Тиристорные преобразователи когда-то произвели революцию в электронике, позволив плавно регулировать огромные потоки энергии. Эти устройства на основе полупроводниковых «клапанов» научились преобразовывать переменный ток в постоянный, менять частоту и напряжение, и тем самым укротили электричество в тяжелой промышленности, электротранспорте и даже у нас дома (вспомним обычные светорегуляторы-«диммеры»). Однако, как и у любого изобретения, у тиристорных преобразователей есть обратная сторона медали – набор существенных недостатков. Почему в сталеплавильном цехе, в локомотиве метро или даже в лампе накаливания эти недостатки могут стать критичными? Давайте разбираться, какие проблемы скрываются внутри тиристорных преобразователей и к каким последствиям они приводят.
Нерешительность в переключении
Представьте себе дверь с автоматическим доводчиком, который, однажды распахнувшись, не захлопнется по вашему желанию – придется ждать, пока сама природа не прикроет её. В мире электроники таким «нерешительным» персонажем выступает тиристор. Как только этот полупроводниковый ключ открывается и ток пошёл, выключить его командой уже нельзя – нужно дождаться, пока ток через него самостоятельно снизится до нуля. По сути, тиристор может говорить «да» на прохождение тока, но не умеет сказать «стоп» в нужный момент. Это прекрасно работает в простых случаях: например, когда преобразователь питает нагрузку от переменного тока, тиристор просто закроется на каждом нулевом переходе синусоиды. Но стоит только попытаться использовать его в цепи постоянного тока или потребовать мгновенной остановки – и выясняется, что прямого способа закрыть тиристор нет. В таких случаях нужны хитрые обходные манёвры: дополнительные цепи коммутации, которые силой «вышибают» ток из тиристора, словно выключая свет не выключателем, а выбивая пробки.
Почему это недостаток? Потому что в быстродействующих системах такая особенность мешает гибкому управлению. Например, в системах экстренного торможения или прецизионного управления мощностью хотелось бы мгновенно обесточить нагрузку – а тиристор, условно говоря, медлит, удерживая ток до последнего. В результате тиристорные преобразователи проигрывают современным транзисторным схемам по части реакции: там, где транзистор выключится по первому сигналу, тиристор тянет паузу. Критично ли это? В некоторых областях – да. Например, в высоковольтных линиях передачи HVDC при сбоях необходимо быстро гасить ток, а старые системы на тиристорах вынуждены полагаться на механические разъединители и другие ухищрения. В электронике управления двигателями задержка с отключением тока может означать лишние миллисекунды «разгула» энергии, что в худшем случае чревато перегрузками. И хотя миллисекунды – крохотный отрезок времени, в мире высоких скоростей автоматического управления это может стать вечностью.
Дорога без обратного пути
Ещё одна особенность тиристоров – одностороннее движение тока. Они напоминают клапан, пропускающий воду только вперёд и наглухо закрытый для обратного тока. Такой электрический односторонний переулок означает, что тиристорный преобразователь прекрасно подаёт энергию в одном направлении, но не рассчитан на то, чтобы её возвращать обратно или менять направление течения. Что, если нужно затормозить электродвигатель и вернуть избыточную энергию обратно в сеть (режим рекуперации), или заставить ток пойти в противоположную сторону, чтобы мотор вращался в обратном направлении? С тиристорами это далеко не тривиально. Приходится строить схему, используя два комплекта тиристоров, включённых навстречу друг другу, чтобы организовать обратный путь для тока. Иначе говоря, для полноценного «реверса» или рекуперации требуется вдвое больше оборудования, что усложняет и удорожает систему.
В некоторых сферах такой недостаток очень ощутим. Например, электровоз или метро при торможении могли бы возвращать энергию обратно в контактную сеть, экономя электричество. Современные преобразователи на транзисторах справляются с этой задачей – поезда при замедлении работают как генераторы. А вот устаревшие тиристорные системы зачастую не умеют делиться энергией с сетью. Лишняя энергия при торможении попросту рассеивается в виде тепла в специальных резисторах – словно автомобиль все время тормозит “в пол”, сжигая лишний бензин в тормозах. Точно так же в промышленности: если станок с тиристорным приводом резко останавливается, его двигателю негде девать кинетическую энергию – и её приходится рассеивать бесполезно. Недоступность обратного пути для тока делает тиристорные преобразователи расточительными в тех случаях, когда возврат энергии мог бы повысить эффективность. Кроме того, усложнение схемы ради реверса – это больше компонентов, выше шанс поломки и дополнительные расходы на обслуживание.
Питание рывками
Работа тиристорного преобразователя похожа на подачу энергии порциями. В отличие от плавного регулирования, тиристор словно нарезает электрический поток на куски.Стандартный тиристорный выпрямитель, питая двигатель постоянного тока, выдаёт не ровный поток напряжения, а последовательность пульсаций. Получается, что мотор питается не сладким ровным постоянным током, а раздробленными импульсами, между которыми есть провалы. Представьте, что вы крутите педали велосипеда рывками: раз – толчок, потом ничего, затем снова толчок. Велосипед едет, но движется менее плавно, да и вам приходится прикладывать дополнительные усилия, чтобы сгладить эти рывки. Так и электродвигатель от пульсирующего напряжения может работать менее мягко: возникают пульсации крутящего момента, вибрации, увеличивается износ механики. В высокоточных процессах (например, в прокатных станах на металлургических заводах) такие колебания нежелательны – они могут приводить к неравномерному качеству продукта или дополнительным вибрациям оборудования.
Да, зачастую проблему смягчают за счёт инерции самого электродвигателя или установки сглаживающих реакторов (индуктивностей). Но полностью избавиться от электрических «рывков» непросто. Даже в быту эффект заметен: диммер для лампы накаливания на тиристоре может вызывать едва заметное мерцание света. А если попытаться таким регулятором снижать обороты, скажем, сетевого вентилятора или пылесоса, мы услышим характерный зудящий звук – это двигатель реагирует на прерывистое питание. В мире, где всё стремится к плавности и точности, такая дробность подачи энергии становится минусом.
Без фильтров не обойтись
Раз уж тиристорный преобразователь рубит ток на части, последствия сказываются не только на самой нагрузке, но и на питающей сети. «Рваный» ток означает, что в электрическую систему вносятся искажения формы напряжения и тока. Проще говоря, синусоида уже не синусоида, а нечто угловатое, содержащее лишние частоты. Эти паразитные гармоники – словно посторонние нотки в чистой мелодии тока – могут мешать работе другого оборудования, нагружать сеть и вызывать нежелательный нагрев в трансформаторах и кабелях. Чтобы исправить ситуацию, приходятся на помощь «глушители» – специальные фильтры. В тиристорных системах фильтр обычно представляет собой комбинацию мощных катушек индуктивности и конденсаторов. Они сглаживают ток, выправляют форму напряжения, отфильтровывая шум, как амортизаторы сглаживают выбоины на дороге.
Однако плата за это — громоздкость и стоимость. Такие фильтрующие устройства могут быть очень тяжелыми и большими. Например, на крупных преобразовательных подстанциях (в тех же системах передач постоянного тока или на предприятиях с мощными печами) залы фильтров занимают пространство с добрый заводской цех: громадные катушки-ректоры, батареи конденсаторов – весь этот электрический «антишумовый» комплект. В небольших системах – скажем, в станке на заводе – фильтр тоже добавляет десятки лишних килограммов железа и меди. Без него никуда, но и с ним тиристорный преобразователь теряет компактность. В эпоху, где ценится миниатюризация, необходимость возить за собой чемодан фильтров выглядит анахронизмом. Критично ли это? В портативных или ограниченных по пространству приложениях – безусловно. Например, попытка применить классический тиристорный преобразователь в электронике самолетов или электромобилей упирается в проблему: а куда вместить весь этот «багаж» из дросселей и конденсаторов? Кроме того, фильтры – это дополнительные потери энергии (на нагрев, сопротивления), а значит, общий КПД системы снижается.
Шум, от которого не спрятаться
Если тиристор создает электрические импульсы, то ожидаемо появляется и шум – как буквальный, так и фигуральный. Во-первых, электромагнитный шум: те самые искажения тока, о которых мы говорили, разносятся по сети подобно радиопомехам. По проводам разлетаются высокочастотные пульсации, которые могут мешать работе чувствительной электроники. Бывали случаи, когда простой диммер для лампы мог давать наводки на радио – и вместо любимой радиостанции в колонках появляется раздражающее жужжание. В промышленности это особенно серьёзно: электроприводы с тиристорными преобразователями «загрязняют» сеть помехами, которые могут влиять на измерительные приборы, связь и даже вызывать ложные срабатывания защитной автоматики. Буквально шумят так, что соседи жалуются: энергетики вынуждены устанавливать дополнительное помехоподавляющее оборудование, экраны, использовать кабели с толстой изоляцией, чтобы обуздать электромагнитный гул.
Во-вторых, акустический шум. Тиристорный преобразователь может заставить гудеть и вибрировать всё вокруг. Помните тот зудящий звук пылесоса или вентилятора на половине мощности? Это механические части дребезжат от прерывистого тока. В крупных системах шум заметнее: трансформаторы и реакторы в тиристорных схемах начинают гудеть на гармониках, иногда на нескольких тонах сразу. Вместо приятного ровного жужжания 50 Гц они издают многоголосый гул, как если бы рядом трудился хор высоковольтных шмелей. В тяговых сетях (на железной дороге, в метро) раньше можно было отличить по звуку старый подвижной состав – у разгоняющихся вагонов слышался нарастающий вой преобразователей, модулированный частотой переключения тиристоров. Конечно, инженеры стараются изолировать и снижать этот шум, но полностью спрятаться от него сложно. Там, где важен акустический комфорт или низкий уровень помех (например, в больницах, лабораториях, на жилых объектах), тиристорные преобразователи требуют особых мер, иначе их шум станет заметным фактором.
Энергия на холостом ходу
Электроэнергия – как пиво: важна не только её количество, но и «пенка». В случае с тиристорными преобразователями пены получается многовато. Речь о так называемой реактивной мощности – энергии, которая берётся из сети и возвращается обратно, не совершив полезной работы. Когда тиристор пропускает ток лишь часть периода, он тем самым смещает фазу между напряжением и током, и значительная доля энергии курсирует туда-сюда бесполезным маятником. Для электросети это лишняя нагрузка: ток течёт, греет провода, нагружает генераторы, а толку от него ноль – сплошная «пенка». Коэффициент мощности (отношение полезной энергии к полной) у тиристорных преобразователей падает при сильном регулировании. Проще говоря, чем медленнее вы хотите крутить двигатель через тиристорный регулятор, тем больше лишнего тока гоняется вхолостую.
Почему это критично? Потому что электросети и генераторы имеют ограничения по току, и лишний реактивный ток «съедает» их ресурс впустую. Энергокомпании негодуют: приходится компенсировать эту махровую реактивность установкой специальных батарей конденсаторов или синхронных компенсаторов на подстанциях. Это как если бы каждому, кто наливает пиво с толстой пеной, кафе выдавало бесплатно кружку, чтобы пену снимать – затратно и неудобно. В промышленности низкий коэффициент мощности бьёт по карману: предприятия платят штрафы или устанавливают своё компенсационное оборудование. Например, крупный завод с тиристорными преобразователями для печей или двигателей может столкнуться с тем, что значительная часть потребляемого тока не совершает работу – это прямые потери, которые надо либо терпеть, либо компенсировать финансово. В системах передачи энергии (HVDC на тиристорах) эффект ещё масштабнее: на концах линии ставят гигантские банки конденсаторов, шунтирующие реактивную мощность, иначе такая «энергетическая пена» перегрузит сеть. И хотя реактивная мощность – вещь обратимая, она съедает долю полезной, снижая общий КПД системы. Мир сегодня стремится к энергоэффективности, поэтому тиристорным схемам с их привычкой брать энергию взаймы у сети и тут же возвращать назад – заслуженная критика.
Не любят перегрузок
Тиристоры, хоть и способны пропускать громадные токи, по своей натуре довольно хрупки перед перегрузками. В отличие от старых электромеханических систем, которые иногда могли выдержать кратковременный скачок тока (ну, допустим, мотор может секунду-другую потянуть сверх номинала, тяжело пыхтя), полупроводниковый прибор работает на пределах строго, как стеклянная нить – чуть больше тока, и он перегреется или выйдет из строя. Тиристорные преобразователи практически не имеют запаса перегрузки по току: их приходится проектировать на максимальные возможные нагрузки, без надежды на «авось, выдержит». Это увеличивает габариты и стоимость – ведь каждый тиристор и его радиатор должны быть рассчитаны на худший случай. А если случится непредвиденный всплеск – например, короткое замыкание или резкий скачок нагрузки – без молниеносных защит тиристоры могут просто сгореть. Поэтому вокруг тиристорных схем выстраивается целый арсенал предохранителей, разрядников, быстродействующих автоматов. Всё это, во-первых, усложняет систему, а во-вторых, не всегда спасает: в критический момент доли миллисекунды могут решить судьбу прибора. Для некоторых применений это критичный недостаток. Скажем, в тяговом приводе поезда перегрузка может возникнуть на неровном участке пути или при нештатной ситуации – если преобразователь погаснет от перегрузки, состав встанет. Потому такие системы строят с солидным запасом, что опять-таки делает их тяжелее и дороже.
Да, транзисторные современные преобразователи тоже боятся перегрузок, но они часто снабжены продвинутой электроникой, способной мгновенно ограничить ток до безопасного уровня. Тиристор же по сути либо «включён», либо «выключен» – если уж включился, то течёт сколько пойдет, сам себя он не ограничит. В результате тиристорный преобразователь — как человек, у которого нет чувства меры: если уж взял нагрузку, то изо всех сил, даже во вред себе.
Когда недостатки – двигатель прогресса
Мы перечислили основные слабости тиристорных преобразователей: нерешительное выключение, односторонность, пульсации, шумы, реактивные потери, слабая переносимость перегрузок. Неужели всё так плохо? История показывает, что выявление таких недостатков и стало стимулом для развития новой техники. На смену тиристорам во многих областях пришли более совершенные полупроводниковые ключи – транзисторы (IGBT, MOSFET и другие). Они лишены многих описанных проблем: могут выключаться по команде мгновенно, пропускать ток в оба направления (в составе продуманных схем), работать на высокой частоте без значительных гармонических искажений и с высоким коэффициентом мощности, а также имеют встроенные меры защиты и управления током. Современные частотные преобразователи для электродвигателей, источники бесперебойного питания, тяговые инверторы на электромобилях – всё это чаще строится уже без классических тиристоров. Там, где раньше стояли шкафы с гудящими дросселями и грелись радиаторы, теперь трудятся компактные модули, напичканные электроникой.
Тем не менее, тиристорные преобразователи ещё не канули в Лету. Они продолжают использоваться в тех нишах, где их уникальные достоинства перевешивают недостатки – например, в сверхмощных установках. Классические схемы на кремниевых управляемых выпрямителях до сих пор работают на многих железнодорожных подстанциях, в старых промышленных приводах, в установках электролиза и мощных выпрямителях для металлургии. А светорегуляторы на симисторах (родственниках тиристоров) до сих пор миллионами стоят в наших домах – мы просто научились мириться с их ограничениями или минимизировать их (например, добавляя небольшие фильтры, совместимые с LED-лампами устройства и т.д.). Недостатки тиристорных преобразователей стали для инженеров уроком: они показали, каким проблемам нужно искать решения. И каждое новое поколение силовой электроники становится всё более совершенным, тихим, эффективным – во многом благодаря тому, что предшественники оставили нам список того, что можно улучшить.
Так что, когда вы в следующий раз услышите странный электрический гул или заметите мерцание света при включении мощного прибора, возможно, где-то рядом трудится старый добрый тиристорный преобразователь – со всеми своими недостатками, благодаря которым мы теперь ценим достижения современных технологий.