Tyristorový frekvenční měnič

Tyristorový frekvenční měnič (TFC) - zařízení využívající tyristory , určené k přeměně třífázového proudu průmyslové frekvence na střídavý vícefázový proud o dané frekvenci, podobně jako autonomní proudový střídač [1] [2] [3] [4] a používá se pro indukční ohřev kovů .

TFC je historicky zavedená zkratka, od 60. let 20. století v SSSR, tradičně označující řadu tyristorových frekvenčních měničů používaných jako zdroje energie pro indukční ohřev kovů. Zkratka TFC byla stanovena pouze pro zdroje založené na AIT [1] [2] [3] [4] . Řada TFC má ve svém vývoji několik generací. Zkratka TFC byla také někdy používána, ale později, a mnohem méně často, pro označení tyristorových frekvenčních měničů pro elektrické pohony. Zkratka TFC pro označení měničů pohonu se však nepovažuje za správnou, pokud není u zkratky TFC uveden elektrický pohon. Pro odstranění nejasností v praxi se vyvinuly běžné názvy pro elektrický pohon, které se liší od řady TFC: Frekvenční měnič (elektrický pohon) , Pohon s proměnným kmitočtem .

Historie vývoje

Přehled středofrekvenčních zdrojů indukčního ohřevu

Zátěž indukčního zdroje ohřevu je induktor - cívka, uvnitř které je umístěn kov. Vířivé proudy indukované v kovu ohřívají kov s minimálním odvodem tepla do okolí. Metoda indukčního ohřevu umožňuje vysokou rychlost ohřevu i jemnou regulaci toku tepelné energie a tím dosáhnout hospodárnosti, vysoké přesnosti a opakovatelnosti průmyslových technologických procesů. Indukční ohřev se používá ve strojírenství a hutnictví pro tavení, kování, lisování, povrchové a průběžné kalení, žíhání, pájení fréz, vysokofrekvenční svařování, ale i pro další speciální aplikace, kde je vyžadován ohřev kovů.

Požadavek na výstupní frekvenci zdroje závisí na objemu a geometrii ohřívaného tělesa (sekce). Požadavek na výstupní výkon zdroje je dán zadanou kapacitou topného vedení. Frekvence a výkon jsou obecně nezávislé parametry. V hutním průmyslu se tzv. středofrekvenční rozsah frekvencí je 0,5, 1,0, 2,4, 4,0, 8,0, 10 kHz a výkonový rozsah od 100 kW do 1600 kW, výkon od 320 kW do 800 kW se používá častěji než ostatní při frekvencích 0,5, 1,0 a 2,4 kHz. Pro velké pece na tavení oceli o objemu desítek tun se používají relativně nízké frekvence 0,25 a 0,125 kHz při vysokých výkonech zdrojů 5 MW a vyšších. Ve strojírenství a dalších odvětvích se používají zvýšené a vysoké frekvence: 22; 44; 66; 100; 220; 500 kHz atd. Při vysokých frekvencích se výkony nad 100 kW používají méně často, s výjimkou vysokofrekvenčního svařování, kde je vysoká frekvence kombinována s vysokým výkonem.

Na Obr. 1 znázorňuje základní zapojení tyristorového frekvenčního měniče s dvoučlánkovou strukturou: usměrňovač převádí síťový proud (50 Hz) na stejnosměrný proud ve vyhlazovací tlumivce , invertor převádí stejnosměrný proud na střídavý proud požadované frekvence. Charakteristickým znakem obvodu na obr. 1 je přítomnost v obvodu filtrační tlumivky mezi usměrňovačem a měničem. Proud induktoru na vstupu můstku je konstantní a v absolutní hodnotě se shoduje se střídavým proudem na výstupu můstku, který napájí oscilační obvod přes indukčnost vedení . Polarita proudů se shoduje na jedné půlperiodě (polarita je kladná, pokud je otevřená úhlopříčka můstku V1, V2), na druhé je opačná (polarita je záporná, pokud je otevřená protější úhlopříčka V3, V4) . Střídač založený na tomto principu činnosti se nazývá "střídač proudu". Protože zátěž tohoto střídače je pasivní obvod, nazývá se takový invertor autonomní proudový invertor (AIT). Jako zatěžovací obvod se nejčastěji používá paralelní obvod (obr. 1), odkud pochází název: paralelní autonomní invertor je ekvivalentem názvu AIT [5] . ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$ $id$ ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle, tj.}$ $L_{k}$ $C_{e}L_{e}R_{e}$ $id$ ${\displaystyle, tj.}$ ${\displaystyle, tj.}$ ${\displaystyle, tj.}$

Pokud je v induktoru použita velká indukčnost (vyhlazování), pak se takový měnič nazývá AIT s trvalým proudem. Pokud je použita malá indukčnost , objeví se v proudu střídače interval pauzy. Takový střídač se nazývá AIT s přerušovaným proudem. ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$

Pro sladění napětí s tlumivkou nebo pro zlepšení startu se někdy používají další modifikace obvodu, které zahrnují 2 nebo 3 kondenzátory: obvody ve tvaru G, T a U [1] [2] [3] [ 4] [5] . V těchto obvodech jsou konce indukční cívky vždy uzavřeny obvodem jednoho nebo dvou kondenzátorů. Vlastnosti takových obvodů se blíží vlastnostem paralelního obvodu na obr.1, takže základní principy činnosti měniče se shodují s paralelním obvodem AIT na obr.1.

Zásadní rozdíl v principu činnosti měniče nastává, když je v obvodu použit sériový kondenzátor místo paralelního. Pak není nutná tlumivka na vstupu měniče, proud měniče se tvoří podle oscilačního zákona s vytvořením intervalu proudové pauzy. Střídač bez vstupní tlumivky se nazývá samostatný napěťový střídač ( AVI ), alternativní název: sériový samostatný střídač. Ve světové vědecké literatuře [6] [7] [8] [9] [10] byla zavedena terminologie "paralelní" a "sériové" měniče (paralelní měnič, sériový měnič - s a bez tlumivky, v tomto pořadí). Paralelním obvodem je myšlena existence libovolného uzavřeného obvodu kondenzátorů zapojených paralelně s vývody induktoru, i když se obecně používá obvyklý paralelní obvod na obr.1. Paralelní a sériové měniče patří do zásadně odlišných tříd zařízení (AIT a AIN). Objevily se i vědecké školy a velké světové firmy, které jsou zastánci paralelních nebo sériových měničů. Zejména společnosti Otto Junker (Německo), Brown Boveri (Švýcarsko), Asea (Švédsko), General Electric (USA), jakož i mezinárodní korporace Ajax Tocco Magnethermic vyvinuly především směr paralelního měniče [6] [7] , zatímco jako další globální korporace Inductotherm (skládající se z několika desítek jednotlivých firem po celém světě) vyvinula převážně sekvenční schéma. V Japonsku [8] a v SSSR byl středofrekvenční indukční ohřev vyvíjen převážně na bázi paralelního obvodu. V SSSR se spolu s pojmem „paralelní autonomní invertor“ ve vědecké literatuře častěji používal termín AIT [1] [2] [3] [4] [5] . ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$ ${\displaystyle L_{d))$

Řada TFC

Výroba indukčních topných zdrojů v SSSR na bázi AIT (obr. 1), které se nazývaly „řada TFC“, vznikla v 60. letech 20. století v Tallinnu v Elektrotechnickém závodě pojmenovaném po něm. Kalinina [5] . Hlavní provedení řady TFC pokrývají výkonový rozsah od 100 kW do 1600 kW, frekvenci od 0,5 do 10 kHz, nejčastěji se používají TFC o výkonu 320 kW a 800 kW při frekvenci 1 kHz. V druhé polovině 80. let dosahoval objem výroby v SSSR až 800 kusů TFC ročně, což byla zhruba polovina roční světové produkce středofrekvenčních zdrojů indukčního ohřevu (v jednotkovém vyjádření pro typické kapacity v r. rozsah 160 ... 800 kW ve frekvenčním rozsahu 0,5 ... 10 kHz). Zejména největší americká společnost Inductotherm v 80. letech vyráběla asi 180 středofrekvenčních zdrojů ročně. V 90. letech minulého století zahájilo mnoho podniků v Rusku a na Ukrajině sériovou výrobu zdrojů na bázi AIT se stejným názvem „řada TPC“. V souvislosti se zažitou zkratkou TFC mají jiné zdroje indukčního ohřevu s topologií okruhu odlišnou od AIT název odlišný od TFC.

Vznik výkonových tranzistorů s vysokým výkonem na trhu od 90. let minulého století dal impuls rozvoji výkonové elektroniky v řadě průmyslových odvětví. Nepochybnými výhodami tranzistorů je úplná ovladatelnost a vysoká rychlost. Tyto vlastnosti daly základ pro vývoj jak samotných tranzistorů, tak univerzálních řídicích zařízení výkonových tranzistorů (inteligentních modulů) pro libovolnou aplikaci. Vznikl silný průmysl univerzálních komponent výkonové elektroniky. Pro malé firmy, které se dříve nezabývaly produkty špičkových technologií, bylo možné nakupovat hotové komponenty, sestavovat a dodávat na trh konkurenceschopné produkty, což přispělo k rychlému růstu trhu. V oblasti elektrického pohonu, větrných generátorů a solární energie byly vyrobeny desítky tisíc produktů, včetně produktů na bázi IGBT tranzistorů s velkým jednotkovým výkonem několika megawattů. Pokrok ve výkonové elektronice přišel i do oblasti indukčního ohřevu. Rychle se začal rozvíjet trh s malými zdroji pár kilowattů či desítek kilowattů, které dříve na trhu téměř chyběly. Také se začaly intenzivně nahrazovat lampové generátory, které se používaly pro indukční ohřev ve vysokofrekvenční oblasti desítek a stovek kilohertzů.

Ve středofrekvenční oblasti, kde není poptávka po vysokorychlostních polovodičích, se výroba indukčních zdrojů ohřevu dělí na dva sektory: tyristorové a tranzistorové zdroje. Ve středofrekvenční oblasti nejsou tyristory tak citlivé na neúplnou řiditelnost a v tomto ohledu nejsou o tolik horší než plně řízené tranzistory, ale vítězí ve spolehlivosti a ceně. Zisk tyristorového obvodu se projevuje zejména při výkonech nad 250 kW, kdy se relativně drahý řídicí systém stává méně patrným na celkové ceně výrobku a spolehlivost tyristorového obvodu se stává převažujícím faktorem pro kupujícího. U výkonných zdrojů narůstá role řídicího systému pro řešení problémů ochrany, diagnostiky, monitorování, automatizace a regulace. Proto jsou u takových zdrojů náklady na řídicí systémy pro tyristorové a tranzistorové zdroje srovnatelné. Tyristor je ve srovnání s výkonovým tranzistorem mnohonásobně vyšší, pokud jde o jednotkový výkon a nižší náklady. Tyristor má schopnost krátkodobě odolat proudu, který je řádově vyšší než provozní proud, zatímco tranzistor přejde ze saturace a zničí se. Čím více paralelních zapojení tranzistorů, tím nebezpečnější jsou nouzové režimy, které mohou být doprovázeny výbuchem pouzdra. Proto se na trhu mezi sektory tyristorových a tranzistorových zdrojů v oblasti středofrekvenčního ohřevu ustavila stabilní hranice na úrovni výkonu cca 250 kW. Hranice existuje výhradně pro indukční ohřev a výhradně ve středním frekvenčním rozsahu, zatímco v jiných oblastech je trh jasně nasycen tranzistorovými obvody.

Pokrok v polovodičovém průmyslu vedl k tomu, že se tyristory objevily v modulárním pouzdru, které je podobné pouzdru výkonových tranzistorů a má stejné výhody - izolaci od chladiče a snadnou montáž modulárních struktur. Také v obvodu tyristorového měniče AIT někteří výrobci zavádějí na vstupu měniče tranzistorový chopper, tkz. IGBT-chopper, který umožňuje zlepšit ovladatelnost a vlastnosti obvodu a zároveň neztratit odolnost vůči nouzovým režimům vlastní tyristorům.

Série TFC prošla dlouhou cestou evoluce. Níže uvedená tabulka poskytuje představu o změně generací řady TFC. Tabulka uvádí pokud možno objektivní známky pokroku ve výrobní technologii TFC, běžné pro různé výrobce. Tabulka se omezuje na zvážení pokroku technologie pouze pro zdroje TFC s jejich vlastní topologií AIT. Příslušnost k jedné třídě zařízení zůstává zachována i v případě, kdy je AIT pouze součástí silového obvodu. Například zařízení, kde je nebo není instalován výkonový tranzistorový chopper (IGBT chopper) na vstupu AIT, patří do stejné třídy. Obvod AITSP (AIT se synchronním jističem) a obvod AITAP (AIT s asynchronním jističem, kde jistič není synchronizován s měničem) mají výrazně odlišné vlastnosti, přestože patří do stejné třídy zařízení.

Změna generací řady TFC na bázi autonomního proudového invertoru (AIT)

Řada TFC	Známky pokroku ve výrobní technologii
1. generace	60. léta 20. století. V řídicím systému nejsou desky plošných spojů - instalace je trojrozměrná (na panely) v samostatné skříni. Logické součástky: diskrétní polovodiče (tranzistory a diody) a velké logické moduly v porcelánovém pouzdře (Logika-T). Ve výkonové části jsou použity kolíkové tyristory, které jsou relativně nízkopříkonové. V každém rameni převodníku je použito velké množství paralelních a sériových spojení. U výkonných TFC není v případě paralelního zapojení výkonových sekcí povolen autonomní (jediný) provoz samostatné sekce. Pořadí frekvence: 0,5; 1 kHz. Účinnost je asi 92% pro 1kHz. Specifické ukazatele TFC: cca 6…8 kg/kW.
2. generace	70. léta 20. století. V řídicím systému se objevuje tištěná kabeláž, která umožňuje razantně zmenšit rozměry řídicího systému a zároveň zvýšit jeho funkčnost. Každá jednotlivá řídicí jednotka má relativně malou funkčnost. Velké množství bloků je instalováno v samostatné skříni. Ve výkonové části se objevují tabletové tyristory, klesá počet paralelních a sériových spojení v jednom rameni. U paralelně zapojených silových sekcí není povolen autonomní (jediný) provoz samostatné sekce. Zadejte maximální frekvenci 2,4 kHz, pořadí frekvencí: 0,5; jeden; 2,4 kHz. Účinnost zvýšena na 92..93% pro 1kHz. Specifické ukazatele TFC se zlepšily: asi 4…5 kg/kW.
3. generace	1986 Logické komponenty: čipy malého a středního stupně integrace. Řídicí systém je postaven v kazetě na velkých multifunkčních deskách plošných spojů s až 300 součástkami s drátovými vývody. Ve výkonové části jsou použity výkonné tabletové tyristory, paralelní zapojení jsou vyloučena a sériové spojení zůstává v jednom rameni. U paralelně zapojených silových částí je povolen autonomní (jednoduchý) provoz. Jsou představeny pojmy „práce jednoho TFC“, „práce skupiny TFC se společnou zátěží“, „jediný provoz TFC v komplexu“, „skupinová práce komplexu TFC“. Zadané frekvence 4, 8 a 10 kHz, pořadí frekvencí: 0,5; jeden; 2,4; čtyři; osm; 10 kHz. Účinnost zvýšena na 94..95 % pro 1kHz. Specifické ukazatele TFC se zlepšily: asi 2…2,5 kg/kW.
4. generace	2002 Logické komponenty: jeden LSI je velký integrovaný obvod pokrývající celou logickou (digitální) část řídicího systému. Řídicí systém je postaven na multifunkčních vícevrstvých deskách malých rozměrů na bázi tzv. "holeless", neboli povrchová technologie ( SMD ), kdy jsou miniaturní součástky s planárními vývody (typická velikost rezistoru 1,5 x 0,75 mm) připájeny přímo na povrch desky. Je minimalizována těžkopádná "dírová" technologie (HMD - Hole Mount Technology), kdy jsou součástky s drátovými vývody připájeny do otvorů na desce. Ve výkonové části jsou použity výkonné tabletové tyristory, které umožňují postavit výkonové rameno na jeden tyristor. Výjimka: vysokofrekvenční 8 a 10 kHz, kde se používají rychlé tyristory s relativně nízkou napěťovou třídou, které obvykle vyžadují 2 tyristory v sérii v jednom rameni měniče. Pro relativně malé výkony (do 320 kW) používají někteří výrobci tzv. „modulární“ tyristory, které jsou přišroubovány ke společné hliníkové desce, což zjednodušuje konstrukci pohonné jednotky a zajišťuje galvanické oddělení od chladicí kapaliny (vody). Skupinová práce komplexu TFC se nemění. Pořadí frekvencí nezměněno: 0,5; jeden; 2,4; čtyři; osm; 10 kHz. Účinnost zvýšena na 95..96 % pro 1kHz. Specifické ukazatele TFC se zlepšily: asi 1,6…2,5 kg/kW.
5. generace	2015 Do řídicího systému se zavádí systém TFC Internet Diagnostics. Řídicí systém obsahuje nástroje pro čtení a ukládání pracovních a nouzových oscilogramů do trvalé paměti Black Boxu a také prostředky pro připojení k internetu na bázi GSM modemu. Alarmové křivky jsou automaticky odesílány na komunitní web . Nejdemokratičtější diagnostické místo TFC bez omezení přístupu a bez registrace slouží na jedné straně jako „nástroj rychlé reakce“ při opravách, na druhé straně jako „kolektivní znalostní základna“ pro studium typických havarijních procesů a pro školení personálu v provozních dovednostech . Tranzistorový synchronní spínač (SP) je zaveden do výkonové části na vstupu tyristoru AIT. Obvod AITSP kombinuje výhody dvou typů polovodičů současně: tranzistorů (plná ovladatelnost) a tyristorů (spolehlivost v nouzových režimech). Posledně jmenované se používají v modulárních pouzdrech a pouzdrech na tablety. Skupinová práce komplexu TFC se nemění. Rozsah frekvenčních typů byl rozšířen jak ve směru snižování frekvence, tak i ve směru zvyšování frekvence: 50 (60), 125, 250, 500, 1000, 2500, 4000, 8000 (10000), 16000, 22000 Hz . Účinnost zvýšena na 97,5...98,5 % pro 1kHz. Specifické ukazatele TFC se zlepšily: asi 1 kg/kW.

Poznámky

↑ 1 2 3 4 Gorbačov 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 .
↑ řešení pantech .

Literatura

Gorbačov G. N., Chaplygin E. E. Průmyslová elektronika: Učebnice pro vysoké školy / Ed. V. A. Labuntsová. . - M .: Energoatom-vydáno, 1988. - 320 s.

Schilling V. Schémata usměrňovačů, měničů a frekvenčních měničů: Per. s ním .. - L . : Gosenergo-vyd., 1950. - 464 s.

Tolstov Yu.G. Autonomní proudové měniče. - M .: Ed. "Energy", 1978. - 208 s.

Čiženko I.M. Příručka konverzní techniky .. - K . : Technіka, 1978. - 447 s.

E. I. Berkovich. Vysokofrekvenční tyristorové měniče. - L .: Energie, 1973.

Alfred Muhlbauer. Historie indukčního ohřevu a tavení . – Vulkan-Verlag GmbH, 2008.

John William Motto Jr. Úvod do polovodičové výkonové elektroniky . — Westinghouse Electric Corp., 1977.

Takesi Fujitsuka. Analýza a návrh paralelního invertorového obvodu s paralelní indukční zátěží . — Univerzita v Kjótu, 1971.

Nikolaj L. Hinov. Analýza paralelního měniče pomocí matematického softwaru . Bulharsko: 1000 Sofie, 2005.

Pantech ProLabs India Pvt Ltd. Úvod do Parallel Inverter (anglicky) (odkaz není k dispozici) . Získáno 22. září 2014. Archivováno z originálu 13. ledna 2014.