книги из ГПНТБ / Васильев, А. С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева
.pdfК сожалению, разностный метод применим только в самых простых случаях, им невозможно воспользо ваться в тех случаях, когда интервал прохождения тока через вентиль не цвляется фиксированным, что неиз бежно при повышении порядка цепи. Пренебрежение возможным изменением состояния преобразовательного моста неизбежно приводит к завышенным оценкам времени восстановления вентилей и занижению ампли туд токов и напряжений. Кроме того, существует ряд преобразовательных схем, в которых изменение состоя ния преобразовательного моста приводит к качествен ному изменению характеристик. Во всех этих случаях единственным надежным методом является кусочноприпасовочный метод, описанный выше.
Такие методы анализа позволили в настоящее время рассчитать классические схемы преобразователей в пе реходных и стационарных режимах при работе на активную и смешанную нагрузки, хотя в целом ряде случаев приходится пока говорить скорее о качествен ной оценке, чем о количественной.
Гл а ва пя т а я
СОВРЕМЕННЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА УПРАВЛЯЕМЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ИИОННЫХ ВЕНТИЛЯХ
11.Основные схемы преобразователей, применяемые в электротермии
В предыдущем разделе преобразователь рассматри вался как система, состоящая из вентильного моста, в плечи которого включены переключатели в виде клю чей с односторонней или двусторонней проводимостью. Рассмотрим вначале практические схемы преобразова телей с ключом, обладающим односторонней проводи мостью в каждом плече моста, и нагрузкой, присоеди ненной к диагонали этого моста. Частота тока в нагруз ке в этих схемах равна частоте коммутации. Таким образом, этот тип преобразователя представляет собой мост с включением всех , элементов схемы, по которым проходит переменный ток, в одну диагональ. Комбина ция этих элементов может быть самой разнообразной, но наиболее распространенной является сочетание ком-
101
Мутирующего конденсатора, включенного параллельно плп последовательно с нагрузкой (рис. 31—33).
Эти схемы подробно описаны в [Л. 3, 26, 27]. Обычно их разделяют на схемы параллельного, последователь
LcL |
ного и |
|
последовательно-парал |
|||||
лельного инверторов. Для одних |
||||||||
|
||||||||
|
наиболее |
благоприятными |
|
ока |
||||
|
зываются режимы, при которых |
|||||||
|
коммутация осуществляется |
при |
||||||
|
полном |
|
токе |
во |
входной |
|
цепи |
|
|
(режим непрерывного тока), для |
|||||||
|
других |
наиболее |
благоприятным |
|||||
|
является режим, в котором ком |
|||||||
Рис. 34. Инвертор с кон |
мутация |
осуществляется при ну |
||||||
левом токе во входной цепи |
(пре |
|||||||
денсатором в диагонали |
||||||||
моста. |
рывистый ток). |
Например, |
схема |
|||||
|
параллельного |
инвертора |
наибо |
лее устойчиво работает в режиме непрерывного тока, а схема последовательного—в режиме прерывистого тока.
Отличительной особенностью этих схем является наличие входного дросселя, включенного в цепь по стоянного тока, и конденсатора в диагонали моста. Если рассмотреть цепь, состоящую из входной индуктивности и переключающейся емкости (рис. 34), то после вклю чения схемы при нулевых начальных условиях система будет описываться уравнением
|
L4 i + ^ \ idt = E' |
<212) |
решение которого для тока |
|
|
|
i= B sin(ciV + cp). |
(213) |
Если |
для частного случая принять п — 1 и ш0 = |
|
= 1/1/1C |
(см. § 2), то переходный процесс, |
определен |
ный по методике, приведенной выше, будет описываться уравнением для напряжения на конденсаторе
Uс ( I V - 1 , |
(214) |
что указывает на непрерывный рост напряжения на кон денсаторе, т. е. на резкое увеличение реактивной мощ ности системы. Это легко объясняется тем, что при очередной коммутации напряжение на конденсаторе
102
имеет обратную полярность по отношению к напряже нию источника питания. В результате увеличивается напряжение на индуктивности п ток в ней по сравне нию с предыдущим периодом.
Если в диагональ включен только резистор, то на пряжение на нем будет меняться по прямоугольному закону. Так как в этих схемах напряжение на коммути рующих приборах определяется напряжением в диаго нали, то обратные напряжения н, следовательно, время, необходимое для восстановления управляющих свойств прибора, становятся равными нулю. И тот н другой режим являются аварийными.
Для нормальной работы схемы необходимо все вре мя поддерживать правильное соотношение между актив ной и реактивной мощностью' в системе. Чрезмерное
отклонение от номинальных соотношений |
приведет |
к опрокидыванию преобразователя. При |
работе на |
индукционный нагреватель изменение параметров на грузки все время ' создает отклонение от номинальных режимов, практически делая невозможной работу подоб ных схем без сложной системы регулирования и стаби
лизации.
Рассмотрим это подробнее на примере последова тельного инвертора, работающего на закалочное уст ройство. Расчет произведен для схемы рис. 33. При частоте 2 500 гц были экспериментально получены кри вые изменения параметров системы индуктор — деталь для различных удельных мощностей от 0,25 до 1,0 квт/см2. Физическая природа изменения параметров была по дробно изложена в § 3. Наиболее сильное изменение параметров происходит при мощности 0,25 квт/см2, наи меньшее— при 1 квт/см2(Л. 28].
Контур, содержащий индуктор (L, г) п компенси рующую его емкость, представляет собой сопротивление
о |
_________ ;________. |
(215) |
|
Аэ ~ (1 — и2ЙС)2 + со2С2г2 ’ |
|
||
v |
сой—a > 3L - C — coCV2 |
(216) |
|
Лэ ~ (1 — со2йС) + <о2С2г2 1 |
|||
|
Если контур настроить на параметры, соответствую щие конечной точке нагрева, то его сопротивление ха рактеризуется кривыми, изображенными на рис. 35, полученными в результате эксперимента. Расчет пре образователя проведен по методике [Л. 27], которая
103
П)
Рис. 35. Изменение активного и реактивного сопротивлении контура, составленного из индукционного нагревателя и компенсирующей его емкости для разных значений удельной
мощности, передаваемой в ферромагнитную де таль.
а — активное сопротивление индуктора; б — индук тивность индуктора; о—активное сопротивление экви валентного контура; г — реактивное сопротивление эквивалентного контура.
J 04
заключается в пересчете цепи, включенной в коммути рующую диагональ, по первой гармонике выходной ча стоты в последовательное соединение эквивалентных R0 и Хэ. Строго говоря, данным приемом можно пользо ваться только вдали от полюсов частотной характери стики цепи, но качественный характер результатов до статочно близок к экспериментальным.
Рис. 36. Изменение режима преобразователя при нагреве ферромагнитной заготовки при удельной мощности 0,25 квт/с.и2 н частоте тока 2 500 гц.
Характер изменения токов гг напряжений преобра зователя в процессе нагрева определяется в значитель ной степени двумя факторами: конкретным характером изменения параметров нагрузки и выбором компенси рующей емкости нагревательного контура на ту или иную стадию нагрева. В приведенных ниже примерах наименьшая емкостная расстройка выбирается в горя чем режиме. Следует отметить, что при использовании данной методики нагревательный контур все время дол жен работать с емкостной реакцией.
При |
мощности 0,25 квт/см2 и постоянной частоте |
2 500 гц |
исходными данными для расчета приняты сле |
дующие: угол проводимости вентилей 163°, коэффициент нагрузки D = (oC/?=0,45, частотный коэффициент F —
105
—a^LdC = 0,7, индуктивность входного реактора |
БЗмкгн, |
||||||
входное напряжение 425 |
в, |
общая |
мощность |
250 кет. |
|||
При постоянной |
частоте |
мощность |
Ра |
меняется |
мало, |
||
но напряжения |
на вентиле UЩЗЯМ1 |
U0ep, |
угол |
проводи |
|||
мости X п время запирания |
(%) |
изменяются |
в |
1,5— |
1,7 раза. При большей удельной мощности происходит менее резкое изменение выходных напряжений и токов, время запирания меняется на 20% (рис. 37).
Рис. 37. Изменение режима преобразователя при нагреве детали с удельной мощностью 1 квт/см2.
Режим постоянства мощности, подводимой к нагруз ке, благоприятен для целого ряда технологических про цессов. Например, для закалки целого ряда деталей требуется применять ступенчатый нагрев, когда мощ ность в течение заданных интервалов остается постоян ной [Л. 30]. Режим с постоянством мощности выгоден в плавильных печах. В случае постоянства мощности время запирания меняется в 1,3—1,5 раза, а напряже ние на вентилях примерно на 20%. Для поддержания мощности необходимо осуществлять регулирование ча стоты на 10—15% (рис. 38, 39) [Л. 29].
В некоторых схемах преобразователей применяется режим постоянства времени, в течение которого вентиль находится под обратным напряжением. Как видно из рис. 40, режим с % = const приводит к сильному измене нию напряжения на вентилях (при больших значениях t0
106
эти изменения увеличиваются). На рис. 41 показаны необходимые изменения частоты для достижения режи мов с /0 = const и Pd = const. Приведенные результаты позволяют сделать выводы, что изменения параметров
Рис. 38. Изменение режима преобразователя в случае постоянной выходной мощности и малой удельной мощ ности (р=0,25 квт/см2), передаваемой в деталь, при из менении частоты.
Рис. 39. Изменение режима преобразователя в случае постоянной выходной мощности п малой удельной мощ ности (р0= 1 квт/см2), передаваемой в деталь при изме нении частоты.
107
изделия при закалке с со = const без специального регу лирования приведут к значительным изменениям как времени запирания (до 50% )> так п напряжения на вентилях (в 1,7—2 раза).
Рис. 40. Изменение режима последовательного преобра зователя при /о = const, удельной мощности 1 кет/см'1 и
ш = \-аг.
Аналогичная картина имеет место и в случае пре образователя параллельного п последовательно-парал
лельного типов [Л. |
31]. Перечисленные схемы дают воз- |
|||||
|
|
можность |
произвести |
|||
|
|
удвоение частоты, |
если |
|||
|
|
коммутирующие |
эле |
|||
|
|
менты |
схемы оставить |
|||
|
|
в одной диагонали мо |
||||
|
|
ста, |
а нагрузку |
под |
||
|
|
ключить к другой. |
Од |
|||
|
|
нако |
изменение режи |
|||
|
|
ма преобразователя от |
||||
|
|
изменения |
параметров |
|||
|
|
нагрузки |
происходит |
|||
|
|
еще более резко [Л. 31]. |
||||
Рис. 41. Изменение частоты преобра |
Вторым типом схем |
|||||
являются |
схемы, |
в ко |
||||
зователя. |
|
|||||
/ — P d—const; 2 — C0=const, |
Ро=0,25 квткм-. |
торых в качестве |
ком- |
108
мутирующего элемента использован ключ с двусто ронней проводимостью. Классическим примером яв ляется резонансный инвертор (рис. 32). Как известно, схема может работать в двух режимах: с коммутацией тока с обратных вентилей на прямые и без нее. Схема характеризуется ограниченным напряжением на венти лях, однако при большой его скорости нарастания. Кроме того, обязательным является включение последо
вательного контура, что не |
|||||||
всегда удобно. Схема чувстви |
|||||||
тельна |
к |
изменению |
парамет |
||||
ров нагрузки и может перехо |
|||||||
дить |
в |
|
аварийные |
режимы |
|||
[Л. 31]. |
перечисленные |
схемы |
|||||
Все |
|||||||
обладают |
характеристиками |
||||||
входного |
сопротивления |
па |
|||||
дающего |
или |
возрастающего |
|||||
типов (рис. 42,а). |
Это |
озна |
|||||
чает, что при некоторых режи |
|||||||
мах |
нагрузки |
схема |
имеет |
||||
входное сопротивление Рвх— Ю, |
|||||||
что |
означает |
аварийный |
ре |
||||
жим. Поэтому при работе на |
|||||||
технологическую нагрузку с пе |
|||||||
ременными параметрами |
|
всег |
да |
требуются |
сложные |
схемы |
|
б) |
|||
автоматического |
регулирова |
|
||||||
|
|
|||||||
ния |
для |
обеспечения |
работы |
Рис. 42. |
Характеристики |
|||
схемы в |
допустимом диапазо- |
входного |
сопротивления |
|||||
не |
|
J |
параметров |
на- |
инверторов |
(а) и (б) схемы |
||
изменения |
с реактивными демпфирую- |
|||||||
грузки. |
|
|
работы |
• ; |
щимн контурами. |
|||
Для надежной |
тре- |
1 —параллельного: 2 — после- |
||||||
-• |
|
^ |
|
г |
|
г |
довательного; |
3 — параллсльно- |
буеТС Я , ЧТОбЫ |
ВХОДНЗЯ |
х з р з к - |
последовательного. |
|||||
теристика |
|
преобразователя |
|
|
||||
представляла |
U-образную кривую (рис. 42,6). Для осу |
ществления этого необходимо, чтобы между источником постоянного напряжения и нагрузкой осуществляли за мкнутые контуры, включаемые нелинейными элементами
при перегрузке по мощности.
Одним из вариантов, где осуществлен этот принцип, является схема с обратными вентилями и удвоением частоты, рассматриваемая ниже. Работы по исследова н и ю этой схемы проводились в ЛЭТИ им. В. И. Улья-
109
нова (Ленина), во ВНИИТВЧ им. проф. В. П. Вологди на п в Уфимском авиационном институте им. С. Орджо никидзе [Л. 32, 33].
12.Анализ схем статических преобразователей
судвоением выходной частоты и встречно параллельными вентилями
Впредыдущем параграфе был сформулирован основ ной принцип работы схемы источника питания техноло гических устройств, который должен соблюдаться при составлении схем инвертора. В частности преобразова
тель приобретает U'-образную входную характеристику и не имеет аварийных режимов при холостом ходе или коротком замыкании при использовании схемы с удвое нием частоты и встречными вентилями (рис. 43).
^ ^d
Рис. 43. Принципиальные схемы инвертора с удвоением частоты и обратными вентилями.
а — с коммутирующей |
индуктивностью в диагоиале моста; б —с коммутирую |
щей индуктивностью, |
разнесенной в плечи моста. |
Рассмотрим принцип действия этой схемы. Для про стоты будем считать, что преобразователь питается от выпрямителя с бесконечно большой индуктивностью, обеспечивающей постоянство тока. Нагрузка преобра зователя активная. Схема представляет собой мост, в одной диагонали которого включен коммутирующий контур LK—Ск, собственная частота которого больше
ПО