книги из ГПНТБ / Васильев, А. С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева

К сожалению, разностный метод применим только в самых простых случаях, им невозможно воспользо­ ваться в тех случаях, когда интервал прохождения тока через вентиль не цвляется фиксированным, что неиз­ бежно при повышении порядка цепи. Пренебрежение возможным изменением состояния преобразовательного моста неизбежно приводит к завышенным оценкам времени восстановления вентилей и занижению ампли­ туд токов и напряжений. Кроме того, существует ряд преобразовательных схем, в которых изменение состоя­ ния преобразовательного моста приводит к качествен­ ному изменению характеристик. Во всех этих случаях единственным надежным методом является кусочноприпасовочный метод, описанный выше.

Такие методы анализа позволили в настоящее время рассчитать классические схемы преобразователей в пе­ реходных и стационарных режимах при работе на активную и смешанную нагрузки, хотя в целом ряде случаев приходится пока говорить скорее о качествен­ ной оценке, чем о количественной.

Гл а ва пя т а я

СОВРЕМЕННЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА УПРАВЛЯЕМЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ИИОННЫХ ВЕНТИЛЯХ

11.Основные схемы преобразователей, применяемые в электротермии

В предыдущем разделе преобразователь рассматри­ вался как система, состоящая из вентильного моста, в плечи которого включены переключатели в виде клю­ чей с односторонней или двусторонней проводимостью. Рассмотрим вначале практические схемы преобразова­ телей с ключом, обладающим односторонней проводи­ мостью в каждом плече моста, и нагрузкой, присоеди­ ненной к диагонали этого моста. Частота тока в нагруз­ ке в этих схемах равна частоте коммутации. Таким образом, этот тип преобразователя представляет собой мост с включением всех , элементов схемы, по которым проходит переменный ток, в одну диагональ. Комбина­ ция этих элементов может быть самой разнообразной, но наиболее распространенной является сочетание ком-

101

Мутирующего конденсатора, включенного параллельно плп последовательно с нагрузкой (рис. 31—33).

Эти схемы подробно описаны в [Л. 3, 26, 27]. Обычно их разделяют на схемы параллельного, последователь­

лее устойчиво работает в режиме непрерывного тока, а схема последовательного—в режиме прерывистого тока.

Отличительной особенностью этих схем является наличие входного дросселя, включенного в цепь по­ стоянного тока, и конденсатора в диагонали моста. Если рассмотреть цепь, состоящую из входной индуктивности и переключающейся емкости (рис. 34), то после вклю­ чения схемы при нулевых начальных условиях система будет описываться уравнением

ный по методике, приведенной выше, будет описываться уравнением для напряжения на конденсаторе

что указывает на непрерывный рост напряжения на кон­ денсаторе, т. е. на резкое увеличение реактивной мощ­ ности системы. Это легко объясняется тем, что при очередной коммутации напряжение на конденсаторе

102

имеет обратную полярность по отношению к напряже­ нию источника питания. В результате увеличивается напряжение на индуктивности п ток в ней по сравне­ нию с предыдущим периодом.

Если в диагональ включен только резистор, то на­ пряжение на нем будет меняться по прямоугольному закону. Так как в этих схемах напряжение на коммути­ рующих приборах определяется напряжением в диаго­ нали, то обратные напряжения н, следовательно, время, необходимое для восстановления управляющих свойств прибора, становятся равными нулю. И тот н другой режим являются аварийными.

Для нормальной работы схемы необходимо все вре­ мя поддерживать правильное соотношение между актив­ ной и реактивной мощностью' в системе. Чрезмерное

индукционный нагреватель изменение параметров на­ грузки все время ' создает отклонение от номинальных режимов, практически делая невозможной работу подоб­ ных схем без сложной системы регулирования и стаби­

лизации.

Рассмотрим это подробнее на примере последова­ тельного инвертора, работающего на закалочное уст­ ройство. Расчет произведен для схемы рис. 33. При частоте 2 500 гц были экспериментально получены кри­ вые изменения параметров системы индуктор — деталь для различных удельных мощностей от 0,25 до 1,0 квт/см2. Физическая природа изменения параметров была по­ дробно изложена в § 3. Наиболее сильное изменение параметров происходит при мощности 0,25 квт/см2, наи­ меньшее— при 1 квт/см2(Л. 28].

Контур, содержащий индуктор (L, г) п компенси­ рующую его емкость, представляет собой сопротивление

Если контур настроить на параметры, соответствую­ щие конечной точке нагрева, то его сопротивление ха­ рактеризуется кривыми, изображенными на рис. 35, полученными в результате эксперимента. Расчет пре­ образователя проведен по методике [Л. 27], которая

103

П)

Рис. 35. Изменение активного и реактивного сопротивлении контура, составленного из индукционного нагревателя и компенсирующей его емкости для разных значений удельной

мощности, передаваемой в ферромагнитную де­ таль.

а — активное сопротивление индуктора; б — индук­ тивность индуктора; о—активное сопротивление экви­ валентного контура; г — реактивное сопротивление эквивалентного контура.

J 04

заключается в пересчете цепи, включенной в коммути­ рующую диагональ, по первой гармонике выходной ча­ стоты в последовательное соединение эквивалентных R0 и Хэ. Строго говоря, данным приемом можно пользо­ ваться только вдали от полюсов частотной характери­ стики цепи, но качественный характер результатов до­ статочно близок к экспериментальным.

Рис. 36. Изменение режима преобразователя при нагреве ферромагнитной заготовки при удельной мощности 0,25 квт/с.и2 н частоте тока 2 500 гц.

Характер изменения токов гг напряжений преобра­ зователя в процессе нагрева определяется в значитель­ ной степени двумя факторами: конкретным характером изменения параметров нагрузки и выбором компенси­ рующей емкости нагревательного контура на ту или иную стадию нагрева. В приведенных ниже примерах наименьшая емкостная расстройка выбирается в горя­ чем режиме. Следует отметить, что при использовании данной методики нагревательный контур все время дол­ жен работать с емкостной реакцией.

дующие: угол проводимости вентилей 163°, коэффициент нагрузки D = (oC/?=0,45, частотный коэффициент F —

105

1,7 раза. При большей удельной мощности происходит менее резкое изменение выходных напряжений и токов, время запирания меняется на 20% (рис. 37).

Рис. 37. Изменение режима преобразователя при нагреве детали с удельной мощностью 1 квт/см2.

Режим постоянства мощности, подводимой к нагруз­ ке, благоприятен для целого ряда технологических про­ цессов. Например, для закалки целого ряда деталей требуется применять ступенчатый нагрев, когда мощ­ ность в течение заданных интервалов остается постоян­ ной [Л. 30]. Режим с постоянством мощности выгоден в плавильных печах. В случае постоянства мощности время запирания меняется в 1,3—1,5 раза, а напряже­ ние на вентилях примерно на 20%. Для поддержания мощности необходимо осуществлять регулирование ча­ стоты на 10—15% (рис. 38, 39) [Л. 29].

В некоторых схемах преобразователей применяется режим постоянства времени, в течение которого вентиль находится под обратным напряжением. Как видно из рис. 40, режим с % = const приводит к сильному измене­ нию напряжения на вентилях (при больших значениях t0

106

эти изменения увеличиваются). На рис. 41 показаны необходимые изменения частоты для достижения режи­ мов с /0 = const и Pd = const. Приведенные результаты позволяют сделать выводы, что изменения параметров

Рис. 38. Изменение режима преобразователя в случае постоянной выходной мощности и малой удельной мощ­ ности (р=0,25 квт/см2), передаваемой в деталь, при из­ менении частоты.

Рис. 39. Изменение режима преобразователя в случае постоянной выходной мощности п малой удельной мощ­ ности (р0= 1 квт/см2), передаваемой в деталь при изме­ нении частоты.

107

изделия при закалке с со = const без специального регу­ лирования приведут к значительным изменениям как времени запирания (до 50% )> так п напряжения на вентилях (в 1,7—2 раза).

Рис. 40. Изменение режима последовательного преобра­ зователя при /о = const, удельной мощности 1 кет/см'1 и

ш = \-аг.

Аналогичная картина имеет место и в случае пре­ образователя параллельного п последовательно-парал­

108

мутирующего элемента использован ключ с двусто­ ронней проводимостью. Классическим примером яв­ ляется резонансный инвертор (рис. 32). Как известно, схема может работать в двух режимах: с коммутацией тока с обратных вентилей на прямые и без нее. Схема характеризуется ограниченным напряжением на венти­ лях, однако при большой его скорости нарастания. Кроме того, обязательным является включение последо­

ществления этого необходимо, чтобы между источником постоянного напряжения и нагрузкой осуществляли за­ мкнутые контуры, включаемые нелинейными элементами

при перегрузке по мощности.

Одним из вариантов, где осуществлен этот принцип, является схема с обратными вентилями и удвоением частоты, рассматриваемая ниже. Работы по исследова­ н и ю этой схемы проводились в ЛЭТИ им. В. И. Улья-

109

нова (Ленина), во ВНИИТВЧ им. проф. В. П. Вологди­ на п в Уфимском авиационном институте им. С. Орджо­ никидзе [Л. 32, 33].

12.Анализ схем статических преобразователей

судвоением выходной частоты и встречно­ параллельными вентилями

Впредыдущем параграфе был сформулирован основ­ ной принцип работы схемы источника питания техноло­ гических устройств, который должен соблюдаться при составлении схем инвертора. В частности преобразова­

тель приобретает U'-образную входную характеристику и не имеет аварийных режимов при холостом ходе или коротком замыкании при использовании схемы с удвое­ нием частоты и встречными вентилями (рис. 43).

^ ^d

Рис. 43. Принципиальные схемы инвертора с удвоением частоты и обратными вентилями.

Рассмотрим принцип действия этой схемы. Для про­ стоты будем считать, что преобразователь питается от выпрямителя с бесконечно большой индуктивностью, обеспечивающей постоянство тока. Нагрузка преобра­ зователя активная. Схема представляет собой мост, в одной диагонали которого включен коммутирующий контур LK—Ск, собственная частота которого больше

ПО