8.4 Расчет автономного инвертора.

Установка индукционного нагрева с параметрами Р_Н = 100 кВт, f = 8000 Гц, /₀ = 0,1, U_Н=700 B питается от тиристорного инвертора, который через выпрямитель непосредственно подключен к трехфазной сети 50 Гц напряжением 380 В.

При питании инвертора от выпрямителя, непосредственно подключенного к трехфазной сети и выполненного по трехфазной мостовой схеме, входное напряжение равно U_d = 500 B (при  = 0 и с учетом реальных падений напряжения на элементах схемы). При достаточно большом реакторе в промежуточной цепи постоянного тока и без учета потерь мощности в вентилях получаем постоянный ток на выходе инвертора, определяющий амплитуду тока тиристора:

I_d = P_Н /U_d = 10010³/500 = 200 A. (8.25)

Амплитуда напряжения на нагрузке, которая определяет максимальное значение напряжения, прикладываемого к тиристорам, составляет:

В

Находим схемное время выключения:

мкс (8.26)

Таким образом, тиристоры инвертора должны удовлетворять следующим требованиям:

время выключения t_q  10 мкс (коэффициент запаса k_q = 1.3);

периодически повторяющиеся прямое и обратное напряжение при коэффициенте запаса k_u = 1.2 U_RRM,DRM  1200 B;

среднее значение прямого тока I_T(AV) = 100 A;

амплитудное значение прямого тока I_TM = 200 A при частоте 8 кГц.

Этим требованиям удовлетворяют, например, тиристоры с комбинированным выключением типа T178S (фирма AEG-Telefunken), которые при частоте 8 кГц допускают прямой ток с амплитудой 200 А, если di/dt < 80 А/мкс (следовательно, необходим дополнительный реактор), при температуре корпуса t_c < 80 C (т.е. необходимо водяное охлаждение). В этом случае параллельное включение тиристоров не требуется.

При t_h =13 мкс и /₀ = 0.1 находим по рис. 8.5 отношение частот f_p/f₀ = 1.1. Для получения заданной мощности в нагрузке необходимо, чтобы индуктивность нагрузки в соответствии с:

(8.27)

не превышала

мкГн (8.28)

Рис. 8.5. Зависимость относительного времени t_h, предоставляемого для выключения тиристоров, от соотношения частот f_p/f₀ и от относительного затухания  /₀ (при f_p = const)

8.5 Основные показатели и характеристики регуляторов

Важнейшими эксплуатационными характеристиками регуляторов постоянного напряжения в общем случае являются:

- рабочая частота. Повышение частоты переключений снижает затраты на фильтр и повышает быстродействие регулятора, однако при этом возрастают требования к элементам схемы и увеличиваются потери в регуляторе;

- максимальное и минимальное значения коэффициента передачи. Диапазон требуемых значений коэффициента передачи по напряжению во многих случаях определяет выбор схемы. Часто требуемая минимальная величина коэффициен­та передачи k_U, необходимая для получения U_2min, достигается за счет снижения частоты переключений ниже частоты при номинальном режиме, т.е. за счет комбинации ШИР и ЧИР. Диапазон регулирования определяется регулировочной характеристикой регулятора k_U =f(T₃/T) (рис. 8.6), которая опре­деляет также зависимость коэффициента передачи регулятора от тока нагрузки;

Рис. 8.6. Регулировочные характеристики регулятора (1 - I₂= 0,2I_2max; 2 - I₂= 0,5I_2max; 3 - I₂= I_2max)

- диапазоны изменения входного напряжения и тока нагрузки. Они опре­деляют эксплуатационные свойства регулятора, при этом должна быть задана длительность работы при предельных режимах, например при наибольшем токе;

- коэффициент полезного действия. Определяется в общем случае потеря­ми в основном тиристоре (транзисторе), коммутационном устройстве, шунти­рующем диоде и во входном и выходном фильтрах.

Порядок расчета регулятора показывается на примере регулирования тока возбуждения тягового двигателя. Требуемый диапазон изменения тока возбуждения при сопротивлении нагрузки от 4 до 6,8 Ом и входном напряже­нии U₁=500÷1000 В составляет I₂=10÷70 A. При перенапряжениях U₁>1200 B регулятор выключается. При выключенном регуляторе U₁1500 B. Наибольший ток, который необходимо выключать, равен 100 А, рабочая частота регуля­тора 300 Гц.

Из приведенных данных следует, что k_U=0,04÷0,48 при U₁=1000 B. Ми­нимальная длительность замкнутого состояния ключа в соответствии с соот­ношением (1) составляет T_3min=133 мкс.:

k_U =U₂/U₁=T₃ /Т=T₃ f  1 (8.29)

где T=T₃ +T_P =1/f - период частоты переключения; f - частота переключения; T₃-интервал замкнутого состояния ключа; T_P-интервал паузы.

Выбираем схему рис. 8.7.

Рис. 8.7. Схема тиристорного регулятора напряжения с резонансным пере­зарядом коммутирующего конденсатора (VS,VS_К - силовой и коммутирующий тиристоры; VD_С - диод сброса; VD_П - диод перезаряда; C - коммутирующий конденсатор; L_П - реактор перезаряда; VD - "нулевой" диод; L₂, R₂ - пассивная нагрузка)

При определении коммутирующих элементов исходим из выражения:

T_3min2 · (8.30)

Оптимальное значение коэффициента

k_I = = (8.31)

где I_Ckm - амплитудное значение тока коммутирующего конденсатора; I₂-наибольшее возможное значение тока нагрузки;  - коэффициент, учитываю­щий потери в контуре коммутации, составляет от 1,5 до 1,8.

При T_3min =133 мкс, U₁=500 B, I₂=100 A,  = 0,9; выбрав k_I =1,7 получаем согласно уравнени­ям (8.30) и (8.31) С_K =8 мкФ и L_K =56 мкГн.

Время, предоставляемое основному тиристору для запирания, составля­ет

t_h= =39,8 мкс (8.32)

Поскольку напряжение, прикладываемое к тиристору, на интервале запирания невелико (оно равно прямому напряжению на диоде VD_С), выбираем тиристоры с t_q=25 мкс. Токовая нагрузка тиристора VS_K и диодов VD_С и VD_П определя­ется длительностью импульса тока конденсатора, равной  =66,5 мкс, и амплитудой тока I_Сkm250 A (при U₁=1000 B и I₂=70 A). Наибольшая ско­рость нарастания тока составляет U₁/L_K 22 А/мкс. Ток основного тиристора VS равен сумме тока нагрузки и тока переразрядки конденсатора (первая полуволна). Поэтому выбираем тиристор типа ТЧ125.

Наибольшая токовая нагрузка шунтирующего диода VD получается при U₁=1000 В. По условиям работы в данной схеме подходит быстродействующий диод на ток 60 А.

Максимальное выходное напряжение 1500 В обусловливает необходимость последовательного включения двух тиристоров 10-го класса. Максимальное напряжение шунтирующего диода составляет примерно 2400 В.