Cycloconverters - soorten, werking en toepassingen

Voedingen kunnen in twee brede categorieën worden ingedeeld, de ene is de wisselstroomvoeding en de andere is de gelijkstroomvoeding. Zoals we weten kan alleen wisselstroom worden opgewekt en omdat het zuiniger is, gebruiken we wisselstroom voor transmissie en dus werken de meeste elektrische machines / apparaten op wisselstroom. Maar de standaardspanning en frequentie die door de genererende stations wordt geleverd, is mogelijk niet goed genoeg om bepaalde industriële machines aan te drijven. In die gevallen gebruiken we converters en omvormers om de ene vorm van voeding om te zetten in een andere vorm, zoals in een andere nominale spanning, stroomsterkte of frequentie. Een cycloconveter is zo'n omvormer die wisselstroom in één frequentie omzet in wisselstroom met een instelbare frequentie. In dit artikel zullen we meer leren over de werking en toepassingen van deze Cycloconverters.

Wat is een cycloconverter?

De standaarddefinitie voor cycloconverters van Wikipedia luidt als volgt: 'Een cycloconverter (CCV) of een cyclo-omvormer zet een wisselstroomgolfvorm met constante spanning en constante frequentie om in een andere wisselstroomgolfvorm met een lagere frequentie door de uitgangsgolfvorm van segmenten van de wisselstroomvoeding te synthetiseren zonder tussenliggende DC-link '

Een bijzondere eigenschap van cycloconverters is dat ze geen tussenkring gebruiken in het conversieproces, waardoor ze zeer efficiënt zijn. De conversie gebeurt door gebruik te maken van vermogenselektronische schakelaars zoals Thyristors en deze op een logische manier te schakelen. Normaal gesproken zullen deze thyristors worden gescheiden in twee helften, de positieve helft en de negatieve helft. Elke helft wordt geleidend door ze tijdens elke halve cyclus van de wisselstroomvorm te draaien, waardoor een bidirectionele stroomtoevoer mogelijk wordt gemaakt. Stel je Cycloconverters nu voor als een zwarte doos die een wisselstroom met vaste spanning en vaste frequentie als ingangsspanning opnemen en een variabele frequentie en een variabele spanning levert als uitgang, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

We zullen leren wat er mogelijk aan de hand is in deze zwarte doos terwijl we het artikel doornemen.

Waarom hebben we cycloconverters nodig?

Oké, nu weten we dat Cycloconveters wisselstroom van vaste frequentie omzetten in wisselstroom van variabele frequentie. Maar waarom moeten we dat doen? Wat is het voordeel van een wisselstroomvoeding met variabele frequentie?

Het antwoord op deze vraag is Speed ​​Control. Cycloconveters worden op grote schaal gebruikt voor het aandrijven van grote motoren zoals die gebruikt worden in walsmolens, kogelmolens Cement kils enz. verhoog geleidelijk de snelheid van de motor door de uitgangsfrequentie te verhogen. Voordat de cycloconverters werden uitgevonden, moesten deze grote motoren volledig worden ontladen en na het starten van de motor geleidelijk worden geladen, wat resulteert in een stroomverbruik van tijd en mankracht.

Soorten cycloconveters:

Op basis van de uitgangsfrequentie en het aantal fasen in de wisselstroomvoedingsbron kunnen de cycloconverters als volgt worden geclassificeerd

1. Step-Up Cycloconverters

2. Stop Cycloconverters

1. Eenfasige naar eenfasige cycloconverter
2. Driefasige naar eenfasige cycloconverter
3. Driefasige naar driefasige cycloconverter

Step-Up Cycloconverters: Step-Up CCV, zoals de naam al doet vermoeden, levert dit type CCV een uitgangsfrequentie die hoger is dan die van de ingangsfrequentie. Maar het wordt niet veel gebruikt omdat het niet veel deeltjestoepassingen heeft. De meeste toepassingen hebben een frequentie van minder dan 50 Hz nodig, wat de standaardfrequentie hier in India is. Ook Step-Up CCV vereist geforceerde commutatie, wat de complexiteit van het circuit vergroot.

Step-Down Cycloconverters: Step-Down CCV, zoals je misschien al goed geraden had.. levert alleen een uitgangsfrequentie die lager is dan de ingangsfrequentie. Deze worden het meest gebruikt en werken met behulp van natuurlijke commutatie, waardoor ze relatief eenvoudig te bouwen en te bedienen zijn. De Step-Down CCV is verder onderverdeeld in drie typen, zoals hieronder wordt weergegeven, we zullen elk van deze typen in dit artikel in detail bekijken.

Basisprincipe achter cycloconverters:

Hoewel er drie verschillende soorten Cycloconverters zijn, lijken ze erg op elkaar, behalve het aantal vermogenselektronische schakelaars in het circuit. Een enkelfasige naar enkelfasige CCV heeft bijvoorbeeld slechts 6 vermogenselektronische schakelaars (SCR's), terwijl een driefasige CCV tot 32 schakelaars kan hebben.

Het absolute minimum voor een cycloconverter wordt hierboven weergegeven. Het heeft een schakelcircuit aan weerszijden van de belasting, het ene circuit functioneert tijdens de positieve halve cyclus van de wisselstroombron en het andere circuit functioneert tijdens de negatieve halve cyclus. Normaal gesproken wordt het schakelcircuit gedemonstreerd met SCR als vermogenselektronica, maar in moderne CCV's kun je zien dat de SCR's worden vervangen door IGBT's en soms zelfs MOSFETS.

De schakelcircuits hebben ook een regelcircuit nodig, dat het elektronische vermogensapparaat instrueert wanneer het moet geleiden en wanneer het moet worden uitgeschakeld. Dit stuurcircuit is normaal gesproken een microcontroller en kan ook een terugkoppeling hebben van de uitgang om een ​​gesloten lussysteem te vormen. De gebruiker kan de waarde van de uitgangsfrequentie regelen door de parameters in het stuurcircuit aan te passen. De diodes in het bovenstaande diagram worden gebruikt om de stroomrichting weer te geven. Het positieve schakelcircuit levert altijd stroom in de belasting en het negatieve schakelcircuit haalt altijd stroom uit de belasting.

Eenfasige naar eenfasige cycloconverters:

De enkelfasige naar enkelfasige CCV wordt zeer zelden gebruikt, maar om de werking van een CCV te begrijpen, moet deze eerst worden bestudeerd zodat we de driefasige CCV kunnen begrijpen. De enkelfasige naar enkelfasige CCV heeft twee paar dubbelzijdige gelijkrichterschakelingen, elk bestaande uit vier SCR. De ene set wordt recht geplaatst terwijl de andere in anti-parallelle richting wordt geplaatst, zoals weergegeven op de onderstaande afbeelding.

Alle poortaansluitingen van de SCR's worden verbonden met een regelcircuit dat niet in het bovenstaande circuit wordt weergegeven. Dit regelcircuit is verantwoordelijk voor het triggeren van de SCR's. Laten we, om de werking van het circuit te begrijpen, aannemen dat de AC-ingangsvoeding een frequentie van 50 Hz heeft en dat de belasting een zuivere resistieve belasting is en dat de ontstekingshoek van de SCR (α) 0 ° is. Aangezien de afvuurhoek 0 ° is, zal de SCR bij het inschakelen als een diode in voorwaartse richting werken en wanneer uitgeschakeld als een diode in omgekeerde richting. Laten we de onderstaande golfvorm analyseren om te begrijpen hoe de frequentie wordt verlaagd met behulp van een CCV

De golfvorm van de voedingsspanningsfrequentie wordt aangegeven met Vs en de golfvorm van de uitgangsspanningsfrequentie wordt aangegeven met Vo. Hier proberen we de voedingsspanning frequentie te converteren naar 1/4 ^e van zijn waarde. Dus om dat te doen voor de eerste twee cycli van de voedingsspanning zullen we de positieve bruggelijkrichter gebruiken en voor de volgende twee cycli zullen we de negatieve bruggelijkrichter gebruiken. We hebben dus vier positieve pulsen in het positieve gebied en vervolgens vier in het negatieve gebied, zoals weergegeven in de golfvorm van de uitgangsfrequentie Vo. De stroomgolfvorm voor dit circuit zal hetzelfde zijn als de spanningsgolfvorm, aangezien wordt aangenomen dat de belasting puur resistief is. Hoewel de grootte van de golfvorm zal veranderen op basis van de weerstandswaarde van de belasting.

De uitgangsfrequentie wordt weergegeven met de stippellijn op de golfvorm Vo, aangezien polariteit verandert alleen voor elke twee cycli van de ingangsgolfvorm de uitgangsfrequentie met 1/4 ^ste van de ingangsfrequentie, in ons geval een ingangsfrequentie van de 50Hz de uitgangsfrequentie zal (1/4 * 50) rond 12,5 Hz zijn. Deze uitgangsfrequentie kan worden geregeld door het triggermechanisme in het regelcircuit te variëren.

Driefasige naar enkelfasige cycloconverters:

De driefasige naar enkelfasige CCV is ook vergelijkbaar met de enkelfasige naar enkelfasige CCV, maar hier is de ingangsspanning een driefasige voeding en de uitgangsspanning is een enkelfasige voeding met variabele frequentie. Het circuit lijkt ook erg op elkaar, behalve dat we 6 SCR nodig hebben in elke set gelijkrichters, omdat we de driefasige wisselspanning moeten corrigeren.

Opnieuw zullen de poortaansluitingen van de SCR worden verbonden met het stuurcircuit om ze te activeren en dezelfde aannames worden opnieuw gedaan om de werking gemakkelijk te begrijpen. Er zijn ook twee soorten driefasige naar enkelfasige CCV's, het eerste type heeft een halfgolfgelijkrichter voor zowel positieve als negatieve brug en het tweede type heeft een dubbelzijdige gelijkrichter zoals hierboven weergegeven. Het eerste type wordt niet vaak gebruikt vanwege zijn slechte efficiëntie. Ook in een dubbelfasig type kunnen beide bruggelijkrichters spanningen in beide polariteit opwekken, maar de positieve omzetter kan alleen stroom (source) leveren in de positieve richting en de negatieve omzetter kan alleen stroom in negatieve richting afvoeren. Hierdoor kan de CCV opereren in vier kwadranten. Deze vier kwadranten zijn (+ V, + i) en (-V, -i) in rectificatiemodus en (+ V, -i) en (-V,-i) in inversiemodus.

Driefasige naar driefasige cycloconverters:

De driefasige naar driefasige CCV zijn de meest gebruikte, omdat ze driefasige belastingen zoals motoren rechtstreeks kunnen aansturen. De belasting voor een driefasige CCV is normaal gesproken een driefasige ster-aangesloten belasting, zoals de statorwikkeling van een motor. Deze converters nemen driefasige wisselspanning met vaste frequentie als ingang en leveren driefasige wisselspanning met variabele frequentie.

Er zijn twee soorten driefasige CCV, de ene met een halve golfomvormer en de andere met een volledige golfomvormer. Het model met halve golfomvormers wordt ook wel 18-thyristor-cyclo-omvormers of 3-puls cyclo-omvormers genoemd. De volledige golfomvormer wordt 6-puls cyclo-omvormers of 36-thyristor cyclo-omvormers genoemd. Een 3-puls Cycloconverter wordt getoond in de onderstaande afbeelding

Hier hebben we zes sets gelijkrichters waarvan er twee zijn toegewezen voor elke fase. De werking van deze CCV is vergelijkbaar met een enkelfasige CCV, behalve dat hier de gelijkrichters slechts de helft van de golf kunnen corrigeren en hetzelfde gebeurt voor alle drie de fasen

Toepassingen:

Cycloconverters hebben een groot aantal industriële toepassingen, de volgende zijn er maar een paar

• Malen molens
• Zware wasmachines
• Mine Winders
• HVDC hoogspanningslijnen
• Stroomvoorziening voor vliegtuigen
• SVG (statische VAR-generatoren)
• Ship Propulsion-systeem