Tirisztoros frekvenciaváltó

Tirisztoros frekvenciaváltó (TFC) - tirisztorokat használó eszköz , amelyet arra terveztek, hogy az ipari frekvenciájú háromfázisú áramot egy adott frekvenciájú váltakozó többfázisú árammá alakítsa, hasonlóan az autonóm áramváltóhoz [1] [2] [3] [4] , és fémek indukciós melegítésére használják .

A TFC egy történelmileg kialakult rövidítés, a Szovjetunióban az 1960-as évek óta, és hagyományosan a fémek indukciós melegítésére áramforrásként használt tirisztoros frekvenciaváltók sorozatát jelöli. A TFC rövidítést csak az AIT [1] [2] [3] [4] alapú forrásoknál rögzítették . A fejlesztés alatt álló TFC sorozatnak több generációja van. A TFC rövidítést is használták néha, de később, sokkal ritkábban az elektromos hajtások tirisztoros frekvenciaváltóinak jelölésére. A hajtás-átalakítók jelölésére szolgáló TFC rövidítés azonban nem tekinthető helyesnek, ha az elektromos hajtás nem szerepel a TFC rövidítéssel együtt. A gyakorlatban a kétértelműség kiküszöbölésére az elektromos hajtások általános elnevezéseit fejlesztették ki, amelyek eltérnek a TFC sorozattól: Frekvenciaváltó (elektromos hajtás) , Változófrekvenciás hajtás .

Fejlesztési előzmények

A középfrekvenciás indukciós fűtési források áttekintése

Az indukciós fűtőforrás terhelése egy induktor - egy tekercs, amelybe fém kerül. A fémben indukált örvényáramok felmelegítik a fémet, minimális hőelvonással a környezetbe. Az indukciós fűtési módszer lehetővé teszi a nagy fűtési sebességet, valamint a hőenergia áramlásának finom szabályozását, és ezáltal az ipari technológiai folyamatok költséghatékonyságát, nagy pontosságát és megismételhetőségét. Az indukciós hevítést a gépiparban és a kohászati iparban használják olvasztásra, kovácsolásra, sajtolásra, felületkezelésre, keményítésre, izzításra, marók forrasztására, nagyfrekvenciás hegesztésre, valamint egyéb speciális alkalmazásokra, ahol fémek melegítésére van szükség.

A forrás kimeneti frekvenciájára vonatkozó követelmény a fűtött test (szakasz) térfogatától és geometriájától függ. A forrás kimenő teljesítményének követelményét a fűtővezeték meghatározott teljesítménye határozza meg. A frekvencia és a teljesítmény általában független paraméterek. A kohászati iparban az ún. a középfrekvenciás tartomány 0,5, 1,0, 2,4, 4,0, 8,0, 10 kHz, a teljesítmény tartomány 100 kW és 1600 kW között van, a 320 kW és 800 kW közötti teljesítményt gyakrabban használják, mint mások 0,5-es frekvenciákon, 1,0 és 2,4 kHz. A nagy, több tíz tonnás térfogatú acélolvasztó kemencékhez viszonylag alacsony, 0,25 és 0,125 kHz-es frekvenciákat használnak nagy, 5 MW-os vagy nagyobb forrásteljesítmény mellett. A gépiparban és más iparágakban megnövelt és magas frekvenciákat használnak: 22; 44; 66; 100; 220; 500 kHz stb. Magas frekvenciákon a 100 kW-nál nagyobb teljesítményt ritkábban alkalmazzák, kivéve a nagyfrekvenciás hegesztést, ahol a nagy frekvenciát nagy teljesítménnyel kombinálják.

ábrán Az 1. ábrán a tirisztoros frekvenciaváltó alapáramköre látható, kétlinkes felépítésű: az egyenirányító a hálózati áramot (50 Hz) egyenárammá alakítja egy simítóreaktorban , az inverter az egyenáramot alakítja át a kívánt frekvenciájú váltakozó árammá. Az 1. ábrán látható áramkör jellemzője az egyenirányító és az inverter közötti szűrőtekercs jelenléte az áramkörben. Az induktor árama a híd bemenetén állandó és abszolút értékben egybeesik a híd kimenetén lévő váltakozó árammal , amely az oszcilláló áramkört táplálja a vonali induktivitáson keresztül . Az áramok polaritása az egyik félcikluson egybeesik (a polaritás pozitív, ha a V1, V2 híd átlója nyitott), a másikon ellentétes (a polaritás negatív, ha az ellentétes V3, V4 átló nyitott) . Az ezen a működési elven alapuló invertert "áram inverternek" nevezik. Mivel ennek az inverternek a terhelése passzív áramkör, az ilyen invertert autonóm áramváltónak (AIT) nevezik. Terhelési áramkörként leggyakrabban párhuzamos áramkört használnak (1. ábra), ahonnan az elnevezés is ered: a párhuzamos autonóm inverter az AIT elnevezéssel egyenértékű [5] . ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$ $id$ ${\displaystyle L_{d))$ $azaz$ $L_{k}$ $C_{e}L_{e}R_{e}$ $id$ $azaz$ $azaz$ $azaz$

Ha nagy induktivitást (simítást) használnak az induktorban, akkor egy ilyen invertert AIT-nek neveznek folyamatos árammal. Ha kis induktivitást használunk , akkor az inverter áramában szünet intervallum jelenik meg. Az ilyen invertert AIT-nek nevezik szakaszos árammal. ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$

A feszültségnek az induktorral való összehangolására vagy az indítás javítására az áramkör más módosításait alkalmazzák, amelyek 2 vagy 3 kondenzátort tartalmaznak: G-, T- és U-alakú áramkörök [1] [2] [3] [ 4] [5] . Ezekben az áramkörökben az induktor tekercs végei mindig egy vagy két kondenzátorból álló áramkörön keresztül zárva vannak. Az ilyen áramkörök tulajdonságai közel állnak az 1. ábra párhuzamos áramkörének tulajdonságaihoz, így az inverter működésének alapelvei egybeesnek az 1. ábrán látható AIT párhuzamos áramkörével.

Az inverter működési elvének alapvető különbsége akkor következik be, ha az áramkörben soros kondenzátort használnak párhuzamos kondenzátor helyett. Ekkor az inverter bemenetén fojtás nem szükséges, az inverteráram egy oszcillációs törvény szerint alakul ki, áramszünet-intervallum kialakításával. A bemeneti fojtótekercs nélküli invertert önálló feszültséginverternek ( AVI ) nevezik, alternatív neve: sorozatos önálló inverter. A tudományos világirodalomban [6] [7] [8] [9] [10] a "párhuzamos" és a "soros" inverterek terminológiája (Parallel Inverter, Series Inverter - fojtótekercses, illetve fojtó nélkül) kialakult. Párhuzamos áramkör alatt az induktor kivezetéseivel párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok tetszőleges zárt áramkörét értjük, bár általában az 1. ábrán szokásos párhuzamos áramkört használják. A párhuzamos és soros inverterek alapvetően különböző eszközosztályokba tartoznak (AIT és AIN). Olyan tudományos iskolák és nagy világcégek is megjelentek, amelyek a párhuzamos vagy soros inverterek hívei. Különösen az Otto Junker (Németország), a Brown Boveri (Svájc), az Asea (Svédország), a General Electric (USA), valamint az Ajax Tocco Magnethermic nemzetközi vállalat fejlesztette ki a párhuzamos inverterirányt [6] [7]. , míg egy másik globális vállalatként az Inductotherm (amely több tucat egyéni céget foglal magában szerte a világon) túlnyomórészt szekvenciális sémát dolgozott ki. Japánban [8] és a Szovjetunióban a közepes frekvenciájú indukciós fűtést túlnyomórészt párhuzamos áramkör alapján fejlesztették ki. A Szovjetunióban a "párhuzamos autonóm inverter" kifejezéssel együtt a tudományos irodalomban az AIT kifejezést gyakrabban használták [1] [2] [3] [4] [5] . ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$

TFC sorozat

A Szovjetunióban az AIT-en alapuló indukciós fűtőforrások gyártása (1. ábra), amelyeket „TFC sorozatnak” neveztek, az 1960-as években kezdődött Tallinnban, a róla elnevezett Elektrotechnikai Üzemben. Kalinina [5] . A TFC sorozat főbb kialakításai a 100 kW-tól 1600 kW-ig terjedő teljesítménytartományt, a 0,5-10 kHz-es frekvenciát fedik le, leggyakrabban 320 kW és 800 kW teljesítményű TFC-ket használnak 1 kHz-es frekvencián. Az 1980-as évek második felében a Szovjetunióban a termelés elérte az évi 800 darab TFC-t, ami körülbelül a fele volt a közepes frekvenciájú indukciós fűtési források éves világtermelésének (egységben kifejezve a tipikus kapacitások esetében). a 160 ... 800 kW tartomány a 0,5 ... 10 kHz frekvenciatartományban). A legnagyobb amerikai Inductotherm cég az 1980-as években körülbelül 180 közepes frekvenciájú forrást gyártott évente. Az 1990-es években Oroszországban és Ukrajnában számos vállalat megkezdte az AIT-en alapuló források tömeggyártását, ugyanazzal a névvel „TPC sorozat”. A jól bevált TFC rövidítéshez kapcsolódóan az AIT-től eltérő áramköri topológiájú indukciós fűtési források a TFC-től eltérő elnevezéssel rendelkeznek.

A nagy teljesítményű teljesítménytranzisztorok megjelenése a piacon az 1990-es évek óta számos iparágban lendületet adott a teljesítményelektronika fejlődésének. A tranzisztorok kétségtelen előnyei a teljes szabályozhatóság és a nagy sebesség. Ezek a tulajdonságok képezték az alapot maguknak a tranzisztoroknak és az univerzális teljesítménytranzisztoros vezérlőeszközöknek (intelligens moduloknak) bármilyen alkalmazáshoz. Az univerzális teljesítményelektronikai alkatrészek erőteljes iparága alakult ki. A korábban csúcstechnológiai termékekkel nem foglalkozó kisvállalkozások számára lehetővé vált kész alkatrészek beszerzése, versenyképes termékek összeszerelése és piacra szállítása, ami hozzájárult a piac gyors növekedéséhez. Az elektromos meghajtás, a szélgenerátorok és a napenergia területén több tízezer terméket gyártottak, köztük IGBT tranzisztorokra épülő, több megawatt egységteljesítményű termékeket. A teljesítményelektronika fejlődése az indukciós fűtés területén is megtörtént. A néhány kilowattos vagy több tíz kilowattos kis források piaca, amely korábban szinte hiányzott a piacon, gyors fejlődésnek indult. Emellett elkezdték intenzíven cserélni a lámpagenerátorokat, amelyeket indukciós fűtésre használtak a tíz és száz kilohertzes nagyfrekvenciás tartományban.

A középfrekvenciás régióban, ahol nincs kereslet a nagy sebességű félvezetőkre, az indukciós fűtőforrások gyártása két szektorra oszlik: tirisztoros és tranzisztoros forrásokra. A középfrekvenciás tartományban a tirisztorok nem annyira érzékenyek a hiányos szabályozhatóságra, és ebből a szempontból nem is maradnak el annyira a teljesen vezérelt tranzisztoroktól, de megbízhatóságban és költségben nyernek. A tirisztoráramkör nyeresége különösen érezhető 250 kW feletti teljesítményeknél, amikor a viszonylag drága vezérlőrendszer kevésbé észrevehető a termék összköltségében, és a tirisztoráramkör megbízhatósága a vásárló számára meghatározó tényezővé válik. Erőteljes forrásokban megnő a vezérlőrendszer szerepe a védelmi, diagnosztikai, felügyeleti, automatizálási és szabályozási problémák megoldásában. Ezért az ilyen források esetében a tirisztoros és tranzisztoros források vezérlőrendszereinek költsége összehasonlítható. A tirisztor a teljesítménytranzisztorhoz képest többszöröse az egységteljesítményt és alacsonyabb költséget tekintve. A tirisztor képes rövid ideig ellenállni az üzemi áramnál egy nagyságrenddel nagyobb áramnak, miközben a tranzisztor kimegy a telítettségéből és megsemmisül. Minél több párhuzamos csatlakozás van a tranzisztorokban, annál veszélyesebbek a vészüzemmódok, amelyek a ház robbanásával járhatnak. Ezért a középfrekvenciás fűtés területén a tirisztoros és tranzisztoros források szektorai közötti piacon stabil határvonalat állítottak fel körülbelül 250 kW teljesítményszinten. A határ kizárólag az indukciós fűtésnél és kizárólag a középfrekvenciás tartományban létezik, míg más területeken a piac egyértelműen telített tranzisztoros áramkörökkel.

A félvezetőipar fejlődése a tirisztorok moduláris csomagban történő megjelenéséhez vezetett, amely hasonló a teljesítménytranzisztor-csomaghoz, és ugyanazokkal az előnyökkel rendelkezik - a hűtőtől való elszigetelés és a moduláris szerkezetek egyszerű összeszerelése. Valamint az AIT tirisztoros inverter áramkörében egyes gyártók az inverter bemenetén tranzisztoros choppert vezetnek be, az ún. IGBT-chopper, amely lehetővé teszi az áramkör vezérelhetőségének és jellemzőinek javítását, ugyanakkor nem veszíti el a tirisztorokban rejlő vészüzemmódokkal szembeni ellenállást.

A TFC sorozat hosszú utat tett meg a fejlődésben. Az alábbi táblázat képet ad a TFC sorozat generációváltásáról. A táblázat, amennyire lehetséges, objektív jeleket ad a TFC gyártási technológiájának előrehaladásáról, amely a különböző gyártóknál megszokott. A táblázat arra korlátozódik, hogy figyelembe vegye a technológia fejlődését csak a TFC források esetében, az inherens AIT topológiájukkal. Az eszközök egy osztályához való tartozás abban az esetben is megmarad, ha az AIT csak része az áramkörnek. Például azok az eszközök, amelyeken teljesítménytranzisztoros szaggató (IGBT chopper) van vagy nincs telepítve az AIT bemenetre, ugyanabba az osztályba tartoznak. Az AITSP áramkör (AIT szinkron megszakítóval) és az AITAP áramkör (AIT aszinkron megszakítóval, ahol a megszakító nincs szinkronizálva az inverterrel) lényegesen eltérő tulajdonságokkal rendelkezik, bár ugyanabba az eszközosztályba tartoznak.

Az autonóm áramváltón (AIT) alapuló TFC sorozat generációváltása

TFC sorozat	A gyártástechnológia fejlődésének jelei
1. generáció	1960-as évek. A vezérlőrendszerben nincsenek nyomtatott áramköri lapok - a telepítés háromdimenziós (paneleken) egy külön szekrényben. Logikai komponensek: diszkrét félvezetők (tranzisztorok és diódák) és nagyméretű logikai modulok porcelán tokban (Logika-T). A teljesítmény részben tűs tirisztorokat használnak, amelyek viszonylag kis teljesítményűek. Minden átalakító karban nagyszámú párhuzamos és soros csatlakozást használnak. Erőteljes TFC-k esetén az erősáramú szakaszok párhuzamos csatlakoztatása esetén külön szakasz autonóm (egyetlen) működése nem megengedett. Frekvenciasorrend: 0,5; 1 kHz. A hatásfok körülbelül 92% 1 kHz-en. A TFC fajlagos mutatói: kb. 6…8 kg/kW.
2. generáció	1970-es évek. Nyomtatott huzalozás jelenik meg a vezérlőrendszerben, ami lehetővé teszi a vezérlőrendszer méreteinek drasztikus csökkentését és egyúttal funkcionalitásának növelését. Minden egyes vezérlőegység viszonylag kevés funkcióval rendelkezik. Nagyszámú blokk külön szekrényben van felszerelve. Tablet tirisztorok jelennek meg a teljesítmény szekcióban, csökken a párhuzamos és soros csatlakozások száma egy karban. Párhuzamosan kapcsolt erősáramú szakaszok esetén külön szakasz önálló (egyszeri) működése nem megengedett. Adja meg a maximális 2,4 kHz frekvenciát, frekvenciasorrend: 0,5; egy; 2,4 kHz. A hatásfok 92...93%-ra nőtt 1kHz-en. A TFC fajlagos mutatói javultak: kb. 4…5 kg/kW.
3. generáció	1986 Logikai komponensek: kis és közepes integrációs fokú chipek. A vezérlőrendszer egy kazettában van felszerelve nagyméretű, többfunkciós nyomtatott áramköri lapokra, amelyek akár 300 komponenst tartalmazhatnak huzalvezetékekkel. A teljesítmény részben nagy teljesítményű tablet tirisztorokat használnak, a párhuzamos csatlakozásokat kizárják, és a soros csatlakozások egy karban maradnak. A párhuzamosan kapcsolt teljesítményrészeknél az autonóm (egyszeri) működés megengedett. Bevezetésre kerülnek az „egyetlen TFC munkája”, „egy közös terheléssel rendelkező TFC-csoport munkája”, „egy TFC egyszeri működése komplexumban”, „egy TFC komplexum csoportmunkája” fogalmak. Bevitt frekvenciák 4, 8 és 10 kHz, frekvenciasorrend: 0,5; egy; 2,4; négy; nyolc; 10 kHz. A hatásfok 94...95%-ra nőtt 1kHz-en. A TFC fajlagos mutatói javultak: kb. 2…2,5 kg/kW.
4. generáció	2002 Logikai komponensek: az egyik LSI egy nagy integrált áramkör, amely a vezérlőrendszer teljes logikai (digitális) részét lefedi. A vezérlőrendszer kis méretű többfunkciós többrétegű táblákra épül az ún. "lyuk nélküli", vagy felületi technológia ( SMD ), ahol a miniatűr, sík vezetékekkel ellátott alkatrészeket (tipikus ellenállásméret 1,5 x 0,75 mm) közvetlenül a tábla felületére forrasztják. A nehézkes "lyuk" technológia (HMD – Hole Mount Technology), ahol a vezetékes alkatrészeket a táblán lévő lyukakba forrasztják, minimálisra csökkenti. A teljesítmény részben nagy teljesítményű tabletta tirisztorokat használnak, amelyek lehetővé teszik a tápkar felépítését egy tirisztorra. Kivétel: nagyfrekvenciás 8 és 10 kHz, ahol viszonylag alacsony feszültségosztályú gyors tirisztorokat használnak, amelyekhez általában 2 sorba kötött tirisztor szükséges egy inverterkarban. Viszonylag kis teljesítményeknél (320 kW-ig) egyes gyártók az ún. "moduláris" tirisztorok, amelyek egy közös alumíniumlemezre vannak csavarozva, ami leegyszerűsíti a tápegység kialakítását és galvanikus leválasztást biztosít a hűtőfolyadéktól (víztől). A TFC komplexum csoportmunkája változatlan. Frekvenciasorrend változatlan: 0,5; egy; 2,4; négy; nyolc; 10 kHz. A hatásfok 95...96%-ra nőtt 1kHz-en. A TFC fajlagos mutatói javultak: kb. 1,6…2,5 kg/kW.
5. generáció	2015 A TFC Internet Diagnostics rendszer bevezetése folyamatban van a vezérlőrendszerbe. A vezérlőrendszer tartalmaz eszközöket a munka- és vészhelyzeti oszcillogramok kiolvasására és a Black Box állandó memóriájába mentésére, valamint egy GSM-modemen alapuló internetcsatlakozási eszközt. A riasztási hullámformák automatikusan elküldésre kerülnek a közösségi oldalra . A legdemokratikusabb TFC diagnosztikai oldal minden hozzáférési korlátozás és regisztráció nélkül egyrészt a javítások során „gyors reagálású eszközként”, másrészt „kollektív tudásbázisként” szolgál a tipikus veszélyhelyzeti folyamatok, ill. a személyzet működési ismeretek oktatására . Az AIT tirisztor bemeneténél egy tranzisztoros szinkron kapcsoló (SP) van bevezetve a tápegységbe. Az AITSP áramkör egyszerre kétféle félvezető előnyeit ötvözi: tranzisztorok (teljes vezérlés) és tirisztorok (megbízhatóság vészüzemben). Ez utóbbiakat moduláris és táblagépes tokban használják. A TFC komplexum csoportmunkája változatlan. A frekvenciatípus tartomány mind a frekvenciacsökkentés, mind a frekvencianövelés irányába bővült: 50 (60), 125, 250, 500, 1000, 2500, 4000, 8000 (10000), 16000, 22000 Hz . A hatásfok 97,5...98,5%-ra nőtt 1 kHz-en. A TFC fajlagos mutatói javultak: körülbelül 1 kg/kW.

Jegyzetek

↑ 1 2 3 4 Gorbacsov G. N., 1988 , p. 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 .

Irodalom

Gorbacsov G. N., Chaplygin E. E. Ipari elektronika: Tankönyv egyetemeknek / Szerk. V. A. Labuncova. . - M . : Energoatom kiadása, 1988. - 320 p.

Schilling V. Egyenirányítók, inverterek és frekvenciaváltók vázlatai: Per. vele .. - L . : Gosenergo-kiadó, 1950. - 464 p.

Tolsztov Yu.G. Autonóm áramváltók. - M . : "Energia", 1978. - 208 p.

Chizhenko I.M. Átalakítástechnikai kézikönyv .. - K . : Technika, 1978. - 447 p.

E. I. Berkovich. Nagyfrekvenciás tirisztoros átalakítók. - L . : Energia, 1973.

Alfréd Muhlbauer. Az indukciós hevítés és olvasztás története . – Vulkan-Verlag GmbH, 2008.

John William Motto Jr. Bevezetés a félvezetős teljesítményelektronikába . – Westinghouse Electric Corp., 1977.

Takesi Fujitsuka. Párhuzamos induktív terhelésű párhuzamos inverter áramkör elemzése és tervezése . – Kiotói Egyetem, 1971.

Nyikolaj L. Hinov. Párhuzamos inverterelemzés matematikai szoftver használatával . Bulgária: 1000 Szófia, 2005.

Pantech ProLabs India Pvt. Ltd. Bevezetés a párhuzamos inverterbe (angolul) (hivatkozás nem érhető el) . Letöltve: 2014. szeptember 22. Az eredetiből archiválva : 2014. január 13..