8.2 Тиристорные преобразователи частоты

8.2. Полупроводниковые вентили

Наиболее распространенными силовыми полупроводниковыми приборами являются тиристоры и диоды. Приведем краткие сведения о них.

Диод – это полупроводниковый неуправляемый прибор с двухслойной структурой р-п. Он имеет два электрода (анод и катод) и может проводить ток только в одном направлении от анода к катоду при наличии положительного напряжения на аноде.

Тиристор – это полупроводниковый управляемый вентиль с четырехслойной структурой р-п- р-п (рис.43.1, а).

а б

Рис.43.1. Структура (а) и вольтамперные характеристики тиристора (б)

Он имеет три электрода (анод А, катод К и управляющий электрод УЭ) и проводит ток от анода к катоду при положительном напряжении на аноде и сигнале на управляющем электроде, подсоединенном к одному из средних слоев.

Тиристор можно перевести в проводящее состояние двумя способами: 1) увеличивая анодное напряжение и_а; 2) увеличивая ток управления I_у.

При отсутствии управляющего сигнала, то есть при I_у = 0, и приложенном напряжении к зажимам анод–катод ток через тиристор практически не протекает. Однако, если анодное напряжение на тиристоре станет равным и_п0, анодный ток резко возрастет, тиристор откроется и напряжение на нем резко снизится до малой величины.

При подаче на управляющий электрод положительных импульсов тока I_у включение тиристора происходит при меньших прямых анодных напряжениях (для характеристик, показанных на рис.43.1, б - I_у2 > I_у1 > I_у0 , и_п2 < и_п1 < и_п0). При некотором значении I_у тиристор работает как неуправляемый диод.

При изменении полярности питающего напряжения ток в тиристоре мал и только при и = и_обр происходит пробой тиристора, и он выходит из строя.

Тиристорные преобразователи частоты и автономные инверторы

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) состоит из двух основных узлов: выпрямителя, преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и автономного однофазного инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный повышенной частоты.

Различают ТПЧ с явно выраженным и скрытым звеном постоянного тока. В ТПЧ с явно выраженным звеном постоянного тока, получившим преобладающее применение, одна группа вентилей используется только для выпрямления тока, а другая – только для инвертирования. При скрытом звене одни и те же вентили служат одновременно как для выпрямления, так и для инвертирования. На практике наибольшее распространение получили ТПЧ с явно выраженным звеном постоянного тока.

Тиристорные преобразователи частоты предназначены для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в переменный ток средней частоты и применяются для питания индукционных плавильных печей, нагревательных и закалочных установок. Основное преимущество тиристорных преобразователей перед электромашинными состоит в том, что за счет высокого коэффициента полезного действия и отсутствия потерь холостого хода снижается потребляемая мощность от сети и снижаются эксплуатационные расходы. Большие преимущества ТПЧ в их регулировочных свойствах. Регулирование выходных параметров и мощности осуществляется безпереключения в силовых цепях, что позволяет обходится без громоздких коммутирующих устройств. Показатели надежности и гарантии поставщика наработка на отказ не менее 3 000 ч; полный установленный ресурс не менее 60 000ч; среднее время восстановления работоспособного состояния не более 1ч. Устройство ТПЧ автоматический выключатель; выпрямитель; сглаживающий реактор; инвертор; пусковое устройство.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Полупроводниковые преобразователи частоты выполняют функцию преобразования напряжения (тока) однофазной или многофазной сети промышленной или повышенной ча­стоты в переменное однофазное или многофазное напряжение (ток), частоту, амплитуду и фазу которого можно регули­ровать в определенных пределах.

Сущест­вует три класса преобразователей частоты:

1) с промежуточным звеном постоянного тока;

2) с непосредственной связью питающей сети и электри­ческой машины  (без звена постоянного тока, циклоконверторы);

3) с промежуточным звеном переменного тока повышен­ной частоты (циклоинверторы).

Преобразователи частоты могут быть выполнены на пол­ностью управляемых полупроводниковых приборах (транзи­сторах, двухоперационных тиристорах) и на тиристорах. Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) по способу коммутации тиристоров подразделяются на преобразователи с естественной, искусственной и смешанной коммутацией. При естественной коммутации выключение тиристоров происходит под действием напряжения сети. Она имеет место в выпрямителях, в ведомых сетью инверторах, в ТПЧ с непосредственной связью и т. д. Искусственная (принуди­тельная) коммутация тиристоров осуществляется от отдель­ного источника энергии. Этот вид коммутации используется в тиристорных ШИП, в ТПЧ с промежуточным звеном постоянного тока и т. д.

В ТПЧ со смешанной коммутацией для выключения одной группы вентилей используется естественная, другой группы — искусственная коммутация.

8.3 Электропечные трансформаторы  (сокращенно ЭПТ) служат для питания различных промышленных электротермических установок, применяемых главным образом в черной и цветной металлургии. К таким установкам относятся: электродуговые сталеплавильные печи (ДСП), расплавляющие сталь электрической дугой переменного тока; индукционные плавильные печи (ИПП), плавящие металл способом индукционного нагрева; печи электрошлакового переплава (ЭШП), руднотермические печи (РТП) и некоторые другие. Параметры и режимы работы таких электропечей имеют характерные особенности, резко отличающиеся от других токоприемников. Соответственно и электропечные трансформаторы по своим параметрам и конструкции значительно отличаются от силовых трансформаторов общего назначения. Вместо номинальной мощности электропечных трансформаторов указывают типовую мощность, равную полусумме мощностей всех частей его обмоток. Первичное напряжение этих трансформаторов при относительно небольших мощностях электропечей по сравнению с силовыми трансформаторами общего назначения той же мощности обычно выбирают более высоким — до 35 кВ включительно, а для больших мощностей — 110 кВ и выше. Такие высокие напряжения необходимы для ограничения колебаний напряжения в питающей электросети при коротких замыканиях, связанных с режимом работы печи при плавке металла. Поэтому мощность электрической сети, к которой подсоединяется печной трансформатор, должна во много раз превышать мощность электропечи, соответственно должны быть выше напряжение сети и первичное напряжение ЭПТ. Вторичное напряжение электропечных трансформаторов мощностью до 100 MB-А не превышает 900—1000 В, при этом вторичные токи соответственно достигают 100 кА и более. Малые вторичные напряжения и большие токи характеризуют особенность электропечных трансформаторов. Небольшие вторичные напряжения при больших вторичных токах существенно сказываются на конструкции отдельных частей ЭПТ. Напряжение короткого замыкания (нкз) является одной из главных характеристик трансформатора. От его значения зависит кратность сквозного тока короткого замыкания, проходящего через трансформатор при коротком замыкании в термической установке, а следовательно, электродинамическая стойкость трансформатора, колебание напряжения в питающей сети, потери напряжения в ЭПТ в режиме нагрузки. При расчете и конструировании ЭПТ выбирают оптимальное значение напряжения короткого замыкания, оно обычно несколько меньше, чем в одинаковых по мощности и напряжению силовых трансформаторах общего назначения. Регулирование напряжения электропечных трансформаторов представляет собой один из главных вопросов расчета, конструирования и выбора схемы регулирования. Это связано с тем, что из-за быстро меняющегося режима плавки у электропечных трансформаторов в отличие от силовых приходится регулировать вторичное напряжение в широких  пределах, в отдельных случаях до ±50% номинального.

В зависимости от мощности и вида в ЭПТ применяют различные схемы и способы регулирования напряжения: прямое регулирование на стороне НН и ВН (без изменения индукции в трансформаторе), прямое (с изменением индукции), косвенное регулирование с применением отдельного регулировочного автотрансформатора или трансформатора и некоторые другие. Электропечные трансформаторы должны нормально работать в заданных пределах при перегрузке и при аварийных сквозных токах короткого замыкания, протекающих через ЭПТ в результате коротких замыканий на его вторичной стороне (на электродах, вблизи их, в короткой сети, на вводах НН). Аварийные токи короткого замыкания наиболее опасны для трансформатора, однако они ограничиваются реактивным сопротивлением самого трансформатора и сопротивлением короткой сети (участок между печью и вводами НН). Электродинамическая стойкость ЭПТ при коротких замыканиях достигается надежной прессовкой обмоток, усилением креплений отводов и других его частей. Условные обозначения. В зависимости от назначения и параметров электропечей применяют однофазные и трехфазные электропечные трансформаторы. Их условно обозначают буквами и цифрами так же, как и силовые трансформаторы общего назначения с добавлением поясняющих букв: Э — электропечной; Н — предназначен для питания индукционной печи; Ш — для электрошлаковой печи, С—для стекловарочной печи; К — трансформатор выполнен в виде агрегата, состоящего из нескольких трансформаторов («комплект»), собранных в одной единице (одном баке); П — переключающее устройство ПБВ с дистанционным управлением и некоторые другие буквы. Электропечные трансформаторы, предназначенные для питания электродуговых сталеплавильных печей, дополнительных букв в обозначениях не имеют. Исходя из этого трехфазные электропечные трансформаторы мощностью от 1000 до 45000 кВ-А классов напряжения 6—35 кВ с переключающими устройствами ПБВ и РПН, применяемые для ДСП, обозначают так: ЭТМПК; ЭТЦПК; ЭТЦНК; ЭТЦН; АТЦН; ЭТЦ; однофазные и трехфазные электропечные трансформаторы мощностью 2700— 4200 кВ-А, напряжением первичной стороны 6—10 кВ, с ПБВ и РПН для индукционных печей ЭОМП; ЭТМП; ЭОМН; ЭТМН и ЭТДЦН; однофазные трансформаторы мощностью 4000— 12 500 кВ-А, напряжением 6—10 кВ с РПН для электрошлаковых печей — ЭОДЦН, ЭОЦНШ, однофазные трансформаторы с РПН мощностью 8200—83 300 кВ-А, напряжением первичной стороны 10—220 кВ для руднотермических печей — ЭОЦН, ЭОЦНК, ЭОДЦНК.