Тиристорный преобразователь частоты

Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) весьма сложная и объемная тема. Они широко используются для управления скоростью вращения мощных электродвигателей, в некоторых типах сварочных аппаратов, в индукционных печах. Для каждого из перечисленных вариантов используются различные принципы функционирования, но в основе каждого из них лежит принцип работы тиристора.

Казалось бы, зачем нужны эти тиристоры? На сегодняшний день существует достойная, на первый взгляд, замена в виде IGBT транзисторов, которые превосходят их по быстродействию, удобству и простоте использования. У тиристоров есть свои неоспоримые преимущества. Это — возможность работы с кратковременными перегрузками (до 10-ти раз) по току и по напряжению, с такими значениями, которые даже не снились IGBT транзисторам. Мощности, управляемые тиристорами, могут исчисляться сотнями мегаватт, а напряжения — сотнями киловольт.

Тиристоры в основе работы преобразователей частоты

На рисунке ниже представлены образцы некоторых (далеко не самых мощных, а просто найденных в нашей лаборатории) тиристоров и их Вольт-Амперная Характеристика (ВАХ).

Рис.1 Внешний вид тиристоров и Вольт-Амперная Характеристика

При обратном включении тиристор, как и обычный диод, может быть поврежден напряжением обратного пробоя Uпр. В прямом включении для открытия тиристора необходимо приложить некоторое напряжение между анодом и катодом U вкл. Чем больший ток протекает через управляющий электрод, тем меньшее напряжение требуется для открытия тиристора. Если на управляющий электрод подать максимально допустимый управляющий ток, ВАХ тиристора напоминает ВАХ обычного диода. Выключить тиристор можно только одним способом, сняв с него напряжение «анод-катод» (Uак).

Существуют запираемые тиристоры, которые можно перевести из открытого состояния в закрытое состояние, подав на управляющий электрод импульс отрицательной полярности повышенной длительности, но эти электронные компоненты требуют более сложной схемы управления и проигрывают в быстродействии обычным тиристорам.

Классификация тиристорных преобразователей частоты

Тиристорные преобразователи частоты делятся на два класса: с непосредственной связью (циклоконверторы) и со звеном постоянного тока. В первом варианте, из «кусочков» синусоид трех фаз питающей сети (50 Гц) принудительно формируются псевдосинусоиды (также 3 фазы) более низкой частоты, которая никогда не превышает 20-25 Гц. Эти сформированные псевдосинусоиды, как раз, и поступают, например, на управляемый преобразователем асинхронный двигатель.

Подобная схема состоит из трех пар встречно включенных тиристоров для каждой фазы подключаемой нагрузки, т.е. всего получается минимум 18 тиристоров и схема управления ими. Если совсем просто и без функциональной схемы: в нужный момент времени тиристоры «подтягивают» из «подходящей» фазы источника питания импульс напряжения в нужную фазу нагрузки в соответствии с требуемой частотой управления этой нагрузкой.

К бесспорным преимуществам данной схемы следует отнести практически неограниченную мощность подключаемой нагрузки (сотни мегаватт). Это могут быть, например, промышленные мельницы, дробящие камни на цементных заводах. К недостаткам следует отнести невероятно мощные помехи, создаваемые такими преобразователями.

Описанная схема — единственный вариант тиристорного преобразователя, который умеет плавно изменять частоту напряжения питания нагрузки, т.е. работать в режиме частотного инвертора. Все другие виды тиристорных преобразователей описываемых в данной статье работают на фиксированных частотах.

Есть ещё один вариант частотного преобразователя с непосредственной связью, который используется в некоторых видах сварочных аппаратов. Он состоит из 3-х фазного трансформатора (T1) с одной вторичной обмоткой, к которой подключается нагрузка. Принцип работы исключительно прост; каждая фаза (А, В и С) подключается к трансформатору через отдельный тиристорный ключ, как показано на рисунке 2.

Тиристорная схема преобразователя (утроителя) частоты

Ключи, собранные на тиристорах VD1-VD6, включаются и выключаются так, чтобы на вторичной обмотке трансформатора формировалось напряжение утроенной частоты 150 Гц. С технической точки зрения, увеличение частоты позволяет уменьшить размеры сердечника трансформатора в три раза, а значит и общий вес, и мобильность сварочного аппарата.

Тиристорные частотные преобразователи со звеном постоянного тока

Как было сказано ранее, второй класс тиристорных частотных преобразователей содержит звено постоянного тока, т.е. напряжение, поступающее на преобразователь, сначала выпрямляется, а из него формируется передаваемое в нагрузку переменное напряжение с некоторой фиксированной частотой. Это наиболее часто используемый тип тиристорных преобразователей частоты. Максимально упрощенная схема их работы представлена на Рис.3

Рис.3 Схема тиристорного преобразователя частоты со звеном постоянного тока

3-х фазное напряжение от фаз А, В и С выпрямляется схемой Ларионова, собранной на диодах VD1-VD6, и поступает на дроссель L1. Этот дроссель имеет огромное значение и очень большую индуктивность, настолько большую, что превращается в некоторое подобие источника тока и надежно сглаживает пульсации поступающего на схему выпрямленного переменного напряжения. Это сглаженное напряжение поступает на мостовую схему, собранную на тиристорах VD7-VD10. К центральным контактам тиристорного моста подключен параллельный колебательный контур, состоящий из конденсатора С1 и индуктивности L2. Задача тиристорного моста состоит в том, чтобы создать резонанс в колебательном контуре, переключая плечи моста то в одном, то в другом направлении по отношению к полярности питания.

Достигнув резонанса, в колебательном контуре напряжение резко возрастает и всегда имеет синусоидальную форму. Его используют, подключая к нагрузке, например, если вместо L2 подключить первичную обмотку трансформатора, а с вторичной его обмотки снимать мощность для индукционной катушки, можно плавить металл. Эти печи так и называют «индукционными», они используются не только в металлургической промышленности, но и, например, в ювелирке, в стоматологии. Такие преобразователи работают на более высоких (до 22 кГц) частотах и для надежной своей работы требуют использования специальных высокочастотных тиристоров.

Техническое обслуживание тиристорного преобразователя частоты

От надежной работы ТПЧ зависит производительность всего технологического комплекса: от простого вентилятора до сложного конвейерного оборудования. Однако, как и любое сложное электротехническое устройство, ТПЧ требует регулярного и квалифицированного технического обслуживания (ТО). Пренебрежение регламентными работами неизбежно ведет к снижению срока службы, увеличению числа аварийных остановов и, как следствие, к финансовым потерям.

Основная цель ТО — поддержание преобразователя в работоспособном состоянии и предотвращение отказов. На производстве проводят следующие виды технического обслуживания ТПЧ: 

1. Контроль систем охлаждения.

Тиристоры — мощные полупроводниковые ключи,  выделяют значительное количество тепла, особенно в преобразователях с естественной коммутацией или в инверторах напряжения и тока с принудительной коммутацией. Эффективный отвод тепла, критическое условие их работы. Во время проведения технического обслуживания необходимо:

• Очищать радиаторы и вентиляторы. Регулярно (не реже 1 раза в квартал, а в запыленных помещениях еще чаще) продувать или протирать радиаторы силовых модулей и фильтров систем принудительного воздушного охлаждения.
• Проверять работоспособность вентиляторов. Визуально и на слух необходимо убедиться в отсутствии посторонних шумов, вибраций и в стабильности воздушного потока. Водяные и испарительные системы охлаждения требуют контроля уровня, давления и качества теплоносителя.

2. Диагностика силовых элементов.

К силовым элементам относятся тиристоры, диоды (обратные и отсекающие), коммутирующие конденсаторы и реакторы. Тиристоры и диоды: Регулярный визуальный осмотр на предмет сколов, трещин или изменения цвета корпуса. Проверка надежности затяжки силовых и управляющих контактов. В идеале, периодическая проверка вольт-амперных характеристик или, как минимум, прозвонка мультиметром для выявления явных пробоев или обрывов.

Коммутирующие конденсаторы (LC-контуры): В автономных инверторах напряжения и тока конденсаторы работают в тяжелом режиме частых перезарядов. Необходимо следить за параметрами конденсаторов, отсутствием вздутий, подтеков электролита и, по возможности, контролировать емкость, так как ее изменение влияет на время коммутации и может привести к срыву инвертирования.

3. Контроль систем управления и защиты.

Современный ТПЧ, это симбиоз силовой электроники и микропроцессорной или логической системы управления (СУ). Ее обслуживание включает:

• Проверка питающих напряжений: Контроль стабильности напряжений в цепях управления, питания датчиков и драйверов.
• Диагностика цепей обратной связи: Точность работы привода напрямую зависит от датчиков тока (ДТ), напряжения (ДН), скорости (ДС) и потока (ДП). Необходимо проверять их крепление, целостность экранирующих оплеток кабелей и, при возможности, калибровку.

Анализ журнала ошибок: Современные системы управления имеют энергонезависимую память, в которую записываются коды аварий. Их регулярный анализ помогает выявить начинающиеся проблемы (например, редкие сбои коммутации) до того, как они перерастут в серьезную аварию с пробоем тиристоров.

Ремонт тиристорных преобразователей частоты

Несмотря на качественное обслуживание, отказы тиристорных преобразователей частоты неизбежны. Высокие токи и напряжения, сложные температурные режимы и внешние факторы приводят к выходу из строя компонентов. Ремонт ТПЧ требует: глубокого понимания топологии силовой схемы и физики протекающих в ней процессов.

1. Диагностика — основа успешного ремонта. Прежде чем лезть в плату с паяльником, необходимо точно локализовать неисправность. Классический подход, по наладке преобразовательной техники, предполагает несколько этапов:

Анализ аварийных сигналов: Первичную информацию дают коды ошибок системы управления. Они указывают на характер проблемы: «срыв инвертирования», «перенапряжение в звене постоянного тока», «перегрузка по току», «неисправность тиристора» и т.д.

Визуальный осмотр: Поиск явно поврежденных компонентов: вздутых конденсаторов, почерневших резисторов, разрушенных тиристоров, следов перегрева на шинах и контактах. Особое внимание уделяется узлам коммутации, конденсаторам и реакторам.

Проверка цепей питания: Начинать всегда нужно с источников питания системы управления, драйверов и датчиков. Без них преобразователь не запустится корректно.

2. Типовые неисправности и их «лечение».

Знание того, как работают различные схемы, позволяет быстро находить причину отказа:

• Пробой тиристоров или диодов: Самая частая неисправность. Происходит из-за перенапряжений, превышения допустимого тока, срыва коммутации или естественного износа. Замена требует подбора приборов не просто по току и напряжению, но и по динамическим характеристикам (времени выключения tq, заряду обратного восстановления), особенно в инверторах с принудительной коммутацией, где параметры ключей должны быть идентичны.
• Выход из строя коммутирующих конденсаторов: В автономных инверторах напряжения с фазной или общей коммутацией конденсаторы работают в импульсных режимах. Потеря емкости или рост эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) приводит к увеличению времени коммутации и, как следствие, к срыву инвертирования и пробою тиристоров. При ремонте важно устанавливать конденсаторы, предназначенные для работы в импульсных цепях (с низким тангенсом угла потерь и высокой амплитудой импульсного тока).
• Неисправности систем управления: Часто причиной отказа становятся не силовые цепи, а «мозги» преобразователя. Это могут быть прогоревшие драйверы (выходные каскады), отвечающие за подачу отпирающих импульсов на тиристоры, или сбой в работе логических микросхем, формирующих алгоритм переключения (например, 120- или 180-градусное управление). Ремонт здесь сводится к замене электронных компонентов и требует навыков работы с осциллографом для проверки формы и временных параметров управляющих импульсов.

Ремонт тиристорных преобразователей частоты

3. Послеремонтные испытания.

Замена неисправного элемента — это только половина дела. Критически важным этапом является проверка преобразователя после ремонта:

• Проверка цепей управления: Перед подачей высокого напряжения необходимо убедиться, что система управления формирует правильные импульсы на всех тиристорах в нужной последовательности и с нужной фазой.
• Подача напряжения в режиме холостого хода: Первый пуск производится с отключенной нагрузкой (двигателем) или на пониженном напряжении, чтобы проверить работоспособность силовой части в целом и отсутствие коротких замыканий.
• Испытание под нагрузкой: Только работа под нагрузкой на номинальных частотах и токах покажет, устранена ли неисправность окончательно и не появилось ли новых проблем, например, с нагревом установленных компонентов или устойчивостью коммутации в различных режимах.

Ремонт ТПЧ — сложная инженерная задача, требующая системного подхода. Квалифицированный специалист должен не просто заменить сгоревшую деталь, но и понять первопричину ее выхода из строя, чтобы предотвратить повторение аварии в будущем.

Выводы

• Тиристорные преобразователи частоты — громоздкие и сложные в управлении устройства, но они еще долгое время будут востребованы там, где требуется управление сверхмегаваттными и высоковольтными мощностями. Тиристорные преобразователи частоты используются там, где требуется повышенная надежность и стойкость к многократным перепадам по току и напряжению.
• Самостоятельный ремонт тиристорного преобразователя без глубоких знаний его топологии часто заканчивается повторным выходом оборудования из строя. Как показывает практика, замена сгоревшего тиристора бесполезна без диагностики цепей управления, драйверов и LC-контуров, которые и стали первопричиной аварии. Профессиональное обучение методам анализа аварийных сигналов, проверки динамических характеристик компонентов и проведения послеремонтных испытаний — это единственный способ гарантировать восстановление работоспособности ТПЧ и обеспечить безопасность промышленного персонала.