Zyklokonverter - Typen, Arbeitsweise und Anwendungen

Netzteile können in zwei große Kategorien eingeteilt werden: das Wechselstromnetzteil und das Gleichstromnetzteil. Da wir wissen, dass nur Wechselstrom erzeugt werden kann und da dies wirtschaftlicher ist, verwenden wir Wechselstrom für die Übertragung und daher werden die meisten elektrischen Maschinen / Geräte mit Wechselstrom betrieben. Die von den Kraftwerken gelieferte Standardspannung und -frequenz reicht jedoch möglicherweise nicht aus, um bestimmte Industriemaschinen anzutreiben. In diesen Fällen setzen wir Wandler und Wechselrichter ein, um eine Form der Stromversorgung in eine andere Form umzuwandeln, z. B. in eine andere Nennspannung, Stromstärke oder Frequenz. Ein Cycloconveter ist ein solcher Wandler, der Wechselstrom in einer Frequenz in Wechselstrom einer einstellbaren Frequenz umwandelt. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Funktionsweise und Anwendungen dieser Cycloconverter.

Was ist Cycloconverter?

Die Standarddefinition für Cycloconverter aus Wikipedia lautet wie folgt: „Ein Cycloconverter (CCV) oder ein Cycloinverter wandelt eine Wechselstromwellenform mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz in eine andere Wechselstromwellenform mit niedrigerer Frequenz um, indem die Ausgangswellenform aus Segmenten der Wechselstromversorgung ohne Zwischenstufe synthetisiert wird Zwischenkreis ”

Eine besondere Eigenschaft von Cycloconvertern ist, dass sie beim Umwandlungsprozess keinen Zwischenkreis verwenden, wodurch sie hocheffizient sind. Die Umwandlung erfolgt durch Verwendung von leistungselektronischen Schaltern wie Thyristoren und deren logische Umschaltung. Normalerweise werden diese Thyristoren in zwei Hälften geteilt, die positive Hälfte und die negative Hälfte. Jede Hälfte wird durch Drehen während jedes Halbzyklus der Wechselstromform zum Leiten gebracht, wodurch ein bidirektionaler Energiefluss ermöglicht wird. Stellen Sie sich Cycloconverter vorerst als Black Box vor, die eine Wechselspannung mit fester Spannung und fester Frequenz als Eingang aufnimmt und eine variable Frequenz mit variabler Spannung als Ausgang liefert, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Wir werden erfahren, was möglicherweise in dieser Black Box vor sich geht, wenn wir den Artikel durchgehen.

Warum brauchen wir Cycloconverter?

Okay, jetzt wissen wir, dass Zyklokonveter Wechselstrom mit fester Frequenz in Wechselstrom mit variabler Frequenz umwandeln. Aber warum müssen wir das tun? Was ist der Vorteil einer Wechselstromversorgung mit variabler Frequenz?

Die Antwort auf diese Frage lautet Geschwindigkeitsregelung. Zyklokonveter werden häufig zum Antrieb großer Motoren verwendet, wie sie in Walzwerken, Kugelmühlen, Zementkilen usw. verwendet werden. Die Ausgangsfrequenz eines Zyklokonverters kann auf Null reduziert werden, was uns hilft, sehr große Motoren mit Volllast bei minimaler Drehzahl und dann zu starten Erhöhen Sie schrittweise die Drehzahl des Motors, indem Sie die Ausgangsfrequenz erhöhen. Vor der Erfindung der Zyklokonverter müssen diese großen Motoren vollständig entladen und nach dem Starten des Motors schrittweise geladen werden, was zu Zeit- und Personalverbrauch führt.

Arten von Cyclokonvetern:

Basierend auf der Ausgangsfrequenz und der Anzahl der Phasen in der Eingangswechselstromquelle können die Zyklokonverter wie folgt klassifiziert werden

1. Step-Up-Zyklokonverter

2. Abwärtszyklokonverter

1. Einphasen-Einphasen-Zyklokonverter
2. Dreiphasen-Einphasen-Zyklokonverter
3. Dreiphasen-Dreiphasen-Zyklokonverter

Step-Up-Zyklokonverter: Step-Up-CCV bieten, wie der Name schon sagt, einen CCV-Typ mit einer Ausgangsfrequenz, die größer als die der Eingangsfrequenz ist. Es ist jedoch nicht weit verbreitet, da es nicht viel Partikel aufbringt. Die meisten Anwendungen erfordern eine Frequenz von weniger als 50 Hz, was hier in Indien die Standardfrequenz ist. Auch Step-Up CCV erfordert eine erzwungene Kommutierung, was die Komplexität der Schaltung erhöht.

Step-Down-Zyklokonverter: Step-Down-CCV, wie Sie es vielleicht schon gut erraten haben. Es wird nur eine Ausgangsfrequenz bereitgestellt, die niedriger als die Eingangsfrequenz ist. Diese werden am häufigsten verwendet und arbeiten mit Hilfe der natürlichen Kommutierung, wodurch sie vergleichsweise einfach zu bauen und zu bedienen sind. Das Step-Down-CCV wird weiter in drei Typen eingeteilt, wie unten gezeigt. Wir werden jeden dieser Typen in diesem Artikel detailliert untersuchen.

Grundprinzip hinter Cycloconvertern:

Obwohl es drei verschiedene Arten von Zyklokonvertern gibt, sind ihre Funktionsweise bis auf die Anzahl der in der Schaltung vorhandenen leistungselektronischen Schalter sehr ähnlich. Zum Beispiel hat ein einphasiges bis einphasiges CCV nur 6 leistungselektronische Schalter (SCRs), während ein dreiphasiges CCV bis zu 32 Schalter haben kann.

Das absolute Minimum für einen Cycloconverter ist oben dargestellt. Auf beiden Seiten der Last befindet sich eine Schaltschaltung, eine Schaltung funktioniert während der positiven Halbwelle der Wechselstromquelle und die andere Schaltung funktioniert während der negativen Halbwelle. Normalerweise wird die Schaltschaltung mit SCR als leistungselektronischem Gerät demonstriert, aber in modernen CCV werden die SCRs durch IGBTs und manchmal sogar MOSFETs ersetzt.

Die Schaltkreise benötigen auch einen Steuerkreis, der das leistungselektronische Gerät anweist, wann es zu leiten und wann es auszuschalten ist. Diese Steuerschaltung ist normalerweise ein Mikrocontroller und kann auch eine Rückmeldung vom Ausgang haben, um ein System mit geschlossenem Regelkreis zu bilden. Der Benutzer kann den Wert der Ausgangsfrequenz durch Einstellen der Parameter in der Steuerschaltung steuern. Die Dioden im obigen Diagramm werden verwendet um die Richtung des Stromflusses darzustellen. Der positive Schaltkreis liefert immer Strom in die Last und der negative Schaltkreis leitet immer Strom von der Last ab.

Einphasen- zu Einphasen-Zyklokonverter:

Das einphasige bis einphasige CCV wird sehr selten verwendet, aber um die Funktionsweise eines CCV zu verstehen, sollte es zuerst untersucht werden, damit wir das dreiphasige CCV verstehen können. Das einphasige bis einphasige CCV verfügt über zwei Paare von Vollweggleichrichterschaltungen, die jeweils aus vier SCR bestehen. Ein Satz wird gerade platziert, während der andere in antiparalleler Richtung platziert wird, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Alle Gate-Anschlüsse der SCRs werden mit einer Steuerschaltung verbunden, die in der obigen Schaltung nicht gezeigt ist. Diese Steuerschaltung ist für das Auslösen der SCRs verantwortlich. Um die Funktionsweise der Schaltung zu verstehen, nehmen wir an, dass die Eingangswechselstromversorgung eine Frequenz von 50 Hz hat und die Last eine reine Widerstandslast und der Zündwinkel des SCR (α) 0 ° beträgt. Da der Zündwinkel bei 0 ° liegt, wirkt der SCR beim Einschalten wie eine Diode in Vorwärtsrichtung und beim Ausschalten wie eine Diode in Rückwärtsrichtung. Lassen Sie uns die folgende Wellenform analysieren, um zu verstehen, wie die Frequenz mithilfe eines CCV verringert wird

Die Wellenform der Versorgungsspannungsfrequenz wird mit Vs und die Wellenform der Ausgangsspannungsfrequenz mit Vo bezeichnet. Hier versuchen wir die Versorgungsspannung Frequenz auf 1/4 zu konvertieren ^th seinen Wert. Um dies zu tun, verwenden wir für die ersten beiden Zyklen der Versorgungsspannung den positiven Brückengleichrichter und für die folgenden zwei Zyklen den negativen Brückengleichrichter. Somit haben wir vier positive Impulse im positiven Bereich und dann vier im negativen Bereich, wie in der Ausgangsfrequenzwellenform Vo gezeigt. Die Stromwellenform für diese Schaltung ist dieselbe wie die Spannungswellenform, da angenommen wird, dass die Last rein ohmsch ist. Obwohl sich die Größe der Wellenform basierend auf dem Widerstandswert der Last ändert.

Die Ausgangsfrequenz wird mit Hilfe der gestrichelten Linie auf der Vo - Wellenform dargestellt, da es nur Polarität für jeweils zwei Zyklen der Eingangswellenform der Ausgangsfrequenz mit 1/4 ändert ^th der Eingangsfrequenz, in unserem Fall für eine Eingangsfrequenz von 50 Hz der Die Ausgangsfrequenz beträgt (1/4 * 50) um 12,5 Hz. Diese Ausgangsfrequenz kann durch Variieren des Auslösemechanismus in der Steuerschaltung gesteuert werden.

Dreiphasen-Einphasen-Zyklokonverter:

Das dreiphasige zu einphasige CCV ähnelt ebenfalls dem einphasigen zu einphasigen CCV, aber hier ist die Eingangsspannung eine dreiphasige Versorgung und die Ausgangsspannung eine einphasige Versorgung mit variabler Frequenz. Die Schaltung sieht auch sehr ähnlich aus, außer dass wir 6 SCR in jedem Gleichrichtersatz benötigen, da wir die 3-Phasen-Wechselspannung gleichrichten müssen.

Wiederum werden die Gate-Anschlüsse des SCR mit der Steuerschaltung verbunden, um sie auszulösen, und die gleichen Annahmen werden erneut getroffen, um die Arbeitsweise leicht zu verstehen. Es gibt auch zwei Arten von Dreiphasen- bis Einphasen-CCVs: Der erste Typ hat einen Halbwellengleichrichter für die positive und die negative Brücke und der zweite Typ hat einen Vollwellengleichrichter, wie oben gezeigt. Der erste Typ wird wegen seiner schlechten Effizienz nicht oft verwendet. Auch bei einem Vollwellentyp können beide Brückengleichrichter Spannungen in beiden Polaritäten erzeugen, aber der positive Wandler kann Strom (Quelle) nur in positiver Richtung liefern und der negative Wandler kann Strom nur in negativer Richtung ablassen. Dadurch kann das CCV in vier Quadranten betrieben werden. Diese vier Quadranten sind (+ V, + i) und (-V, -i) im Gleichrichtungsmodus und (+ V, -i) und (-V,-i) im Inversionsmodus.

Dreiphasen- bis Dreiphasen-Zyklokonverter:

Die dreiphasigen bis dreiphasigen CCV werden am häufigsten verwendet, da sie dreiphasige Lasten wie Motoren direkt antreiben können. Die Last für ein dreiphasiges CCV ist normalerweise eine dreiphasige sternförmige Last wie die Statorwicklung eines Motors. Diese Wandler nehmen eine dreiphasige Wechselspannung mit fester Frequenz als Eingang auf und liefern eine dreiphasige Wechselspannung mit variabler Frequenz.

Es gibt zwei Arten von Dreiphasen-CCV, einen mit Halbwellenwandler und einen mit Vollwellenwandler. Das Halbwellenwandlermodell wird auch als 18-Thyristor-Zyklokonverter oder 3-Puls-Zyklokonverter bezeichnet. Der Vollwellenwandler wird als 6-Puls-Zyklokonverter oder 36-Thyristor-Zyklokonverter bezeichnet. Ein 3-Puls-Zyklokonverter ist in der folgenden Abbildung dargestellt

Hier haben wir sechs Gleichrichtersätze, von denen zwei für jede Phase zugeordnet sind. Die Funktionsweise dieses CCV ist ähnlich wie bei einem einphasigen CCV, außer dass hier die Gleichrichter nur die Hälfte der Welle gleichrichten können und dies für alle drei Phasen gleich ist

Anwendungen:

Zyklokonverter haben eine große industrielle Anwendung, die folgenden sind die wenigen

• Mühlen
• Schwere Waschmaschinen
• Minenwickler
• HGÜ-Stromleitungen
• Flugzeugstromversorgung
• SVG (Static VAR Generators)
• Schiffsantriebssystem