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

короткого замыкания (режим N — без горения обратного диода неработающего плеча), а другой—к режиму холо­ стого хода (интервал горения обратного диода увеличи­

двумя преобразователями, падает приблизительно на 25%. Этот случай позволяет говорить о возможности применения фазового регулирования для управления мощностью параллельно работающих преобразователей. При введении фазового сдвига максимальное напряже­ ние на вентилях практически не меняется, а времена восстановления начинают расти, причем для отстающего преобразователя, приближающегося к режиму холостого хода, оно при ф —0,04 вырастает скачком от %=0,4 до ^о=0,8. Амплитуды токов через прямые и обратные вен­ тили при этом вырастают на 10—15%. Таким образом, во всем диапазоне регулирования фазы гарантируется устойчивая и надежная работа вентильных ячеек.

На рис. 70 представлены зависимости мощности от угла фазового сдвига в том случае, когда рассмотрен-

162

ные выше преобразователи работают на расстроенный

мощность меняется опало, а.мощности отдельных нреоб-- разователен изменяются чрезвычайно резко. Опережаю­ щий преобразователь ’переходит в 'выпрямительный ре­ жим, причем максимум мощности, передаваемой им в от­ стающий преобразователь при ср = 0,16, равен потребля­ емой мощности при ср —0. Отстающий же преобразова­ тель загружается до номинального значения. При индук­ тивной расстройке преобразователи равномерно раз­ гружаются.

Рис. 70. Зависимость мощности, отда­ ваемой преобразователями от угла фазо­ вого сдвига для опережающего и отстаю­ щего преобразователей при индуктивной и емкостной расстройке.

На рис. 71 представлены характеристики той же си­ стемы преобразователей (n0i=/io2 = 1,8; (3i= (32 = 2; и„=

—2,0; coscpn=0,2) при введении фазового регулирова­ ния, но при &1,=0,075,т. е. при смещении исходной рабо­ чей точки в режим А. Как видно при введении фазового сдвига до углов ф'=0,07, опережающей преобразователь загружается, так как он приближается к режиму корот­ кого замыкания, проходя при этом через точку но величина его Л%тис не больше, чем в предыдущем

режиме. Отстающий .преобразователь монотонно разгру­ жается. 'При этом мощность системы из двух преобразо­ вателей, а значит, и выходное напряжение остаются при-

мерно постоянными. Этот случай является характерным для фазового управления преобразователями, работаю­ щими в системе централизованного питания, так как по­ зволяет вводить и выводить один из преобразователей при уровне мощности, вдвое и более меньшем номиналь­ ного. Опережающий преобразователь переходит в непре­ рывный режим, а максимум обратного тока у него все время падает. Максимальное напряжение на вентиле при

Рис. 71. Зависимость мощности опережаю­ щего (Pi) и отстающего (Л>) преобразова­

телен от угла фазового сдвига.

до 0,21, а у опережающего, т. е. берущего на себя на­ грузку, возрастает монотонно до ср = 0,04, а затем увели­ чивается скачком.

Представляет интерес случай параллельной работы двух преобразователей разной мощности. На рис. 72 представлены кривые изменения '.мощности двух преоб­ разователей, отличающихся по мощности в 5 раз для случая отсутствия маломощного преобразователя по фа­ зе (ср>0) и для случая опережения (ф<0). Как видно, в случае отставания маломощный преобразователь моно­ тонно разгружается, в случае же опережения он может сначала загрузиться на 25—30% при <р>=—0,03 и затем резко разгружается. Это вызвано тем, что исходная точ­ ка выбрана в режиме с прерывистым током и больш'И'М вторым интервалом проводимости обратного диода, т. е.

164

сдвинута вправо от точки RBx.mш, отставание маломощ­ ного преобразователя соответствует его еще большей разгрузке и загрузке мощного; при опережении преоб­ разователи меняются местами. Естественно, что в по­ следнем случае суммарная мощность системы меняется мало (меняется менее 1% при сдвиге ср == 0,03); в случае опережения, т. е. загрузки маломощного преобразовате­ ля, мощность меняется значительно резче, так как каж­ дый преобразователь не перегружается (при ср = 0,1 мощность системы падает на 19%).

Рис. 72. Зависимость мощности двух преобразователен от угла фа­ зового сдвига.

Наибольший интерес представляет определение тех фазовых сдвигов, при которых преобразователь не по­ требляет мощности, и определение закона, связывающего мощность преобразователя с фазовым сдвигом. Эти зако­ номерности наиболее удобно проследить на примере одного преобразователя, работающего на мощную сеть с синусоидальным напряжением. Этот случай может при­ ближенно рассматриваться как подключение одного пре­ образователя малой мощности в параллель к преобразо­ вателю большой мощности.

Используя допущения, сделанные ранее, т. е. заменяя выпрямитель источником тока (L<i= oo), а сеть бесконеч­ ной мощности — источником напряжения и = Umsin(co^+ + ср), и пренебрегая потерями в элементах схемы, не­ трудно получить выражение для тока коммутирующего контура как сумму двух синусоидальных колебаний раз-

105

нему t' — 2tlTs (Т3 — период задающей частоты 0,5со). При малых значениях Um и в некоторой зоне фазо­

вых углов ф преобразовательный мост может находиться только в двух состояниях: проводимости двух плеч или отсутствия 'проводимости. Уравнения поверхностей пере­ ключения, позволяющие определить постоянные интег­

I'd,

Величина Id, входящая в уравнение (292), при при­ нятой нормировке равна мощности, потребляемой пре­ образователем,

Pd = IdE\

P'd= I'd

и может быть определена из условия равенства мощно­ сти, отдаваемой преобразователем в нагрузку, и мощно­ сти, потребляемой от источника постоянного тока:

Pd^Pn

0

где ток iB' определяется условием (295).

166

Величина I'd входит в (297) линейно и является в яв­ ном виде функцией параметров схемы преобразователя и интервала проводимости вентильной ячейки. Таким образом, в данном случае решение сводится к определе­ нию интервала проводимости из трансцендентного уравнения (294).

Рассмотрим решение более подробно. Прежде всего

большому росту амплитуд, так как наличие вентилей не дает развиться вынужденным колебаниям по естествен­ ному закону.

Если от =й=!со0, то в схеме все-таки возможны резонанс­ ные состояния из-за наличия тех же нелинейных элемен­

" о - 4

Для значений n,tiot— mn(m = 1,2,...) величина ампли­ туды собственных колебаний Лг-»-оо, т. е. имеем собст­ венные резонансы в нелинейной системе с вынуждающей силой. Значения параметров, определяющих эти резо­ нансы, являются бифуркационными, при которых карти­ на фазовых траекторий качественно меняет вид* (для компенсированных преобразователей постоянного тока аналогичные явления были исследованы в [Л. 42]).

Другим отличием от работы преобразователя на ак­ тивную нагрузку является наличие периодических режи­ мов при значениях Id— 0.

167

Для преобразователя .по схеме рис. 43 -режим с /([=О я-вляется тривиальным решением, соответствующим -по­ ложению равновесия. В случае работы на мощную сеть вариант е Д = 0 имеет место, т. е. ток через вентильный мост может протекать и под действием только перемен­ ного напряжения сети. В этом случае также возможны и наиболее опасные квазирезонансы.

Режим -прерывистого тока -преобразовательного мо­ ста существует во -всем диапазоне углов -временного

В случае непрерывного режима работы вентильного моста, т. е. тогда, «отда интервал между включением

0<-/< Д происходит коммутация, а при ti^.t< T/2 рабо­ тают только два плеча. Проводя преобразования, анало­ гичные тем, которые проделаны в § 12, получаем следую­ щие выражения.

Здесь, как и в режимах .прерывистого тока, возмож­ ны вынужденные -резонансы при по= 2 и периодические режимы, связанные с собственными резонанса-ми. На­ пример, если р= 2, /го = П| = П2, в решении наблюдается

168

собственное 'колебание с частотой юо, проходящее за время т = 1 —Д. Если с помощью изменения Um и ср до­ биться, чтобы я(1+Д ) = 2я, то в схеме .возникает режим собственного резонанса. Известно, что при анализе электромагнитных процессов в статических -преобразо­ вателях 1весьма часто .пренебрегают интервалом комму­ тации, считая, что количественные ошибки незначитель­ ны. В данном примере пренебрежение интервалом коммутации дает не только количественную -ошибку, но и искажает качественную картину процесса. Допустим, что коммутация мгновенна и интервал линейности жест­ ко определен, как видно из (292), единственным резо­

(как говорилось выше, наличие вентилей не дает раз­ вития вынужденному -колебанию).

Таким образом, изменяющийся интервал линейности, я-вляется -основным фактором, определяющим режим преобразователя. Естественно, что резонансные режимы в установке недопустимы. Знание количественных харачстеристик системы позволяет избежать этих режимов, с другой стороны, периодические режимы орбитно-устой­ чивы и скачки из режима в режим при малых изменени­ ях невозможны. Поэтому плавное регулирование фазо­ вого сдвига обеспечивает устойчивую работу преобразо­ вателя.

На рис. 73 представлены полученные в результате проведенного анализа зависимости нормированного

Рис. 73. Зависимость входного то­ ка инвертора, работающего на об­ щую сеть, от угла фазового сдвига.

2,4^ср^4,8 преобразователь работает в генераторном режиме, отдавая мощность в сеть. При фазовых сдвигах 4,8^1ф-^8,68 или от 1,48^ ср^ 2,4 преобразователь на-: ходится в выпрямительном режиме, передавая могщ

169

новлепия управляемое™ вентилей. В рассматриваемом примере на диапазон регулирования не накладывается этого ограничения. Последнее обстоятельство говорит о широких возможностях, заложенных в методе фазово­ го регулирования на стороне повышенной частоты.

Рис. 74. Внешние характеристики преобразователей в системе централизованного питания.

с номощыо метода фазового регулирования возможно менять мощность нескольких .параллельно работающих преобразователей и как ;щри этом мощность распреде­ ляется между отдельными преобразовательными ячей­ ками. Для систем централизованного питания необходи­ мо помимо плавного ввода и вывода отдельных преоб­ разователей жестко стабилизировать напряжение повы­ шенной частоты-на общих шинах.

Для выяснения этого вопроса обратимся к расчетным и экспериментальным внешним характеристикам парал­ лельно работающих преобразователен (рис.74). Внеш­ ние характеристики, связывающие выходное напряжение преобразователя Ua/E и выходной ток /н/(а>зСк£), в слу­ чае нулевого фазового сдвига совладают с теоретиче­ ски рассчитанной внешней характеристикой преобразо­ вателя. При малых значениях сопротивления нагрузки преобразователь работает как источник тока. Начиная со значения сопротивления Яа=Якр, соответствующего моменту временя /, при котором tiB(t)==0, duB(t)/dt = Q и начинают проводить все плечи преобразовательного моста, характеристика изгибается и с .ростом напряже­ ния ток начинает падать. Максимальная мощность -.при­

171