Тиристорный преобразователь частоты индукционной печи принцип работы

Обновлено: 15.05.2024

Тиристорный преобразователь постоянного тока

Для выравнивания переменного тока в постоянный требуется использование специальных устройств. Тиристорный преобразователь частоты для индукционного нагрева применяется в различных областях промышленности для регулирования напряжения и прочих параметров электрической энергии.

Принцип работы и конструкция

Для преобразования нагрузки может использоваться тиристорный или транзисторный высоковольтный преобразователь на базе IGBT. Тиристорный частотный преобразователь (ТП, ТПР или ТПЧ) – это электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный, регулирования его уровня и прочих характеристик. С его помощью можно уравнивать различные параметры электрических редукторов: скорость вращения в момент пуска, угол и прочие.

Тиристорный преобразователь применяется для двигателя постоянного тока (ДПТ) вместе с системой автоматического регулирования (FR A700 в Mitsubishi Electric, Siemens Simoreg DC Master, Omron Yaskawa). Он имеет очень широкую область применения благодаря своим достоинствам:

Высокий показатель КПД – до 95 % (к примеру, у модели ПН-500);
Широкий спектр контроля. Его можно использовать для двигателя с мощностью от десятых киловатта до нескольких мегакиловатт;
Способность выдерживать сильные импульсные нагрузки при включении электродвигателя в сеть;
Высокие показатели надежности и долговечности;
Точность в работе.

Но у такой системы есть определенные недостатки. В первую очередь – это низкий коэффициент мощности, который проявляется при глубоком регулировании производственных процессов. Компенсировать его можно при помощи дополнительных устройств. Кроме этого, мощный преобразователь вызывает помехи в электрической сети, что сказывается на работе чувствительного электро- и радиооборудования.

Трансформатор или реактор;
Выпрямительные блоки;
Дополнительный реактор, сглаживающий преобразование;
Система защиты оборудования от перенапряжений.

Большинство современных преобразователей подключаются к трансформатору через реактор. Трансформатор в этой схеме является согласующим звеном между входящим и выходным напряжением, он уравновешивает разницу между ними. Помимо него, электросхема также включает в себя специальный сглаживающий реактор. Этот прибор необходим для нейтрализации определенных пульсаций, возникающих при выпрямлении и изменении типа тока. Но система не всегда включает в себя реактор, т. к. при достаточной индуктивности асинхронного двигателя в нем нет необходимости.

Агрегат пропускает через автономный инвертор (расположенный во входящем звене) первичную нагрузку. Они попадают в выпрямляющие блоки, установленные в выходном звене. Для подключения других индукционных потребителей используются специальные шины, которые помогают выравнивать питание в целой группе устройств.

Такой преобразователь бывает низкочастотный и высокочастотный. В зависимости от потребных частот и имеющихся параметров электричества подбирается нужная модель. Нужно отметить, что в станках, где используется трехфазный ток, применяется другой тип подключения. Однофазный переносит воздействия и преобразования, в то время как на преобразовании трехфазного тока теряется КПД.

Система используется в плавке металлов, сварочных работах, контроле кранового механизма и многих других производственных и технологических процессах. Применение такого принципа работы позволяет реализовать систему генератор-двигатель без использования генератора. Благодаря этому производится широкая регулировка частот вращения шпинделя даже на самых малых скоростях, настраиваются механические и другие характеристики электропривода и прочие параметры.

Разработка

Электрическая схема тиристорный преобразователь-двигатель (к примеру, КТЭ) для плавного переключения может быть двух видов:

Однофазной;
Многофазной.

В зависимости от типа исполнения варьируются соотношения расчетных единиц и принципы работы преобразователя.

На этом чертеже схематически показано изменение электрической энергии при работе тиристорного преобразователя в режиме выпрямителя и инвертора. В то же время, для мостовой схемы можно сделать такую же диаграмму, но только состоящую из двух нулевых. Именно она наиболее часто используется при проектировании преобразователя для станочного оборудования. Это происходит из-за того, что исходное фазовое напряжение в ней в два раза превышает фазовой напряжение (Udo) в нулевой схеме работы.

Однофазная схема используется для контроля питания и работы привода машин с высоким индуктивным сопротивлением. Она работает в пределах мощности от 10 кВт до 20, намного реже – при больших мощностях. К примеру, подойдет для электрической печи, домашнего станка.

Трехфазная используется для оборудования, где требуется от 20 кВт для работы. К примеру, для синхронных приводов, двигателя крана и экскаватора. Еще одной популярной многофазной схемой контроля является шестифазная (Кемрон). Её проект предусматривает использование в конструкции уравнительного реактора, который направлен на контроль низкого напряжения и высокого тока. Этот силовой электрический прибор пропускает и преобразовывает электрическую энергию параллельным путем, а не последовательным (как большая часть аналогичных устройств). Его более сложно разработать своими руками, но степень надежности и эффективности значительно больше, нежели у однофазного тиристорного преобразователя. Но такой реверсивный контроллер имеет серьезный недостаток – его КПД менее 70 %.

Своими руками можно сделать собственный преобразователь, но многое зависит от используемой базы. Внизу дана схема, разработанная на основе Micro-Cap 9. Главной особенностью этой модели является необходимость в совместном моделировании различных узлов.

Видео: как работают тиристорные преобразователи

Техническое описание и обзор цен

Характеристики тиристорных преобразователей зависят от типа их исполнения и функциональных особенностей.

ЭПУ-1-1-3447Е УХЛ4 (производитель заявляет, что этот преобразователь может работать в сложных условиях, повышенной пыльности и влажности):

Но тиристорные преобразователи продаются не только по одной единице, но и в виде выпрямляющих комплексов (КТЭУ). Если единичный уравнитель при поломке нуждается в полном ремонте или демонтаже, то у комплекса производится замена вышедшего из строя оборудования. Такие системы используются как в приводах станков, так и в ЭКТ (комплектных тиристорных электроприводах).

Рассмотрим, какова цена тиристорного преобразователя ABB DCS400:

Город	Цена, у. е.
Москва	100
Санкт-Петербург	100
Челябинск	95
Воронеж	98
Самара	95
Новосибирск	95
Ростов-на-Дону	98

Купить устройство можно в любом магазине электрических товаров, прайс-лист зависит от характеристик и типа исполнения.

Принцип работы индукционных печей. Принцип индукционного нагрева

ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ. ПРИНЦИП ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.

Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника.

По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:
1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.

Установки индукционного нагрева с сердечником

В плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл. Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).

Рис.1. Схема устройства индукционной канальной печи: 1 — индикатор; 2 — металл; 3 — канал; 4 — магнитопровод; Ф — основной магнитный поток; Ф_1р и Ф_2р — магнитные потоки рассеяния; U₁ и I₁ — напряжение и ток в цепи индуктора; I₂ — ток проводимости в металле

В стальном магнитопроводе индукционной канальной печи замыкается большой рабочий магнитный поток и лишь небольшая часть полного магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается через воздух в виде потока рассеяния. Поэтому такие печи успешно работают на промышленной частоте (50 Гц).

В настоящее время существует большое число типов и конструкций таких печей, разработанных во ВНИИЭТО (однофазные и многофазные с одним и несколькими каналами, с вертикальным и горизонтальным закрытым каналом разной формы). Эти печи применяют для плавки цветных металлов и сплавов со сравнительно низкой температурой плавления, а также для получения высококачественного чугуна. При плавке чугуна печь используют либо в качестве копильника (миксера), либо в качестве плавильного агрегата. Конструкции и технические характеристики современных индукционных канальных печей приведены в специальной литературе.

Установки индукционного нагрева без сердечника

В плавильной печи (рис. 2) расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь цилиндрического многовиткового индуктора. Индуктор изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду. Узнать подробнее о конструкции индуктора можно здесь.

Отсутствие стального сердечника приводит к резкому увеличению магнитного потока рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы индукционных тигельных печей приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ=0,03-0,10). Поэтому необходимо применять конденсаторы для компенсации реактивной (индуктивной) мощности.

В настоящее время имеется несколько типов индукционных тигельных печей, разработанных во ВНИИЭТО в виде соответствующих размерных рядов (по емкости) высокой, повышенной и промышленной частоты, для плавки стали (тип ИСТ).

Рис. 2. Схема устройства индукционной тигельной печи: 1 — индуктор; 2 — металл; 3 — тигель (стрелками показана траектория циркуляции жидкого металла в результате электродинамических явлений)

Преимуществами тигельных печей являются следующие: выделяющееся непосредственно в металле тепло, высокая равномерность металла по химическому составу и температуре, отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля), удобство управления и регулирования процесса плавки, гигиеничность условий труда. Кроме этого, для индукционных тигельных печей характерны: более высокая производительность вследствие высоких удельных (на единицу емкости) мощностей нагрева; возможность плавить твердую шихту, не оставляя металл от предыдущей плавки (в отличие от канальных печей); малая масса футеровки по сравнению с массой металла, что уменьшает аккумуляцию тепловой энергии в футеровке тигля, снижает тепловую инерцию печи и делает плавильные печи этого типа исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов; компактность печи, что позволяет достаточно просто изолировать рабочее пространство от окружающей среды и осуществлять плавку в вакууме или в газовой среде заданного состава. Поэтому в металлургии широко применяют вакуумные индукционные тигельные печи (тип ИСВ).

Наряду с преимуществами у индукционных тигельных печей имеются следующие недостатки: наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей; сложное и дорогое электрооборудование; низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля и размывающего действия жидкого металла при электродинамических явлениях. Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов с целью снижения угара элементов.

Статические преобразователи частоты индукционных печей

К статическим преобразователям частоты относят тиристорные и ионные преобразователи, позволяющие получать ток с частотой до 10 кГц.В тиристорных преобразователях частоты совмещаются два процесса: выпрямление и инвертирование (преобразование постоянного тока в ток повышенной частоты). Чаще всего выпрямление и инвертирование осуществляют разные группы тиристоров.
Основная часть ионного преобразователя — электровакуумный прибор с холодным или нагретым катодом, наполненный разреженным газом. Принцип действия преобразователя примерно такой же, что и тиристорного.
В отличие от электромашинных преобразователей статические преобразователи позволяют изменять частоту в широком диапазоне весьма простыми средствами. Это дает возможность автоматизировать и оптимизировать процесс нагрева.

Статические преобразователи имеют больший КПД, чем электромашинные. При использовании последних расход электроэнергии для нагрева стали до 1250 °С составляет 450—500 кВт-ч/т. При использовании статических преобразователей он снижается примерно на 10 %. Масса оборудования электромашинного преобразователя в 1,5—3 раза больше массы статического.
Важная часть индукционной установки — конденсаторная батарея повышенной частоты, используемая для повышения коэффициента мощности или cos ф (отношение активного сопротивления одного витка к его полному сопротивлению).

В кузнечно-прессовых цехах индукционные установки используют главным образом для нагрева заготовок под пластическую деформацию. Для снижения удельного расхода энергии можно использовать комбинированный пламенно-индукционный нагрев. Сначала заготовки нагревают до 800—900 °С в пламенной печи,
а затем в индукционных установках.

Индукционный нагрев стальных заготовок часто используют и для термообработки, например закалки. Закалка проводится с целью повышения твердости поверхностных слоев с сохранением «мягкой» сердцевины, что достигается при нагреве поверхностных слоев и быстром охлаждении в воздушной, масляной или водяной среде.
Для сокращения расхода электроэнергии можно рекомендовать предварительный подогрев массивных изделий в газовых печах, что будет сопровождаться также увеличением глубины закаленного слоя.

Вот уже более 40 лет, начиная в далеком 1977 году помощником печника я изучаю это дело и совершенствую свои навыки. С выходом на пенсию стало больше свободного времени и я решил поделиться своим опытом с вами. Читайте на здоровье и задавайте вопросы в комментариях!

Принцип работы индукционной печи

На рынке бытовой техники индукционная печь появилась в 80-х годах прошлого столетия, однако к изобретению отнеслись недоверчиво из-за высокой стоимости и непонятного принципа функционирования. Только после того, как рестораторы начали использовать индукционную панель и прочувствовали ее преимущества, их примером воспользовались хозяйки, желающие упростить и ускорить приготовление пищи.

Принцип работы индукционных плит основан на использовании энергии магнитного поля. Стеклокерамическая поверхность печки скрывает под собой медную катушку, при прохождении через витки которой электрический ток преобразуется в индукционный. При размещении на конфорке посуды с магнитным дном ток воздействует на электроны ее ферромагнитного материала, приводя их в движение. Вследствие этого процесса происходит выделение тепла, благодаря которому посуда нагревается и находящееся в ней содержимое приходит в стадию приготовления.

Индукционные варочные панели принципиально отличаются от электрических и газовых, следующими аспектами:

Нагрев покрытия. В традиционных печках в первую очередь нагревается конфорка, после чего передает тепло, стоящей на ней посуде. Индукционный нагрев предполагает разогрев непосредственно дна сковороды либо кастрюли. Стеклокерамическая панель при этом нагревается от посуды, а после ее снятия остывает в течение 5 минут.
Коэффициент полезного действия. Индукционные электрические плиты имеют КПД 90% за счет того, что энергия не тратится на нагревание конфорки, а воздействует на дно кастрюли.
Экономия электроэнергии. Регулировка температуры индукционной печи происходит практически моментально, что ведет к рациональному потреблению электроэнергии.
Безопасность. При работе печки сама панель не нагревается, поэтому можно не бояться получения ожогов.

Часто хозяйки преднамеренно отказываются от покупки электроиндукционных печей, поскольку опасаются сложностей при включении и готовке. На самом деле в том, чтобы включить индукционную плиту, нет ничего сложного. После подключения прибора к источнику питания сработает сигнал, оповещающий о возможности включения варочной панели. Каждая зона имеет регулятор мощности и настраиваемый таймер.

Исследование тиристорных преобразователей частоты для установок индукционного нагрева металлов

Расчетный файл схемотехнического моделирования CIR в профессиональной версии программы MicroCap по начертанию соответствует принципиальной электрической схеме тиристорного преобразователя частоты, что позволяет производить исследование схемы непосредственно инженеру-разработчику.

Силовая техника отличается, как правило, простотой схемных решений и сложностью анализа электромагнитных процессов, вызванных существенной нелинейностью вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов. Методы исследований с помощью программ схемотехнического моделирования дали разработчикам силовых тиристорных преобразователей частоты необходимые средства для исследований, которые проводятся на моделях электротермических установок различного назначения.

Эмпирические факты, накопленные поколениями инженеров-разработчиков преобразовательной техники, наконец получают подтверждение или опровержение, способствуя прогрессу техники индукционного нагрева. Исследования на реальных объектах силовой преобразовательной техники трудоемкие, опасные и дорогие.

В то же время проектирование силовых установок на основе результатов схемотехнического моделирования и, главное, проверка его в результате промышленной эксплуатации является оптимальным решением современного уровня. Индукционная технология — как затратная отрасль — для производственников является объектом экономии площадей, персонала и капитальных вложений, но альтернативы ей пока нет.

На рис. 1 показан файл .CIR для схемотехнического моделирования электротермической индукционной плавильной установки с тиристорным преобразователем частоты в программе MicroCap [1].

Тиристорный преобразователь частот, согласно рис. 1, выполнен на основе схемы несимметричного одноячейкового инвертора, который через выпрямитель подключен к трехфазной промышленной сети переменного тока. Нагрузкой автономного последовательного несимметричного инвертора тока является резонансный контур, образованный конденсаторами С5 и С6 и индуктором L8 с эквивалентной загрузкой электропечи R30. Индуктор является основным элементом в технологическом процессе индукционного нагрева ТВЧ. Величина индуктивности и эквивалентного сопротивления загрузки индуктора определяется на основе расчетов и последующей экспериментальной проверки [2].

Файл MicroCap, изображенный на рис. 1, с указанными параметрами элементов силовой схемы соответствует тиристорному преобразователю частоты для индукционной плавки металлов мощностью 120 кВт, частотой 2,4 кГц, внешний вид которого показан на рис. 2.

На промышленных предприятиях плавка токами высокой частоты (ТВЧ) в печах типа ИСТ (рис. 2) до недавнего времени производилась с помощью машинных генераторов — технических чудовищ эпохи развитого социализма, которые используются и по сей день. К сожалению, отечественные электромеханические генераторы ТВЧ отличаются плохим качеством, большим весом, габаритами и шумом при работе. Поэтому началась разработка альтернативных статических источников электропитания повышенной частоты. В России несколько научных центров промышленной технологии индукционного нагрева металлов и разработки тиристорных преобразователей частоты. Авторы представляют Уфимскую научную школу, основанную в 1969 г. С. М. Кацнельсоном и С. В.Шапиро, которая стала пионером внедрения в промышленную эксплуатацию тиристорных преобразователей повышенной частоты для индукционного нагрева металлов. В Уфе были созданы три КБ, в которых работали сотни инженеров. За рубежом нет большого опыта проектирования статических источников ТВЧ. Ведущие зарубежные электротехнические фирмы набирают и увольняют сотрудников по мере надобности, лишь для выполнения отдельных заказов.

Дополнительным преимуществом тиристорных преобразователей частоты, в сравнении с машинными генераторами ТВЧ, является возможность изменения рабочей частоты при плавке металла. Это исключает необходимость переключения электротермических конденсаторов в процессе выхода индукционной электропечи на установившийся режим. Высокочастотные контакторы, применяемые для этого, превратились в технический атавизм.

На рис. 2 изображен автоматизированный комплекс для индукционной плавки черных и цветных металлов в литейном производстве. Область его применения — открытая плавка ТВЧ в индукционных печах типа ИСТ черных и цветных металлов и сплавов, а также переплава отходов производства в печах с кислой футеровкой и графитовых тиглях для литья по выплавляемым моделям, литья в кокили и земляные формы.

Система регулирования коэффициента мощности (cos φ) индукционной электропечи, режимы ручного и автоматического регулирования выходной мощности при изменении рабочей частоты литейного комплекса позволяют вести плавку на форсированных, экономически выгодных тепловых режимах.

В уфимских преобразователях применяется неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель. Это устройство вносит меньше искажений в питающую сеть, чем управляемый выпрямитель, и более надежно в эксплуатации. В его конструкции используются диоды Д143-800-18.

Блок силовых вентилей инвертора выполнен на тиристорах ТБ143-400-10 и обратных диодах ДЧ261-320-12.

На рис. 1 пунктиром выделены тиристорные преобразователи частоты, батарея печных конденсаторов и индукционная печь ИСТ с индуктором, общий вид которых показан на рис. 2. Эти компоненты комплекса для плавки ТВЧ сравнимы между собой по габаритам, весу и стоимости.

В созданной нами схемотехнической модели тиристорного преобразователя частоты использована макромодель силового тиристора из библиотеки MicroCap (Silicon Controlled Rectifier — SCR), параметры которой приведены на рис. 3.

В схемотехнической модели (рис. 1) включение тиристоров схемы преобразователя частоты производится импульсными источниками сигналов IMPULSE, моделирующими выходной формирователь импульсов системы управления тиристорным преобразователем частоты.

Программа MicroCap использует макросы основных компонентов. Исходные файлы можно создавать в оригинальном формате, либо использовать описание схем и задание на моделирование на языке SPICE (расширение имени — .CKT). В стандартной макромодели тиристора уточнены параметры применяемых нами тиристоров.

К сожалению, у отечественных производителей силовых полупроводниковых элементов нет практики выпуска продукции на рынок одновременно с их PSPICE-описанием, как это делают зарубежные фирмы. Это ограничивает рынок российской электротехнической продукции и усложняет задачи разработчиков современной преобразовательной техники, в частности, в области создания и исследования инверторно-индукционных силовых установок.

Описания PSPICE-моделей и стандартных элементов схемы приводятся в файле .TEXT, автоматически формируемом программой MicroCap и доступном для изменения пользователем. Там же указываются использованные нами нелинейные модели элементов — диодов, сердечников дросселей постоянного и переменного тока, трехфазного источника синусоидального напряжения промышленной частоты, генератора импульсов управления тиристорами.

При моделировании дросселя постоянного тока (индуктивности L4 и L5) со стальным сердечником использована его аппроксимация по нескольким точкам характеристики намагничивания, приведенная в [3] для используемой нами электротехнической стали 3425. Далее приведена методика исследований инверторно-индукционной силовой установки повышенной частоты, с учетом влияния на протекание электромагнитных процессов дросселя постоянного тока и нелинейного дросселя насыщения, включенного последовательно с тиристорами (рис. 1).

Учет при схемотехническом моделировании существенных нелинейностей всех элементов позволяет получить, в ряде случаев, более точные результаты, чем это возможно при непосредственном измерении на ТВЧ-установке.

Первым этапом исследования модели (рис. 1) является проведение частотного анализа (AC Analysis) резонансных свойств нагрузочного колебательного контура и определение его добротности.

Для плавки в печи ИСТ-0.16 рассчитываем необходимую мощность тиристорного преобразователя частоты, при частоте 2,4 кГц равную 360 кВт·ч/т×0,16 т/ч = 60 кВт. Учитываем электрический и тепловой КПД индукционной электропечи, равный 0,7.

Типовой индуктор этой печи имеет наружный диаметр 420 мм, сечение витка — 20J20 мм, количество витков — 14, длину индуктора — 460 мм. Верхний диаметр для шаблона — 260 мм, нижний диаметр — 210 мм, высота — 540 мм.

По этим исходным данным рассчитываем индуктивность индуктора с шаблоном (L8 = 25 мкГн) и эквивалентное сопротивление для рабочего режима (R30 = 0,026 Ом).

На первом этапе исследований мы решаем следующие задачи, считая, что параметры индуктора соответствуют расчетным значениям:

выявляем диапазон изменения сопротивления в колебательном контуре нагрузки;
для известной величины индуктивности индуктора определяем емкости конденсаторов;
определяем резонансную частоту нагрузочного контура.

Эти задачи решаются подпрограммой моделирования stepping (последовательного расчета с определенным шагом изменения параметров выбранного элемента).

На рис. 4 показаны результаты частотного анализа схемы, проведенного для установления частоты управления тиристорами модели от генератора импульсов и, соответственно, рабочей частоты тиристорного преобразователя частоты.

На рис. 4 показаны два открытых окна программы MicroCap. В активном переднем окне изображена полученная характеристика зависимости напряжения на индукторе L8 в диапазоне частот от 100 Гц до 100 кГц. Видно, что резонансная частота колебательного нагрузочного контура близка к стандартному значению — 2,5 кГц. Левый, субгармонический резонанс обусловлен влиянием индуктивности входного дросселя.

Учитываем, что тиристоры этой схемы включаются с вдвое меньшей частотой, чем рабочая частота тиристорного преобразователя частоты. Это является одним из основных достоинств рассматриваемой схемы, компенсирующих ее недостаток — значительную установленную мощность реактивных элементов.

По результатам этих исследований определяем длительность интервалов повторения импульсов для генератора импульсов схемотехнической модели, равную 800 мкс. Устанавливаем амплитуду импульсов — 10 В, крутизну переднего фронта — 1 мкс, длительность импульсов — 20 мкс. Эти параметры соответствуют импульсам управления тиристоров тиристорного преобразователя частоты.

Вторым этапом исследования является проведение анализа переходных процессов (Transient analysis), в том числе особенности включения тиристорного преобразователя частоты. На этом этапе производится расчет номинальных значений токов и напряжений основных элементов схемы — тиристоров, диодов и конденсаторов.

Всегда считалось, что токи и напряжения полупроводниковых элементов определяют перегрузочные и аварийные режимы силового оборудования. В настоящее время это не совсем так. Совершенствование параметров полупроводниковых элементов привело к тому, что из характеристик силового оборудования исчезают такие понятия, как «коэффициент сменяемости тиристоров», обусловленный количеством их термоциклов, и «установленная мощность» — раньше указывались «коэффициенты запаса» для лавинных или нелавинных полупроводников.

Сейчас экстремальные характеристики полупроводниковых элементов — мощных тиристоров и силовых диодов— в целом, удовлетворяют разработчиков. В настоящее время отработаны технические средства защиты силовых полупроводников (быстродействующие предохранители и автоматы), появились новые элементы, которые демпфируют перенапряжения, разработаны эффективные схемы бесконтактной защиты. Но это отдельная тема.

На первый план при проектировании устройств силовой электроники вышли новые, удельные характеристики — кВт/кг, величина КПД.

На рис. 5 слева вверху показана кривая, которая характеризует изменения выходного тока при включении однотактной схемы инвертора. Эта кривая соответствует процессам индукционной силовой установки при заданной индуктивности дросселя входного тока.

Во втором окне рис. 5 наверху выделен коммутирующий конденсатор С2, через который протекает выходной ток инвертора.

Форма выходного тока преобразователя рассчитана для нагрузочного контура, настроенного на вторую гармонику.

Величина тока С2 рассчитана в амперах. По первым циклам этой кривой мы выявляем необходимость предварительного заряда коммутирующего конденсатора С2, емкостью 80 мкФ, с начальной величиной напряжения IC = 500 В. Заряд этого конденсатора, перед включением тиристорного преобразователя частоты, обеспечивает тиристорам время восстановления их управляемости.

Задержка тока перехода пары тиристор/диод через нулевое значение (видимая с помощью электронной лупы) обусловлена применением последовательного дросселя насыщения.

Нижняя кривая (рис. 5) показывает максимальную величину и отсутствие перенапряжений на тиристоре и диоде (они выделены на схеме внизу) от момента включения тиристорного преобразователя частоты. На этом этапе исследований уточняем параметры демпфирующих элементов для снижения коммутационных перенапряжений силовых полупроводников.

По результатам расчета в MicroCap переходных процессов определяется их длительность, характер и гармонический состав. Далее, в основном, нас интересует гармонический состав выходного тока тиристорного преобразователя частоты.

В этой статье, написанной специально для журнала «Силовая электроника», нами приводятся результаты исследований схемотехнической модели электротермической установки мощностью 100 кВт, частотой 2,4 кГц, для индукционной плавки металла в индукционной плавильной печи типа ИСТ 0.16, работающей на 2-й гармонике выходного тока.

Гармонический анализ производится разложением по Фурье кривой выходного тока тиристорного преобразователя и осуществляется в ходе схемотехнического моделирования методами цифровой обработки сигнала (DSP) рассчитанной кривой переходного процесса.

Определение амплитуды гармоник позволит установить возможные режимы тиристорного преобразователя частоты из условий выделения максимальной мощности в нагрузке и минимизации загрузки элементов реактивными токами [4, 5].

Анализ гармонического состава следует проводить для установившегося режима тиристорного преобразователя частоты, который характеризуется постоянным уровнем раскачки напряжения, или его амплитудой, при определенном значении напряжения на тиристорах относительно величины выпрямленного напряжения источника питания постоянного тока.

На рис. 6 показан результат анализа гармонического состава одного периода кривой выходного тока, длительностью 800 мкс.

Справа в окне MicroCap выделено изображение конденсатора С2, кривая тока которого исследуется нами. Амплитуды и частоты четырех первых гармоник и нулевая гармоника, изображенные на верхней диаграмме (рис. 6), показывают, что исследуемая схема тиристорного преобразователя частоты может эффективно работать на первой или второй гармониках. Эти настройки используются в тиристорном преобразователе частоты в зависимости от дополнительных требований технологического процесса.

Настройка на вторую гармонику [4] является компромиссом между дополнительной загрузкой полупроводников тиристорного преобразователя частоты, реактивной мощностью и повышением выходной частоты.

Настройка на первую гармонику характеризуется лучшим использованием тиристоров, снижением рабочей частоты и повышением выходной мощности [5].

Настройка на третью гармонику для установленных в схеме параметров элементов практического интереса не представляет. Дополнительная загрузка силовых полупроводников циркулирующей реактивной мощностью и снижение выходной мощности не компенсируются эффектом увеличения выходной частоты.

При других параметрах реактивных элементов эта схема автономного инвертора находит применение для создания тиристорного преобразователя частоты частотой до 22 кГц, мощностью 20 кВт. Исследование режимов аналогичных закалочных установок проводится с учетом параметров закалочного трансформатора с индуктором. Основным регулирующим воздействием является частота управления, при изменении которой реактивная мощность системы изменяется в значительных пределах.

Нами создана библиотека схемотехнических файлов тиристорных преобразователей частоты различного технологического назначения, которая сопровождает процесс проектирования индукционной установки от начальных этапов до внедрения в промышленную эксплуатацию, или реновации.

Далее показаны особенности определения мощности, рассеиваемой на отдельных элементах модели тиристорного преобразователя частоты и его нагрузки, что позволяет определить КПД инверторно-индукционной установки.

Полезную мощность определяем как среднее значение (AVG) мощности, рассеиваемой гармониками тока в сопротивлении индуктора (выделен на рис. 7). Альтернативный аналитический расчет выходной мощности тиристорного преобразователя частоты производится всегда с большой погрешностью, обусловленной учетом только основной гармоники. Точной является экспериментальная величина, которую обычно определяют как потери тепла в каналах протока воды системы охлаждения тиристорного преобразователя частоты.

На рис. 7 приведены расчетные кривые входной и выходной мощности модели тиристорного преобразователя частоты, при работе инвертора на второй гармонике. Расчетный интервал времени достаточно большой, чтобы приблизиться к установившемуся значению.

Все расчетные кривые в MicroCap можно хранить в файлах, но перемножать, сдвигать, изменять их масштаб и т. д. необходимо в процессе проведения исследований.

Обычно напряжение Ud принимается за базовую величину при изображении характеристик схемы инвертора в относительных единицах и для сравнения с другими схемами.

Для токов базовой величиной является Ud/ρ.

где L — величина коммутирующей индуктивности (на схеме рис. 1 — L6), С — величина емкости коммутирующего конденсатора (на схеме рис. 1 — C2).

Для времени Tу базовой величиной является период управления тиристорами инвертора.

На рис. 7 показано, что расчетный КПД статического тиристорного преобразователя частоты выше, чем средняя величина в 50% для машинного генератора. При определении КПД для реального тиристорного преобразователя частоты нас интересует, в первую очередь, повышение температуры в каналах протока воды, расходуемой для охлаждения силовых элементов тиристорного преобразователя частоты. В модели тиристорного преобразователя частоты производится измерение мгновенной мощности, с возможностью вывода среднего, за период управления, значения. Этим объясняется дискретный характер входной и выходной мощности, кривые которых представлены на рис. 7.

Мы показали, пожалуй, 10% от возможностей применения программы MicroCap для исследования тиристорного преобразователя частоты. Функция Proba позволяет производить проверку заранее созданной модели оперативно, так как в ней не нужны значительные изменения и новые установки параметров расчета.

Опыт показывает, что созданные схемотехнические модели тиристорного преобразователя частоты являются таким же удобным инструментом для инженеров электронной техники, как цифровой осциллограф [5]. Уточнение параметров модели по осциллограммам электромагнитных режимов тиристорного преобразователя частоты позволяет получить расчетную модель, соответствующую реальному комплексу индукционного нагрева ТВЧ.

Читайте также: