Рубрики
Составляющие силовой электроники

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором Зульфия Валиуллина Юрий Зинин Установки индукционного нагрева металлов являются энергоемкими

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором Зульфия Валиуллина
Юрий Зинин

Установки индукционного нагрева металлов являются энергоемкими, но не самыми дорогими электротехническими устройствами. Средняя цена комплекса индукционного нагрева токами завышенной частоты (ТВЧ) составляет 5000 руб. (0) на 1 кВт установленной мощности. Для сопоставления — средняя капитализация оборудования РАО «ЕЭС» составляет около 0 на 1 кВт (в Европе в два раза больше).

Цель статьи — описание шагов проектирования частей установок ТВЧ-нагрева с применением схемотехнического моделирования. Эта статья обзорного нрава, в ней изложены, в главном, методологические принципы проектирования частей тиристорного инверторно-индукторного закалочного комплекса, показаны ценности разработчика, также приведены более важные этапы процесса проектирования частей инверторно-индукторного комплекса для индукционной закалки.

Для закалки штучных изделий употребляется, обычно, одновитковый индуктор с частотой тока от 4 до 22 кГц. Индуктор подключают к выходу тиристорного инвертора, в данном случае употребляют закалочный трансформатор специальной конструкции и высокочастотные силовые конденсаторы, согласующие всеохватывающее сопротивление нагруженного индуктора с выходным сопротивлением автономного инвертора. Эти элементы работают в критериях несинусоидальных токов и напряжений, выполняя ряд главных функций и, не считая этого, — гальваническую развязку от высоковольтных цепей частотной установки.

На рис. 1 показана схемотехническая Micro-Cap-модель частотного тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ) мощностью 40 кВт, частотой 20 кГц с закалочным трансформатором и нагрузочным колебательным контуром [1].

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором

Создатели избегают использования математических выражений, акцентируя внимание на поиске решения технической задачки способами схемотехнического моделирования, получившими обширное распространение в среде разработчиков силовой электроники. С другой стороны, необходимо подчеркнуть, что гиперболизированные ожидания по поводу способностей PSpice-моделирования не имеют оснований. Полностью может быть уточнить характеристики электронной схемы за куцее время. Но даже для этого требуются познания предметной области, которые приобретаются в течение долгого времени (пары лет).

Тиристорным преобразователем частоты в установках индукционного нагрева металлов называем устройство силовой электроники, состоящее из источника неизменного тока (выпрямителя) и автономного инвертора с однофазовым выходом, выполненное на силовых управляемых полупроводниковых устройствах — тиристорах. Цена комплекта силовых полупроводниковых частей для ТПЧ-тиристоров и диодов сравнима со ценой комплекта высокочастотных конденсаторов. Цена частотного трансформатора, рассчитанного на передачу полной реактивной мощности от компенсирующего конденсатора к закалочному индуктору, в свою очередь, сравнима со ценой ТПЧ. Потому нужно проектирование или обоснованный выбор закалочного трансформатора.

Начальными данными при проектировании ТПЧ являются требования технического задания на разработку электротермического комплекса.

Частота тока индуктора определяется из термического расчета технологического процесса закалки. При расчете задается глубина закалки, температура поверхности и температура на глубине закалки, которая в среднем принимается равной 750 °С. В приближенных расчетах глубины проникания тока в металл употребляются усредненные свойства стали.

В итоге расчета получаем удельную мощность на поверхности детали, полную мощность и время нагрева ТВЧ, которые охарактеризовывают режим индукторного нагрева.

Если деталь имеет огромные габариты, то полная мощность может иметь необоснованно огромную величину. В данном случае деталь разбивают на равные поверхности и подсчитывают мощность, нужную для закалки 1-го участка. Потом сдвигают индуктор или деталь, поочередно охватывая всю поверхность. В итоге определяется производительность установки.

Если деталь цилиндрическая, то мало нужная мощность источника ТВЧ обеспечивает закалку участка, равного ширине индуктора, по длине закаливаемой полосы, равной длине окружности.

Определение главных характеристик комплекса

Для определенности принимаем, что нужна глубина закаленного слоя 3,0 мм, внешний поперечник детали — 40 мм, материал — сталь 45. Определяем температуру поверхности — 900 °C, рабочую частоту — 20 кГц.

Беря во внимание технические данные схожих закалочных установок, задаем ширину индуктора равной 2 см, тогда мощность, нужная для одновременного нагрева участка детали, равна 30 кВт. Если учитывать типовые значения КПД трансформатора и индуктора, то требуется выходная мощность тиристорного автономного инвертора равная 40 кВт.

Напряжение питания автономного инвертора Ud равно 510 В, потому что массивные преобразователи всегда подключаются к промышленной сети переменного тока через трехфазный мостовой выпрямитель.

Номинальная величина выходного напряжения автономного инвертора интересует разработчика комплекса только при использовании типового закалочного трансформатора, выпускаемого серийно.

При проектировании автономного инвертора сначала определяются характеристики коммутирующих частей — Ск и Lк. По табл. 1 за ранее находим их для автономных инверторов различной мощности и частоты.

Таблица 1
Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором

Потом составляется облегченная схемотехническая модель тиристорного инвертора либо, в проф версии, производится полная схема ТПЧ, и методом конфигурации характеристик коммутирующих частей формируются его нужные свойства. На этом шаге нагрузку автономного инвертора целенаправлено представить активным эквивалентным сопротивлением, отысканным из условия обеспечения расчетного значения выходной мощности.

При определении характеристик конденсаторов всегда учитываем номинальный ряд стандартных значений емкости.

Выходной ток инвертора формируется током тиристора и диодика (рис. 2), при неотклонимом наличии интервала паузы, во время которой восстанавливается напряжение на коммутирующем конденсаторе инвертора.

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором

Дальше разглядим особенности проектирования бирезонансного частотного инвертора с оборотными диодиками, дозволяющие, в главном, моделировать режимы нагрузки и напряжений на полупроводниковых элементах и конденсаторах в процессе схемотехнического моделирования с колебательным нагрузочным контуром. Бирезонансным автономный инвертор именуется поэтому, что он дает мощность резонансному контуру нагрузки на 2-ой гармонике выходного тока.

Номинальное выходное напряжение Uвых для несимметричной одноячейковой схемы автономного инвертора с удвоением частоты (рис. 1) равно Ud/2, другими словами 250 В.

Инвертор работает в режиме источника тока, потому на его входе нужен дроссель неизменного тока. Индуктивность дросселя фильтра со железным сердечником (самого теплонапряженного, томного и габаритного элемента) для автономного тиристорного инвертора определяется равной 3–4 мГн. Это величина типового выполнения силового дросселя неизменного тока с величиной зазора 1–4 см [1].

На рис. 2 приведена кривая, характеризующая выходной ток инвертора. Эта кривая составлена из тока тиристора и тока диодика, сдвинутых вниз на величину неизменной составляющей входного тока автономного инвертора. Повышение входного тока обосновано возрастанием активного сопротивления нагрузки и пропорционально этому сопротивлению. При всем этом миниатюризируется ток диодика и продолжительность его протекания. Работоспособное состояние автономного инвертора характеризуется существованием резонансного режима, при котором обеспечивается нужная продолжительность интервала протекания тока через оборотный диодик. Этот интервал обеспечивает коммутационную устойчивость автономного инвертора по времени восстановления тиристора [2]. Другие динамические воздействия на тиристоры в рабочих режимах не ограничивают выходную частоту этой схемы автономного инвертора.

По данной схеме разработаны унифицированные автономные инверторы частотой от 1000 Гц мощностью 250 кВт до 20 кГц мощностью 63 кВт, схожего конструктивного выполнения.

На рис. 3 показана кривая напряжения на вентильном комплекте частотного автономного инвертора. При рациональном соотношении интервала времени проводящего состояния вентильного комплекта по отношению к периоду включения тиристора, равном 2/3, амплитуда прямого напряжения на тиристоре максимальна для номинального режима и добивается 2250 В. Как следует, в реальной схеме нужно применение 2-ух поочередных тиристоров и диодов. В схемотехнической модели нами установлен параметр очень допустимого напряжения на тиристоре — 5 кВ [3].

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором

Типовая конструкция вентильного комплекта ТПЧ показана на рис. 4. В схеме употребляются четыре таблеточных быстродействующих тиристора ТБ143-400-11-433 и частотные диоды штыревой конструкции ДЧ151-100Х-12-2 штыревого выполнения с временем восстановления менее 5,0 мс.

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором

Четыре поочередных тиристора в инверторе обеспечивают надежную работу ТПЧ с нужным припасом по напряжению для пусковых и переходных режимов.

Тиристоры используются в силовых преобразовательных устройствах с 1960-х годов. Вольт-амперная черта полупроводниковых устройств — тиристоров и диодов, предельные динамические характеристики du/dt, di/dt и время восстановления напряжения кремниевой структуры, также другие эксплуатационные характеристики — термоцикличность, термическое сопротивление отлично смешиваются с преобразуемой мощностью [4].

Улучшение динамических черт российских тиристоров, используемых в инверторно-индукторных комплексах, исключает многие существовавшие ограничения. Верхняя граница рабочей частоты рассматриваемого автономного инвертора определяется, в главном, временем восстановления маневренности тиристоров, которое, но, некординально возрастает из-за маленький величины оборотного напряжения. Величина оборотного напряжения на тиристоре составляет приблизительно 2 В — значение прямого напряжения в интервале проводимости тока диодиком, определяемое по ВАХ, приведенной на рис. 5.

Проектирование тиристорного инвертно-индукторного закалочного комплекса с выходным трансформатором

Время восстановления диодика (при обрыве его оборотного тока) определяет величину коммутационных перенапряжений на тиристорах.

Рассредотачивание неизменных и коммутационных напряжений на тиристорах осуществляется демпфирующими элементами — ВЧ-конденсаторами и резисторами, эффективность которых проверяется в процессе схемотехнического моделирования.

Проектирование нагрузки и закалочного трансформатора

После определения номинальных характеристик схемотехнической модели автономного инвертора в режиме нагрузки активным сопротивлением перебегаем к проектированию резонансной нагрузки, которая реально включает последующие составляющие: силовой частотный кабель, либо шинопровод, закалочный трансформатор, конденсаторную батарею и индуктор. Исключаем из рассмотрения принципиальные в практике конструирования высокочастотных силовых установок вопросы проектирования шинопроводов, потому что они не находят отражения при схемотехническом моделировании. В случае необходимости можно учитывать активное сопротивление шин и их индуктивность.

В высокочастотных установках для закалки железных изделий, обычно, нужно применение высокочастотных трансформаторов с ферритовым (18–22 кГц) либо «стальным» (до 8 кГц) сердечником. Стандартные закалочные трансформаторы, выпускаемые серийно для установок индукционного нагрева, производятся со железным сердечником, выполненным из электротехнической ленты. Трансформаторы обычно имеют 4 секции по 6 витков первичной обмотки и расположенные меж ними одновитковые секции (блины) вторичной обмотки. Закалочные трансформаторы используются с индукторами, имеющими маленькое число (1–3) витков. Коэффициент трансформации изменяется в широких границах переключением витков первичной обмотки.

Трансформатор промышленного выполнения должен употребляться на частоте, соответственной номинальной частоте, обозначенной в паспорте изделия. Допускается внедрение трансформатора на частоте выше номинальной, к примеру, трансформатор на 2400 Гц можно использовать на частоте 8000 Гц, но не напротив. Ограничением увеличения рабочей частоты являются утраты в сердечнике.

Сердечник промышленных закалочных трансформаторов производится из высококачественной холоднокатаной электротехнической стали Э3425 шириной 0,08 мм, что позволяет уменьшить в нем утраты.

В обозначении типа трансформатора указывается номинальная реактивная мощность Qтр кВА. Беря во внимание, что коэффициент мощности закалочных трансформаторов, включая «нагруженный» индуктор, не превосходит сos φи = 0,2, активная мощность трансформатора равна: Р = Qтр — сos φи.

С учетом воздействия нагруженного индуктора при изменении магнитных параметров металла, когда температура превосходит точку Кюри, при выходной мощности тиристорного инвертора, равной 40 кВт, требуется трансформатор с Qтр = 200 кВА.

При расчете главных характеристик трансформатора (сечение и объем магнитопровода, число витков первичной и вторичной обмоток) считается, что трансформатор не будет эксплуатироваться в режиме холостого хода, другими словами с неподключенным индуктором. При отсутствии (либо дефицитности) нагрузки трансформатор неизбежно перейдет в режим насыщения магнитной системы, перегреется и сгорит.

После выбора нужного для опции преобразователя коэффициента трансформации (определяется частотой, выходным напряжением, числом витков и размерами индуктора) нужно включить в работу все секции первичной обмотки. При всем этом следует использовать все первичные секции трансформатора. Рассредотачивание выводов по секциям, количество витков первичной обмотки может изменяться.

Время от времени применяется автотрансформаторная схема включения закалочного трансформатора, в какой можно уменьшить напряжение на вторичной обмотке закалочного трансформатора до номинальной величины для индуктора, повысить напряжение на конденсаторе компенсирующей батареи и сразу обеспечить номинальную величину выходного напряжения тиристорного инвертора.

Выход преобразователя подключен к выводу первичной обмотки, а компенсирующий конденсатор подключен к полному числу витков обмотки, как это показано на рис. 1.

Известны разработки высокочастотных тиристорных преобразователей частоты без закалочного трансформатора, но они имеют последующие недочеты:

  • индуктор в их должен быть многовитковым;
  • при подмене индуктора требуется значимая перенастройка ТПЧ;
  • индуктор нельзя заземлять, потому поя