принцип работы и что это такое?

Открытие свойств переходов полупроводников по праву можно назвать одним из важнейших в ХХ веке. В результате появились первые полупроводниковые приборы — диоды и транзисторы. А также схемы, в которых они нашли применение. Одной из таких схем является соединение двух биполярных транзисторов противоположных типов — p-n-p c n-p-n. Эта схема показана далее на изображении (б). Она иллюстрирует, что такое тиристор и принцип его действия.  В ней присутствует положительная обратная связь. В результате каждый транзистор увеличивает усилительные свойства другого транзистора.

Транзисторный эквивалент

При этом любое изменение проводимости транзисторов в любом направлении лавинообразно нарастает и завершается одним из граничных состояний. Они либо заперты, либо отперты. Этот эффект называется триггерным. А по мере развития микроэлектроники оба транзистора объединили в 1958 году на одной подложке, обобщив одноименные переходы. В результате появился новый полупроводниковый прибор, названный тиристором. На взаимодействии двух транзисторов и зиждется принцип работы тиристора. В результате объединения переходов у него такое же количество выводов, как и у транзистора (а).

Структура тиристора и его транзисторная эквивалентная схема

На схеме управляющий электрод — это база транзистора структуры n-p-n. Именно ток базы транзистора изменяет проводимость между его коллектором и эмиттером. Но управление может быть выполнено также и по базе p-n-p транзистора. Таково устройство тиристора. Выбор управляющего электрода определяют его особенности, в том числе выполняемые задачи. Например, в некоторых из них вообще не используются какие-либо управляющие сигналы. Поэтому, зачем же использовать управляющие электроды…

Динистор

Это задачи, где применяются двухэлектродные разновидности тиристоров — динисторы. В них присутствуют резисторы, соединенные с эмиттером и базой каждого транзистора. Далее на схеме это R1 и R3. Для каждого электронного прибора есть ограничения по величине приложенного напряжения. Поэтому до некоторой его величины упомянутые резисторы удерживают каждый из транзисторов в запертом состоянии. Но при дальнейшем увеличении напряжения через переходы коллектор–эмиттер появляются токи утечки.

Они подхватываются положительной обратной связью, и оба транзистора, то есть динистор, отпираются. Для желающих поэкспериментировать далее показано изображение со схемой и номиналами компонентов. Можно ее собрать и проверить рабочие свойства. Обратим внимание на резистор R2, отличающийся подбором нужного номинала. Он дополняет эффект утечки и, соответственно, напряжение срабатывания. Следовательно, динистор — это тиристор, принцип работы которого определен величиной питающего напряжения. Если оно относительно велико, он включится. Естественно интересно также узнать, как же его выключить.

Динистор и его эквивалентная схема

Трудности выключения

С выключением тиристоров дело обстояло, как говорится, туго. По этой причине довольно длительное время виды тиристоров ограничивались только двумя выше упомянутыми структурами. До середины девяностых годов ХХ века применяются тиристоры только этих двух типов. Дело в том, что выключение тиристора может произойти лишь при запирании одного из транзисторов. Причем на определенное время. Оно определено скоростью исчезновения зарядов соответствующих отпертому переходу. Наиболее надежный способ «прибить» эти заряды — полностью отключить ток, протекающий через тиристор.

Большинство из них так и работают. Не на постоянном токе, а на выпрямленном, соответствующем напряжению без фильтрации. Оно изменяется от нуля до амплитудного значения, а затем вновь уменьшается до нуля. И так далее, соответственно частоте переменного напряжения, которое выпрямляется. В заданный момент между нулевыми значениями напряжения на управляющий электрод поступает сигнал, и тиристор отпирается. А при переходе напряжения через ноль вновь запирается.

Чтобы выключить его на постоянном напряжении и токе, при котором значение нуля отсутствует, необходим шунт, действующий определенное время. В простейшем варианте это либо кнопка, присоединенная к аноду и катоду, либо соединенная последовательно. Если прибор отперт, на нем присутствует остаточное напряжение. Нажатием кнопки оно обнуляется, и ток через него прекращается. Но если кнопка не содержит специального приспособления, и ее контакты разомкнутся, тиристор непременно снова включится.

Схемы выключения динистора

Этим приспособлением должен быть конденсатор, подключаемый параллельно тиристору. Он ограничивает скорость нарастания напряжения на приборе. Этот параметр вызывает набольшее сожаление при использовании этих полупроводниковых приборов, поскольку понижается рабочая частота, с которой тиристор способен коммутировать нагрузку, и, соответственно, коммутируемая мощность. Происходит это явление из-за внутренних емкостей, характерных для каждой из моделей этих полупроводниковых приборов.

Конструкция любого полупроводникового прибора неизбежно образует группу конденсаторов. Чем быстрее нарастает напряжение, тем больше токи, их заряжающие. Причем они возникают во всех электродах. Если такой ток в управляющем электроде превысит некоторое пороговое значение, тиристор включится. Поэтому для всех моделей приводится параметр dU/dt.

Способ выключения тиристоров

• Выключение тиристора, как результат перехода питающего напряжения через ноль, называется естественным. Остальные варианты выключения называются принудительными или искусственными.

Многообразие модельного ряда

Эти варианты выключения усложняют тиристорные коммутаторы и уменьшают их надежность. Но развитие тиристорного разнообразия получилось очень плодотворным.

В наше время освоено промышленное производство большого числа разновидностей тиристоров. Область их применения — не только мощные силовые цепи (в которых работают запираемый и диод-тиристор, симистор), но и цепи управления (динистор, оптотиристор). Тиристор на схеме изображается, как показано далее.

Типы тиристоров Внешний вид тиристоров Обозначения тиристоров

Среди них есть модели, у которых рабочие напряжения и токи самые большие среди всех полупроводниковых приборов. Поскольку промышленное электроснабжение немыслимо без трансформаторов, роль тиристоров в его дальнейшем развитии является основополагающей. Запираемые высокочастотные модели в инверторах обеспечивают формирование переменного напряжения. При этом его величина может достигать 10 кВ с частотой 10 килогерц при силе тока 10 кА. Габариты трансформаторов при этом уменьшаются в несколько раз.

Включение и выключение запираемого тиристора происходит исключительно от воздействия на управляющий электрод специальными сигналами. Полярность соответствует определенной структуре этого электронного прибора. Это одна из простейших разновидностей, именуемая как GTO. Кроме нее применяются более сложные запираемые тиристоры со встроенными управляющими структурами. Эти модели называются GCT, а также IGCT. Использование в этих структурах полевых транзисторов относит запираемые тиристоры к приборам семейства MCT.

Мы постарались сделать наш обзор информативным не только для начитанных посетителей нашего сайта, но также и для чайников. Теперь, когда мы ознакомились с тем, как работает тиристор, можно найти применение этим знаниям для практического использования. Например, в несложном ремонте бытовых электроприборов. Главное — увлекаясь работой, не забывайте о технике безопасности!

Похожие статьи:

Что такое тиристор? Подробное описание полупроводника

Для того чтобы ясно представить себе работу тиристорного преобразователя необходимо дать понятие о сущности работы тиристора.

Управляемый проводник, состоящий из четырех полупроводниковых переходов P-N-P-N. Его принцип работы аналогичен работе диода и осуществляется при поступлении на управляющий электрод электротока.

Прохождение через тиристор тока возможно только в том случае, если потенциал анода будет выше, чем потенциал катода. Ток через тиристор прекращает проходить тогда, когда величина тока снизится до порога закрытия. Ток, который поступает на управляющий электрод не оказывает воздействие на величину тока в основной части тиристора и, кроме того ему не нужна постоянная поддержка при основном состоянии тиристора, он необходим исключительно для открытия тиристора.

Существует несколько решающих характеристик тиристора

В открытом состоянии, благоприятном для токопроводящей функции тиристор характеризуют следующие показатели:

• Падение напряжения, оно определяется как пороговое напряжение с помощью внутреннего сопротивления.
• Максимально допустимое значение тока до 5000 А, среднеквадратичная величина, свойственная для самых мощных компонентов.

В запертом состоянии тиристора – это:

• Прямое максимально допустимое напряжение (выше, чем 5000А).
• В общем случае прямое и обратное значение напряжения одинаковы.
• Время запирания или время с минимальным значением, в течение которого на тиристор не осуществляется влияние положительного значения напряжения анода относительно катода, иначе произойдет самопроизвольное отпирание тиристора.
• Ток управления, свойственный для открытой основной части тиристора.

Существуют тиристоры, предназначенные для работы в схемах, рассчитанных на небольшое значение частоты и для схем с высокой частотой. Это так называемые быстродействующие тиристоры, их область применения рассчитана на несколько килогерц. Для быстродействующих тиристоров характерно использование неодинакового прямого и обратного напряжения.

Для увеличения постоянного значения напряжения

Рис. №1. Габаритно-присоединительные размеры и чертеж тиристора.m1, m2 –контрольные точки, в которых происходит замер импульсного напряжения во время открытого состояния. L1min –наименьший воздушный промежуток (расстояние) по воздуху между выводами анода и управляющего электрода; L2min – минимальное расстояние длина прохождения тока утечки между выводами.

Разновидности тиристоров

• Динистор – тиристор диодный, имеет два вывода анод и катод.
• Тринистор – триодный тиристор оснащен добавочным управляющим электродом.
• Симистор – симметричный тиристор, он является встречно-последовательным соединением тиристоров, обладает возможностью пропускать ток в прямом и обратном направлениях.

Рис. №2. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора.

Тиристоры предназначены для работы в схемах с различными границами частот, в обычном применении тиристоры могут соединяться с диодами, который подключается встречно-включенным способом, это свойство используется для того чтобы увеличить постоянное напряжение, величину которого компонент способен выдержать в выключенном состоянии. Для усовершенствованных схем используется тиристор GTO (Gate Turn Oee – запираемый тиристор), он полностью управляем. Его запирание происходит по управляющему электроду. Использование тиристоров подобного рода нашло применение в очень мощных преобразователях, так как он может пропускать высокие токи.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

ТИРИСТОР — это… Что такое ТИРИСТОР?

-трёхэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из трёх p — n-переходов, взаимодействие между к-рыми приводит к тому, что прибор может находиться в одном из двух устойчивых состояний: выключенном- с высоким сопротивлением и включённом — с низким. Полупроводниковая структура T. состоит из четырёх слоев чередующегося типа проводимости ( п ⁺ рпр ⁺ ; рис. 1), образующих три расположенных друг над другом p — n -перехода. Внутренний базовый р- слой обычно выполняется сильнолегированным (концентрация примеси N=10¹⁷-10¹⁸ см ^-3) и тонким, чтобы обеспечить достаточно высокий (0,7-0,9) коэф. переноса b n⁺pn -транзистора (см. Транзистор биполярный). Базовый n -слой выполняется относительно толстым и слаболегированным (N=10¹³ — 10¹⁵ см ^-3). При приложении внеш. напряжения указанной на рис. 1 полярности (прямое смешение) крайние переходы Э ₁ и Э ₂ (эмиттеры) смещены в проводящем, а центральный K₁ (коллектор) — в запорном направлениях; его область пространственного заряда (ОПЗ) расположена почти полностью в n -базе. Эмиттер Э ₁ обычно имеет распределённые по всей площади шунтирующие каналы, выполненные в виде выходов р- слоясквозь n⁺ -слой к ме-таллич. контакту. Процессы, определяющие возможность переключения, протекают след. образом. Электронно-ды-рочные пары, генерируемые, напр., теплом в ОПЗ, разделяются полем; дырки и электроны выбрасываются в р- и п- базы, соответственно понижают потенц. барьеры эмиттеров Э ₁ и Э ₂, что приводит к соответствующей инжекции неосновных носителей в базы. Эти носители диффундируют через базовые области, частично рекомбинируя с осн. носителями, а затем выбрасываются полем через ОПЗ в соответствующие базы уже в качестве осн. носителей, понижают барьеры Э ₁ и Э ₂ и т. д. T. находится в устойчивом запертом состоянии до тех пор, пока кол-во носителей, поступающих в базовые слои, не превышает их потерь из-за рекомбинации и ухода в эмиттеры. С ростом приложенного напряжения растёт протекающий через n⁺ рпр ⁺ -структуру ток из-за расширения ОПЗ и увеличения поля в ней, приводящих к увеличению тока утечки. Возрастание тока ведёт к относительному уменьшению потерь; это связано в осн. с ростом инжекционной компоненты тока эмиттерных переходов и полевому ускорению переноса носителей через n -базу. Поэтому при определ. напряжении поступление носителей начинает превышать потери. Этот процесс вследствие положит. характера обратной связи нарастает лавинообразно и приводит к заполнению базовых областей электронно-дырочной плазмой большой плотности (см. Плазма твёрдых тел), смещение коллектора вследствие этого меняет знак, и прибор переходит во включённое состояние. Шунтирующие каналы в эмиттере Э ₁, увеличивающие потери дырок в p -базе, позволяют поднять напряжение переключения вплоть до напряжения лавинного пробоя коллектора. Вольт-амперная характеристика (BAX), определяемая вышеописанными процессами, показана на рис. 2; она описывается выражением

где j _ко -ток утечки коллекторного перехода; a₁, a₂ -коэф. усиления п ⁺ рп- и р ⁺np -транзисторов, составляющих n⁺ pnp⁺ -структуру. Из (1) следует, что условием переключения (j _ко0, т. е. U0) приближённо можно считать (a₁ + a₂)1. Переключение n⁺ рпр ⁺ -структуры можно осуществить не повышением напряжения, а, напр., импульсом света с энергией кванта, достаточной для генерации электронно-дырочных пар (фототиристор), или инжекцией электронов эмиттером Э ₁ при пропускании импульса тока в цепи AB (рис. 1). В этом случае из-за большого тангенциального сопротивления p -базы инжектирует узкая область эмиттера вдоль границы с электродом управления В, Процесс включения происходит только в этой области, и из неё включённое состояние распространяется по всей площади прибора. На нач. стадии, пока плотность тока во включённой части высока, распространение включённого состояния определяется электрич. полем на границе включённой и невключённой областей, смещающим эмиттеры в проводящем направлении, а по мере уменьшения плотности тока определяющим механизмом становится диффузия плазмы из включённой области. Скорость этих процессов обычно лежит в пределах 0,1-0,005 мм ^. мкс в зависимости от мгновенной плотности тока и конструкции прибора. BAX T. в установившемся включённом состоянии практически аналогична BAX р ⁺nn⁺ -диода; распределение электронно-дырочной плазмы в базовых слоях показано на рис. 3. Выключение T. обычно осуществляется путём кратковрем. изменения полярности внеш. напряжения. Ток при этом меняет направление и носители заряда из плазмы вытягиваются во внеш. цепь, обеспечивая протекание тока. Концентрация плазмы у эмиттерных переходов уменьшается как за счёт вытягивания неосновных носителей, так и за счёт рекомбинации. Из p -базы электроны уходят через n⁺ -слой, а избыточные дырки инжектируются коллектором К в n -базу; низковольтный эмиттер Э ₁ быстро восстанавливается и пробивается. Через переход Э ₂ из n -базы уходят дырки, но избыточные электроны практически не могут уйти через потенц. барьер прямосмещённого коллектора. Поэтому протекающий через T. обратный ток почти не выносит заряд из n -базы: уход дырок через Э ₂ сопровождается поступлением через коллектор К почти такого же кол-ва дырок, создаваемых ударной ионизацией в переходе Э ₁, и заряд в n -базе исчезает практически только вследствие рекомбинации. После того как концентрация дырок у перехода Э ₂ уменьшается до равновесного значения, начинается образование ОПЗ, граница к-рой быстро перемещается в глубь n -базы, сопротивление прибора резко возрастает, а ток в цепи падает. В квазинейтральной части n -базы при этом нек-poe время сохраняется довольно большое кол-во избыточных носителей заряда. При изменении полярности внеш. напряжения на прямое эти носители выбрасываются полем коллектора в базы, вызывая всплеск прямого тока; однако если этот ток меньше нек-рой критич. величины j _кр, приводящей к лавинообразному нарастанию концентрации, T. остаётся в выключенном состоянии. Промежуток времени между изменением направления тока через T. до момента, когда становится возможным приложение прямого смещения, наз. временем выключения t_q. Оценочно, t_qт _rln(j _пр/ j _кр),где т _p — время жизни дырок в n -базе. Отсюда следует, что статич. и динамич. характеристики T. жёстко взаимосвязаны. Для того чтобы обеспечить блокирование большого напряжения, n -база должна быть слаболегированной и иметь толщину, превышающую размер ОПЗ коллектора примерно на L_p= (D_pt_p)^1/2. Увеличение толщины ведёт к увеличению напряжения на приборе во включённом состоянии. Для того чтобы оно оставалось на приемлемом уровне, необходимо увеличивать L_p, что ведёт к увеличению t_q, т. е. к ухудшению частотных характеристик прибора. Поэтому быстродействующие T. имеют сравнительно невысокое рабочее напряжение, а высоковольтные — большое время выключения.

Рис. 1. Четырёхслойная р ⁺ прп ⁺ — структура тиристора: АС- основная цепь; AB- цепь управления; 1 — шунти рующие каналы; 2 — ОПЗ коллектора.

Рис. 2. BAX тиристора: а — при прямом смещении; б — при обратном смещении.

Рис. 3. Распределение электронно-дырочной плазмы в базовых слоях включённого тиристора (+ на р⁺ -слое). Штрихпунктирными линиями показаны три последо вательные стадии рассасывания плазмы при выключе нии тиристора (- на р ⁺ -слое).

Основным полупроводниковым материалом для изготовления T. является кремний. Четырёхслойная п ⁺ рпр ⁺ -структура изготавливается, как правило, путём последовательных операций термодиффузии примесей р- и n -типа в пластину монокристаллич. кремния, причём для получения эмиттерного n⁺ -слоя сложной геом. формы применяются маскирование окислом и фотолитография.

Диапазон рабочих параметров совр. T. чрезвычайно широк. T. в планарном исполнении, обычно интегрируемые с др. элементами схем, имеют рабочие токи 10^-2 — 10^-1A при напряжениях 10¹ -10²B; T. предельной мощности имеют рабочие токи 13^.10³A при напряжениях (36)·10³ В. Четырёхслойная n⁺pnp⁺ -структура и протекающие в ней физ. процессы лежат в основе целого ряда приборов тиристорного типа, сильно отличающихся от описанного выше обычного T. К ним относятся, в частности: а) с и м и с т о р, состоящий из двух встречно-параллельно включённых n⁺pnp⁺ -структур с общим электродом управления, выполненных в одной полупроводниковой пластине. Симистор обычно используется в качестве ключа переменного тока; б) ф о т о т и р и с т о р — Т., переключение к-рого осуществляется импульсом света. В этом приборе цепь управления полностью изолирована от осн. цепи, что особенно удобно при работе на больших напряжениях; в) з а п и р а е м ы й т и р и с т о р, выключение к-рого осуществляется не переменой полярности внеш. напряжения, а импульсом запирающего тока в цепи управления, что позволяет существенно упростить конструкцию аппаратуры. Предельные параметры совр. запираемых T. почти такие же, как и у обычных тиристоров; г) р е в е р с и в н о в к л ю ч а е м ы й д и н и с т о р, включение к-рого осуществляется кратковрем. изменением полярности внеш. напряжения. Этот прибор, в отличие от всех др. приборов тиристорного типа, включается однородно и одновременно сразу по всей рабочей площади. Это позволяет переключать очень большие (10⁵-10⁶ А) импульсные токи, а также работать на высоких (до 10⁵ Гц) частотах при коммутации больших мощностей.

Перспективным материалом для приборов тиристорного типа является арсенид галлия. Из-за большей, чем у кремния, ширины запрещённой зоны он позволяет работать при большей темп-ре, блокировать большее напряжение при сравнительно тонкой ОПЗ и, следовательно, тонкой базе с малым т _p; это даёт возможность существенно улучшить быстродействие приборов.

Лит.: Управляемые полупроводниковые вентили, пер. с англ., M., 1967; Блихер А., Физика тиристоров, пер. с англ., Л., 1981; Евсеев Ю. А., Дерменжи П. Г., Силовые полупроводниковые приборы, M., 1981; Тучкевич В. M., Грехов И. В., Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами, Л., 1988. И. В. Грехов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Что такое тиристор 🚩 Разное

Данный прибор можно рассматривать и применять в качестве электронного выключателя или ключа, которые управляются с помощью нагрузки слабыми сигналами, а также могут переключаться из одного режима в другой. Общее количество современных тиристоров разделяется по способу управления и по степени проводимости, что означает одно направление или два (такие приборы также называют симисторами).

Тиристоры также характеризуются нелинейной вольтамперной особенностью с наличием участка отрицательного дифференциального сопротивления. Эта особенность делает подобные приборы схожими с транзисторными ключами, но имеются между ними и различия. Так в тиристорах переход из одного состояния в другое в цельной электрической цепи происходит путем лавинообразного скачка, а также методом внешнего воздействия на сам прибор. Последнее осуществляется двумя вариантами – токовым напряжением или воздействием света фототиристора.

Сфера применения данных приборов довольно разнообразна – это электронные ключи, современные системы CDI, механически управляемые выпрямители, диммеры или регуляторы мощности, а также инверторные преобразователи.

Как уже говорилось выше, подобные приборы разделяются на диодные и триодные. Первый тип также называют динисторами с двумя выводами, он разделяется на приборы, не имеющие возможность осуществлять проводимость в обратном направлении, на тип с проводимостью в обратном направлении и на симметричные приборы. Второй включает в себя триодные тиристоры с проводимостью в обратном направлении, приборы с отсутствием проводимости в обратном направлении, симметричные тиристоры, ассиметричные приборы и запираемые тиристоры.

Между ними, кроме количества выводов, нет существенных и принципиальных различий. Но, если в динисторе открытие происходит после достижения между анодом и катодом напряжения, зависящего от типа устройства, то в тиристоре имеющееся напряжение может быть в разы снижено или вовсе снято с помощью подачи токового импульса.

Существуют различия между триодными тиристорами и запираемыми приборами. Так у первого типа переключение в режим закрытого состояния происходит после снижения тока или после изменения полярности, а у запираемых устройств переход в открытое осуществляется путем воздействия тока на управляющий электрод.

Тиристорный преобразователь частоты — Википедия

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) — серия тиристорных преобразователей частоты на базе автономного инвертора тока АИТ^[1][2][3][4], применяемых для индукционного нагрева металлов.

ТПЧ — это исторически сложившаяся аббревиатура, начиная с 1960-х годов в СССР, традиционно обозначающая серию тиристорных преобразователей частоты, применяемых в качестве источников питания для индукционного нагрева металлов. Аббревиатура ТПЧ закрепилась только для источников на базе АИТ^[1][2][3][4]. Серия ТПЧ в своем развитии насчитывает несколько поколений. Аббревиатура ТПЧ также иногда использовалась, но позднее, и значительно реже, для обозначения тиристорных преобразователей частоты для электропривода. Однако аббревиатура ТПЧ для обозначения приводных преобразователей не считается корректной, если вместе с аббревиатурой ТПЧ не упомянут электропривод. Для исключения двусмысленности в практике сложились распространенные названия для электропривода, отличительные от серии ТПЧ: Частотный преобразователь (электропривод), Частотно-регулируемый привод.

Обзор среднечастотных источников индукционного нагрева[править | править код]

Нагрузкой источника индукционного нагрева является индуктор — катушка, внутрь которой помещается металл. Индуцируемые в металле вихревые токи разогревают металл при минимуме отвода тепла в окружающую среду. Индукционный способ нагрева позволяет обеспечить высокую скорость нагрева, а также тонкое регулирование потока тепловой энергии и тем самым добиться экономичности, высокой точности и повторяемости промышленных технологических процессов. Индукционный нагрев используется в машиностроении и металлургической промышленности для плавки, ковки, штамповки, поверхностной и сквозной закалки, отжига, пайки резцов, высокочастотной сварки, а также для других специальных применений, где требуется нагрев металлов.

Требование к выходной частоте источника зависит от объёма и геометрии нагреваемого тела (участка). Требование к выходной мощности источника определяется заданной производительностью линии нагрева. Частота и мощность в общем случае независимые параметры. В металлургической промышленности чаще всего используется т. н. среднечастотный ряд частот 0.5, 1.0, 2.4, 4.0, 8.0, 10 кГц и диапазон мощностей от 100 кВт до 1600 кВт, чаще других используются мощности от 320 кВт до 800 кВт на частотах 0.5, 1.0 и 2.4 кГц. Для больших сталеплавильных печей, объёмом в десятки тонн, используются относительно низкие частоты 0.25 и 0.125 кГц при больших мощностях источника 5 МВт и выше. В машиностроительной и других отраслях промышленности используются повышенные и высокие частоты: 22; 44; 66; 100; 220; 500 кГц и т. д. При высоких частотах реже используются мощности более 100 кВт, исключение — высокочастотная сварка, где высокая частота сочетая с большой мощностью.

Рис. 1: Базовая электрическая схема тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ)

На Рис. 1 показана базовая схема тиристорного преобразователя частоты, имеющего двухзвенную структуру: выпрямитель преобразует сетевой ток (50 Гц) в постоянный ток в сглаживающем реакторе Ld{\displaystyle L_{d}}, инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток нужной частоты. Характерной особенностью схемы на Рис.1 является наличие в схеме фильтрующего дросселя Ld{\displaystyle L_{d}} между выпрямителем и инвертором. Ток id{\displaystyle id} дросселя Ld{\displaystyle L_{d}} на входе моста постоянный и совпадает по абсолютной величине с переменным током ie{\displaystyle ie} на выходе моста, который через индуктивность линии Lk{\displaystyle L_{k}} питает колебательный контур CeLeRe{\displaystyle C_{e}L_{e}R_{e}}. Полярность токов id{\displaystyle id} и ie{\displaystyle ie} на одном полупериоде совпадает (полярность ie{\displaystyle ie} положительна, если открыта диагональ моста V1, V2), на другом — противоположна (полярность ie{\displaystyle ie} отрицательна, если открыта противоположная диагональ V3, V4). Инвертор на таком принципе действия называется «инвертором тока». Поскольку нагрузкой данного инвертора является пассивная цепь, такой инвертор называется автономным инвертором тока (АИТ). В качестве контура нагрузки чаще других используется параллельный контур (Рис.1), откуда произошло название: параллельный автономный инвертор — эквивалент названию АИТ^[5].

Если в дросселе Ld{\displaystyle L_{d}} используется большая индуктивность (сглаживающая), то такой инвертор называется АИТ с непрерывным током. Если же используется малая индуктивность Ld{\displaystyle L_{d}}, то в токе инвертора появляется интервал паузы. Такой инвертор называется АИТ с прерывистым током.

Для согласования с индуктором по напряжению, или для улучшения пуска, иногда используются другие модификации контура, куда входят 2 или 3 конденсатора: Г- , Т- и П-образные контура ^{[1][2][3][4][5]}. В указанных контурах концы катушки индуктора всегда замыкаются через цепь из одного или двух конденсаторов. Свойства таких контуров близки к свойствам параллельного контура на Рис.1, поэтому основные принципы работы инвертора совпадают с параллельной схемой АИТ на Рис.1.

Коренное отличие в принципе работы инвертора возникает в том случае, когда вместо параллельного используется последовательный конденсатор в контуре. Тогда не требуется дроссель Ld{\displaystyle L_{d}} на входе инвертора, ток инвертора формируется по колебательному закону с образованием интервала паузы тока. Инвертор без входного дросселя Ld{\displaystyle L_{d}} называется автономным инвертором напряжения (АИН), альтернативный вариант названия: последовательный автономный инвертор. В научной мировой литературе ^{[6][7][8][9][10]} установилась терминология «параллельный» и «последовательный» инверторы (Parallel Inverter, Series Inverter — с дросселем Ld{\displaystyle L_{d}} и без него, соответственно). Под параллельной схемой контура подразумевается существование произвольной замкнутой цепи конденсаторов, подключенной параллельно зажимам индуктора, хотя как правило, используется обычный параллельный контур на Рис.1. Параллельный и последовательный инверторы относятся к принципиально различным классам устройств (АИТ и АИН). Также возникли научные школы и крупные мировые компании, являющиеся сторонниками параллельных или последовательных инверторов. В частности, компании Otto Junker (Германия), Brown Boveri (Швейцария), Asea (Швеция), General Electric (США), а также международная корпорация Ajax Tocco Magnethermic, преимущественно развивали направление параллельного инвертора ^[6][7], в то время как другая мировая корпорация Inductotherm (насчитывающая в своем составе несколько десятков отдельных фирм по всему миру) преимущественно развивала последовательную схему. В Японии ^[8], и в СССР среднечастотный индукционный нагрев преимущественно развивался на базе параллельной схемы. В СССР наряду с термином «параллельный автономный инвертор» в научной литературе чаще использовался термин АИТ ^{[1][2][3][4][5]}.

Серия ТПЧ[править | править код]

Производство источников индукционного нагрева в СССР на базе АИТ (Рис.1), которые получили название «серия ТПЧ», зародилось в 1960-е годы в Таллине на Электротехническом заводе им. Калинина^[5]. Основные конструктивные исполнения серии ТПЧ охватывают диапазон по мощности от 100 кВт до 1600 кВт, по частоте от 0.5 до 10 кГц, чаще других используются ТПЧ мощностью 320 кВт и 800 кВт на частоте 1кГц. Во второй половине 1980-х годов объём производства в СССР достигал до 800 штук ТПЧ в год, что составляло порядка половины ежегодного мирового производства средне частотных источников индукционного нагрева (в штучном выражении по типовым мощностям в диапазоне 160…800 кВт в диапазоне частот 0.5…10 кГц). В частности, наиболее крупная американская компания Inductotherm в 1980-е годы выпускала порядка 180 средне частотных источников в год. В 1990-е годы на многих предприятиях в России и на Украине появилось серийное производство источников на базе АИТ с одинаковым названием «серия ТПЧ». В связи с прочно закрепившейся аббревиатурой ТПЧ, другие источники индукционного нагрева с топологией схемы, отличающейся от АИТ, имеют название, отличающееся от ТПЧ.

Появление на рынке мощных силовых транзисторов, начиная с 1990-х годов, дало толчок развитию силовой электроники в ряде отраслей. Безусловными достоинствами транзисторов являются полная управляемость и высокое быстродействие. Эти свойства дали основу для развития как самих транзисторов, так и универсальных устройств управления силовыми транзисторами (интеллигентные модули) для любых применений. Возникла мощная индустрия универсальных компонентов силовой электроники. Для малых фирм, ранее не занимавшихся наукоемкой продукцией, появилась возможность закупать готовые компоненты, собирать и поставлять на рынок конкурентоспособные изделия, что способствовало быстрому росту рынка. В области электропривода, ветро-генераторов и солнечной энергетики выпущены десятки тысяч изделий, в том числе появились изделия на IGBT-транзисторах большой единичной мощности в несколько мегаватт. Прогресс силовой электроники пришел также в область индукционного нагрева. Стал быстро развиваться рынок малых источников в несколько килловатт или десятков киловатт, которые раньше почти отсутствовали на рынке. Также стали интенсивно вытесняться ламповые генераторы, которые использовались для индукционного нагрева в области высоких частот в десятки и сотни килогерц.

В средне частотной области, где нет востребованности в быстродействии полупроводников, производство источников индукционного нагрева разделилось на два сектора: источники тиристорные и транзисторные. В средне частотной области тиристоры не столь чувствительны к неполной управляемости, и в этом отношении не столь проигрывают полностью управляемым транзисторам, зато выигрывают по надежности и стоимости. Особенно выигрыш тиристорной схемы ощущается при мощностях более 250 кВт, когда относительно дорогая система управления становится уже не столь заметна в общей стоимости изделия, а надежность тиристорной схемы становится превалирующим фактором для покупателя. В мощных источниках возрастает роль системы управления для решения задач защиты, диагностики, мониторинга, автоматики и регулирования. Поэтому для таких источников стоимость систем управления для тиристорных и транзисторных источников сопоставима. Тиристор по сравнению с силовым транзистором многократно выше по единичной мощности и ниже по стоимости. Тиристор обладает свойством кратковременно выдерживать ток, на порядок превышающий рабочий ток, в то время как транзистор выходит из насыщения и разрушается. Чем больше параллельных соединений транзисторов, тем опаснее аварийные режимы, которые могут сопровождаться взрывом корпуса. Поэтому на рынке между секторами тиристорных и транзисторных источников в области средне частотного нагрева установилась устойчивая граница на уровне мощности порядка 250 кВт. Граница существует исключительно для индукционного нагрева и исключительно в области средних частот, в то время как в других областях со всей очевидностью происходит насыщение рынка транзисторными схемами.

Прогресс полупроводниковой индустрии привел к появлению тиристоров в модульном корпусе, который аналогичен корпусу силового транзистора, и имеет те же достоинства — изоляцию от охладителя и простота сборки модульных конструкций. Также в схему тиристорного инвертора АИТ некоторые производители вводят на входе инвертора транзисторный прерыватель, т. н. IGBT-чоппер, который позволяет улучшить управляемость и характеристики схемы, и в то же время не потерять присущую тиристорам устойчивость к аварийным режимам.

Серия ТПЧ прошла длительный путь эволюции. В таблице ниже дано представление о смене поколений серий ТПЧ. В таблице даны по возможности объективные признаки прогресса в технологии производства ТПЧ, общие для различных производителей. Таблица ограничивается рассмотрением прогресса технологий только для источников ТПЧ с присущей им топологией АИТ. Принадлежность к одному классу устройств остается также в том случае, когда АИТ является только частью силовой схемы. Например, устройства, где на входе АИТ устанавливается или не устанавливается силовой транзисторный Прерыватель (IGBT-чоппер), относятся к одному классу. Схема АИТСП (АИТ с Синхронным Прерывателем) и схема АИТАП (АИТ с Асинхронным Прерывателем, где Прерыватель не синхронизирован с инвертором) имеют существенно разные характеристики, хотя и относятся к одному классу устройств.

Смена поколений серии ТПЧ на базе автономного инвертора тока (АИТ)

Серия ТПЧ	Признаки прогресса в технологии производства
1-ое поколение	1960-е годы. В системе управления отсутствуют печатные платы — монтаж объемный (на панелях) в отдельном шкафу. Логические компоненты: дискретные полупроводники (транзисторы и диоды) и крупногабаритные логические модули в фарфоровом корпусе (Логика-Т). В силовой части используются штыревые тиристоры, относительно маломощные. Используется большое количество параллельных и последовательных соединений в каждом плече преобразователя. Для мощных ТПЧ, в случае применения параллельного соединения силовых секций, не допускается автономная (одиночная) работа отдельной секции. Частотный типоряд: 0.5; 1 кГц. КПД порядка 92 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ: порядка 6…8 кг/кВт.
2-ое поколение	1970-е годы. В системе управления появляется печатный монтаж, что позволяет резко сократить габариты системы управления и одновременно повысить её функциональность. Каждый отдельный блок управления обладает относительно небольшой функциональностью. Большое количество блоков устанавливается в отдельном шкафу. В силовой части появляются таблеточные тиристоры, уменьшается количество параллельных и последовательных соединений в одном плече. Для соединенных параллельно силовых секций не допускается автономная (одиночная) работа отдельной секции. Вводится максимальная частота 2.4 кГц, частотный типоряд: 0.5; 1; 2.4 кГц. КПД повышен до 92..93 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 4…5 кг/кВт.
3-е поколение	1986 год. Логические компоненты: микросхемы малой и средней степени интеграции. Система управления строится в кассете на больших многофункциональных печатных платах, насчитывающих до 300 компонентов, имеющих проволочные выводы. В силовой части используются мощные таблеточные тиристоры, исключаются параллельные соединения, остаются последовательные в одном плече. Для соединенных параллельно силовых секций допускается автономная (одиночная) работа. Вводятся понятия «работа одиночного ТПЧ», «работа группы ТПЧ с общей нагрузкой», «одиночная работа ТПЧ в комплексе», «групповая работа комплекса ТПЧ». Вводится частоты 4, 8 и 10 кГц, частотный типоряд: 0.5; 1; 2.4; 4; 8; 10 кГц. КПД повышен до 94..95 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 2…2.5 кг/кВт.
4-ое поколение	2002 год. Логические компоненты: одна БИС — большая интегральная схема, охватывающая всю логическую (цифровую) часть системы управления. Система управления строится на многофункциональных многослойных платах небольшого размера на основе т. н. «бездырочной», или поверхностной технологии (SMD), где миниатюрные компоненты с планарными выводами (типичный размер резистора 1.5 х 0.75 мм) паяют непосредственно на поверхность платы. Сведена к минимуму громоздкая «дырочная», то есть сквозная технология (HMD — Hole Mount Technology), где компоненты с проволочными выводами впаиваются в отверстия на плате. В силовой части используются мощные таблеточные тиристоры, которые позволяют строить силовое плечо на одном тиристоре. Исключение: высокая частота 8 и 10 кГц, где используются быстродействующие тиристоры с относительно невысоким классом по напряжению, что требует обычно 2 последовательных тиристоров в одном плече инвертора. Для относительно небольших мощностей (до 320 кВт) некоторые производители используют т. н. «модульные» тиристоры, которые привинчивают к общей алюминиевой плите, что упрощает конструкцию силового блока и обеспечивает гальваническую изоляцию от охлаждающей жидкости (воды). Групповая работа комплекса ТПЧ без изменений. Частотный типоряд без изменения: 0.5; 1; 2.4; 4; 8; 10 кГц. КПД повышен до 95..96 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 1.6…2.5 кг/кВт.
5-ое поколение	2015 год. В систему управления вводится система Интернет-Диагностики ТПЧ. В состав системы управления входят инструменты считывания и сохранения рабочих и аварийных осциллограмм в постоянной памяти Чёрного Ящика, а также средство связи с Интернетом на базе GSM модема. Аварийные осциллограммы автоматически посылаются на сайт коллективного пользования. Максимально демократичный сайт диагностики ТПЧ, без всяких ограничений для доступа и без регистрации, служит, с одной стороны, «инструментом быстрого реагирования» при ремонте, с другой стороны, — «базой коллективных знаний» для изучения типовых аварийных процессов и для обучения персонала навыкам эксплуатации. В силовую часть на вход тиристорного АИТ вводится транзисторный Синхронный Переключатель (СП). Схема АИТСП объединяет преимущества одновременно двух типов полупроводников: транзисторов (полная управляемость) и тиристоров (надежность в аварийных режимах). Последние используются в модульном и таблеточном корпусах. Групповая работа комплекса ТПЧ без изменений. Частотный типоряд расширен как в сторону уменьшения частоты, так и в сторону увеличения частоты: 50(60), 125, 250, 500, 1000, 2500, 4000, 8000(10000), 16000, 22000 Гц. КПД повышен до 97.5..98.5 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 1 кг/кВт.

1. ↑ ^{1 2 3 4} Горбачев Г. Н., 1988, с. 306.
2. ↑ ^{1 2 3 4} Шиллинг В., 1950.
3. ↑ ^{1 2 3 4} Толстов Ю.Г., 1978.
4. ↑ ^{1 2 3 4} Чиженко И.М., 1978.
5. ↑ ^{1 2 3 4} Е. И. Беркович, 1973.
6. ↑ ^{1 2} Alfred Mühlbauer, 2008.
7. ↑ ^{1 2} John William Motto, Jr., 1977.
8. ↑ ^{1 2} Takesi FUJITSUKA, 1971.
9. ↑ Nikolay L. Hinov, 2005.
10. ↑ pantechsolutions.

• Шиллинг В. Схемы выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты: Пер. с нем.. — Л.: Госэнерго-издат, 1950. — 464 с.

• Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. — М.: Изд.»Энергия», 1978. — 208 с.

• Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике.. — К.: Техніка, 1978. — 447 с.

• Е. И. Беркович. Тиристорные преобразователи высокой частоты. — Л.: Энергия, 1973.