Выпрямитель с изменением полярности

Если честно, когда впервые столкнулся с термином 'выпрямитель с изменением полярности', думал - очередная маркетинговая уловка. На практике оказалось, что это не просто реверс диодов, а целая система управления переходными процессами. Особенно критично в гальванических процессах, где полярность меняется без обесточивания цепи.

Конструктивные ловушки

Помню наш первый опыт с биполярным выпрямителем для гальваники. Собирали по классической схеме с встречно-параллельными тиристорами. Расчеты вроде сходились, но на практике - постоянные пробои при переполюсовке под нагрузкой. Оказалось, забыли про ЭДС самоиндукции в момент перехода через ноль.

Тут важно не просто механически переключать полярность, а учитывать демпфирование переходных процессов. В ООО 'Хэбэй Тонгке' как раз делают упор на плавное изменение угла открытия тиристоров - не мгновенное переключение, а постепенное 'перетекание' тока между плечами.

Кстати, их модель TKR-274M использует схему с принудительной коммутацией - там вообще нет мертвой зоны при смене полярности. Но это дороже на 30%, поэтому для большинства задач хватает и стандартных решений.

Тиристоры против IGBT

Долгое время спорили с коллегами - что надежнее для переполюсовки: тиристоры или IGBT. Тиристоры выдерживают перегрузки лучше, но скорость переключения оставляет желать лучшего. IGBT быстрее, но требовательнее к защитам.

На практике для большинства промышленных выпрямителей с изменением полярности все же выбираем тиристоры. Особенно после случая на заводе в Подольске - там поставили IGBT-модули без должного охлаждения, в результате при частой смене полярности (раз в 2 секунды) модули перегревались и выходили из строя.

Сейчас в новых разработках ООО 'Хэбэй Тонгке' используют гибридные схемы - тиристоры для силовой части, а IGBT в цепях управления для точного контроля момента переключения.

Проблемы измерения тока

Самое неприятное - когда датчики тока начинают 'врать' при смене полярности. Обычные шунты дают погрешность до 15% из-за термо-ЭДС. Холловские датчики лучше, но дороже.

Заметил интересную особенность - если использовать два встречных датчика Холла с перекрытием диапазонов, погрешность снижается до 1-2%. Правда, приходится калибровать каждую пару индивидуально.

В выпрямителях с изменением полярности от tongke.ru эту проблему решили аппаратно - встроили компенсационную схему, которая учитывает температурный дрейф. Мелочь, а работает стабильнее.

Реальные кейсы применения

На алюминиевом заводе в Красноярске ставили выпрямители с переполюсовкой для электрохимической обработки. Там цикл: 10 минут анод, 2 минуты катод - и так непрерывно. Первые месяцы постоянно горели силовые диоды.

Разобрались - проблема была в асимметрии охлаждения. Одно плечо (анодное) грелось сильнее, так как работало дольше. При резкой смене полярности холодные диоды катодного плеча получали тепловой удар.

Пришлось переделывать систему охлаждения - делать общий теплоотвод с принудительным обдувом. Кстати, в современных моделях типа TKR-280 это уже учтено в конструкции.

Системы защиты

Раньше думал, что защита от КЗ - самое главное. Оказалось, для выпрямителей с изменением полярности опаснее частичные короткие замыкания через загрязненный электролит.

Такие 'мягкие' КЗ не отключаются стандартными автоматами, но вызывают локальный перегрев шин. Видел случай, когда медная шина толщиной 10 мм буквально испарилась на участке 5 см из-за многократных микро-КЗ при переполюсовке.

Сейчас всегда ставлю двухуровневую защиту - быстродействующую электронную на токи до 150% от номинала и тепловую на длительные перегрузки. В оборудовании ООО 'Хэбэй Тонгке' такая система уже реализована на аппаратном уровне.

Перспективы развития

Сейчас экспериментируем с полностью транзисторными схемами на SiC-приборах. У них скорость переключения в разы выше, но и цена соответствующая. Пока для серийных решений нерентабельно.

Интересное направление - совмещение выпрямителей с изменением полярности и высокочастотных импульсных источников питания. Тех же ООО 'Хэбэй Тонгке' анонсировали прототип гибридной системы, где переполюсовка осуществляется не механическим переключением, а изменением фазы ШИМ.

Если это заработает стабильно - будет прорыв в компактности. Но пока технология сыровата - наблюдаем скептически, хотя и с интересом.