Convertidor de frecuencia de tiristores

Convertidor de frecuencia de tiristores (TFC) : un dispositivo que utiliza tiristores , diseñado para convertir una corriente trifásica de frecuencia industrial en una corriente alterna multifásica con una frecuencia dada, similar a un inversor de corriente autónomo [1] [2] [3] [4] , y se utiliza para el calentamiento por inducción de metales .

TFC es una abreviatura establecida históricamente, desde la década de 1960 en la URSS, que tradicionalmente denota una serie de convertidores de frecuencia de tiristores utilizados como fuentes de energía para el calentamiento por inducción de metales. La abreviatura TFC se fijó solo para fuentes basadas en AIT [1] [2] [3] [4] . La serie TFC en su desarrollo cuenta con varias generaciones. La abreviatura TFC también se utilizó a veces, pero más tarde, y con mucha menos frecuencia, para designar convertidores de frecuencia de tiristores para accionamientos eléctricos. Sin embargo, la abreviatura TFC para designar convertidores de accionamiento no se considera correcta si no se menciona un accionamiento eléctrico junto con la abreviatura TFC. Para eliminar la ambigüedad en la práctica, se han desarrollado nombres comunes para un accionamiento eléctrico que son diferentes de la serie TFC: convertidor de frecuencia (accionamiento eléctrico) , accionamiento de frecuencia variable .

Historial de desarrollo

Descripción general de las fuentes de calentamiento por inducción de frecuencia media

La carga de la fuente de calentamiento por inducción es un inductor, una bobina dentro de la cual se coloca el metal. Las corrientes de Foucault inducidas en el metal calientan el metal con un mínimo de eliminación de calor al medio ambiente. El método de calentamiento por inducción permite una alta tasa de calentamiento, así como una regulación fina del flujo de energía térmica y, por lo tanto, logra rentabilidad, alta precisión y repetibilidad de los procesos tecnológicos industriales. El calentamiento por inducción se utiliza en la ingeniería mecánica y la industria metalúrgica para la fusión, la forja, el estampado, el endurecimiento superficial y continuo, el recocido, la soldadura de cortadores, la soldadura de alta frecuencia, así como para otras aplicaciones especiales en las que se requiere el calentamiento de metales.

El requisito para la frecuencia de salida de la fuente depende del volumen y la geometría del cuerpo calentado (sección). El requisito para la potencia de salida de la fuente está determinado por la capacidad especificada de la línea de calefacción. La frecuencia y la potencia son generalmente parámetros independientes. En la industria metalúrgica, los llamados. el rango de frecuencias de frecuencia media es 0.5, 1.0, 2.4, 4.0, 8.0, 10 kHz y el rango de potencia es de 100 kW a 1600 kW, la potencia de 320 kW a 800 kW se usa con más frecuencia que otras a frecuencias de 0.5, 1,0 y 2,4 kHz. Para grandes hornos de fundición de acero, con un volumen de decenas de toneladas, se utilizan frecuencias relativamente bajas de 0,25 y 0,125 kHz con potencias de fuente altas de 5 MW y superiores. En ingeniería y otras industrias, se utilizan frecuencias altas y aumentadas: 22; 44; 66; 100; 220; 500 kHz, etc. En altas frecuencias se utilizan menos potencias superiores a 100 kW, a excepción de la soldadura de alta frecuencia, donde se combina alta frecuencia con alta potencia.

en la fig. 1 muestra el circuito básico de un convertidor de frecuencia de tiristores que tiene una estructura de dos enlaces: el rectificador convierte la corriente de la red (50 Hz) en corriente continua en un reactor de filtrado , el inversor convierte la corriente continua en corriente alterna de la frecuencia deseada. Un rasgo característico del circuito en la Fig. 1 es la presencia en el circuito de un inductor de filtrado entre el rectificador y el inversor. La corriente del inductor a la entrada del puente es constante y coincide en valor absoluto con la corriente alterna a la salida del puente, que alimenta el circuito oscilatorio a través de la inductancia de línea . La polaridad de las corrientes coincide en un medio ciclo (la polaridad es positiva si la diagonal del puente V1, V2 está abierta), en el otro es opuesta (la polaridad es negativa si la diagonal opuesta V3, V4 está abierta) . Un inversor basado en este principio de funcionamiento se denomina "inversor de corriente". Dado que la carga de este inversor es un circuito pasivo, dicho inversor se denomina inversor de corriente autónomo (AIT). Como circuito de carga, se usa con mayor frecuencia un circuito paralelo (Fig. 1), de donde proviene el nombre: un inversor autónomo paralelo es equivalente al nombre AIT [5] . ${\ Displaystyle L_ {d}}$ ${\ Displaystyle L_ {d}}$ $identificación$ ${\ Displaystyle L_ {d}}$ ${\ estilo de visualización, es decir}$ $L_{k}$ $C_{e}L_{e}R_{e}$ $identificación$ ${\ estilo de visualización, es decir}$ ${\ estilo de visualización, es decir}$ ${\ estilo de visualización, es decir}$

Si se usa una gran inductancia (suavizado) en el inductor, dicho inversor se llama AIT con corriente continua. Si se utiliza una inductancia pequeña , aparece un intervalo de pausa en la corriente del inversor. Tal inversor se llama AIT con corriente intermitente. ${\ Displaystyle L_ {d}}$ ${\ Displaystyle L_ {d}}$

Para hacer coincidir el voltaje con el inductor, o para mejorar el arranque, a veces se utilizan otras modificaciones del circuito, que incluyen 2 o 3 condensadores: circuitos en forma de G, T y U [1] [2] [3] [ 4] [5] . En estos circuitos, los extremos de la bobina del inductor están siempre cerrados mediante un circuito de uno o dos condensadores. Las propiedades de tales circuitos son cercanas a las propiedades del circuito en paralelo de la Fig. 1, por lo que los principios básicos del funcionamiento del inversor coinciden con el circuito en paralelo del AIT de la Fig. 1.

Una diferencia fundamental en el principio de funcionamiento del inversor se produce cuando se utiliza un condensador en serie en el circuito en lugar de uno en paralelo. Entonces no se requiere un estrangulador en la entrada del inversor, la corriente del inversor se forma de acuerdo con una ley oscilatoria con la formación de un intervalo de pausa actual. Un inversor sin estrangulador de entrada se denomina inversor de voltaje autónomo ( AVI ), nombre alternativo: inversor autónomo en serie. En la literatura científica mundial [6] [7] [8] [9] [10] , se ha establecido la terminología de inversores "en paralelo" y "en serie" (Inversor en paralelo, Inversor en serie, con y sin estrangulador, respectivamente). Por circuito paralelo se entiende la existencia de un circuito cerrado arbitrario de condensadores conectados en paralelo con los terminales del inductor, aunque generalmente se utiliza el circuito paralelo habitual de la figura 1. Los inversores en paralelo y en serie pertenecen a clases de dispositivos fundamentalmente diferentes (AIT y AIN). También han surgido escuelas científicas y grandes empresas mundiales que son partidarias de los inversores en paralelo o en serie. En particular, las empresas Otto Junker (Alemania), Brown Boveri (Suiza), Asea (Suecia), General Electric (EE. UU.), así como la corporación internacional Ajax Tocco Magnethermic , desarrollaron principalmente la dirección del inversor paralelo [6] [7] , mientras que como otra corporación global, Inductotherm (que comprende varias docenas de empresas individuales en todo el mundo) desarrolló predominantemente un esquema secuencial. En Japón [8] y en la URSS, el calentamiento por inducción de frecuencia media se desarrolló predominantemente sobre la base de un circuito paralelo. En la URSS, junto con el término "inversor autónomo paralelo" en la literatura científica, el término AIT se usó con más frecuencia [1] [2] [3] [4] [5] . ${\ Displaystyle L_ {d}}$ ${\ Displaystyle L_ {d}}$ ${\ Displaystyle L_ {d}}$

Serie TFC

La producción de fuentes de calentamiento por inducción en la URSS sobre la base de AIT (Fig. 1), que se denominaron "serie TFC", se originó en la década de 1960 en Tallin en la planta electrotécnica que lleva el nombre. Kalinina [5] . Los diseños principales de la serie TFC cubren el rango de potencia de 100 kW a 1600 kW, la frecuencia de 0,5 a 10 kHz, los TFC con una potencia de 320 kW y 800 kW a una frecuencia de 1 kHz son los más utilizados. En la segunda mitad de la década de 1980, el volumen de producción en la URSS alcanzó hasta 800 piezas de TFC por año, lo que representó aproximadamente la mitad de la producción mundial anual de fuentes de calentamiento por inducción de frecuencia media (en términos unitarios para capacidades típicas en el rango de 160 ... 800 kW en el rango de frecuencia de 0,5 ... 10 kHz). En particular, la compañía estadounidense más grande, Inductotherm , en la década de 1980 produjo alrededor de 180 fuentes de frecuencia media por año. En la década de 1990, muchas empresas en Rusia y Ucrania comenzaron la producción en masa de fuentes basadas en AIT con el mismo nombre "serie TPC". En relación con la abreviatura bien establecida TFC, otras fuentes de calentamiento por inducción con una topología de circuito que difiere de AIT tienen un nombre que difiere de TFC.

La aparición de transistores de potencia de alta potencia en el mercado desde la década de 1990 ha impulsado el desarrollo de la electrónica de potencia en una serie de industrias. Las ventajas indudables de los transistores son la controlabilidad completa y la alta velocidad. Estas propiedades sirvieron de base para el desarrollo tanto de los transistores como de los dispositivos universales de control de transistores de potencia (módulos inteligentes) para cualquier aplicación. Ha surgido una poderosa industria de componentes electrónicos universales de potencia. Para las pequeñas empresas que anteriormente no se dedicaban a productos de alta tecnología, se hizo posible comprar componentes listos para usar, ensamblar y suministrar productos competitivos al mercado, lo que contribuyó al rápido crecimiento del mercado. En el campo de la propulsión eléctrica, los generadores eólicos y la energía solar, se han producido decenas de miles de productos, incluidos productos basados en transistores IGBT con una gran potencia unitaria de varios megavatios. El progreso en la electrónica de potencia también ha llegado al campo del calentamiento por inducción. El mercado de pequeñas fuentes de unos pocos kilovatios o decenas de kilovatios, que antes estaba casi ausente en el mercado, comenzó a desarrollarse rápidamente. Además, los generadores de lámparas, que se usaban para el calentamiento por inducción en la región de alta frecuencia de decenas y cientos de kilohercios, comenzaron a ser reemplazados intensamente.

En la región de frecuencia media, donde no hay demanda de semiconductores de alta velocidad, la producción de fuentes de calentamiento por inducción se divide en dos sectores: fuentes de tiristores y transistores. En la región de frecuencia media, los tiristores no son tan sensibles a la controlabilidad incompleta y, en este sentido, no son tan inferiores a los transistores completamente controlados, pero ganan en términos de confiabilidad y costo. La ganancia del circuito de tiristores se siente especialmente en potencias superiores a 250 kW, cuando el sistema de control relativamente costoso se vuelve menos perceptible en el costo total del producto, y la confiabilidad del circuito de tiristores se convierte en un factor predominante para el comprador. En fuentes potentes, aumenta el papel del sistema de control para resolver problemas de protección, diagnóstico, monitoreo, automatización y regulación. Por lo tanto, para tales fuentes, el costo de los sistemas de control para fuentes de tiristores y transistores es comparable. Un tiristor, en comparación con un transistor de potencia, es mucho más alto en términos de potencia unitaria y de menor costo. El tiristor tiene la capacidad de soportar brevemente una corriente que es un orden de magnitud superior a la corriente de funcionamiento, mientras que el transistor sale de la saturación y se destruye. Cuantas más conexiones paralelas de transistores, más peligrosos son los modos de emergencia, que pueden ir acompañados de una explosión de la caja. Por lo tanto, en el mercado entre los sectores de fuentes de tiristores y transistores en el campo del calentamiento de media frecuencia, se ha establecido un límite estable en un nivel de potencia de aproximadamente 250 kW. La frontera existe exclusivamente para el calentamiento por inducción y exclusivamente en el rango de media frecuencia, mientras que en otras áreas el mercado está claramente saturado con circuitos de transistores.

El progreso de la industria de los semiconductores ha llevado a la aparición de tiristores en un paquete modular, que es similar al paquete de transistores de potencia y tiene las mismas ventajas: aislamiento del enfriador y facilidad de montaje de estructuras modulares. Además, en el circuito del inversor del tiristor AIT, algunos fabricantes introducen un interruptor de transistor en la entrada del inversor, el llamado. IGBT-chopper, que le permite mejorar la capacidad de control y las características del circuito y, al mismo tiempo, no perder la resistencia a los modos de emergencia inherentes a los tiristores.

La serie TFC ha recorrido un largo camino de evolución. La siguiente tabla da una idea del cambio de generaciones de la serie TFC. La tabla da, en la medida de lo posible, signos objetivos de progreso en la tecnología de producción de TFC, comunes para varios fabricantes. La tabla se limita a considerar el progreso de la tecnología solo para fuentes TFC con su topología AIT inherente. La pertenencia a una clase de dispositivos también permanece en el caso en que AIT es solo una parte del circuito de alimentación. Por ejemplo, los dispositivos en los que se instala o no un interruptor de transistor de potencia (interruptor IGBT) en la entrada AIT pertenecen a la misma clase. El circuito AITSP (AIT con interruptor síncrono) y el circuito AITAP (AIT con interruptor asíncrono, donde el interruptor no está sincronizado con el inversor) tienen características significativamente diferentes, aunque pertenecen a la misma clase de dispositivos.

Cambio de generaciones de la serie TFC basada en un inversor de corriente autónomo (AIT)

Serie TFC	Signos de progreso en la tecnología de fabricación.
1ra generación	1960 No hay placas de circuito impreso en el sistema de control: la instalación es tridimensional (en paneles) en un gabinete separado. Componentes lógicos: semiconductores discretos (transistores y diodos) y grandes módulos lógicos en caja de porcelana (Logika-T). En la sección de potencia se utilizan tiristores pin, que son de potencia relativamente baja. En cada brazo del convertidor se utiliza una gran cantidad de conexiones en serie y en paralelo. Para TFC potentes, en caso de conexión en paralelo de secciones de potencia, no se permite el funcionamiento autónomo (único) de una sección separada. Orden de frecuencia: 0,5; 1 kHz. La eficiencia es de alrededor del 92% para 1kHz. Indicadores específicos de TFC: unos 6…8 kg/kW.
2da generación	1970 En el sistema de control aparece cableado impreso, lo que permite reducir drásticamente las dimensiones del sistema de control y al mismo tiempo aumentar su funcionalidad. Cada unidad de control individual tiene relativamente poca funcionalidad. Se instala una gran cantidad de bloques en un gabinete separado. Aparecen tiristores de tableta en la sección de potencia, disminuye la cantidad de conexiones en paralelo y en serie en un brazo. Para secciones de potencia conectadas en paralelo, no se permite la operación autónoma (única) de una sección separada. Introduzca la frecuencia máxima de 2,4 kHz, orden de frecuencia: 0,5; una; 2,4kHz La eficiencia aumentó a 92..93% para 1kHz. Se mejoran los indicadores específicos de TFC: unos 4…5 kg/kW.
3ra generación	1986 Componentes lógicos: chips de pequeño y mediano grado de integración. El sistema de control está construido en un casete en grandes placas de circuito impreso multifuncionales con hasta 300 componentes con cables. En la sección de potencia, se utilizan potentes tiristores de tableta, se excluyen las conexiones en paralelo y las conexiones en serie permanecen en un brazo. Para las secciones de potencia conectadas en paralelo, se permite la operación autónoma (única). Se introducen los conceptos de “trabajo de un único TFC”, “trabajo de un grupo de TFC con carga común”, “única operación de un TFC en un complejo”, “trabajo en grupo de un complejo TFC”. Frecuencias ingresadas 4, 8 y 10 kHz, orden de frecuencia: 0.5; una; 2,4; cuatro; ocho; 10kHz La eficiencia aumentó a 94..95% para 1kHz. Se mejoran los indicadores específicos de TFC: unos 2…2,5 kg/kW.
4ta generación	2002 Componentes lógicos: un LSI es un gran circuito integrado que cubre toda la parte lógica (digital) del sistema de control. El sistema de control está construido sobre tableros multicapa multifuncionales de pequeño tamaño basados en los llamados. "sin agujeros" o tecnología de superficie ( SMD ), donde los componentes en miniatura con cables planos (tamaño típico de resistencia de 1,5 x 0,75 mm) se sueldan directamente a la superficie de la placa. Se minimiza la engorrosa tecnología de "agujeros" (HMD - Hole Mount Technology), en la que los componentes con cables conductores se sueldan en los agujeros de la placa. En la sección de potencia, se utilizan potentes tiristores de tableta, que permiten construir un brazo de potencia en un tiristor. Excepción: alta frecuencia de 8 y 10 kHz, donde se utilizan tiristores rápidos con una clase de tensión relativamente baja, que normalmente requieren 2 tiristores en serie en un brazo inversor. Para capacidades relativamente pequeñas (hasta 320 kW), algunos fabricantes utilizan los llamados. tiristores "modulares", que se atornillan a una placa de aluminio común, lo que simplifica el diseño de la unidad de potencia y proporciona aislamiento galvánico del refrigerante (agua). El trabajo en grupo del complejo TFC no ha cambiado. Orden de frecuencia sin cambios: 0,5; una; 2,4; cuatro; ocho; 10kHz Eficiencia aumentada a 95..96% para 1kHz. Se mejoran los indicadores específicos de TFC: unos 1,6…2,5 kg/kW.
5ta generación	2015 El sistema TFC Internet Diagnostics se está introduciendo en el sistema de control. El sistema de control incluye herramientas para leer y guardar oscilogramas de trabajo y de emergencia en la memoria permanente de Black Box, así como un medio de conexión a Internet basado en un módem GSM. Las formas de onda de alarma se envían automáticamente al sitio de la comunidad . El sitio de diagnóstico TFC más democrático, sin restricciones de acceso y sin registro, sirve, por un lado, como una "herramienta de respuesta rápida" durante las reparaciones, por otro lado, como una "base de conocimiento colectivo" para estudiar procesos típicos de emergencia y para capacitar al personal en habilidades operativas. Se introduce un interruptor síncrono (SP) de transistor en la sección de potencia en la entrada del tiristor AIT. El circuito AITSP combina las ventajas de dos tipos de semiconductores al mismo tiempo: transistores (controlabilidad total) y tiristores (fiabilidad en modos de emergencia). Estos últimos se utilizan en fundas modulares y para tablets. El trabajo en grupo del complejo TFC no ha cambiado. El rango del tipo de frecuencia se ha ampliado tanto en la dirección de disminuir la frecuencia como en la dirección de aumentar la frecuencia: 50 (60), 125, 250, 500, 1000, 2500, 4000, 8000 (10000), 16000, 22000 Hz . La eficiencia aumentó a 97.5..98.5% para 1kHz. Se mejoran los indicadores específicos de TFC: alrededor de 1 kg/kW.

Notas

↑ 1 2 3 4 Gorbachov 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 IM, 1978 .
↑ 1 2 3 4 EI Berkovich, 1973 .
↑ 12 Alfred Mühlbauer , 2008 .
↑ 1 2 John William Motto, Jr., 1977 .
↑ 1 2 Takesi FUJITSUKA, 1971 .
↑ Nikolái L. Hinov, 2005 .
↑ pantechsolutions .

Literatura

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