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

Г л а в а ш е с т а я

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

14. Параллельная работа с фазовым регулированием (основные положения)

В предыдущих параграфах рассматривались случаи индивидуального питания индукционных нагреватель­ ных установок от статического преобразователя. Его режим в этом случае выбирается в соответствии с кон­ кретными технологическими задачами. Однако в целом ряде случаев необходимо применять питание нескольких индукционных устройств от одного источника питания. Это особенно целесообразно делать тогда, когда мощ­ ность нагрузки много меньше мощности преобразовате­ ля, что часто встречается на практике. При наличии большого числа потребителей, чья индивидуальная мощ­ ность заметно меньше мощности единицы источника пи­ тания, необходимо применение централизованного пи­ тания.

Схемы централизованного питания нашли в настоя­ щее время широкое применение при создании мощных высокочастотных станций с электромашиниыми вращаю­ щимися преобразователями. Экономия в капитальных затратах, уменьшение числа преобразователей при ра­ зумно организованном технологическом процессе можег достичь 30—40% стоимости всей станции. Существенно облегчаются резервирование, уход за оборудованием

ит. д.

Кнекоторым недостаткам централизованного питания следует отнести усложнение кабельной разводки от гене­

раторной подстанции к натревалям и усложнение инди­ видуальной подстройки нагревателя. Первая трудность может быть в значительной степени облегчена рацио­ нальным проектированием кузнечного цеха и повыше­ нием качества высокочастотных кабелей. Второе обстоя­ тельство—трудность индивидуальной подстройки нагре­ вателя— является временным, так как связано с отсут­ ствием регуляторов тока повышенной частоты. В то же время возможности тиристорной техники позволяют сегодня создать регуляторы тока повышенной частоты, работающие с фазовым или широтно-импульсным мето­ дом регулирования.

142

Опыт эксплуатации преобразовательных подстанций на вращающихся электромашинных преобразователях с централизованным питанием нагревателей подтвердил преимущества этого способа. Особенно эффективно при­ менение в таких системах источников энергии с малыми потерями холостого хода.

Из рис. 30 следует, что характерной чертой эксплуа­ тационных режимов систем централизованного питания является резко неравномерная загрузка систем по мощ­ ности. Экспериментальные данные с различных пред­ приятий ‘говорят о том, что нагрузка может меняться несколько раз в течение нескольких минут. Подобного рода неравномерная загрузка при использовании в каче­ стве источников питания вращающихся электромашин­ ных преобразователей приводит к значительному увели­ чению расхода электроэнергии, который может достичь 700—800 квт-ч на тонну нагреваемого металла под ков­ ку. Это объясняется существенной зависимостью к. п. д. электромашинного преобразователя от нагрузки и невоз­ можностью частых включений вращающихся преобразо­ вателей.

Применение в системах централизованного питания в качестве источников энергии статических преобразова­ телей, к. п. д. которых превышает 90% и практически не зависит от нагрузки, может принести ощутимый эконо­ мический эффект, несмотря на дешевую для ряда райо­ нов страны электроэнергию. Например, для высокоча­

тических преобразователях частоты связано с решением основного вопроса о параллельной работе нескольких преобразователей на резкопеременную нагрузку и выбо­ ром метода воздействия на режим как всех преобразова­ телей вместе, так и каждого в отдельности. Выбранный

го или иного преобразователя; в) возможность измене­ ния мощности всей группы параллельно работающих преобразователей; г) стабилизацию напряжения на об­ щих шинах, от которых питаются нагреватели; д) стаби­ лизацию выходной частоты. С точки зрения выполнения

143

этих задач оценим возможные способы регулирования. Если не останавливаться на ступенчатом регулирова­ нии элементов схемы преобразователей, что требует раз­ работки специальной аппаратуры и не может обеспечить плавного регулирования, то для статических преобразо­ вателей частоты можно предложить следующие способы

регулирования:

1)регулирование выходной частоты;

2)фазовое регулирование напряжения выпрямителя, питающего преобразователь, или угла управления по частоте 50 гц для преобразователей с неявно выражен­ ным звеном постоянного тока;

3)широтно-импульсное регулирование напряжения

выпрямителя;

4)регулирование балластными индуктивностями на стороне переменного напряжения;

5)регулирование на стороне переменного напряже­ ния за счет сдвига фаз между параллельно работающи­ ми преобразователями.

К оценке недостатков и преимуществ указанных спо­ собов регулирования следует подходить с учетом сле­ дующих факторов: капитальных затрат, обеспечения тех­ нологических требований, устойчивости статических пре­ образователей при выбранном способе регулирования. Естественно, что принятый способ регулирования не дол­ жен отразиться на к. п. д. системы.

Возможность плавного регулирования режима за счет изменения выходной частоты преобразователя не может рассматриваться в системах централизованного питания. Известно, что при небольших изменениях частоты пара­ метры индуктора в первом приближении зависят от ча­ стоты следующим образом:

Я инд^К /; •^инд= f•

Следовательно, можно считать, что ток индуктора

Л ш д = 1 / / ,

а мощность

Ашд--- /„нд ^инд — f -1,5

Мощность индуктора при неизменной производитель­ ности в первом приближении линейно связана с темпе­ ратурой в конце нагрева. Отсюда, учитывая, что для обычных углеродистых сталей допустимый температур-

144

ный разброс 'перед 'пластической деформацией состав­ ляет 4,2% (I 150—1250 °С), допустимое частотное откло­ нение, обеспечивающее нужный технологический резуль­ тат, составляет всего ±2,5%. 'Подобное изменение ча­ стоты ни в .коем случае не может обеспечить устойчи­ вость работы преобразователя на переменную нагрузку общих шин, которая может меняться в 2—3 раза.

Так как параметры индукторов зависят от частоты по-разному для разных типов 'индукторов, то большее изменение 'частоты недопустимо, ибо приведет к неповто­ ряемое™ технологических результатов. Таким образом, если не рассматривать случай синхронной работы одно­ типных индукторов, изменение частоты не 'может быть использовано в качестве регулирующего фактора при пи­ тании нескольких нагрузок.

Фазовое регулирование выпрямителя (или регулиро-

-ванне на частоте 50 гц в случае преобразователя с неяв­ но выраженным звеном выпрямления) позволяет хорошо выполнить технологические требования, но обладает и существенными недостатка'ми.

Во-первых, резко ухудшается гармонический состав тока, потребляемого преобразователем от сети 50 гц. Во-вторых, падает cos <р преобразователя. В-третьих, воз­ растает мощность короткого замыкания сети. Известно [Л. 36], что для случая шестифазных выпрямителей с глу­ боким регулированием отношение .мощности короткого замыкания к мощности постоянного тока

где у —минимальный угол коммутации, получаем соотношение Рня/Рап—18,6, т. е. мощность короткого замы­ кания сети может быть уменьшена почти вдвое, так как

угол коммутации монотонно падает с ростом угла регу­ лирования.

Значительных капитальных затрат требует не только создание более мощных сетей, но и компенсация реактив­ ной мощности с помощью конденсаторной батареи на сетевой стороне выпрямительного трансформатора. Счи­ тая, что напряжение питания необходимо изменять в пределах от 0,75 Ed до Ed, a cos сриа первичной сторо­ не не должен быть меньше 0,92, можно определить реак­ тивную мощность конденсаторной батареи. Для преоб­ разовательной подстанции на 10 000 кет необходима ком­

4 до 6 руб. капитальные затраты на батарею составят 22,5 тыс. руб. Кроме того, следует предусмотреть спе­ циальные меры, предотвращающие перегрузку этих кон­ денсаторов по гармоникам.

При широтно-импульсном регулировании напряжения питания преобразователя, как это сделано в фирме «ЕПп» (Австрия), широтно-импульсные регуляторы долж­ ны содержать комплект вентилей, рассчитанных на пол­ ную мощность преобразователей н большое количество накопительных конденсаторных батарей, причем если задачи плавного регулирования выходного напряжения и выравнивания мощности между преобразователями могут легко быть решены за счет регулирования напря­ жения питания преобразователя, то задача плавного ввода и вывода работающего преобразователя без от­ ключения от шин переменного тока остается по-прежпе- му сложной и неисследованной.

Еще меньшей гибкостью обладает способ регулиро­ вания, связанный с включением балластных реактивных контуров на общих шинах переменного тока. Так как регулируется только общая нагрузка на стороне пере­ менного тока, распределение мощности между отдель­ ными, параллельно включенными, преобразователями, а также их плавный ввод и вывод остаются совершенно нерешенными вопросами. Кроме того, включение мощ­ ных балластных контуров связано с дополнительными потерями в контурах. Таким образом, при создании стан­ ции 'больших мощностей, состоящих из параллельно ра­ ботающих преобразователей, приходится отказаться от схем, в которых регулирование осуществляется воздей­ ствием на входное напряжение, ибо это связано либо

146

с созданием громоздких схем шпротно-импульсного -регу­ лирования, либо с применением зарегулированных вы­ прямителей большой мощности, искажающих напряже­ ние в сети и в конечном счете уменьшающих к. п. д. преобразователя.

Вопрос может быть решен, если использовать такие преобразователи, которые допускали бы регулирование за счет сдвига фаз -между основными гармониками вы­ ходной частоты параллельно работающих преобразова­ телей. При этом способе представляется возможным осуществить плавный ввод и вывод одного преобразова­ теля. или даже целой группы во -время работы -станции, если .количество потребителей изменилось в ту или иную сторону.

Этот .метод можно назвать фазовым регулированием на стороне повышенной частоты -переменного тока, имея в виду фазу первых гармоник то-ка, отдаваемого преоб­ разователями. В действительности ток, отдаваемый пре­ образователем -в нагрузку, может быть далек от синусои­ дального, а временной сдвиг задающих импульсов не равен сдвигу первых -гармоник.

Применение фазо-вого регулирования возможно как при последовательной, так и при параллельной -работе нескольких преобразователей на одну общую нагрузку. Исследованию фазового регулирования при последова­ тельном включении преобразователей на стороне повы­ шенной частоты посвящено небольшое число работ [Л. 39], -из которых очевидно, -что данная система наибо­ лее употребительна при питании индивидуальных на­ грузок стабилизированным или регулируемым по задан­ ной программе напряжением.

Несмотря на то, что -последовательное соединение преобразователей с переменным -временным сдвигом между управляющими импульсами дает относительно гибкий способ регулирования, в системах большой мощ­ ности параллельное включение преобразователей -более предпочтительно. Параллельное включение, во-первых, предъявляет менее жесткие требования -к надежности каждого из преобразователей, во-вторых, позволяет пла-вн-о подключать преобразователь малой мощности к системе общих шин переменного тока и перераспреде­ лять нагрузку между .преобразователями. -Последнее особенно важно, так -как позволяет -комплектовать гене­ раторные станции из ячеек любой мощности.

~500-2Шгц

Рис. 63. Структурная схема па^ раллельно работающих СПЧ.

сз —общая схема; б — с питанием от одного выпрямителя и общим дросселем; в — с питанном от одно­

го выпрямителя с раздельными дросселям и.

148

Остановимся более подробно на параллельной работе Иескольк'нх преобразователен с фазовым регулировани­ ем. Структурная схема двух преобразователей П 1 и П2, питающихся от выпрямителей В1 и В2, представлена на рпс. 63. Когда йа вентили, включенные в преобразова­ тельные '.мосты, управляющие импульсы подаются одно­ временно и параметры схем преобразователей одинако­ вы, два преобразователя можно рассматривать как один, но вдвое более мощный. Совсем иное положение возни­ кает, когда импульсы, отпирающие управляемые вентили, приходят на преобразовательные мосты в различные моменты времени. В данном случае система, содержа­ щая два преобразователя и нагрузку, должна рассмат­ риваться как единая кусочно-линейная система в фазо­

вом пространстве (2п+1) измерений, где п — наивысший порядок матрицы линейной цепи одного преобразовате­ ля. Количество интервалов линейности, на которые раз­ бивается период колебаний в этом случае может быть иным, чем у одного преобразователя. Матричная фор­ мулировка метода лрипасовывания, приведенная в § 10, полностью распространяется на данный случай.

Исследование периодических режимов двух или бо­ лее преобразователей, работающих с фазовым сдвигом, значительно усложняется не только благодаря количест­ венному росту порядка системы и числа интервалов ли­ нейности, но и благодаря 'возможности появления вре­ менных интервалов, внутри которых разные вентильные мосты находятся в различных состояниях.

Для того чтобы качественно проанализировать воз­ никающие периодические режимы, воспользуемся мето­ дом фазовых плоскостей, наглядно иллюстрирующим возможность возникновения периодических режимов в системах второго порядка. Устойчивые колебательные процессы изображаются замкнутыми кривыми на фазо­ вой плоскости. В системах выше второго порядка фазо­ вая плоскость превращается в гиперплоскость и все пре­ имущества наглядного рассмотрения плоской кривой теряются; для систем второго порядка этот метод разра­ ботан в [Л. 37].

Наиболее простая схема преобразователя — автоном­ ный параллельный инвертор, нагруженный на ЯС-цепоч- ку, в случае допущения о бесконечности входного дрос­ селя описывается уравнением первого порядка

149

ставлен на рнс. 64. Так как инвертор представляет ку­ сочно-линейную систему, то и фазовый портрет склады­ вается из участков траек­

той нормировке площадь, ограниченная осью X и прямой АВ, пропорциональна напряжению источника питания Ed (коэффициент пропорциональности зависит только от параметра k). Замкнутая кривая АВСДА представляет собой периодический цикл, отображающий колебатель­ ные. процессы в параллельном инверторе. Движение про­ исходит по направлению к центрам равновесия, равным

± 1.

При тех же допущениях (бесконечный входной реак­ тор, мгновенная 'коммутация) рассмотрим вопрос о па­ раллельной работе двух преобразователей с фазовым сдвигом. Допустим, что возможна работа системы пре­ образователей согласно рис. 65. Работа двух преобразо­ вателей от одного источника невозможна из-за корот­ кого замыкания источника. В этом случае, приняв ток одного из источников за 1—а, а другого за а, можно со­ ставить для интервала «противофазной» работы 0—ср и

150