Рубрики
Электроприводы

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов Юрий Зинин

В статье рассматриваются особенности исследования нагрузочного контура схемотехнической модели тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ).

Схемотехническая модель автономного инвертора и колебательной нагрузки

Моделирование электрических процессов является нужным шагом проектирования и исследования тиристорных преобразователей частоты. Укажем на последующий феномен: чем проще схема ТПЧ, тем труднее рассмотрение протекающих в ней электрических процессов, так как элементы силовых схем делают огромное количество разных функций. В данном случае для моделирования используются программы-симуляторы, подавляющее большая часть которых употребляет язык PSpice для описания частей, составляющих принципную электронную схему устройства.

Ниже приведено исследование схемотехнической модели ТПЧ, выполненное в программе-симуляторе MC 10 компании Spectrum Software. Последней доступной на момент написания статьи является оценочная версия MC 10.0.1.0, которая может быть загружена из источника [1].

Преемственность версий программки схемотехнического моделирования позволяет использовать файлы, сделанные ранее [2–6]. В этой статье создатель использовал разработку схемотехнической модели ТПЧ, сделанную в программке MicroCap V версии 1.0.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 1. Элементы электропитания схемотехнической модели ТПЧ (выделены) и подключение измерительных устройств для контроля активной входной мощности

На рис. 1 желтоватым цветом выделены элементы многофункциональных узлов схемотехнической модели, которые обеспечивают электропитание ТПЧ: трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты (PSpice-модели 3PHASEA, 3PHASEB, 3PHASEC); мостовой трехфазный выпрямитель (PSpice-описание диодов D2–D4); дроссель неизменного тока в виде линейной индуктивности (L1 = 4,2 мГн) [7–10].

Анимационный контактный выключатель Switch отделяет источник питания от автономного тиристорного инвертора, при всем этом показания анимационных электроизмерительных устройств — цифрового или аналогового вольтметра и амперметра — нулевые (рис. 1).

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 2. Элементы автономного инвертора и колебательной нагрузки (выделены) в схемотехнической PSpice-модели ТПЧ

На рис. 2, в отличие от рис. 1, выделены последующие многофункциональные узлы схемотехнической модели: тиристоры несимметричного инвертора с оборотным диодиком (PSpice-модели Х1, Х2 и D1); контур коммутации тиристоров (L2 и C2); конденсаторы нагрузочного колебательного контура (С4, С5 и С6); составляющие индуктора (индуктивности L3 и L4 с поочередным омическим сопротивлением и отводом от средней точки).

На рис. 2 анимационный контактный выключатель Switch показан замкнутым, он подсоединил к модели автономного инвертора модель трехфазной сети питания переменным током частотой 50 Гц. Импульсы управления тиристорами инвертора (IMPULSE) подаются с нужной частотой, которая регулируется. Нагрузочный колебательный контур с индуктором настроен на вторую гармонику выходного тока несимметричного автономного инвертора.

Также на рис. 2 отражены показания анимационных электроизмерительных устройств после окончания расчетного интервала схемотехнической модели. От сети автономный инвертор потребляет только активную энергию. Входная мощность инвертора

PD = RMS(v(METER1) x i(METER2)) = 150 кВт,

где RMS — среднеквадратичное значение, либо действующая величина входной мощности.

Для этой схемотехнической модели проверяется входная мощность, характеристики коммутирующего контура инвертора и колебательной нагрузки. На рис. 2 показаны величины, характеризующие реактивную мощность (PS) конденсатора нагрузки и дозволяющие оценить этот параметр в конце расчетного интервала.

Способы схемотехнического моделирования дают возможность провести расчет электрических процессов в ТПЧ с учетом их существенных особенностей. Отметим, что через неуправляемый выпрямитель ТПЧ может потреблять только активную мощность. Реактивная мощность циркулирует в автономном инверторе, вызывая «раскачку» напряжения на тиристорах и в колебательном контуре индуктора.

Схемотехническая модель выполнена на базе несимметричной схемы автономного тиристорного инвертора тока. Выходной ток инвертора через коммутирующий контур (L2, C2) протекает через колебательную нагрузку с индуктором.

Рабочая частота колебательного контура нагрузки, в который включен индуктор (L3, L4), определяется как двойное значение частоты включения тиристоров через временной интервал, задаваемый генератором IMPULSE. Период импульсов управления тиристорами несимметричного инвертора на всех временных диаграммах составляет 635,324 мкс. На 2-ой гармонике обозначенной частоты должна осуществляться полная компенсация реактивной мощности индуктора, тогда нагрузка автономного инвертора будет эквивалентна омическому сопротивлению.

Нагрузка ТПЧ в программках схемотехнического моделирования может быть представлена без существенных упрощений композицией индуктивностей, резисторов индуктора и конденсаторами, служащими для увеличения низкого коэффициента мощности индуктора [11, 12].

В статье рассмотрен более общий случай подключения индуктора — по автотрансформаторной схеме с емкостным делителем напряжения. Определение характеристик индуктора, омического сопротивления и реактивной мощности конденсаторов резонансного контура нагрузки — животрепещущая задачка проектирования индукционной нагревательной установки с питанием от ТПЧ.

Определим действующие значения реактивной мощности.

Дроссель неизменного тока автономного инвертора:

RMS(PS(L1)) = 278 кВ·Ар.

На этом шаге не учитываются утраты активной энергии в реактивных элементах инвертора.

Реактивная мощность коммутирующей индуктивности:

RMS(PS(L2)) = 867 кВ·Ар.

Реактивная мощность коммутирующего конденсатора:

RMS(PS(С3)) = 607 кВ·Ар.

Схемотехническая модель, показанная на рис. 2, позволяет произвести нужные исследования электрических процессов в силовой схеме ТПЧ. Опишем работу модели тиристорного несимметричного автономного инвертора тока в установившемся режиме.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 3. Окно программки МС 10: временные диаграммы тока и напряжения на коммутирующем конденсаторе несимметричного инвертора

На рис. 3 показаны временные диаграммы тока и напряжения на коммутирующем конденсаторе несимметричного инвертора. При анализе переходных процессов запуска схемотехнической модели импульсы генераторов IMPULSE подаются на тиристоры автономного инвертора (X1 и X2), при всем этом за ранее заряженный (до исходного напряжения IC = 400 В) коммутирующий конденсатор С2 через коммутирующий дроссель L2 сформировывает в нагрузке инвертора одну полуволну выходного тока, протекающую через тиристор (рис. 3). Когда конденсатор С2 перезарядится этим током до напряжения оборотной полярности, через оборотный диодик (D1) начинается перезаряд этого конденсатора на начальную полярность с наименьшей амплитудой, которая отражает утраты активной энергии в контуре коммутации. Тиристоры и диодик выключаются.

После окончания протекания обозначенного тока через оборотный диодик инвертора начинается процесс линейного восстановления напряжения на этом конденсаторе до установившейся величины, обусловленной величиной «раскачки» напряжения.

Раскачка охарактеризовывает величину установившегося напряжения на элементах автономного инвертора при изменении эквивалентного сопротивления нагрузки.

Значимая нелинейность токов и напряжений на реактивных элементах автономного несимметричного инвертора затрудняет расчет их реактивной мощности, тем паче комфортно для этой цели использовать программусимулятор МС 10.

Исследование схемотехнической модели инвертора

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 4. Результаты анализа переходных процессов в дросселе неизменного тока от момента запуска автономного инвертора (вверху) и график тока в одной фазе питающей сети

На рис. 4 справа показаны результаты анализа переходных процессов в дросселе неизменного тока от момента запуска автономного инвертора (вверху) и график тока в одной фазе А трехфазной питающей сети ТПЧ. В конце расчетного интервала, равного 10 мс, вольтметр указывает амплитудное значение выпрямленного напряжения, которое подается на вход автономного инвертора. Величина этого напряжения комфортна для внедрения в силовых устройствах с внедрением массивных тиристоров, которые отлично работают в спектре 500–2500 Гц и выше.

Входной ток инвертора характеризуется значительными пульсациями, величина которых ограничивается динамической индуктивностью дросселя неизменного тока L1. Эти пульсации тока попадают в трехфазную сеть питания ТПЧ, создавая помехи другим устройствам, к примеру, системе управления, регулирования и защиты от аварийных режимов ТПЧ.

Схему инвертора именуют инвертором с закрытым входом либо инвертором тока, если в ней на входе находится большая индуктивность.

При величине линейного напряжения 3×380 Вx50 Гц величина наибольшего напряжения на выходе неуправляемого мостового выпрямителя (схемы Ларионова) составляет 531 В. Это напряжение через дроссель неизменного тока с большой индуктивностью (L1 = 4,2 мГн) подключается к тиристорному инвертору, обеспечивая нужные токовые свойства.

Особенности режимов работы дросселя неизменного тока обоснованы протеканием высокочастотных токов значимой величины. Понижение амплитуды пульсаций высокочастотных токов, генерируемых тиристорным инвертором и проникающих в питающую сеть, также является принципиальной задачей дросселя. С этой точки зрения индуктивность дросселя неизменного тока ТПЧ должна быть как может быть больше, при всем этом растет припас его реактивной энергии, но в то же время растут габариты и утраты активной мощности.

Отметим принципиальное событие, касающееся выбора продолжительности расчетного интервала при анализе электрических процессов ТПЧ. Для верного отображения величины напряжения на анимационном вольтметре, которая показывается после окончания расчетного интервала, его продолжительность нужно выбирать кратной множителю 10 мкс. Это разъясняется особенностью формы напряжения питания автономного инвертора, присоединенного к выходу мостовой схемы диодного выпрямителя.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 5. Временная диаграмма напряжения на дросселе неизменного тока автономного инвертора с закрытым входом

На рис. 5 показана временная диаграмма напряжения на дросселе неизменного тока автономного инвертора с закрытым входом. Это напряжение в оборотной полярности временами прикладывается к поочередно включаемым тиристорам автономного инвертора (X1 и X2) и оборотному диодику D1. Демпфирующие цепи ограничивают скорость нарастания прямого напряжения. Амплитуда напряжения определяется его продолжительностью в границах 1-го периода конфигурации и растет в режимах уменьшения активного сопротивления нагрузки ТПЧ. Напряжение питания инвертора, которое указывает измерительный прибор (анимационный вольтметр), определяет величину неизменной составляющей напряжения на вентильной паре автономного инвертора. Для расчетного момента времени величину потребляемого инвертором тока указывает цифровой амперметр.

На вкладке к рис. 5 приведены рабочие режимы для оборотного диодика схемотехнической модели.

При подключении колебательной нагрузки электротермической установки к ТПЧ нужно найти характеристики «нагруженного» индуктора и избрать схему подключения компенсирующих конденсаторов. Характеристики нагруженного индуктора, в общем случае, определяются подходящим расчетом.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 6. Напряжение на конденсаторе при автотрансформаторном присоединении нагрузки автономного инвертора

На рис. 6 приведена временная диаграмма напряжения на конденсаторе С5 при автотрансформаторном присоединении нагрузки автономного инвертора. В статье рассмотрен более общий случай подключения индуктора — по автотрансформаторной схеме с емкостным делителем напряжения. При всем этом нагрузка «настроена» на вторую гармонику выходного тока инвертора, это позволяет получить на выходе инвертора завышенную частоту в сопоставлении с частотой включения его тиристоров. В данном случае в конденсаторах нагрузочного контура возникает 2-ая гармоника напряжения, которая дополнительно нагружает конденсаторы, и это нельзя не учесть при расчете реактивной мощности. Реактивная мощность для электротермических конденсаторов является параметром, определяющим их габариты, вес и цена.

Схемотехническое моделирование позволяет найти реактивную мощность конденсаторов при хоть какой форме напряжения на их. На рис. 7 показано напряжение на компенсирующем конденсаторе, присоединенном к индуктору для компенсации реактивной мощности нагрузки автономного инвертора. Напряжение имеет практически синусоидальную форму с двойной частотой первой гармоники, что гласит о маленький величине омического сопротивления индуктора.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 7. Напряжение на конденсаторе, присоединенном к индуктору для компенсации реактивной мощности нагрузки автономного инвертора

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 8. Фигура Лиссажу для компенсирующего конденсатора нагрузочного колебательного контура

На рис. 8 показана замкнутая кривая, схожая фигуре Лиссажу, для компенсирующего (С4) конденсатора нагрузочного колебательного контура, приобретенная для установившегося режима работы автономного инвертора, в координатах «напряжение/ток». Фигура Лиссажу — замкнутая линия движения передвигающейся точки, совершающей сразу установившиеся гармонические колебания в плоскости декартовых координат.

Разница поперечников приобретенных окружностей отражает затухание колебательного контура нагрузки, работающего на 2-ой гармонике выходного тока автономного инвертора (3148 Гц). Нагрузочный колебательный контур можно настроить и на первую гармонику выходного тока инвертора [13–15]. Тогда для установившегося режима колебательной нагрузки большой добротности на диаграмме получаем одну окружность, и реактивную мощность конденсатора можно высчитать по его известным характеристикам — квадрату действующего напряжения, емкости конденсатора и частоте.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 9. Диаграммы несинусоидального напряжения на силовых конденсаторах автономного инвертора

На рис. 9 приведены диаграммы напряжения на силовых конденсаторах автономного инвертора для номинального режима ТПЧ. Напряжение существенно отличается от синусоидальной формы, потому высчитать величину нужной реактивной мощности проблемно. К тому же амплитуда и форма этого напряжения изменяется с регулированием частоты автономного инвертора.

Спектральный состав этих диаграмм отличается. В кривой v(C2) большей является основная (1-ая) гармоника. В кривой v(C6) большей является 2-ая гармоника, на которой работает колебательный контур нагрузки инвертора.

Определение действующего значения реактивной мощности частей нагрузочного контура автономного инвертора

Реактивная мощность конденсатора — это колебательная мощность, которая приложена к конденсатору. Реактивная мощность конденсаторов рассчитывается для силовых автономных инверторов и нагрузочных колебательных контуров при синусоидальных токах и напряжениях. В нагрузочном колебательном контуре наибольшее количество энергии, запасенной в конденсаторах, на рабочей частоте должно приравниваться энергии, запасенной в катушке индуктивности.

Для синусоидальной формы напряжения реактивная мощность, действующая в конденсаторе С, равна:

Рс = (Uс)2/2xХс,

где емкостное сопротивление конденсатора: Хс = 1/2 πfC, π = 3,1416, f — рабочая частота, С — величина емкости.

Реактивная мощность, действующая в индуктивности, равна:

РL = (IL)2/2xXL,

где индуктивное сопротивление катушки индуктивности: XL = 2πfL, L — величина индуктивности.

Программки схемотехнического моделирования позволяют просто найти величину реактивной мощности частей индуктивной и емкостной нагрузки при несинусоидальных токах либо напряжениях.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 10. Действующие значения реактивной и активной мощности в элементах нагрузки автономного инвертора

На рис. 10 приведены графики действующего значения реактивной мощности выходного конденсатора автономного инвертора — RMS(PS(C3)), реактивной мощности конденсаторов колебательной нагрузки — RMS(PS(C4)+PS(C5)+PS(C6)) и величины активной мощности в омическом сопротивлении индуктора (1M = 1000 кВ·Ар, RMS — среднеквадратичная величина).

Графики демонстрируют, что маленький коэффициент мощности индуктора должен компенсироваться подключением конденсаторов значимой величины. Колебательный контур нагрузки с «загруженным» индуктором обладает наименьшей добротностью.

Действующее значение произведения тока на напряжение для компенсирующего конденсатора равно среднеквадратичной величине его реактивной мощности:

RMS(v(C4)xi(C4)) = RMS(PS(C4)) = 2,3 МВ·Ар.

Емкость конденсатора С4 после определения нужной величины округляется, после этого делается уточнение емкости других конденсаторов С5, С6 и изменение рабочей частоты автономного инвертора в маленьких границах. Схемотехническое моделирование в режиме Probe Transient Analysis позволяет оперативно выполнить нужные деяния.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 11. Энергетический баланс реактивных мощностей скомпенсированной нагрузки ТПЧ

На рис. 11 показаны кривые реактивных мощностей скомпенсированной нагрузки ТПЧ — суммарная реактивная мощность индуктивных частей (индуктора) и реактивная мощность электротермических конденсаторов (В·Ар). Энергетический баланс рассчитанных реактивных мощностей нужен для заслуги высочайшего коэффициента мощности эквивалентной нагрузки ТПЧ, тогда его нагрузочный контур можно представить омическим сопротивлением на этой частоте. Но представление нагрузки омическим сопротивлением не позволяет произвести исследование частотных параметров автономного инвертора, а это основной способ регулирования рабочих режимов электротермической установки для индукционного нагрева металлов.

С целью действенного использования электротермических конденсаторов индуктор выполнен с отводом от середины. Выявленная погрешность энергетического баланса реактивных мощностей частей нагрузочного контура разъясняется воздействием реактивных частей автономного инвертора и не превосходит 5%. Укажем, что при смене индуктора в колебательной нагрузке ТПЧ его характеристики довольно воспроизводить с таковой же погрешностью. Компенсацию отличия режима установки индукционного нагрева от номинального для ТПЧ, выполненного по приведенной схеме с неизменной величиной выпрямленного напряжения, целенаправлено создавать регулированием частоты инвертирования.

Определение энергетического баланса реактивных мощностей в индукторной нагрузке тиристорного преобразователя частоты способом схемотехнического моделирования электрических процессов

Рис. 12. Батарея компенсирующих конденсаторов колебательного нагрузочного контура

На рис. 12 показан вид батареи компенсирующих конденсаторов колебательного нагрузочного контура, созданной для увеличения коэффициента мощности электротермической установки завышенной частоты и подстройки колебательного контура. В ней применены электротермические подстроечные конденсаторы с рабочей частотой до 10 кГц и напряжением 500–800 В [16]. На табличке силовых электротермических конденсаторов типа ЭСПВ указывается его типономинал: напряжение (0,5; 0,8; 1,0; 1,6; 2,0 кВ); частота (0,5; 1,0; 2,4; 4,0; 10 кГц); реактивная мощность (300, 650 кВ·Ар) и емкость (6–362 мкФ). Масса конденсатора 25 кг.

Для конденсаторов типа ЭЭВК тангенс угла диэлектрических утрат — 0,5; 2,0 x10–3, они имеют бумажно-пленочный диэлектрик. Корпус конденсатора металлический (до 8 кГц) либо латунный (10 кГц), корпус заземляется.

Конденсаторы электротермических установок пропитаны экологически неопасной жидкостью и производятся с водяным остыванием. Вид климатического выполнения — У3 (для умеренного климата и установки снутри помещений). Российские силовые конденсаторы удовлетворяют требованиям интернациональных эталонов.

Заключение

Схемотехнические модели отдельных многофункциональных узлов ТПЧ — силовой трехфазной сети, диодного выпрямителя и тиристорного автономного инвертора тока с колебательной нагрузкой — позволяют моделировать переходные процессы в единой схемотехнической модели индукционного комплекса. Приобретенные зависимости для частей колебательной нагрузки автономного инвертора правильно показывают энергетический баланс реактивной мощности.

Современные программки схемотехнического моделирования, к примеру МС 10, позволяют изучить электрические процессы в силовой схеме ТПЧ для индукционного нагрева металлов с учетом существенных особенностей представления колебательной нагрузки. В данном случае обеспечивается наилучшее приближение к реальным режимам ТПЧ в сопоставлении с обыденным представлением его нагрузки омическим сопротивлением.

Рассмотренная схема подключения колебательного контура нагрузки к тиристорному автономному инвертору является довольно универсальной в отношении к индукторам с разными параметрами, но имеет низкие характеристики по отношению активной и реактивной мощностей.