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

где k = $[it/ig ф — l)]-1; напряжения нормированы отно­ сительно E, токи — относительно Ет\Ск.

При переходе к системе уравнений, описывающих состояние проводимости двух плеч моста или состояние непроводимости вентильного моста из системы (266), исключаются соответственно ток i-z или токи г'ь h и на­ пряжение ык. Условия переключения для новых перемен­ ных состояния: переход к паузе тока моста — ii(t)=0, dil/dt>0-, обратный переход возможен при uBi(t)=0',

Рис. 56. Диаграмма токов преобразователя при пуске; вентили включаются через пол­ периода после включения анодного напря­ жения, параметры схемы «о—2,3; Р=2.0;

6Л=0,1.

132

двух плеч iz(t)=0, di2ldt>0. Кроме того, существует гра­ ница переключения, соответствующая включению управ­ ляемого вентиля импульсами управления. Эта граница переключения соответствует t= nT/2= n(n= 0, 1, 2, 3...),

й(п)=0.

При переходе от одного состояния преобразователь­ ного моста к другому остающиеся переменные состоя­ ния непрерывны на основании законов коммутации. Исключаемые переменные и их производные могут ме­ няться скачком, кроме того, на границах полупериодов

—ык(«—0) =«к(п + 0); ii(n—0) =k(n+Q).

На рис. 56,57 представлены два интересных случая пе­ реходного процесса. В первом случае (рис. 56) пуск осуще­ ствляется следующим образом: в момент t= 0 включается анодное напряжение, а спустя полпериода задающей час-

Рнс. 57. Диаг.ралша токов преобразователя при пуске; разделительная емкость заряже­ на; параметры схемы я0=2,3; £л=0,25; р=

= 2,0.

тоты на один из вентилей приходит управляющий импульс. Учитывая малую длительность управляющих импульсов, такой пуск является весьма вероятным. Как видно из кривых входного тока id, тока вентильной ячейки ii и тока диода 4, к моменту появления управляющего им­

1 3 3

пульса в схеме имеются уже не нулевые начальные ус­ ловия /<г>0, ир>0.

В 'первый полупериод работы вентилей (второй от момента включения источника) ток вентильной ячейки не меняет знака и время дли восстановления управляе­ мости прямого вентиля предоставляется в третьем полупериоде за счет затянувшейся коммутации. Время вос-

Рис. 58. Изменение мощностей, потребляемых от источника (P,i) и передаваемых в нагрузку (Р в) во время пуска преобразователя; па­ раметры схемы; л 0= 2 ,0 ; Э = 2 ,0 ; Л л = 0,05; а = 1 ,8 .

становления колеблется сравнительно слабо, а общая огибающая переходного процесса монотонная (&л=0,1,

• Э = 2,0, л0=2,3, а— 2,5).

Таким образом, в данном случае мы имеем устойчи­ вый пуск, хотя в первый полупериод схема не обеспе­ чивает времени восстановления.

На рис. 57 представлен переходный процесс при ма­

тура). Как видно, при очень большой, как и при малой, нагрузке входной ток носит пульсирующий характер и, начиная с третьего полупериода, может изменить свой знак. Это произойдет в том случае, если на выходе вы­ прямителя имеется емкостный фильтр большой величи­ ны. Без этого фильтра процессы на некоторых времен­ ных интервалах будут определяться только собственным затуханием системы. Очевидно, что при этом, так же как л при наличии фильтра, время восстановления будет ме­ няться незначительно. При наличии фильтра общий характер огибающей переходного процесса колебатель-

134

ный, при отсутствии фильтровой емкости колебания оги­ бающей уменьшаются, так как нет циркуляции энергии между источником и преобразователем.

При сбросах и набросах нагрузки наряду с характе­ ром изменения амплитуд напряжения на вентиле, вре­ мени восстановления и т. д. большой интерес представля­ ет общий вид переходного процесса.

На рис. 58 представлены огибающие переходного процесса для двух величин: мощности, потребляемой от источника,

т_

p d = -у-J2 Ekdt

О

и мощности, передаваемой в нагрузку,

JL

2

Р н — ^ ipUfidt,

о

В левой части рис. 58 изображен характер изменения этих величин во времени в процессе пуска преобразова­ теля с параметрами По=2,0, |3=2,0, Ал= 0,05; а=1,8 (данное затухание соответствует оптимальному режиму работы при минимальном RBx). Как видно, в начале поступающая от источника энергия опережает расходуе­ мую, так как часть ее запасается в реактивных элемен­ тах. К концу переходного процесса эти энергии сравни­ ваются. ‘В данном случае критерием установившегося режима было:

| Рd—pii\/p d<.£-

После установления режима скачком в момент вре­ мени t=nT/2 (п — целое) менялось затухание. Рассмат­ ривались два случая: рост затухания с а — 1,8 до а=3,6, уменьшение затухания с а= 1,8 до а = 0,9. Оба эти режи­ ма соответствуют большему R Bx, чем исходный. В обоих случаях мощность, потребляемая от источника, сначала растет, а потом монотонно падает. Мощность, отдавае­ мая в нагрузку, меняется по иному колебательному за­ кону, причем эти колебания по фазе отстают от колеба­ ний входной мощности, так как вначале резко увеличи­ вается запас энергии в реактивных элементах.

135

На характер переходного процесса' сильно влияют величина входного дросселя и запасенная в нем энергия, с ростом дросселя колебательный характер огибающей' выявляется резче. Различный характер огибающих вход­ ной мощности и мощности, отдаваемой в нагрузку, в пе­ реходном процессе определяется нелинейной природой преобразователя частоты, и его необходимо учитывать при разработке системы регулирования.

13. Промышленные установки со статическими преобразователями частоты

В настоящее время одним из наиболее перспективных управ­ ляемых вентилей с односторонней проводимостью является тиристор. При соблюдении номинальных режимов он имеет практически не­ ограниченный срок службы. Тиристоры обеспечивают мгновенную готовность схемы для включения, что делает их весьма перспектив­ ными в системах, требующих быстрой реакции на возмущение. Без­ условно, эти преимущества являются весьма существенными и при улучшении качества современных тиристоров они обеспечат данному типу приборов доминирующее значение в силовых схемах с коммутирующими элементами. Описание тиристоров и схем управ­ ления ими достаточно подробно освещено в [Л. 35].

К сожалению, данные тиристоров, выпускаемых в настоящее время, не позволяют создать инверторы на весь спектр звуковых частот и мощностей. Для создания преобразователей большой мощ­ ности необходимы мощные высокочастотные тиристоры, позволяю­ щие создать на четырех вентилях преобразовательную ячейку на мощность не менее 100 кет в диапазоне частот до 2,5 кгц. Поэтому в настоящее время большое внимание по-прежнему обращается на применение ионных вентилей, имеющих большую перегрузочную способность. К таким вентилям относятся игнитрон (ИПЧ-300), разработанный ВЭИ, и экситрон (Э1-150/7А). В данной работе затронуты схемы, которые могут быть выполнены при использова­ нии любого типа вентиля. Однако конкретные разработки большин­ ства новых схем были сделаны на существующих типах ионных вентилей.

В настоящее время имеется несколько разработок статических преобразователен, уже освоенных промышленностью. Среди первых разработок в СССР следует упомянуть преобразователь, разрабо­ танный во Всесоюзном электротехническом институте им. В. И. Ле­ нина. Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 59. Преобразователь выполнен по параллельной схеме инвер­ тора тока. В установку входят два инвертора по 700 кет с частотой 1 000 гц. Схема имеет независимое возбуждение, в качестве комму­ тирующих приборов используются двуханодиые игнитроны ИПЧ-6 и внутреннее звено однотактного трехфазного выпрямителя. Каж­ дая пара вентилей работает 1/3 периода промышленной частоты. Регулируя начало подачи напряжения на сетки игнитронов, можно осуществлять регулирование мощности инвертора. Для получения приемлемого коэффициента искажения от сети происходит одно­ временное питание двух инверторов, внутреннее выпрямление кото­ рых может происходить по шестифазной схеме с уравнительным

136

к - 7 5 0 8

Рис. 60. Принципиальная схема преобразователя мощностью 630 кет, 1 000 гц.

1 3 7

реактором. Специальное устройство обеспечивает пуск инвертора, ибо при больших дросселях (т. е. в наиболее выгодном режиме) пуск преобразователя является неустойчивым [Л. 6]. Недостатками такого инвертора являются невозможность использования его в си­ стеме централизованного питания, а также большой уровень иска­ жений потребляемого тока при регулировании.

Статический преобразователь на тиристорах Таллинского элек­ тротехнического завода им. Калинина предназначен для питания нагревательных постов (рис. 60). Силовая часть преобразователя является классическим параллельным инвертором. Преобразователь­ ный .мост имеет 120 тиристоров типа ТЛ-2-150 по 30 штук в плече (10 параллельных цепочек по 3 последовательно соединенных ти­ ристоров). Вследствие чувствительности к изменению нагрузки за- водом-изготовителем тщательно отработана система управления ин­ вертором и выпрямителем. В схеме предусмотрена система слеже­ ния за временем, предоставляемым вентилю на запирание при изменении сопротивления нагрузки. При этом происходит непрерыв­ ное изменение частоты. Если такое изменение частоты связано с увеличением напряжения на элементах схемы, то автоматически происходит уменьшение выпрямленного напряжения. Система может работать только при индивидуальном питании и не работает в схе­ мах централизованного питания, т. е. работа на несколько постов

тель представляет собой источник питания индукционных установок, собранный по схеме с удвоением частоты и встречными вентилями, подробно описанный в предыдущей главе. Широко распространен­ ное требование на частотах порядка 1 000 гц — иметь источники с выходной мощностью порядка 500— 1500 кет— заставило спроек­ тировать преобразователь в виде двух блоков по 800 кет. Установка получает питание от сети с напряжением (10—6) кв, что обеспечи­ вает стабильность питающего напряжения.

Установка питается от трехфазной сети через силовой транс­ форматор мощностью 1 850 кв •а, собранный по шестифазной схеме с уравнительным реактором. В целях унификации выпрямитель со­ бран па тех же экситронах Э1-150-7А, что и инверторная схема. Выпрямитель имеет шестифазную схему выпрямления на напряже­ нии 3 300 в и обеспечивает постоянный ток до 500 а. Для защиты установки и точной стабилизации выходного напряжения выпрями­ тель сделан регулируемым. На сетки экситронов выпрямителя через диоды подаются импульсы от сеточных трансформаторов. Цепь с диодами обратной полярности пропускает ток во время деиониза­ ции и служит источником постоянного смещения.

Формирование и регулирование сеточных импульсов происхо­ дит в блоке регулирования и стабилизации анодного напряжения. Эти импульсы усиливаются тиристорным усилителем. В анодные цепи этих тиристоров включены обмотки сеточных трансформаторов. При подаче импульса на управляющий электрод тиристоров пред­ варительно заряженные емкости разряжаются, и импульс разряд­ ного тока трансформируется на сетки экситронов. Защита построена на принципе прекращения подачи управляющих сигналов, что дости­ гается включением тиристора защиты. У этого тиристора управляю­

139

щий электрод находится под разностью сигналов опорного выпря­ мителя и датчика защиты. При подаче сигнала от датчика защиты тиристор открывается и закорачивается весь блок формирования и подачи импульсов. Реле защиты отключает питание сеточной цепи выпрямителя, кроме цепи смещения.

От выпрямителя питание поступает на два блока инверторов, собранных на экситронах Э1-150/7А в качестве управляемых вен­ тилей и кремниевых диодах ПВКЛ-200/6, которые образуют выпря­ митель обратного тока. В плече моста включаются 14 диодов, кото­ рые шунтируются резисторами н 7?С-цепочками. Батарея коммути­ рующего контура набрана из конденсаторов ЭСВ 750-0,5 (33 мкф) на напряжение 4,5 ко. Для возможности подстройки режима часть емкости может подключаться и отключаться контакторами.

Разделительная емкость выполнена из конденсаторов ЭСВ 1000-1. В плечи моста включены коммутирующие индуктивности в виде спиральных катушек из алюминиевой шины с индуктивностью

ных нужд. Блок собственных нужд включает в себя выпрямитель дежурного анода (10 в, 12 о), собранный на диодах ВК-2-10, и цепь поджигателя, обеспечивающую периодическую подачу поджигающих импульсов от накопительной емкости. На управляющие сетки экси­ трона инвертора от задающего генератора подаются прямоугольные

подано напряжение смещения от выпрямителя с ^С-фнльтром. Цепи подачи импульса тока и тока деионизации разделены специальными диодами. Охлаждение экситронов происходит от теплообменника

тель. Прежде всего рассмотрим общий ход кривых, представляю­ щих внешние характеристики при нагрузке в виде нагревателя для термообработки стальных изделий. Для этого приведем данные, полученные при нагреве детали на частоте в диапазоне 2 200— 2 500 гц от статического преобразователя, собранного по рассматри­

При работе инвертора следует определить рациональность того или иного режима преобразователя при включении его на нагре­ ватель. Если данная схема малочувствительна к изменению пара­ метров нагрузки, то режим можно выбирать, исходя из технологи­ ческих требований. Например, распространенным является мнение, что при закалке лучше всего режим ступенчатого изменения мощ­ ности, для целого ряда технологических процессов требуется посто­ янная мощность и т. д. Исходя из этого, следует выбрать лучший из возможных вариантов.

Какие же это варианты? Они определяются настройкой нагруз­ ки и выбором режима схемы инвертора. Колебательный контур с индуктором может быть настроен в резонанс в горячем, холодном

140

или промежуточном режимах, т. е. инвертор может быть настроен в одном случае на индуктивно-активную нагрузку по первой гар­

жим А. Этому будет соответствовать график мощности с некоторым максимумом в зоне промежуточного режима (кривая 3). Если на­ стройку произвести в промежуточном режиме, то мощность будет монотонно возрастать и после достижения промежуточного режима остается постоянной (кривая 4).

Уже предварительное рассмотрение показывает, что настройка контура в холодном или промежуточном режимах обеспечивает благоприятное распределение мощности при питании от установки периодического кузнечного нагревателя. Однако при этом не нужно забывать, что при больших изменениях параметров нагрузки, как это, например, имеет место в индукционных печах, увеличивается разброс мощности, вследствие чего целесообразно прибегнуть при индивидуальном питании к изменению частоты. Изменение частоты желательно вести таким образом, чтобы после включения частота несколько повышалась, достигая значения, соответствующего настро­ енному контуру в промежуточном режиме. Это обеспечит равномер­ ную подачу мощности в деталь. Обычно изменение частоты доста­ точно произвести в пределах 10—15%.

При работе на методический нагреватель, т. е. на постоянную нагрузку, нужно исходить из оптимальной работы вентилей и ми­ нимума реактивной мощности конденсаторных батарей. Как уже указывалось выше, оба эти требования соблюдаются при значениях затухания, соответствующих границе режимов N п А, причем 'рабо­ чую точку целесообразно сместить в режим А. Выбор режима пре­ рывистого или непрерывного тока зависит от того, какой элемент схемы желательно поставить в более легкие условия работы. При меньших значениях собственной частоты П\ разгружаются вентили, а при больших — коммутирующие конденсаторы, увеличение же ко­ эффициента включения емкостей $ приводит к разгрузке обоих этих элементов.

141