Источники питания можно разделить на две большие категории: источники питания переменного тока и источники питания постоянного тока. Как мы знаем, можно генерировать только переменный ток, и, поскольку он более экономичен, мы используем переменный ток для передачи электроэнергии и поэтому большинство электрических машин/устройств работают от переменного тока. Но стандартное напряжение и частота, подаваемые с генераторных станций, могут оказаться неподходящими дял привода некоторых промышленных машин. В этих случаях мы используем преобразователи и инверторы для преобразования одного вида источника питания в другой, например, в другое номинальное напряжение, номинальный ток или номинальную частоту.

Циклоконвертер — это один из таких преобразователей, который преобразует мощность переменного тока одной частоты в мощность переменного тока регулируемой частоты. В этой статье мы узнаем больше об этих циклоконвертерах, их типах, работе и применении.

Что такое циклоконвертер?

Стандартное определение циклоконвертеров из Википедии звучит следующим образом: циклоконвертер (cycloconverter,  CCV) или циклоинвертор  преобразует сигнал переменного тока постоянного напряжения и постоянной частоты в другой сигнал переменного тока более низкой частоты путем синтеза выходного сигнала из сегментов источника переменного тока без промежуточного звена постоянного тока.

Одним из особых свойств циклоконвертеров является то, что в процессе преобразования не используется звено постоянного тока, что делает его очень эффективным среди других типов подобных преобразователей. Преобразование осуществляется с помощью силовых электронных переключателей, таких как тиристоры, и их логического переключения. Обычно эти тиристоры разделены на две половины: положительную половину и отрицательную половину. А пока представьте себе циклоконвертер как черный ящик, который принимает переменный ток с фиксированным напряжением и частотой в качестве входного сигнала и обеспечивает переменную частоту и переменное напряжение в качестве выходного сигнала, как показано на рисунке ниже.

По мере прочтения статьи мы узнаем, что может происходить внутри этого черного ящика.

Зачем нужны циклоконвертеры?

Хорошо, теперь мы знаем, что циклоконвертеры преобразуют мощность переменного тока фиксированной частоты в мощность переменного тока переменной частоты. Но почему нам нужно это делать? В чем преимущество источника переменного тока с переменной частотой?

Ответ на этот вопрос — контроль скорости. Циклоконвертеры широко используются для привода больших двигателей, таких которые используются в прокатных станах, шаровых мельницах, цементных мельницах и т. д. Выходная частота циклоконвертеров может быть снижена до нуля, что помогает нам запускать очень большие двигатели с полной нагрузкой на минимальной скорости, а затем постепенно увеличивать скорость вращения двигателя, увеличивая выходную частоту. До изобретения циклоконвертеров эти большие двигатели необходимо было полностью разгружать, а затем после запуска двигателя их нужно было постепенно нагружать, что приводило к существенным затратам времени и рабочей силы.

Типы циклоконвертеров

В зависимости от выходной частоты и количества фаз во входном источнике переменного тока циклоконвертеры можно классифицировать следующим образом:

1. Повышающие циклоконвертеры.
2. Понижающие циклоконвертеры.

В свою очередь, понижающие циклоконвертеры делятся на следующие три типа:

1. Однофазный в однофазный циклоконвертер.
2. Циклоконвертер из трехфазного в однофазный.
3. Циклоконвертер из трехфазного в трехфазный.

Повышающие циклоконвертеры: этот тип циклоконвертеров обеспечивает выходную частоту, превышающую входную частоту. Но он не получил широкого распространения. Для большинства практических применений требуется частота менее 50 Гц, которая присутствует в нашей электрической сети. Кроме того, для данного типа циклоконвертеров требуется принудительная коммутация, что увеличивает сложность схемы.

Понижающие циклоконвертеры: они обеспечивают выходную частоту, которая меньше входной частоты. Они наиболее часто используются и работают с помощью естественной коммутации, поэтому их сравнительно легко построить и эксплуатировать. Понижающий циклоконвертеры подразделяется на три типа, как показано выше. В этой статье мы подробно рассмотрим каждый из этих типов.

Основной принцип работы циклоконвертеров

Хотя существует три различных типа циклоконвертеров, они работают очень похоже, за исключением количества силовых электронных переключателей, присутствующих в схеме. Например, при переходе от однофазного к однофазному циклоконвертеру будет только 6 силовых электронных переключателей (тиристоров, SCR), а у трехфазного циклоконвертера может быть до 32 тиристоров.

В общем случае циклоконвертер будет иметь коммутационную цепь по обе стороны от нагрузки, одна цепь будет работать в течение положительного полупериода источника питания переменного тока, а другая схема будет работать в течение отрицательного полупериода. Обычно схема переключения демонстрируется с использованием тиристора в качестве силового электронного устройства, но в современных циклоконвертерах вы можете обнаружить, что тиристоры заменяются биполярными транзисторами с изолированным затвором, а иногда даже МОП-транзисторами.

Для коммутационных цепей также потребуется схема управления, которая сообщает силовому электронному устройству, когда проводить ток, а когда выключаться. Эта схема управления обычно представляет собой микроконтроллер и может также иметь обратную связь с выхода для формирования системы с замкнутым контуром. Пользователь может контролировать значение выходной частоты, регулируя параметры в схеме управления. Диоды на приведенной выше схеме показаны для обозначения направления течения тока.  Положительная схема переключения всегда подает ток в нагрузку, а отрицательная схема переключения всегда отводит ток от нагрузки.

Циклоконвертер однофазный в однофазный

Переход в циклоконвертерах от одной фазы также к одной фазе используется очень редко, но принцип его работы целесообразно изучить для дальнейшего понимания работы трехфазных циклоконвертеров. Однофазный-однофазный CCV имеет две пары двухполупериодных выпрямительных цепей, каждая из которых состоит из четырех тиристоров. Один комплект размещается прямо, а другой — в антипараллельном направлении, как показано на рисунке ниже.

Все выводы затворов тиристоров будут подключены к цепи управления, которая не показана на приведенном рисунке. Эта схема управления будет отвечать за срабатывание тиристоров. Чтобы понять работу схемы, предположим, что входной источник переменного тока имеет частоту 50 Гц, нагрузка представляет собой чисто резистивную нагрузку, а угол зажигания тиристора (α) равен 0°. Поскольку угол открытия равен 0°, тиристор во включенном состоянии будет действовать как диод в прямом направлении, а в выключенном состоянии — как диод в обратном направлении. Давайте проанализируем форму волны на рисунке ниже, чтобы понять, как частота понижается с помощью циклоконвертера.

На представленном рисунке форма сигнала частоты питающего напряжения обозначается Vs, а форма сигнала частоты выходного напряжения обозначается Vo. Здесь мы пытаемся преобразовать частоту питающего напряжения в 1/4 его значения. Итак, чтобы сделать это, для первых двух циклов напряжения питания мы будем использовать положительный мостовой выпрямитель, а для следующих двух циклов мы будем использовать отрицательный мостовой выпрямитель. Таким образом, у нас есть четыре положительных импульса в положительной области, а затем четыре в отрицательной области, как показано на форме сигнала выходной частоты Vo. Форма сигнала тока для этой цепи будет такой же, как форма сигнала напряжения, поскольку нагрузка предполагается чисто резистивной. Хотя величина формы сигнала будет меняться в зависимости от значения сопротивления нагрузки.

Выходная частота представлена ​​пунктирной линией на форме сигнала Vo, поскольку она меняет полярность только для каждых двух периодов входного сигнала, выходная частота составляет 1/4 входной частоты, в нашем случае для входной частоты 50 Гц выходная частота будет (1/4 * 50), то есть около 12,5 Гц. Этой выходной частотой можно управлять, изменяя механизм запуска в схеме управления.

Циклоконвертеры из трехфазного в однофазный

Переход от трехфазного к однофазному CCV также аналогичен переходу от однофазного к однофазному CCV, но здесь входное напряжение представляет собой трехфазное питание, а выходное напряжение представляет собой однофазное питание с переменной частотой. Схема выглядит очень похоже на предыдущую, за исключением того, что нам понадобится 6 тиристоров в каждом наборе выпрямителя, поскольку нам нужно выпрямить трехфазное переменное напряжение.

Выводы затворов тиристоров снова будут подключены к схеме управления для их запуска, и для облегчения понимания работы снова будут сделаны те же предположения. Также существует два типа трехфазных и однофазных циклоконвертеров: первый тип будет иметь полуволновой выпрямитель как для положительного, так и для отрицательного моста, а второй тип будет иметь двухполупериодный выпрямитель, как показано на представленном рисунке. Первый тип используется сравнительно редко из-за его низкой эффективности. Также в двухполупериодном типе оба мостовых выпрямителя могут генерировать напряжения в обеих полярностях, но положительный преобразователь может подавать ток (источник) только в положительном направлении, а отрицательный преобразователь может отводить ток только в отрицательном направлении. Это позволяет циклоконвертеру работать в четырех квадрантах. Эти четыре квадранта: (+V, +i) и (-V, -i) в режиме выпрямления и (+V, -i) и (-V,-i) в режиме инверсии.

Трехфазные в трехфазные циклоконвертеры

Трехфазные в трехфазные циклоконвертеры являются наиболее часто используемыми, поскольку они могут напрямую управлять трехфазными нагрузками, такими как двигатели. Нагрузка для трехфазного циклоконвертера обычно представляет собой нагрузку, соединенную трехфазной звездой, например, обмотку статора двигателя. Эти преобразователи принимают трехфазное переменное напряжение с фиксированной частотой в качестве входного сигнала и обеспечивают трехфазное переменное напряжение с переменной частотой.

Существует два типа трехфазных циклоконвертеров: один с полуволновым преобразователем, другой с полноволновым преобразователем. Модель полуволнового преобразователя также называется 18-тиристорными циклоконвертерами или 3-пульсными циклоконвертерами. Полноволновой преобразователь называется 6-импульсным циклоконвертером или 36-тиристорным циклоконвертером. 3-импульсный циклоконвертер показан на рисунке ниже.

Здесь у нас есть шесть комплектов выпрямителей, по два из которых выделены на каждую фазу. Работа этого циклоконвертера аналогична однофазному циклоконвертеру, за исключением того, что выпрямители могут выпрямлять только половину волны, и то же самое происходит для всех трех фаз.

Применение циклоконвертеров

Циклоконвертеры имеют большой спектр промышленных применений, ниже приведены некоторые из них:

• мельницы;
• тяжелые стиральные машины;
• шахтные подъемники;
• линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения;
• источник питания для самолетов;
• SVG (статические генераторы VAR);
• судовая двигательная установка.

83 просмотров