Рубрики
Технологии силовой электроники

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов Евгений Силкин В индукционных установках средней

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов Евгений Силкин

В индукционных установках средней и большой мощности обширно используются схемы автономных однофазовых инверторов тока. К последним относятся вентильные преобразовательные устройства, имеющие «большой» внутренний импеданс на частоте основной гармоники выходного сигнала. Электрические процессы в инверторах тока имеют соответствующую специфику и значительно отличаются от электрических процессов в схемах инверторов напряжения и автономных согласованных инверторов. Практический энтузиазм представляют методы управления инверторами тока с оптимизированными углами опережения и перекрытием интервалов проводящего состояния вентилей, формирующих прямую и оборотную полуволны выходного сигнала. Для внедрения в массивных установках индукционного нагрева и плавки металлов перспективна нулевая схема автономного однофазового инвертора тока с включением нагрузочного колебательного контура меж входными дросселями фильтра. Она имеет принципиальные достоинства перед мостовыми схемами: более высочайший уровень выходного переменного напряжения (при равном напряжении питания и сохранении хороших энергетических черт) и уменьшенное число силовых вентилей.

Преобразователи частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов производятся, в главном, в виде систем с очевидно выраженным звеном неизменного тока, содержащих одно- либо многофазный управляемый (либо неуправляемый) выпрямитель, звено неизменного тока и автономный инвертор данного класса. Звено неизменного тока может включать раздельно либо в разных композициях фильтр, активный либо пассивный кламп, регулятор неизменного тока и другие узлы, выполненные по подходящим схемам. Обычно в индукционных установках средней (от сотен кв до единиц мегаватт) и большой (10-ки мегаватт) мощности обширно используются схемы однофазовых мостовых инверторов тока.

Следует дать определение инвертора тока, потому что в ближайшее время в неких публикациях такими инверторами именуют устройства, которые по нраву электрических процессов ими не являются, а очевидные инверторы тока, напротив, часто неоправданно относят к другим типам устройств [1–4]. Причина схожих несоответствий, видимо, заключается и в том, что в узнаваемых работах по данной теме приводятся, на 1-ый взор, различающиеся определения инверторов тока [5–11]. С развитием элементной базы силовой преобразовательной техники термин «инвертор тока», естественно, просит определенного уточнения.

Под инвертором тока понимается автономное вентильное преобразовательное устройство (независящий инвертор), внутренний импеданс (ГОСТ 19880-74) ZИ которого относительно выходных выводов на частоте f основной гармоники выходного сигнала (выходной импенданс) существенно больше импеданса нагрузки ZН. Другими словами нагрузочная цепь преобразователя частоты с инвертором тока питается (по определению) от источника (генератора) переменного тока.

Невзирая на относительную условность такового выделения, инверторы тока принципно отличаются от инверторов других классов, а именно, по динамическим свойствам в переходных режимах сброса (наброса) нагрузки и запуска. Нрав электрических процессов в данных устройствах значительно отличен от тех же процессов в других вентильных устройствах аналогичного предназначения (инверторы напряжения, согласованные инверторы). Потому смешение классов автономных инверторов (к примеру, применение определений типа резонансный инвертор тока либо нерезонансный, резонансный инвертор напряжения и т.д.) [1, 12–15], непременно, нецелесообразно, а с методической точки зрения навряд ли приемлемо и верно.

Схема традиционного инвертора тока приведена на рис. 1. В инверторе: L1 — дроссель фильтра; VS1…VS4 — вентильный мост; L2, r1 — элементы поочередной схемы замещения индуктора; L3 — коммутирующий дроссель; С1 — компенсирующая емкость. Элементы L2, r1, С1 образуют нагрузочный колебательный контур параллельного типа. Нагрузочный контур индукционной установки имеет высшую добротность Q ? [2, 30] (Q = (L2 / C1)1/2 r1–1),что обосновано довольно огромным реактивным сопротивлением индуктора x2 = 2? ƒ L2. Параллельная компенсация индуктивности нагрузки в рассматриваемых системах по этой причине является более предпочтительной.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Для 1-го из серийно выпускаемых преобразователей частоты с самовозбуждающимся инвертором тока, выполненного на однооперационных симметричных тиристорах (SCR), характеристики частей схемы последующие: L1 = 4,5 мГн, L2 = 0,1 мГн, L3 = 10 мкГн, r1 = 0,098 Ом, С1 = 1000 мкФ. Серийный преобразователь предназначен для питания индукционной плавильной печи типа ИСТ-0,4, работает на базисной частоте f = 750 Гц и имеет номинальные выходное напряжение U = 750 B и выходную мощность Р = 250 кВт.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу инвертора тока, представлены на рис. 2. Применены обозначения: uУ1, uУ2 — импульсы управления вентилями; uH — секундное значение напряжения на нагрузке; iH — секундное значение тока нагрузки; uУ1, uУ2 — напряжение на вентилях; iV1, iV2 — токи вентилей; β — угол опережения; s — угол коммутации. При построении диаграмм принято допущение, что входной ток инвертора совершенно сглажен (L1 ? ∞). Это условие отменно производится для реальных систем (L1 > 6U²/{2 π ƒ P}). Импульсы управления uУ1, uУ2 подаются на вентили диагоналей моста VS1, VS3 и VS2, VS4 попеременно. При работе очередной пары вентилей VS1, VS3 либо VS2, VS4 формируется соответственная полуволна выходного переменного напряжения uH.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Характеристики нагрузки (L2 , r1) в процессе технологического процесса плавки металла меняются более чем вдвое за счет конфигурации выходной частоты преобразователя f, физических параметров, геометрии и массы расплавляемой шихты. Если конвертировать схему нагрузочного колебательного контура конфигурацией эквивалентной схемы замещения индуктора из поочередной в параллельную (рис. 3):

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов
Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

то эквивалентное активное сопротивление нагрузки в параллельной схеме замещения будет численно равно R1 = 2,26 Ом. Для реальных систем при относительно низкой рабочей частоте f и малых углах опережения β и коммутации s можно оценить внутренний импеданс и импеданс нагрузки в схеме традиционного инвертора тока как:

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Расчет дает численные значения: ZИ = 21,2 Ом, ZН = 2,26 Ом. Таким макаром, для рассматриваемого серийного преобразователя частоты на базе традиционного инвертора тока вправду внутренний импеданс устройства значительно больше импеданса нагрузки ZИ >> ZН. Повышением сопротивления нагрузки R1 и уменьшением индуктивности дросселя фильтра L1 либо частоты f инвертор тока может быть переведен в резонансный режим работы (ZИ ≈ ZН). По сути согласованный инвертор с резонансной коммутацией имеет идентичную традиционному инвертору тока силовую схему. Конфигурацией же угла коммутации s инвертор тока в резонансный режим не переводится [1, 14], потому что это вызвало бы, в конечном счете, существенное возрастание напряжений на элементах схемы и вентилях. Вывод следует из тривиального интегрального соотношения, которое должно производиться для мостовой схемы

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

где Т= 1/ƒ — период выходной частоты; t — время; uV — секундное значение напряжения на вентиле; Е — среднее значение напряжения питания на входе инвертора тока. Другими словами инвертор тока не может быть сразу резонансным. Но необходимо подчеркнуть, что свойства инвертора и в данном случае спецефическим образом трансформируются.

Приведенный параметр L3 представляет собой суммарную индуктивность дополнительного ограничивающего дросселя, соединительных шин и гибких водоохлаждаемых кабелей. Этот элемент схемы является неотклонимым для инвертора тока (как, вобщем, и для хоть какого инвертора большой мощности) и должен учитываться при расчетах и анализе работы устройства. Величина его в реальных устройствах достаточно значительна, и он значительно оказывает влияние на электрические процессы в инверторе тока. Стопроцентно исключить элемент L3 нереально. Неверный выбор параметра приведет к утрате всех преимуществ инвертора тока и даже к неработоспособности устройства. При всем этом обозначенный элемент может не иметь строго неизменного значения. На величине L3 в действующей установке может сказаться, к примеру, геометрия гибких водоохлаждаемых кабелей в текущий момент времени, что приведет к ухудшению электронного режима, понижению надежности работы устройства либо значимой потере напряжения (ОСТ 5.6053-74), ухудшению, в этой связи, энергетических характеристик и изменению хода технологического процесса. Величина L3 не должна выходить за границы некого, довольно серьезного, интервала близких к хорошему значений (собственного рода мера определенного порядка и необходимости). Исходя из убеждений минимизации коммутационных утрат и перенапряжений величину L3 следует обеспечивать на мало вероятном уровне. Отсюда распространившееся мировоззрение о, типо, некритичности длины полосы подключения нагрузочной цепи к выходу инвертора тока и способности питания от преобразователя частоты на его базе хоть какой удаленной нагрузки является неверным [16, 17]. Для инвертора тока параметр L3 индуктивности полосы подключения к нагрузке имеет значительно большее значение, чем, к примеру, индуктивность полосы подключения для инвертора напряжения. Тут проявляется действие известного общего принципа дуальности параметров 2-ух классов схем автономных инверторов. При проектировании устройств с инверторами напряжения, как понятно, нужно уделять повышенное внимание соединительным линиям меж емкостным фильтром и вентильным блоком и, по способности, минимизировать их индуктивность, в то время как конструкция соединительной полосы с нагрузкой наименее принципиальна. И, напротив, конструкция и характеристики соединительной полосы меж дросселем фильтра L1 и вентильным блоком в инверторе тока не имеют принципного значения, а конструкция соединительной полосы с нагрузкой и ее индуктивность (параметр L3) только важны.

Из-за воздействия индуктивности L3 инверторы тока, даже выполненные на стопроцентно управляемых вентилях, могут нормально работать только при емкостном нраве нагрузки, потому что при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного конфигурации тока появились бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу частей схемы. Таким макаром, для надежного, правильного и действенного функционирования выходная частота ƒ инвертора тока должна быть выше своей частоты нагрузочного колебательного контура (работа с углами опережения β). Поэтому, к примеру, неэффективен метод управления для массивного инвертора тока (коммутация вентилей при β = 0, в нуле моментального значения выходного переменного напряжения uН), предложенный в [18]. В ряде работ он рассматривается как лучший [2, 16, 17], но выводы их создателей о том, что при таком управлении понижаются коммутационные утраты в вентилях инвертора, а в итоге этого можно, а именно, поднять рабочую частоту инвертора тока, являются неправильными. По сути рассматриваемый метод управления имеет быстрее теоретическое, чем практическое значение, и его можно использовать в принципе только для очень маломощных систем (сотки ватт). Коммутационные утраты при таком управлении значительны (а не «снижаются», как заявлено) из-за жесткого обрыва тока в коммутирующей индуктивности при переключениях вентилей, потому что его естественный реверс за счет энергии компенсирующего конденсатора не осуществляется. И в преобразователях большей мощности по этой причине нужно использовать для защиты частей от перенапряжений и понижения коммутационных утрат очень массивные демпферные цепи и сложные и дорогостоящие активные либо пассивные клампы [19, 20], что в подавляющем большинстве случаев на техническом уровне и экономически нерентабельно.

Работа инвертора тока с углами опережения β и наличие угла коммутации s, в принципе, усугубляет энерго характеристики устройства, увеличивает загрузку частей схемы по току и напряжению и понижает коэффициент кР использования вентилей по мощности:

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

где n — число силовых вентилей в схеме; UV — наибольшее значение напряжения на силовом вентиле; IV — наибольший ток вентиля; ν — числовой коэффициент (для однофазовой мостовой схемы v ≈ 1,11). Но, в общем, применение такового управления является положительным и оправданным, а для массивных систем индукционного нагрева единственно хорошим. При выборе же характеристик частей инвертора тока реальной индукционной установки углы опережения β и коммутации s должны кропотливым образом оптимизироваться.

На рис. 4 представлены вероятные варианты реализации вентильных ячеек, используемых в инверторах тока. Они делятся на ячейки с не стопроцентно управляемыми (однооперационными) и стопроцентно управляемыми (двухоперационными) вентилями. При всем этом вентиль либо ячейка могут иметь либо не иметь оборотной блокирующей возможности. К однооперационным силовым вентилям относятся обыденные (симметричные) тиристоры, тиристоры-диоды, асимметричные тиристоры (АТ) и реверсивно-включаемые динисторы (РВД). К двухоперационным вентилям относятся запираемые тиристоры (ЗТ) и транзисторы разных типов (обыденные биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы). Тиристоры-диоды, асимметричные тиристоры и реверсивно-включаемые динисторы не имеют оборотной блокирующей возможности, так же как и силовые транзисторы. Есть и запираемые асимметричные тиристоры.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Для реализации вентильной ячейки с оборотной блокирующей способностью поочередно с подходящим вентилем включают диодик. Время от времени поочередный диодик включают и вместе с обыденным симметричным тиристором для увеличения класса ячейки по оборотному напряжению, также для частичного уменьшения коммутационных утрат. Это полностью оправдано, если используемый обыденный быстродействующий тиристор имеет более маленький класс напряжения, наилучшие динамические характеристики и наименьшее время выключения. В рассматриваемом случае вентильная ячейка может иметь и сравнимые статические утраты, потому что быстродействующий тиристор более низкого класса обладает наименьшим падением напряжения в открытом состоянии.

Вентильные ячейки с симметричными и асимметричными однооперационными тиристорами производятся по схожим схемам, но используемые методы управления в инверторах тока с такими тиристорами, обычно, значительно различаются. Ячейки с вентилями всех типов могут включать также встречно-параллельные диоды, рассчитанные на сопоставимый прямой ток. Такие ячейки являются проводящими в оборотном направлении. В ряде всевозможных случаев встречно-параллельный диодик представляет собой дополнительный элемент полупроводниковой структуры самого вентиля (тиристоры-диоды, некие типы транзисторов) или дискретный элемент конструкции вентильного модуля (изолированного либо неизолированного).

Применение в инверторах тока двухоперационных вентилей в итоге усложняет метод управления. Популярная неувязка управления для инверторов тока на однооперационных вентилях: когда включить очередной вентиль и как обеспечить выключение и восстановление управляющих параметров ранее включенного вентиля, для инверторов тока на двухоперационных вентилях перебегает в более сложную делему: когда включить очередной вентиль и когда выключить ранее включенный вентиль.

Инверторы тока должны работать с неотклонимым перекрытием интервалов проводящего (включенного) состояния вентилей, формирующих прямую и оборотную полуволны выходного сигнала [21]. Выключение еще одного вентиля следует всегда производить в момент перехода моментального значения напряжения на компенсирующем конденсаторе (uH) через ноль, потому что это упрощает метод управления. Коммутация с паузой в массивных инверторах тока принципно невозможна. Последнее событие заносит определенную специфику, к примеру, в реализацию драйверов для двухоперационных вентилей, используемых в таких системах. Целенаправлено выполнение драйвера, обеспечивающее данный малый интервал перекрытия (примерно sT/4π) аппаратурно. При применении, а именно, метода управления с переключениями двухоперационных вентилей в нуле моментального значения выходного напряжения uH коммутационные перенапряжения уменьшаются более чем вдвое. Необходимо подчеркнуть, что спец фирмами серийно такового типа драйверы не выполняются.

Продолжительность интервала перекрытия должна быть более продолжительности интервала коммутации sT/2π. В неприятном случае нельзя исключить перенапряжений на элементах схемы. И если в инверторах тока на однооперационных вентилях интервал перекрытия формируется вроде бы автоматом, потому что обыденный вентиль выключается при естественном спаде тока до нуля, в инверторах тока на двухоперационных вентилях интервал перекрытия должен предусматриваться методом управления. Появляется, таким макаром, неувязка формирования, контроля и оптимизации продолжительности проводящего (включенного) состояния силового двухоперационного вентиля. На рис. 5 приведены временные диаграммы импульсов управления такими вентилями (транзисторы IGBT, двухполярное управление), формирующими прямую (uУП) и оборотную (uУО) полуволны выходного сигнала в нагрузочной цепи инвертора.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Управление силовыми двухоперационными вентилями с перекрытием интервалов проводящего состояния в инверторах тока можно представить как искусственную двухступенчатую коммутацию, которая осуществляется в два шага. На первом, предварительном, шаге врубается очередной вентиль и, в итоге контролируемого встречного разряда компенсирующей емкости, осуществляется реверс (либо, в личном случае, обнуление) тока в выходной цепи и понижение прямого тока работающего вентиля. Дальше, на втором шаге, ранее работающий вентиль отключается уже по управляющему электроду. Коммутация с перекрытием интервалов в неких случаях дает и дополнительные достоинства. Если в качестве силовых вентилей в инверторе тока употребляются, к примеру, запираемые тиристоры, то она позволяет, в том числе, существенно уменьшить требуемый ток управляющего электрода, потому что самой силовой схемой обеспечивается естественный подготовительный спад анодного тока вентилей при выключении за счет встречного разряда компенсирующего конденсатора. Выходные каскады системы управления инверторов тока на запираемых тиристорах значительно упрощаются, а надежность работы преобразователей увеличивается.

Произнесенное выше проиллюстрируем на примере однофазовой нулевой схемы инвертора тока на запираемых тиристорах (рис. 6). Характеристики частей нулевой схемы инвертора, рассчитанного на номинальную выходную мощность Р = 320 кВт, последующие: L1 = L2 = 1 мГн, L3 = 52 мкГн, L4 = L5 = 7 мкГн, С1 = 34 мкФ, R1 = 4,13 Ом, С2 = С3 = 0,1 мкФ, R2 = R3 = 15 Ом. Неизменное (среднее) напряжение питания на входе инвертора тока принимается равным Е = 530 В, что соответствует среднему выходному напряжению выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме Ларионова при питании от трехфазной промышленной сети 380 В. Выходная частота устройства составляет f = 4 кГц, а выходное напряжение (действующее значение) равно U = 1150 В. Рассматриваемый инвертор тока на базе нулевой схемы работает с углами опережения β ? [π/6, π/4].

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Элементы С2, С3, R2, R3 представляют собой реальные демпферные (RC) цепи. Применена параллельная схема замещения индуктора. На схеме iL — моментальный ток индуктивности параллельной схемы замещения индуктора (ток через элемент L3); iС — ток компенсирующей емкости С1.

Преобразователь частоты на базе нулевой схемы инвертора тока может быть использован в качестве источника питания индукционной плавильной печи для плавки чугуна емкостью 0,5 тн.

Нулевая схема инвертора тока имеет принципиальное преимущество перед мостовыми схемами, заключающееся в уменьшенном числе силовых вентилей. При всем этом коэффициент их использования по мощности кР в нулевой схеме равен соответственному коэффициенту для мостовых схем. Другими словами нулевая схема инвертора тока не проигрывает мостовым схемам по установленной мощности вентилей.

Имеет место строгая симметрия токов вентилей, как управляемых, так и неуправляемых встречно-параллельных (при применении вентильных ячеек, проводящих в оборотном направлении).

Выходное напряжение U в нулевой схеме (при равенстве углов опережения β) вдвое превосходит выходное напряжение в мостовых схемах. Если инвертор тока реализован на вентилях с оборотной блокирующей способностью, выходное напряжение примерно равно:

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

где v — схемный числовой коэффициент (однообразный для нулевой и мостовой схем v ≈ 1,11); φ — угол сдвига основной гармоники инвертированного тока относительно инвертированного напряжения.

При выполнении инвертора тока на вентилях с оборотной проводимостью выходное напряжение несколько меньше из-за отсутствия оборотного напряжения и может быть оценено зависимостью

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Более высочайшее выходное напряжение U, обеспечиваемое нулевой схемой инвертора тока, позволяет отменно сделать лучше энерго свойства индукционных установок за счет понижения электронных утрат, к примеру в соединительных шинах и водоохлаждаемых кабелях, применяемых для подключения батареи компенсирующих конденсаторов к индуктору. А именно, при питании индукционной плавильной печи с преобразователем частоты на базе нулевого инвертора тока от стандартной трехфазной промышленной сети 380 В напряжение на индукторе, как уже отмечено, более 1100 В (заместо 550–600 В для мостовых схем), что является энергетически прибыльным.

Некие производители серийного электротермического оборудования (ESTEL, OTTO JUNKER, РЭЛТЕК) для роста уровня выходного напряжения преобразователей средней и большой мощности с мостовыми инверторами тока до 1000 В употребляют питание от необычной сети завышенного напряжения, потому индукционная установка должна оснащаться особым сетевым трансформатором необычной конструкции, что значительно усугубляет ее энерго свойства, увеличивает материалоемкость, весогабаритные характеристики и цена. В преобразователе частоты на базе нулевого инвертора тока такая необходимость отпадает — более высочайшее выходное напряжение обеспечивается схемотехнически (питание осуществляется от стандартной промышленной сети).

При использовании нулевой схемы создаются условия для действенной реализации плавильных печей со встраиваемыми батареями компенсирующих конденсаторов, что, в неких случаях, позволяет отрешиться от внедрения водоохлаждаемых кабелей, наращивает, при иных равных критериях, на 5–7% передаваемую на нагрев полезную мощность и существенно улучшает технико-экономические характеристики и надежность работы индукционных установок. Повышение передаваемой в нагрузку активной мощности приводит к существенному сокращению времени плавки и росту производительности установки. Становится вероятным понизить удельные издержки электроэнергии при плавке чугуна до величины 450–500 кВт ч/тн.

Управление инвертором тока на запираемых тиристорах без перекрытия интервалов включенного состояния приводит к прямым перенапряжениям на вентилях (рис. 7). При всем этом не имеет значения, работает ли инвертор тока с углом опережения либо отставания (отрицательное значение β). Перенапряжения появляются (рис. 8) и в случае, если коммутация осуществляется в нуле моментального значения выходного напряжения uH(либо, что равнозначно, в нуле напряжения на компенсирующем конденсаторе С1). Коммутация является «жесткой». Ток вентиля iV имеет квазипрямоугольную форму. Работа с отрицательными углами β может осуществляться в инверторе, выполненном на вентилях, имеющих оборотную блокирующую способность (к примеру на симметричных запираемых тиристорах). В данном случае исключается режим шунтирования компенсирующего конденсатора С1 при его перезаряде до обратной полярности либо возрастания прямого тока работающего вентиля.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов
Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Для режимов работы без перекрытия интервалов включенного состояния вентилей с углами опережения β, превосходящих угол коммутации s, сначала появляется импульс прямого перенапряжения (рис. 9), а потом напряжение на вентиле становится отрицательным до момента перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе С1 через ноль. Как уже отмечено выше, при реализации массивных преобразователей частоты таковой метод управления практического энтузиазма не представляет. По целому ряду обстоятельств нереально выполнить систему с нулевым значением индуктивности (L4, L5) в контуре коммутации.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

При работе нулевого инвертора тока с углами опережения β и перекрытием интервалов включенного состояния вентилей нужно, чтоб интервал перекрытия по продолжительности был не меньше интервала коммутации (sТ/2π). Если обозначенное условие не соблюдается, то, так же как и в режимах без перекрытия, появляются перенапряжения на вентилях прямой полярности. Продолжительность интервала коммутации sТ/2π определяется значениями величин напряжения на компенсирующем конденсаторе С1 в момент включения еще одного вентиля (uH = 2 v Е tg β), емкости компенсирующего конденсатора С1, также суммарной индуктивности (L = L4 + L5) в контуре коммутации и характеристик нагрузки (R1, L3). С повышением угла опережения β и, как следует, уровня напряжения uH на компенсирующем конденсаторе С1 продолжительность интервала коммутации sТ/2π миниатюризируется, а при увеличении тока вентиля iV — возрастает.

Более подходящий режим работы в инверторе тока обеспечивался бы при равенстве углов опережения β и коммутации s. В этом режиме напряжение на вентиле uV (рис. 10) имеет форму полуволны синусоиды (нет оборотного напряжения и скачка прямого напряжения). Отсутствуют коммутационные утраты и перенапряжения. Не считая того, при таком управлении не имеет принципного значения, владеют либо нет используемые силовые вентили оборотной блокирующей способностью. Но на техническом уровне обеспечить рассматриваемый режим очень трудно, потому что угол коммутации s не является неизменной величиной и подвержен режимным изменениям: в переходных процессах (сброс, наброс нагрузки), при пуске инвертора тока, также при изменении характеристик нагрузки в процессе технологического процесса. Потому обширно используемый метод управления инверторами тока, основанный на стабилизации угла опережения β [22, 23], не позволяет выполнить режим стабилизации угла коммутации s. Для решения задачки нужно использовать систему управления со сложным наблюдателем состояния, а принцип управления должен быть последующим.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Методом измерения ряда переменных состояния и общего решения соответственной системы дифференциальных уравнений, моделирующих преобразователь частоты с нагрузкой в интервале коммутации sТ/2π, момент включения еще одного вентиля прогнозируется таким макаром, чтоб через интервал коммутации (sТ/2π) после обозначенного включения напряжение uH на компенсирующем конденсаторе С1 было равно нулю. Сложность реализации такового управления явна. И неувязка тут состоит не только лишь в необходимости измерения и нормирования огромного числа сигналов в силовой схеме и воплощения довольно сложных вычислений в реальном масштабе времени, да и в том, что коэффициенты дифференциальных уравнений, которые обрисовывают систему, являются переменными, и их практически нереально точно найти либо измерить. Потому на практике употребляют различного рода допущения и упрощения, к примеру, базирующиеся на линейной аппроксимации процессов в контуре коммутации [24–30]. Известны методы вычисляемого прогноза (β ≥ s), парарезонасного управления (β = s), основанные на формировании из измеренных моментальных значений переменных состояния некого управляющего напряжения (условное прогнозируемое рассогласование), нулевой (либо пороговый) уровень которого в межкоммутационном интервале соответствует требуемому значению угла опережения β:

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

где ε — коэффициент, зависящий от входного тока нагрузочного колебательного контура (ε = F (iH) = var). Контролируя (вычисляя) и сравнивая управляющее напряжение с нулем (порогом) в реальном масштабе времени, обеспечивают коммутацию вентилей в моменты времени, примерно надлежащие данному (хорошему) углу опережения β. Обеспечить четкое равенство углов опережения β и коммутации s во всевозможных режимах работы в реальных критериях не удается. Но применение метода вычисляемого прогноза (β > s), к примеру, в инверторах тока на тиристорах SCR дает довольно положительный результат.

При работе с углами опережения β, превосходящими угол коммутации s (β > s), нрав электрических процессов в схеме инвертора тока находится в зависимости от параметров вентиля (либо вентильной ячейки). Если вентиль либо вентильная ячейка обладает оборотной блокирующей способностью, то после окончания интервала коммутации sТ/2π к вентилю (либо вентильной ячейке) прикладывается оборотное напряжение (рис. 11). При использовании вентильных ячеек, проводящих в оборотном направлении (вентили со встречно-параллельными диодиками), в инверторе тока обеспечивается квазирезонансная коммутация в чистом виде (рис. 12). Ток через вентиль iV искажается, и амплитуда его возрастает. После выключения соответственного встречно-параллельного диодика (VD1 либо VD2) к ранее выключенному управляемому вентилю (VS1, VS2) скачком прикладывается прямое напряжение, потому что напряжение на компенсирующем конденсаторе C1 к моменту выключения встречно-параллельного диодика уже изменяет символ. Оба рассмотренных режима работы могут быть удачно использованы в массивных инверторах тока на двухоперационных вентилях, имеющих либо не имеющих оборотной блокирующей возможности. Угол опережения β при всем этом выбирается из условия β = min: β > s во всевозможных режимах работы инвертора тока [31]. Инвертор тока имеет мало вероятную установленную мощность реактивных частей и вентилей.

Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов
Реализация и методы управления вентилями в инверторах тока преобразователей частоты для установок индукционного нагрева и плавки металлов

Нулевая схема инвертора тока, как видно из вышеизложенного, является многообещающей для внедрения в электротехнологических установках самого различного предназначения, где требуется, сначала, завышенный уровень выходного напряжения. Преобразователи частоты на базе нулевой схемы при управлении инвертором по методу, предложенному в [31], владеют высочайшими техническими чертами и позволяют сделать массивные установки для индукционного нагрева и плавки металлов, удовлетворяющие современным требованиям.