Рубрики
Источники питания

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты Зульфия Валиуллина Юрий Зинин При разработке высокочастотных полупроводниковых

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты Зульфия Валиуллина
Юрий Зинин

При разработке высокочастотных полупроводниковых источников питания — тиристорных преобразователей частоты — повышенное внимание нужно уделить обоснованному выбору конструкции и определению номинальных характеристик силовых дросселей, так как они почти во всем определяют массо-габаритные характеристики изделий силовой электроники. Целью статьи является изложение методики разработки и внедрения PSpice модели силового дросселя с магнитным сердечником при исследовании электрических процессов в тиристорных преобразователях завышенной частоты. Создателями в первый раз приводятся результаты исследовательских работ разработанной параметрической модели силового дросселя, в какой выявлена зависимость индуктивности дросселя с сердечником от протекающего через него тока. Решение этой задачки расчетными способами неэффективно.

Целью статьи является изложение методики разработки и внедрения Spice-модели силового дросселя с магнитным сердечником при исследовании электрических процессов в тиристорных преобразователях завышенной частоты. Создателями в первый раз приводятся результаты исследовательских работ разработанной параметрической модели дросселя, в какой выявлена зависимость индуктивности дросселя с сердечником от протекающего через него тока. Решение этой задачки расчетными способами неэффективно.

Втиристорных преобразователях частоты (рис. 1) силовой дроссель неизменного тока врубается поочередно с выходом трехфазного мостового выпрямителя, потому в силовой обмотке дросселя протекает неизменная составляющая входного тока инвертора, модулированная током от выпрямителя частотой 300 Гц и током основной гармоники выходной частоты тиристорного инвертора.

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты
Рис. 1. Схемотехнический файл ТПЧ

Применение дросселя обеспечивает «токовый» режим работы тиристорного преобразователя с нужной наружной чертой. Выпрямитель и силовой дроссель рассматриваются вместе как эквивалентный источник тока, питающий автономный тиристорный инвертор высочайшей частоты.

Инвертор подключен к нагрузочному колебательному контуру с емкостной автотрансформацией напряжения, настроенному на первую либо вторую гармонику выходного тока инвертора.

Принципиальной функцией силового дросселя неизменного тока является ограничение уровня помех токов высочайшей частоты, проникающих в питающую сеть при работе ТПЧ [1]. На рис. 2 показана форма входного тока инвертора, которая характеризуется высокочастотными импульсными помехами значимой амплитуды, возникающими при работе ТПЧ.

При схемотехническом моделировании ТПЧ имеется возможность конфигурации характеристик модели в режиме Stepping, в простом случае дискретно меняется, к примеру, индуктивность дросселя неизменного тока.

Исследование воздействия характеристик дросселя на режимы работы автономного инвертора делается включением его модели в состав ТПЧ нужной мощности и частоты и установлением хорошей величины зазора.

При схемотехническом моделировании инвертора мощностью 120 кВт частотой 2500 Гц и дросселя входного тока с индуктивностью 3,2 мГн выявлено, что в цепи выпрямителя и силового дросселя протекает пульсирующий ток со средним значением 300 А, как это показано на рис. 2.

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты
Рис. 2. Форма тока входного дросселя тиристорного инвертора

Из временной диаграммы, приобретенной при помощи схемотехнического моделирования, видно, что за период пульсаций 756 мкс амплитуда пульсаций тока диодика выпрямителя и дросселя добивается 84 А. Это изменяет ход петли гистерезиса дросселя, которая может осуществляться по личному циклу.

В схемах тиристорных преобразователей частоты нами употребляется унифицированная конструкция дросселя, выполненная на сердечнике из электротехнической стали и 2-ух симметричных обмотках, включенных согласно и поочередно (рис. 3). Зазор обеспечивается в процессе сборки силового дросселя несколькими немагнитными прокладками шириной 1 см.

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты
Рис. 3. Конструкция силового дросселя неизменного тока автономного инвертора

Количество витков обмоток дросселя и главные размеры магнитной цепи не изменяются для различных случаев внедрения дросселя, но его зазор устанавливается исходя из определенного внедрения в инверторах различной мощности и частоты.

На сердечнике силового дросселя расположены две катушки из медной трубки. Отвод тепла, выделяющегося в дросселе, делается проточной водой системы остывания. Для увеличения эффективности остывания «железа» дросселя используются медные радиаторы. Стяжка конструкции дросселя делается латунными шпильками с изолирующими шайбами.

Для электротехнической стали, из которой выполнен сердечник дросселя, удельные утраты и магнитная индукция являются основными нормируемыми чертами. При увеличении частоты преобразователя резко растут утраты в дросселе, потому приходится снижать рабочую индукцию магнитопровода.

Считая максимально допустимыми по условиям нагрева и теплоотвода удельные утраты 20 Вт/кг, нужно снижать рабочую индукцию для частоты 400 Гц до 1,5 Тл, а для частоты 8000 Гц — до 0,2 Тл. Этими советами фактически исчерпывались начальные данные для разработчика дросселя.

Аналитический расчет электрической цепи с дросселем неизменного тока, который проводится при определении хорошей величины зазора силового дросселя для его действенного использования, очень сложен и дает приближенные результаты. Увеличение точности результатов достигается средствами схемотехнического моделирования, к примеру, применением программки MicroCap, в какой употребляются самые совершенные сейчас модели схемных частей ТПЧ — тиристоров и диодов [2].

Программка MicroCap в текущее время переведена на платформу Windows со стандартным многооконным интерфейсом. Система MicroCap обеспечивает внедрение макросов главных компонент. В ней — обычное задание исходных критерий, также имеется возможность внедрения моделей юзера для нелинейной системы ТПЧ с автоматическим конфигурацией расчетного параметра в нужном спектре (режим Stepping). Начальные файлы можно создавать в уникальном формате, или использовать описание схем и задание на моделирование в формате языка Spice.

Базу рассматриваемых схемотехнических файлов устройств силовой электроникитиристорных преобразователей частоты — составляют модели полупроводниковых и электрических частей.

Математические модели Spice-элементов описываются огромным количеством характеристик, определяемых при помощи директивы MODEL. Пакет моделей Spiсe заходит в состав фактически всех программных товаров схемотехнического моделирования, таких, к примеру, как система Design (модификации Design Center, Design Lab) либо система OrCad. Потому что в библиотеках Spice отсутствуют интегрированные модели индуктивных частей, для исследования электрических процессов силовых полупроводниковых преобразователей нужно за ранее сделать модели дросселей.

При разработке Spice-модели характеристики магнитного сердечника силового дросселя неизменного тока вводятся на основании данных о кривой намагничивания, согласно рис. 4.

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты
Рис. 4. Модель сердечника силового дросселя неизменного тока

Для конкретизации результатов нами в модель сердечника введены характеристики ленты электротехнической, холоднокатанной, анизотропной, типа 3421 производства предприятия АМЕТ (г. Аша, металлургический завод).

Понятно, что при частоте пульсаций 400 Гц лучшие магнитные характеристики имеет металлической лист шириной 0,12 мм, с учетом коэффициента наполнения лучшая толщина для этой частоты — 0,15 мм, при частоте 800 Гц лучшая толщина — 0,08 мм. Повышение частоты до 2000 Гц уменьшает лучшую толщину железного листа до 0,05 мм.

При увеличении частоты резко растут утраты, потому приходится снижать рабочую индукцию магнитопровода. Считая максимально допустимыми по условиям нагрева и теплоотвода удельные утраты 20 Вт/кг, нужно понизить рабочую индукцию сердечника для частоты 400 Гц до 1,5 Тл, для частот 8000 и 2000 Гц — до 1,0 и 0,5 Тл, для частот 1000 и 2000 Гц — 1,0 и 1,5 Тл соответственно.

Для рассматриваемой электротехнической стали удельные утраты и магнитная индукция являются основными нормируемыми чертами. Для стали 3425 при толщине листа 0,15, 0,08 и 0,05 мм удельные утраты составляют соответственно 17, 15 и 13 Вт/кг при рабочей индукции 0,75 Тл и частоте 400 Гц.

Утраты в стали от вихревых токов пропорциональны квадрату толщины пластинок. Для горячекатанной стали предельная магнитная индукция — 1,45–1,5 Тл. Холоднокатанная направленная сталь допускает индукцию 1,65–1,7 Тл. Принимаем в качестве сердечника магнитопровода дросселя холоднокатанную сталь 3425, лист шириной 0,15 мм.

Начальные данные магнитной индукции B (Гаусс) при данной напряженности магнитного поля (A/м) для электротехнической стали марки 3425, шириной 0,15 мм, принятые при моделировании сердечника, указаны в таблице.

Таблица
Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты

С внедрением расчетных уравнений Джилса-Атертона, методом инициализации и оптимизации приведенной расчетной модели определяются последующие характеристики магнитного сердечника дросселя: MS — намагниченность насыщения, Alpha — параметр магнитной связи доменов, A— параметр формы безгистерезисной кривой намагничивания, С — неизменная упругого смещения доменных границ, К — неизменная подвижности доменов.

Обозначенные геометрические характеристики сердечника дросселя — Area (площадь), Path (длина магнитной полосы) и Gap (зазор) — определены для внедрения дросселя в схемах автономных несимметричных инверторов различной мощности и частоты.

Выбор толщины листа сердечника силового дросселя определяется хорошим соотношением требуемых магнитных параметров материала, коэффициентом наполнения и трудозатратностью производства магнитопровода.

Значимая нелинейность черт дросселя проявляется при изменении тока для номинального режима и во временном интервале, когда дроссель подвергается воздействию тока недлинного замыкания тиристорного преобразователя частоты.

Оптимизация расчетной модели сердечника программкой MicroCap определяет его главные магнитные характеристики с ошибкой менее 1,2%. Модель употребляется в качестве сердечника взаимосвязанных катушек индуктивности. Изменяемым параметром является величина зазора сердечника.

На рис. 5 показаны рассчитанные нами графики конфигурации индуктивности схемотехнической модели дросселя от величины тока, протекающего через его обмотки, размещенные на сердечнике с воздушным зазором. Приведены результаты конфигурации индуктивности для модели дросселя с воздушным зазором в границах от 5 до 1 см с шагом 1 см.

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты
Рис. 5. Параметрическая зависимость индуктивности обмоток силового дросселя с сердечником от протекающего через обмотки тока

Для обозначенных характеристик сердечника дросселя хорошей является суммарная величина зазора, равная 3 см. При большей и наименьшей величине зазора индуктивность ненасыщенного дросселя на рабочем токе инвертора существенно понижается.

Значимая нелинейность черт силового дросселя проявляется при изменении тока в нем, когда дроссель подвергается воздействию тока недлинного замыкания инвертора.

Схемотехнический файл в программке MicroCap частотного ТПЧ с внедрением модели дросселя, состоящего из 2-ух обмоток L4 и L5, приведен на рис. 6. Коэффициент связи меж обмотками, расположенными на сердечнике К2, принят равным 1.

Согласно приведенной на рис. 1 схемотехнической модели выполнялось исследование разных ТПЧ частотой 2500–22 кГц, мощностью 250–40 кВт. При всем этом учитываются все значительные особенности реального объекта моделирования и режимов его работы.

На рис. 6 приведен файл схемотехнического моделирования частотного ТПЧ частотой 22 кГц, номинальной мощностью 40 кВт, в каком применена разработанная модель дросселя неизменного тока, выполненная на сердечнике К2.

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты
Рис. 6. Модель ТПЧ с силовым дросселем насыщения на сердечнике К1 и дросселем неизменного тока на сердечнике К2

Особо отметим, что величина индуктивности дросселя неизменного тока фактически не оказывает влияние на работоспособность силовой схемы этого тиристорного инвертора, что позволило провести экспериментальную проверку главных выводов данной работы на установках номинальной мощности [3].

В высокочастотном ТПЧ мощностью 40 кВт, согласно рис. 7, применена Spice-модель дросселя насыщения, выполненного на сердечнике К1 из ферритовых колец размером 100K80K15 мм сечением 25 см2. Дроссель содержит обмотку из 8 витков медной трубки с остыванием проточной водой. Этот дроссель включен поочередно в цепь вентильной пары тиристор–диодик частотного инвертора и производит задержку протекания тока тиристора и диодика в границах 15–18 мкс.

Изменение индуктивности дросселя насыщения употребляется в схеме ТПЧ, в главном, для уменьшения коммутационных перенапряжений на тиристорах автономного инвертора при увеличении рабочей частоты.

Временная диаграмма тока вентильной пары тиристорного инвертора, обусловленная наличием дросселя насыщения, и кривая конфигурации индуктивности силового дросселя (от 36 мГн до фактически нулевой величины) приведены на рис. 7. Моделирование произведено в программке MicroCap 8 версии.

Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей завышенной частоты
Рис. 7. Задержка дросселем насыщения тока диодика ТПЧ (вверху) и кривая конфигурации индуктивности силового дросселя насыщения

Схемотехническое моделирование дросселя насыщения показало нужную высшую точность расчетов конструктивных характеристик и обеспечение данного времени задержки тока. В реальной конструкции изменение варьируемых характеристик нереально.

Описанные Spice-модели силовых дросселей с ферромагнитными сердечниками обширно употребляются нами при схемотехническом моделировании устройств силовой электроники [4].

Заключение

  1. В практике проектирования и исследования черт схемотехнической модели силового дросселя неизменного тока переменным параметром целенаправлено считать величину зазора магнитной цепи.
  2. Сотворена новенькая Spice-модель силового дросселя с сердечником, которая предугадывает возможность предстоящего уточнения в процессе схемотехнического моделирования.
  3. Проведенные исследования схемотехнических моделей позволяют преднамеренно поменять нрав протекания электрических процессов электротехнического оборудования, имеющего в собственном составе силовые индуктивные дроссели.