Тиристорный преобразователь высокой частоты¶

Тиристорный преобразователь высокой частоты (ТВЧ) — это устройство, преобразующее электрическую энергию промышленной частоты (50 Гц) в энергию высокой частоты (обычно 1—8 кГц) для индукционного нагрева и плавки металлов. ТВЧ относится к классу силовых электронных преобразователей и является основным источником питания индукционных плавильных и нагревательных установок.

¶Принцип работы

ТВЧ работает на основе инверторного преобразования: тиристорный ключевой элемент коммутирует постоянный или переменный ток с высокой частотой, создавая колебательный контур, в который включена индукционная нагрузка — катушка (индуктор), внутри которой располагается нагреваемый металл. Переменный ток высокой частоты, протекающий через индуктор, наводит в металлической заготовке вихревые токи (токи Фуко), которые и обеспечивают нагрев.

Принципиальная схема ТВЧ включает:

• выпрямитель, преобразующий переменный ток промышленной частоты в постоянный;
• инвертор на тиристорах, преобразующий постоянный ток в ток высокой частоты;
• согласующий трансформатор;
• колебательный контур (LC-контур), образованный индуктором и конденсаторной батареей.

¶Классификация

По типу коммутируемых тиристоров различают:

По способу коммутации тиристоров различают инверторы с принудительной коммутацией (используется дополнительный коммутирующий контур) и инверторы с самоуправляемой (естественной) коммутацией, где тиристоры закрываются за счёт протекания обратного тока в нагрузочном контуре. Второй вариант получил наибольшее распространение из-за более простой схемы и высокого КПД (до 90—95 %).

¶Конструктивные особенности

Силовые тиристоры, применяемые в ТВЧ, работают в условиях высоких токов (сотни и тысячи ампер) и напряжений (до 2,5 кВ). Для отвода тепла от кристаллов тиристоров применяется жидкостное или водяное охлаждение. Управление тиристорами осуществляется импульсами от системы запуска, синхронизированными с частотой колебаний в нагрузочном контуре.

Частота генерируемых колебаний определяется параметрами контура: L (индуктивность индуктора) и C (ёмкость конденсаторной батареи). Для изменения частоты и мощности применяют переключение конденсаторов и изменение напряжения на звене постоянного тока.

¶Применение

Основные области применения ТВЧ:

• Индукционная плавка — переплавка стального и цветного лома, получение специальных сплавов в индукционных печах с железным сердечником или без сердечника (тигельных).
• Индукционный нагрев — закалка, цементация, пайка, ковка металлических заготовок.
• Электротермия — нагрев металла перед прокаткой и ковкой.

В России производством тиристорных преобразователей высокой частоты занимались предприятия электротехнической промышленности, в том числе заводы, входившие в состав Министерства электротехнической промышленности СССР. Разработка и внедрение ТВЧ в СССР начались в 1960-х годах и позволили существенно повысить энергоэффективность индукционного нагрева по сравнению с ламповыми генераторами.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам ТВЧ относят высокий КПД, возможность регулировки мощности и частоты, надёжность тиристорной схемы, длительный срок службы при правильном охлаждении. Недостатками являются сложность системы запуска и синхронизации, чувствительность к изменению параметров нагрузки, необходимость применения компенсирующих устройств для коррекции коэффициента мощности.

¶Смежные технологии

В современном индукционном нагреве наряду с тиристорными преобразователями применяют преобразователи на транзисторах IGBT и транзисторах MOSFET, работающие на более высоких частотах (до 500 кГц и выше) и обеспечивающие более точное управление нагревом. Однако для высокомощных плавильных установок ТВЧ остаётся востребованным решением благодаря способности работать с нагрузкой мощностью в мегаватты.

Источники:

• Бессонов Л. А. «Теоретические основы электротехники»
• Венский Б. А. «Тиристорные преобразователи высокой частоты для индукционного нагрева»
• Электротехнический справочник. Том 4. Электротехнология