунок).

Инвертор комбинированного типа

В основе работы этой схемы заложены те же принципы, что уже были рассмотрены для предыдущих технических решений. Комбинированное включение заряжающихся и разряжающихся емкостей существенно улучшает рабочие параметры схемы и обеспечивает получение стабильной нагрузочной характеристики.

В отличие от других импульсных преобразующих устройств, такие приборы могут работать в отсутствии активной нагрузки.

Преобразователь напряжения Мак-Муррея

Особенностью устройств этого типа является наличие в них отдельного контура LС, обеспечивающего запирание основных рабочих тиристоров. Для этого в подходящий момент времени его элементы L и С объединяются через цепи, создаваемые путем включения дополнительных тиристоров. С электрической схемой такого оригинального устройства можно ознакомиться на размещённом ниже рисунке.

Инвертор напряжения

С её подробнейшим описанием можно ознакомиться в приводимом далее источнике http://meandr.org/archives/25356. В размещённом по этому адресу обзоре описаны все перечисленные ранее типы преобразователей. Особое внимание в нём уделяется мостовой схеме, которая требует специального рассмотрения.

Схема последовательного резонансного инвертора

Резонансный инвертор последовательного типа, изображенный на приводимом ниже рисунке, в отличие от уже описанных ранее схем, имеет одно преимущество. Последнее состоит в том, что он приспособлен к работе на больших преобразуемых частотах, что объясняется меньшими потерями в резонансном контуре.

Общий вид полумостовой резонансной схемы

При рассмотрении этой схемы можно отметить, что элементы С1 и С2 представляют собой делитель напряжения емкостного типа. Совместно с индуктивностями половинных обмоток (I и П) катушки L1 они образуют колебательный контур с резонансом на частоте следования управляющих импульсов.

В тех случаях, когда добротность такого контура очень мала, устройство не будет работать по причине отсутствия резонанса. При большой же величине этого показателя на квазирезонансном контуре (его первичной обмотке) и тиристорах будет действовать слишком большое напряжение. Последнее обстоятельство также усложнит работу схемы.

Обычно добротность такого контура выбирается в пределах от единицы до четырёх, а номиналы ёмкостей С1 и С2 подбираются по возможности равными. За счёт их одинаковости ток, протекающий через первичную обмотку TV1, в два раза превышает тот же показатель для каждого из конденсаторов.

Одновременно с этим частота нагрузочного тока определяется параметрами основных составляющих самого колебательного контура. Что касается формы выходных токовых импульсов, действующих в течение каждого из полупериодов, она практически ничем не отличается от синусоиды (точнее её половинки). В конце каждого из рабочих полупериодов величина токовых импульсов снижается до нуля, и тиристор VS1 закрывается.

В заключение обзора отметим, что каждый из рассмотренных способов тиристорного преобразования энергии востребован в определённых условиях, когда возникает потребность в управлении вполне конкретным электромеханическим устройством. При необходимости выбора наиболее подходящей для данной ситуации схемы следует подробно исследовать все её сильные и слабые стороны.

Видео