Рубрики
Электроприводы

Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров Юрий Болотовский Жора Таназлы Рифхат Юнусов Игорь

Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров
Юрий Болотовский
Жора Таназлы
Рифхат Юнусов
Игорь Яговцев

Однофазовые пятидесятигерцовые индукционные плавильные печи (ПИПП) являются энергоемкими устройствами, что делает вопросы регулирования мощности и воздействия на сеть при их работе животрепещущими. В текущее время на российских предприятиях ПИПП в большинстве случаев подключаются через трансформатор, который делает две главные функции: согласование печи с питающей сетью по напряжению и регулировку мощности печи. При всем этом регулировка мощности осуществляется за счет переключения секций обмоток трансформатора при помощи силовых электромеханических коммутационных устройств, расположенных в кожухе трансформатора, залитом трансформаторным маслом. Ремонт и подмена этих коммутационных устройств вероятны только при извлечении всего трансформаторного узла из бака, что просит огромных трудозатрат и времени.

В статье рассматриваются вопросы регулирования мощности ПИПП при помощи встречнопараллельно включенных тиристоров, что позволяет снять некие вопросы, связанные с классической эксплуатацией печей.

Известны серийно выпускаемые тиристорные однофазовые регуляторы, к примеру, производимые ООО НПП «Электропроект» (г. Екатеринбург). Но их конкретное применение для регулирования мощности индукционных электропечей значимым образом ограничено последующими факторами:

  • недостаточной очень допустимой мощностью;
  • отсутствием паспортных гарантий работы на нагрузку в виде колебательного контура (гарантируется работа лишь на активную и активно-индуктивную нагрузку);
  • внедрением фазного регулирования в границах полуволн синусоиды, что также ограничивает рабочие спектры за счет вероятных бросков тока при включении и коммутационных перенапряжений в момент выключения тиристоров;
  • значимым количеством высших гармоник в фазных токах питающей сети и компенсирующем конденсаторе ПИПП.

При рассмотрении внедрения встречно-параллельно включенных тиристоров принимались во внимание последующие оценочные аспекты плавильного комплекса с ПИПП: упрощение оборудования, спектральные составы токов в элементах плавильного комплекса и питающей сети, симметрия напряжений на тиристорах и токов, протекающих через их, спектр и плавность регулирования мощности, утраты в тиристорах.

Рассмотрение электрических процессов в плавильных комплексах с ПИПП проводилось с применением моделирования в среде OrCAD.

На рис. 1 приведен типовой вариант размещения ПИПП в промышленных критериях. Разумеется, что таковой вариант является не единственным и вероятны другие методы размещения обозначенного на рисунке оборудования, что приведет к изменению конфигурации силовых шинопроводов и, как следствие, к изменению их индуктивностей и активных сопротивлений.

Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

Естественно, что в индустрии употребляются разные плавильные комплексы с ПИПП (мощность, тип используемого трансформатора, конструкция шинопроводов, объем тигля, конструкция индуктора и самой печи, конструкция и место расположения батареи компенсирующих конденсаторов, настройка нагрузочного колебательного контура и т. д.). Это определяет отличие характеристик частей эквивалентной схемы модели для разных плавильных комплексов с ПИПП. Аналитическое исследование электрических процессов в плавильных комплексах с ПИПП без суровых упрощающих допущений фактически нереально либо очень затруднено. Моделирование (в том числе и в OrCAD) дает возможность рассмотрения объекта с определенными наборами характеристик частей. Потому в данной статье подвергнутся рассмотрению только высококачественные результаты, приобретенные при моделировании. Эти результаты дают возможность оценить протекание электрических процессов, а существующая модель позволяет для определенных значений характеристик получить требуемые режимы работы.

На рис. 2 представлена эквивалентная схема плавильного комплекса с ПИПП, которая применялась при моделировании.

Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

Силовое питание комплекса моделируется источником V1 типа VSIN (библиотека source.lib). Балластное сопротивление, которое работает исключительно в момент запуска и после чего закорачивается электромеханическими коммутационными устройствами, представлено в виде сопротивления R1, ключа SW1 типа sw_tClose (библиотека anl_misc.olb) с сопротивлением в замкнутом состоянии RCLOSED, равным 0,01 Ом, которое компенсируется отрицательным сопротивлением R2 величиной –0,01 Ом. Таким макаром, ключ SW1 в замкнутом состоянии имеет результирующее нулевое сопротивление. В разомкнутом состоянии сопротивление ключа ROPEN равно 1 МегОм.

В качестве регулирующих частей использованы тиристоры VT1, VT2 типа N5946F220 компании Westcode. PSpice-модель тиристора имеет последующий вид:

Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

Данные вентили принадлежат к серии тиристоров, разработанных специально компанией WESTCODE для фазного регулирования в низкочастотных синусоидальных цепях.

Управление тиристорами осуществляется от источников напряжения V2, V3 типа VPULSE. Параллельно тиристорам включена защитная цепочка С1, R3. Дроссель L1 и сопротивление R4 имитируют индуктивность подводящих шинопроводов и их активное сопротивление. Нагрузочный контур печи представлен индуктивностью L2, активным сопротивлением R5, компенсирующей емкостью С2 и сопротивлением R6, имитирующим утраты вшинопроводах батареи компенсирующих конденсаторов. Характеристики нагрузочного контура, приведенные на схеме, при стопроцентно открытых тиристорах соответствуют режиму работы плавильной установки на мощности 345 кВт.

В итоге тестов с моделью было найдено последующее.

Соответствующим для данной схемы регулирования мощности ПИПП является появление затухающих колебаний завышенной частоты.

  1. Малый исходный выброс тока при отпирании тиристоров достигается при включении его на нулевое напряжение, другими словами в момент времени, когда синусоидальное входное напряжение равно нулю (t = 0, 10, 20,…, 10n мс, где n — хоть какое неотрицательное целое число).
  2. Малый выброс напряжения на тиристорах при снятии с их импульсов управления обеспечивается при мало вероятном амплитудном значении тока, протекающего через их.
  3. Нагрузочный контур, настроенный на резонанс при частоте 50 Гц, неэффективно возбуждается на завышенных частотах.

Разглядим последующие режимы регулирования мощности в ПИПП.

  1. Импульсы управления подаются на тиристоры в границах соответственных полуволн синусоиды с регулируемым равным смещением относительно моментов времени n*20 мс и 10 мс + n*20 мс (n =0, 1, 2,…, N; тут N — хоть какое целое число).
  2. Импульсы управления подаются на тиристоры в моменты времени, всегда равные n*20 мс и 10 мс + n*20 мс (n = 0, 1, 2,…, N; тут N — хоть какое целое число). При всем этом регулирование осуществляется при неизменной продолжительности импульса управления, равной m*20 мс (m = 1, 2,…, M; тут M — некое целое, неизменное при регулировании мощности), и переменной продолжительности паузы, равной k*20 мс (k = 1, 2,…, K; тут К — некое целое, изменяемое при регулировании мощности).
  3. Импульсы управления подаются на тиристоры в моменты времени, всегда равные n*20 мс и 10 мс + n*20 мс (n = 0, 1, 2,…, N; тут N — хоть какое целое число). При всем этом регулирование осуществляется при переменной продолжительности импульса управления, равной m*20 мс (m = 1, 2,…, M; тут M — некое целое число, изменяемое при регулировании мощности), и неизменной продолжительности паузы, равной k*20 мс (k = 1, 2,…, K; тут К — некое целое число, неизменное при регулировании мощности).

Режимы 2 и 3 являются разновидностью способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Заметим, что для упрощения системы управления тиристорами режимы 2 и 3 регулирования мощности могут быть реализованы при одновременной подаче импульсов управления на тиристоры. Естественно, что при всем этом первым включится тот тиристор, анодное напряжение которого положительно.

Анализ электрических процессов в схеме, приведенной на рис. 2, проводился при значениях характеристик частей, избранных с учетом последующих суждений:

  • резонансный либо близкий к резонансному режим работы нагрузочного контура L2, C2, R5;
  • добротность индуктора Q в спектре 4–15 (Q = ωL/R);
  • переходные процессы запуска с балластным сопротивлением R1 и без него;
  • действующее значение напряжение источника питания V1 — 500 В, частота — 50 Гц;
  • характеристики импульсов управления зависимо от приведенных выше режимов регулирования мощности и типа тиристора;
  • режим наибольшей мощности достигается при подаче на тиристоры управления, соответственного повсевременно включенному состоянию или 1-го, или другого тиристора.

Так как используемые при анализе электрических процессов модели тиристоров не предугадывают вычисление мощностей, выделяемых в корпусе прибора, эти мощности рассчитывались как разность активной мощности, потребляемой от источника V1 и активной мощности, выделяемой в нагрузке, — R5, деленную на количество тиристоров в модели. Особенности вычисления средних и действующих значений переменных в OrCAD приведены в [2].

При моделировании выявлено последующее.

  1. Если собственная частота колебаний поочередного контура V1, L1, C2 много выше 50 Гц, сначала переходного процесса нарастания тока нагрузки (ток через L1) каждого включения тиристора наход
    ится частотная составляющая, время затухания которой определяется параметрами схемы. Так как резонансная частота нагрузочного контура равна 50 Гц, то этот контур фактически не возбуждается частотной составляющей тока нагрузки, что приводит к никчемной загрузке тиристоров по току. Степень этой загрузки определяется режимом работы схемы (соотношением уровня 50 Гц составляющей к уровню частотной составляющей, также продолжительностью затухания частотной составляющей тока нагрузки). Осциллограммы, иллюстрирующие данное положение, представлены на рис. 3 и 4. На рис. 3 приведена осциллограмма тока нагрузки в режиме наибольшего съема мощности, а на рис. 4 — в режиме регулирования мощности.
  2. Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров
    Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

  3. Наличие частотной составляющей тока нагрузки не нужно также поэтому, что может приводить к дополнительному нагреву компенсирующего конденсатора C2.
  4. Понижение своей частоты колебаний поочередного контура V1, L1, C2 за счет роста величины индуктивности L1 приводит к разгрузке тиристоров по току и понижению мощности, выделяемой в нагрузке. Это разъясняется повышением волнового сопротивления контура V1, L1, C2.
  5. При подстройке нагрузочного контура L2, R5, C2 на резонансную частоту 50 Гц за счет конфигурации величины компенсирующей емкости C2 необходимо принимать во внимание происходящее при всем этом изменение волнового сопротивления контура V1, L1, C2 и свою частоту его колебаний.
  6. При малых значениях L1, также R4 и R6, включение тиристоров при всех хороших от нуля напряжениях приводит к повышению пускового броска тока (включение контура V1, L1, C2 в момент времени, когда суммарное напряжение источника V1 и изначальное напряжение на емкости C2 велико). Компенсация этого броска тока за счет пускового балластного сопротивления R1 вероятна только для варианта, когда бросок тока однократный (режим наибольшей мощности). На осциллограмме (рис. 5) приведена кривая тока нагрузки при включении тиристоров VT1 и VT2 в моменты времени, смещенные от нулевых значений напряжения на соответственных тиристорах на 5 мс (в этом режиме приняты последующие значения характеристик схемы: L1 = 15 мкГн, R4 = 0,001 Ом, R6 = 0,000815 Ом). Данный режим приведен для иллюстрации способности возникновения бросков токов через тиристоры при малых значениях индуктивности L1 и сопротивлений R4 и R6. Повышение характеристик этих частей приведет к уменьшению (время от времени очень существенному) начального броска тока. Но пренебрежение возможностью возникновения режимов с огромным начальным видном тока может привести к ненужным последствиям.
  7. Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

  8. Соответствующим для рассматриваемой схемы питания ПИПП является наличие несимметричных режимов токовой загрузки тиристоров (рис. 6).
  9. Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

Данные несимметричные режимы получены для модели, приведенной на схеме (рис. 2,) при подаче импульсов управления на тиристоры в нулевой момент времени с продолжительностью импульса управления 100 мс и периодом следования импульсов управления 420 мс.

При моделировании определено, что симметричные установившиеся режимы реализуются в последующих случаях:

  • подача импульсов управления, обеспечивающих неизменное открытое состояние 1-го из встречно-параллельно включенных тиристоров (VT1, VT2 — рис. 2); вариант такового управления — неизменное напряжение на управляющих электродах тиристоров;
  • одновременная подача импульсов управления таким макаром, что при всем этом обеспечивается их включение при схожих значениях соответственных анодных напряжений; вариант такового управления для режимов продолжительности рабочего состояния встречно-параллельно включенных тиристоров, равной 20 мс, и длительностями паузы, равными 10 и 20 мс, проиллюстрированы на рис. 7 (соответственно правая и левая осциллограммы).
  • Управление однофазовой пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью при помощи встречно-параллельно включенных тиристоров

На рис. 7 представлен вариант управления мощностью ПИПП при симметричной токовой загрузке тиристоров.

Изложенное дает возможность сделать последующие выводы:

  1. Работа тиристорного регулятора в системе ПИПП предъявляет к нему специальные требования, которым серийно выпускаемые регуляторы в полном виде не соответствуют.
  2. Фазное регулирование в границах отрицательной и положительной полуволн 1-го периода промышленной частоты очень не нужно из-за вероятных выбросов тока в моменты включения тиристоров и перенапряжений на их, также ухудшения спектрального состава тока в конденсаторах компенсирующей батареи и сети.
  3. При регулировании целесообразным представляется внедрение разновидности широтно-импульсной модуляции при включении тиристоров регулятора при нулевом значении питающего напряжения (начало синусоиды).
  4. Более оптимальным является внедрение режима широтно-импульсной модуляции с неизменной продолжительностью импульса и регулированием продолжительности паузы. Для симметричной загрузки тиристоров регулятора по току тиристоры должны попеременно врубаться на полуволны синусоиды различной полярности.