Тиристорный преобразователь

Тиристорный преобразователь — это устройство силовой электроники, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, тока, частоты) с использованием тиристоров в качестве основных коммутирующих элементов. Тиристорные преобразователи относятся к классу статических преобразователей, не имеющих движущихся частей, и широко применяются в промышленности, на транспорте и в энергетике для управления мощными электродвигателями, электролизными установками, системами возбуждения генераторов и линиями электропередачи постоянного тока.

История

Развитие тиристорных преобразователей неразрывно связано с изобретением самого тиристора. Первый четырёхслойный полупроводниковый прибор с p-n-p-n-структурой, способный переключаться из закрытого состояния в открытое, был продемонстрирован в 1956 году американскими учёными Джоном Моллом и Дж. Л. Хасси. В 1957 году компания General Electric выпустила первый коммерческий тиристор (кремниевый управляемый вентиль). В СССР первые тиристоры были разработаны в начале 1960-х годов в Ленинградском физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе и на Воронежском заводе полупроводниковых приборов.

Массовое внедрение тиристорных преобразователей в промышленность началось в 1970-х годах, когда они стали вытеснять электромашинные преобразователи (двигатель-генераторные агрегаты) и ртутные выпрямители. В СССР тиристорные преобразователи активно применялись на металлургических комбинатах (например, Магнитогорский металлургический комбинат), в системах тягового электроснабжения железных дорог и на атомных электростанциях.

Классификация

Тиристорные преобразователи классифицируются по нескольким основным признакам.

По роду преобразования

• Выпрямители (AC/DC) — преобразуют переменное напряжение в постоянное. Наиболее распространённый тип.
• Инверторы (DC/AC) — преобразуют постоянное напряжение в переменное. Делятся на ведомые сетью (зависимые) и автономные.
• Преобразователи частоты (AC/AC) — изменяют частоту переменного напряжения без промежуточного звена постоянного тока.
• Преобразователи постоянного напряжения (DC/DC) — изменяют уровень постоянного напряжения (импульсные преобразователи).

По схеме соединения тиристоров

• Однофазные — используются в маломощных установках (до 10–20 кВт).
• Трёхфазные — применяются в промышленности для мощностей от десятков киловатт до десятков мегаватт.
• Многофазные (шестифазные, двенадцатифазные) — используются для снижения пульсаций выходного напряжения и уменьшения гармонических искажений в питающей сети.

По способу управления

• С фазовым управлением — регулирование выходного напряжения осуществляется изменением угла открытия тиристоров (фазы подачи управляющего импульса).
• С широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — применяется в автономных инверторах и преобразователях частоты для формирования синусоидального выходного напряжения.
• С естественной коммутацией — переключение тиристоров происходит под действием напряжения сети (выпрямители, ведомые инверторы).
• С искусственной коммутацией — принудительное запирание тиристоров с помощью дополнительных цепей (автономные инверторы).

Устройство и принцип действия

Основными элементами тиристорного преобразователя являются:

• Силовая часть — тиристорные ключи (собранные в плечи, мосты или звезды), соединённые по определённой схеме.
• Система управления — формирует управляющие импульсы, синхронизированные с напряжением сети или заданной частотой.
• Снабберные цепи — RC-цепочки, защищающие тиристоры от перенапряжений и скорости нарастания напряжения (du/dt).
• Охлаждение — естественное воздушное, принудительное воздушное или жидкостное (для мощных преобразователей).

Принцип действия основан на свойстве тиристора переходить в проводящее состояние при подаче короткого импульса тока на управляющий электрод и оставаться в этом состоянии до тех пор, пока ток через него не снизится ниже тока удержания. В выпрямителях с фазовым управлением регулирование выходного напряжения достигается изменением момента подачи управляющего импульса относительно начала полупериода сетевого напряжения. Чем позже открывается тиристор, тем меньшая часть синусоиды проходит на нагрузку, и тем ниже среднее выходное напряжение.

Применение

Тиристорные преобразователи находят применение в различных отраслях промышленности и энергетики.

Электропривод

Тиристорные преобразователи являются основой регулируемых электроприводов постоянного тока. Они обеспечивают плавное регулирование скорости вращения двигателей в прокатных станах, экскаваторах, буровых установках, кранах и лифтах. В СССР и России тиристорные преобразователи серий КТЭ (комплектные тиристорные электроприводы) и ТП (тиристорные преобразователи) выпускались на напряжения до 1000 В и токи до 10 000 А.

Электротермия

В установках индукционного нагрева и дуговых сталеплавильных печах тиристорные преобразователи используются для регулирования мощности, подаваемой на нагреватель или дугу. Например, тиристорные регуляторы мощности для печей сопротивления позволяют поддерживать заданную температуру с точностью до ±1 °C.

Электролиз

На предприятиях цветной металлургии (алюминиевые, медные, цинковые заводы) тиристорные выпрямители обеспечивают питание электролизных ванн постоянным током силой до 100–300 кА. В России такие преобразователи применяются на Красноярском, Братском и Саяногорском алюминиевых заводах.

Энергетика

В системах возбуждения синхронных генераторов на тепловых и гидроэлектростанциях тиристорные преобразователи обеспечивают автоматическое регулирование напряжения. На линиях электропередачи постоянного тока (ЛЭП ПТ) тиристорные преобразователи работают в составе преобразовательных подстанций. В России такие системы используются на ЛЭП «Выборг — Финляндия» и в проекте «Эльгауголь» (Якутия).

Транспорт

На железнодорожном транспорте тиристорные преобразователи применяются в системах тягового электроснабжения (например, на участках, электрифицированных на постоянном токе 3 кВ) и в электроподвижном составе (электровозы ВЛ85, 2ЭС6, ЭП1). В метрополитене тиристорные преобразователи используются в системах рекуперативного торможения.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий КПД (до 98–99 % в номинальном режиме).
• Большая мощность (единичные преобразователи до 10–20 МВт).
• Высокая надёжность и долговечность (отсутствие изнашивающихся механических частей).
• Быстродействие (время переключения тиристоров — единицы микросекунд).
• Возможность работы в режимах рекуперации энергии в сеть.

Недостатки

• Генерация высших гармоник в питающую сеть (требуются фильтрокомпенсирующие устройства).
• Низкий коэффициент мощности при малых нагрузках (из-за фазового регулирования).
• Ограниченная частота переключения (тиристоры не могут работать на частотах выше нескольких килогерц без специальных мер).
• Чувствительность к перенапряжениям и скорости нарастания тока (требуются защитные цепи).

Современное состояние и перспективы

Несмотря на развитие более совершенных полупроводниковых приборов (IGBT-транзисторы, MOSFET, GTO-тиристоры), тиристорные преобразователи продолжают широко применяться в установках сверхбольшой мощности (сотни мегаватт), где их преимущества в надёжности и стоимости остаются определяющими. В частности, в России и Китае активно разрабатываются тиристорные преобразователи для линий электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения (до ±800 кВ и выше). В металлургии и электрохимии тиристорные выпрямители остаются стандартным решением для электролизных производств.

В то же время в электроприводе средней и малой мощности (до 1–2 МВт) тиристорные преобразователи постепенно вытесняются транзисторными преобразователями частоты, обеспечивающими лучшую форму выходного напряжения и меньшие гармонические искажения. Однако для ремонта и модернизации существующего парка оборудования (например, на предприятиях, построенных в советское время) тиристорные преобразователи продолжают выпускаться и поставляться.

Источники

• Руденко В. С., Сенько В. И., Чиженко И. М. Преобразовательная техника. — М.: Высшая школа, 1980.
• Забродин Ю. С. Промышленная электроника. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• ГОСТ 24606.0-81. Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения.
• Каталог продукции ООО «КЭАЗ» (Курский электроаппаратный завод), раздел «Тиристорные преобразователи», 2023.
• Материалы научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность» (Москва, 2022).