Источники питания
Для питания высокочастотных ИТП применяют статические преобразователи частоты на электронных лампах (ламповые генераторы). Основными элементами такого ИП являются (см. рис. 90, а): трехфазный силовой (анодный) трансформатор (блок БП), повышающий напряжение с 380 В до 5...8,4 кВ; высоковольтный выпрямитель (блок БВ), выполненный по трехфазной мостовой схеме с нулевым вентилем и преобразующий переменный ток в постоянный напряжением 6...11 кВ (анодное напряжение); трехэлектродная генераторная лампа (блок БГ), преобразующая энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний высокой частоты f.
Рабочая частота f зависит от индуктивности L и емкости С колебательной системы:
. (161)
Колебательная система состоит из анодного контура и нагрузочного контура КБ – СТр – П. Двухконтурная схема ИП позволяет лучше стабилизировать частоту и обеспечивать оптимальную настройку установки при изменяющихся параметрах ИТП во время плавки.
На аноде генераторной лампы теряется значительная доля энергии электронов, ускоряемых электрическим полем лампы. Поэтому электрический КПД высокочастотных ИП невысокий и должен быть согласно ГОСТ 21139–87 не менее 0,6...0,65.
Для плавки стали применяют высокочастотные установки типа ВЧИ-ПТ 1,0/0,44; 16/0,44 или 25/0,07; для нагрева газов и получения низкотемпературной плазмы – типа ВЧГ-12-60/5,28; для выращивания монокристаллов – типа «Кристалл» [числитель – номинальная мощность колебательного контура («колебательная мощность»), кВт; знаменатель – рабочая частота, МГц].
Для питания ИТП средней частоты применяют статические преобразователи частоты на тиристорах (ТПЧ) и электромашинные преобразователи.
ТПЧ имеет следующие функциональные элементы, собранные в шкафы (см. рис. 90, б): преобразовательный трансформатор Тр и вводное устройство (шкаф ввода питания ШВП); звено постоянного тока в виде тиристорного выпрямителя (шкаф ШВ), собранного по схеме трехфазного симметричного управляемого моста и предназначенного для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в постоянный ток; сглаживающий фильтр (реактор значительной индуктивности с магнитопроводом) для сглаживания пульсаций выпрямленного тока; тиристорный инвертор (шкаф ШИ) – основной элемент ТПЧ, собранный по мостовой схеме с самовозбуждением и преобразующий постоянный ток в однофазный переменный повышенной (средней) частоты, зависящей от схемы управления (шкаф ШУРЗК) и резонансной частоты колебательного контура КБ – П согласно (161). При изменении во время плавки сопротивления колебательного контура автоматически изменяется выходная частота инвертора (± 20 %), что не требует переключения КБ и является существенным преимуществом ТПЧ, которые имеют высокий КПД (согласно ГОСТ 20962–75 не менее 0,92 при частоте до 1 кГц; 0,90 при 2,4...4 и 0,85 при 8...10 кГц), возможность многократного включения и отключения, что исключает режим холостого хода. Согласно ГОСТ 16370–80 выпускают ТПЧ мощностью до 3,2 МВт на частоты от 0,5 до 8 кГц с выходным напряжением 400, 800 и 1600 В. Коэффициент мощности на входе ТПЧ составляет 0,90...0,92.
Электромашинные преобразователи являются двигатель-генерато-рными агрегатами в составе приводного трехфазного асинхронного двигателя промышленной частоты и однофазного синхронного генератора средней частоты. Обмотка возбуждения ОВГ, питаемая от источника постоянного (выпрямленного) тока (на рис. 90, в – тиристорный возбудитель ТВ), и рабочие обмотки переменного тока расположены в пазах статора. Ротор имеет также зубчатую форму, но не имеет обмоток. Число зубцов и пазов на роторе в два раза меньше, чем на статоре (полюсный шаг в два раза больше). При вращении ротора его зубцы создают местные пульсации* магнитного потока в зазоре и зубцовой зоне статора. Частота пульсаций, а следовательно, и частота изменения индуктируемого тока f прямо пропорциональны числу зубцов ротора N и частоте его вращения п (обычно составляет 50 с–1):
f = Nn = 50N. (162)
По конструкции агрегатов преобразователи могут быть двух- или однокорпусные, горизонтальные или вертикальные, с воздушным или водяным охлаждением. Рабочие обмотки генераторов разделяют на 2–4 секции, что позволяет иметь 2–3 ступени выходного напряжения, которые, согласно ГОСТ 16370–80, должны быть 200, 400, 800 или 1600 В. В настоящее время выпускают электромашинные преобразователи серий ВПЧ и ВЭП мощностью до 100 кВт на частоту 2,4 и 8 кГц, серии ОПЧ мощностью до 500 кВт на частоту 1; 2,4; 4 и 10 кГц. КПД преобразователей ВПЧ не ниже 0,7...0,75; ВЭП 0,75...0,8; ОПЧ 0,85...0,9.
Достоинствами электромашинных преобразователей, определившими их широкое применение в качестве источников питания для ИТП, являются высокая надежность, устойчивость к перегрузкам по току, возможность параллельной работы генераторов (для увеличения мощности), простота и большая глубина регулирования мощности (при резком снижении КПД). Недостатками таких источников питания являются: большое время разгона (до 15 с) и останова (до 45 мин), недопустимость частых пусков, необходимость пускового устройства ПУ (см. рис. 90, в) для запуска приводного асинхронного двигателя, имеющего 6–7-кратный пусковой ток, и переключений в силовой цепи ИТП при АРЭР (переменная емкость КБ, отпайки индуктора).
Крупные ИТП питают переменным током частотой 150 или 250 Гц от статических умножителей частоты трансформаторного типа. Принцип действия умножителей частоты основан на искажении формы кривой напряжения за счет насыщения специальных магнитопроводов и выделении высших (обычно третьей или пятой) гармоник во вторичной цепи. КПД ~0,85...0,92.
Для питания ИТП промышленной частоты применяют электропечные одно- и трехфазные понижающие трансформаторы (см. рис. 90, г) мощностью 0,4; 1; 1,6 и 2,5 MB∙А, имеющие большую глубину регулирования вторичного напряжения на 9–17 ступенях, причем на трех – пяти ступенях обеспечивается постоянная мощность (с соответствующим увеличением силы тока, массы активных материалов и типовой мощности трансформатора). Трехфазные трансформаторы имеют в комплекте элементы симметрирующего устройства СУ (см. рис. 90, г).