Рубрики
Силовые разъемы

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов Юрий Зинин Семен Шапиро Александр Белкин

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов Юрий Зинин Семен Шапиро Александр Белкин

В статье рассмотрены вопросы проектирования быстродействующей защиты от аварийных режимов тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ), а именно — разработка для их бесконтактного тиристорно-конденсаторного выключателя (ТКВ). Автономный независящий инвертор тиристорного преобразователя завышенной частоты получает питание от неуправляемого выпрямителя, присоединенного к трехфазной сети переменного тока через устройство аварийного отключения — тиристорный выключатель неизменного тока.

Приведены результаты моделирования переходных процессов в тиристорном преобразователе и бесконтактном ТКВ, выполненные при помощи современной программки схемотехнического моделирования — симулятора Micro-Cap. При разработке схемотехнической модели тиристорного инвертора и бесконтактного выключателя ТПЧ применены PSpice-описания главных компонент — силовых тиристоров и диодов. Установлены характеристики ТКВ, определяющие его коммутирующую способность, для внедрения в ТПЧ индукционного нагрева металлов с выходной мощностью до 200 кВт. Рассмотрены некие нюансы внедрения тиристоров в высокочастотных силовых схемах ТПЧ.

Введение

В установках для индукционного нагрева металлов токами завышенной частоты в текущее время употребляются статические тиристорные преобразователи частоты со интегрированной системой защиты от аварийных режимов. В составе ТПЧ при проектировании обычно рассматривают последующие многофункциональные узлы: источник питания — выпрямитель, который подключается к силовой трехфазной сети переменного тока промышленной частоты; устройство быстродействующей бесконтактной защиты — ТКВ; тиристорный инвертор завышенной частоты; нагрузка — индуктор, осуществляющий нагрев металла однофазовым током завышенной частоты [1, 3].

Основой для разработки ТПЧ служат преобразователи неизменного напряжения в переменное — высокочастотные инверторы. В текущее время в ТПЧ для индукционного нагрева все почаще употребляются тиристорные инверторы, выполненные по симметричной мостовой схеме. Такие ТПЧ разработаны с ролью создателей в 70-х годах прошедшего века, они прошли несколько поколений разработки, имеют к истинному времени существенное число модификаций и обширно употребляются в индустрии. Срок эксплуатации массивных ТПЧ в российских критериях составляет 10-ки лет, за этот период времени происходит многократное переоснащение инфраструктуры производственных участков, изменение нагрузки и схем подключения ТПЧ к промышленной трехфазной сети 50 Гц.

В качестве источника электропитания ТПЧ, обычно, употребляют трехфазную мостовую схему выпрямителя, выполненную на тиристорах либо неуправляемых диодиках. Тиристорный выпрямитель применяется с целью регулирования выходной мощности ТПЧ по мере надобности конфигурации напряжения питания тиристорного инвертора. В данном случае управляемый выпрямитель нужен также для отключения тиристорного инвертора от питающей сети при появлении аварийных режимов либо неисправном состоянии многофункциональных узлов ТПЧ [4–6].

Цена управляемого выпрямителя, выполненного с применением тиристоров, соизмерима со ценой автономного тиристорного инвертора — многофункционального узла, определяющего главные технические характеристики ТПЧ (выходную частоту и мощность). Для понижения цены ТПЧ целенаправлено применение в нем неуправляемого выпрямителя на силовых диодиках, который потребляет только активную мощность трехфазной сети, отлично ее употребляет и заносит в нее наименьшие преломления. Такое подключение отлично применяется в разработках ТПЧ, сделанных в Уфимской школе преобразователей для высокочастотных установок индукционного нагрева металлов [7, 8], и будет рассмотрено в данной статье.

Для включения/выключения и аварийной защиты ТПЧ в нем употребляют последующую коммутационную и бесконтактную аппаратуру со стороны питающей сети:

  • трехфазный рубильник для отключения при техническом обслуживании;
  • быстродействующие силовые предохранители и трехфазный контактор, осуществляющий дистанционное включение/отключение в обычных режимах эксплуатации ТПЧ; также соединенные поочередно, по цепи неизменного тока;
  • плавкий предохранитель в цепи неизменного тока;
  • бесконтактный быстродействующий выключатель, отключающий ТПЧ в аварийных режимах при появлении неисправности.

Перечисленные устройства защиты должны быть согласованы по техническим чертам (току перегрузки и времени срабатывания) и владеть свойством селективности (избирательного деяния по отношению к причине появления неисправности). Задачей проектирования является определение номинальных характеристик бесконтактного быстродействующего выключателя, сначала величины емкости конденсатора защиты, которая определяется током, потребляемым тиристорным инвертором в обычных режимах эксплуатации, и величиной ограничения «сверхтоков», возникающих в ТПЧ при аварийной ситуации.

Проектируемое устройство бесконтактной защиты врубается меж источником питания ТПЧ (неуправляемым выпрямителем) и автономным инвертором. Основной функцией быстродействующего конденсаторного выключателя является бесконтактное отключение тиристорного инвертора при появлении в нем неисправности с целью предотвращения повреждения силовых тиристоров инвертора, диодов выпрямителя, электромеханического контактора и других частей ТПЧ.

Если защитные свойства бесконтактной защиты, быстродействующих предохранителей и электрическая установка контактора ТПЧ не согласованы меж собой, то при появлении неисправности в ТПЧ сначала повреждаются силовые полупроводниковые приборы — тиристоры инвертора и диоды выпрямителя. Питающая сеть, обычно, имеет «неограниченную» установленную мощность, потому при неисправном состоянии системы защиты ток питающей сети может возрастать до неопределенной величины, вызывая последовательное повреждение силовых частей ТПЧ и отключение питающей сети своей защитой.

Уровень разработки ТПЧ определяет не только лишь КПД, выходную мощность и частоту установок индукционного нагрева. При проектировании ТПЧ должны рассматриваться также характеристики надежности, которые указываются в технических требованиях на проектирование индукционной установки в целом. При всем этом интенсивность отказов системы аварийной защиты должна быть значительно меньше интенсивности отказов защищаемого силового устройства.

Применение статических источников электропитания в технологических установках индукционного нагрева просит разрешения ряда заморочек, а именно, ограничения либо понижения уровня высокочастотных токов, проникающих в питающую сеть. Для этой цели на входе автономного инвертора статического преобразователя частоты используются индуктивные или индуктивно-емкостные фильтры. С повышением рабочей частоты индукционного комплекса индуктивность дросселя неизменного тока может быть уменьшена, если ограничить его функции только понижением уровня высокочастотных токов, проникающих в питающую сеть. Но этому препятствует другая функция входного дросселя, которая заключается в ограничении амплитуды тока недлинного замыкания автономного инвертора и скорости нарастания аварийного тока.

Понятно, что надежность системы в целом находится в зависимости от самого ненадежного элемента, входящего в данную систему. Это может быть хоть какой элемент инвертора, устройства защиты либо цепи электроснабжения энергетической установки. При этом значимость увеличения надежности установок индукционного нагрева металлов обоснована, а именно, значительными затратами на устранение даже краткосрочных перерывов в работе. Потому проекти рованию устройств защиты ТПЧ нужно уделять повышенное внимание, используя все доступные способы, к которым в текущее время относится и схемотехническое моделирование, позволяющее разглядеть воздействие на характеристики надежности ТПЧ и ТКВ отдельных частей принципной электронной схемы. Одним из плюсов схемотехнического моделирования в современной программесимуляторе Micro-Cap является фактически полное соответствие принципной схемы проектируемого устройства его расчетной схемотехнической модели, в какой употребляются PSpice-описания всех компонент и моделей силовых частей — тиристоров и диодов [9–12].

Для моделирования была применена демо-версия программки, распространяемая в Вебе фирмой-производителем — компанией Spectrum Software. В сопоставлении с проф демо-версия Micro-Cap имеет ряд несущественных ограничений и позволяет получить настолько же четкие результаты моделирования. Она также является массивным инвентарем симуляции схем статических источников питания, нужным инженерам-исследователям, разрабатывающим и проектирующим схемотехнические идеи частей защиты ТПЧ.

Этот симулятор, как и многие другие, также использующие PSpice-описания частей, благодаря обычному и интуитивно понятному графическому интерфейсу и удобству использования позволяет освоить программку за малое время. Переход на Micro-Cap существенно облегчается, если юзер знаком с другими PSpice-программами [13].

Схемотехническая модель ТПЧ с устройством аварийного отключения

Разработчики ТПЧ знают, что в текущее время наблюдается тенденция всеохватывающего проектирования изделий силовой электроники с устройствами их защиты. Это позволяет создать принципную схему и в предстоящем улучшить характеристики системы аварийной защиты.

На рис. 1 показана разработанная в программке Micro-Cap 9 схемотехническая модель ТПЧ, состоящая из последующих многофункциональных узлов:

  • источник питания — трехфазная сеть промышленной частоты с анимационным контактором;
  • неуправляемый мостовой выпрямитель;
  • бесконтактное устройство защиты;
  • тиристорный мостовой автономный инвертор тока с дросселем и нагрузкой.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 1. Схемотехническая модель ТПЧ с устройством бесконтактной защиты

Файл программки моделирования имеет расширение .cir и содержит имена компонент и номера узлов, к которым подключены эти составляющие, также характеристики компонент, PSpice-моделей и макросов.

На рис. 1 приведено основное рабочее окно (page 1) схемотехнической модели ТПЧ с интегрированным устройством бесконтактной защиты. Электронная схема системы защиты от аварийных режимов тиристорного преобразователя завышенной частоты соответствует ее изображению в Micro-Cap для схемотехнической модели, что является принципиальным преимуществом симулятора. В последних версиях использованной нами программки Micro-Cap 9 изображения компонент (их условные графические обозначения — УГО) могут показываться в евро-виде либо редактируются (назначаются) юзером. Программка передает сделанный файл схемотехнической модели с расширением .cir в файл текстового описания .ckt на модификациях языка PSpice, применимых для использования в других симуляторах либо старенькых версиях программки. Описания моделей и макросов приводятся в особых вкладках и доступны для редактирования юзером.

Ниже коротко разглядим особенности моделирования многофункциональных узлов схемотехнической модели ТПЧ — трехфазной сети, выпрямителя, тиристорного инвертора и конденсаторного выключателя системы аварийной защиты ТПЧ, также приведем главные результаты исследовательских работ переходных процессов, проведенных с целью анализа коммутирующей возможности устройства аварийной защиты. В проф версии программки Micro-Cap ограничений на количество компонент схемотехнической модели нет, потому она стопроцентно соответствует исполнительской схеме ТПЧ.

При разработке схемотехнической модели силовой схемы ТПЧ нами приняты некие упрощения — не учитывались активные и реактивные характеристики питающей сети, и в моделях силовых полупроводников характеристики прямого напряжения установлены бóльшими, чем это требуется, по отношению к реальной величине действующих напряжений. На первом шаге проектирования это обыденные допущения, дозволяющие узнать спектр работоспособности схемотехнической модели.

Анализ модели трехфазной сети переменного тока промышленной частоты

Модели синусоидальных ЭДС, описывающие 3 фазы источника питания ТПЧ — симметричной сети питания 3×380 Вx50 Гц, — последующие: .MODEL 3PHASEA SIN (A=310 F=50 RS=10m);
.MODEL 3PHASEB SIN (A=310 F=50 PH=2.094 RS=10m);
.MODEL 3PHASEC SIN (A=310 F=50 PH=4.188 RS=10m),

где: А — амплитуда (В); F — частота (Гц); PH — исходная фаза (Радиан); параметр RS определяет внутреннее сопротивление источника (Ом). При исследовании коммутации выпрямителя в предстоящем будем учесть омическое сопротивление в фазах питающей сети методом роста этого сопротивления.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 2. Модель трехфазной питающей сети и выпрямителя ТПЧ (справа временные диаграммы входных напряжений выпрямителя)

На рис. 2 справа показаны временные диаграммы источников напряжений 3 фаз питающей сети — v(V7), v(V8) и v(V9), образующих симметричную трехфазную систему с заземленной нейтралью. При фазном напряжении 220 В, относительно точки заземления питающей сети ТПЧ, секундное значение амплитудного напряжения источника составляет 310 В, а продолжительность 1-го периода — 20 мс, что определяет малое время расчета при схемотехническом анализе аварийных процессов в ТПЧ. Порядок чередования фаз не имеет значения. Заметим, что отмеченные на рис. 2 продолжительности периодов фазы В (19,922 m — миллисекунд) и фазы С (20,136 m) демонстрируют установленную точность отчетов на приобретенных расчетных графиках (20 m, как на фазе А).

Контактор, отделяющий питающую сеть неограниченной мощности от ТПЧ, представленный на схемотехнической модели на рис. 2 анимационными ключами [25], позволяет имитировать неисправности в сети питания ТПЧ. Заземление средней точки 3-х фаз питающей промышленной сети дает возможность использовать в системе защиты ТПЧ обыкновенные и действенные датчики аварийных режимов в виде дифференциальных трансформаторов тока, тщательно рассмотренных в [3].

Схемотехническая модель трехфазного выпрямителя

Более сложными компонентами выпрямителя ТПЧ и устройства его защиты являются PSpice-модели тиристоров и диодов. Полупроводниковые приборы, математические модели которых включены в программку PSpice, описываются огромным количеством характеристик. Описания моделей могут располагаться конкретно в рабочем окне или в отдельной вкладке.

Диоды D10-D15 (рис. 2) трехфазного мостового выпрямителя представлены в схемотехнической модели PSpice параметрами 1 уровня: (LEVEL) *** From file C:MC9DEMOlibrarySMALL.LBR:
.MODEL 1N3900 D (LEVEL=2 BV=1000 CJO=130.387528p
IS=32.707169p M=300m N=1.348567 RL=1.785716MEG RS=6.444106m
TT=521.408925n VJ=2.33538).

Уровень представления этого диодика в модели выпрямителя не важен для первого шага проектирования. Определяющий параметр PSpice-модели диодика выпрямителя — BV. Данная величина допустимого оборотного напряжения устанавливается с нужным припасом по отношению к наибольшей. Все диоды выпрямителя употребляют одну PSpice-модель, что проверяется на панели характеристик тумблером моделей на этом же уровне.

На рис. 3 показана панель PSpice-параметров модели диодов D10-D15 выпрямителя ТПЧ. Модель диодика PART D12 (типа 1N3900) выбрана из библиотечных моделей и потом скорректирована по характеристикам.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 3. Характеристики PSpice-модели диодов выпрямителя ТПЧ

Схемотехническое моделирование тиристорного мостового инвертора

При моделировании массивных тиристорных инверторов нами употреблялся макрос тиристора — макро-описание PSpice-модели SCR тиристора как кремниевого управляемого вентиля с соответственной ему вольт-амперной чертой (ВАХ).

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 4. Схемотехническая модель и характеристики макроса тиристора

На рис. 4 приведены схемотехническая модель и макрос тиристора. В состав макроса PSpice заходит описание 2-ух биполярных транзисторов различной полярности (.model QN и model QP) и 3-х неуправляемых диодов (D1 — model DJ2, D2 — model DFOR и D3 — model DJ1). Характеристики макроса SCR редактируются на вызываемой панели Micro-Cap, аналогичной показанной на рис. 3. PSpice-модели транзисторов и диодов в описании макроса тиристора приводятся ниже.

PSpice-параметры макроса тиристора: –SCR MACRO.parameters(IH,IGT,TON,VTMIN,VDRM,DVDT,TQ,K
1,K2):
.define RGK.75/IGT;
.define TF1 (BF1*BF2-1)*Trise/(1.8*BF1);
.define AF1.1+(IGT/(.9*IH));
.define BF2 9;
.define IS2 IS1;
.define CJC2 IH*.21/K1*sqrt(TON/DVDT);
.define AFT ((AF1*(AF1.9)));
.define IS1 (POW(10,(-(VTMIN+.74)/.11))).
PSpice-параметры транзисторов и диодов:
– TRANSISTOR PARAMETERS:
.define RE1.5m;
.define TR1 1.25*K2*TQ;
.define BF1 (AFT)/(1-(AFT));
.define Trise 2*TON/3;
.define CJE1 (CJC2)*.75;
– MODEL STATEMENTS:
.model FG D (LEVEL=1 IS=10F N=1 ISR=0 NR=2 IKF=0 BV=0 IBV=100P
NBV=1 IBVL=0 NBVL=1 RS=0 TT=0 CJO=0 VJ=1 M=500M FC=500M
EG=1.11 XTI=3 TIKF=0 TBV1=0 TBV2=0 TRS1=0 TRS2=0 KF=0 AF=1
RL=0);
.model QP PNP (BF=BF1 IS=IS1 RE=RE1 CJE=CJE1 BR=BF1 TF=TF1
TR=TR1);
.model DFOR D (BV=VDRM);
.model DJ1 D (is=.001*IS1 BV=5);
.model DJ2 D (IS=.001*(IS1) BV=VDRM);
.model QN NPN (BF=BF2 IS=IS2 CJC=CJC2).

На рис. 5 изображены: модель мостового тиристорного инвертора завышенной частоты с омической нагрузкой (справа); диаграмма импульсов управления тиристорами (слева). Инвертор выполнен с диодиками встречного тока (D1-D4), обеспечивающими стабилизацию напряжения на тиристорах инвертора при изменении его нагрузки, что употребляется в ТПЧ, используемых в установках для индукционного нагрева металлов. При наличии неизменного напряжения на фильтровом конденсаторе С2 инвертор начинает сформировывать импульсы тока практически синусоидальной формы в нагрузке при включении тиристоров Х1 и Х2, а потом Х3 и Х4.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 5. Схемотехническая модель автономного инвертора ТПЧ и временные диаграммы импульсов управления противофазными тиристорами

Временные диаграммы противофазных импульсов управления мостовым инвертором можно созидать в левой части рис. 5. В мостовом инверторе сразу врубаются тиристоры Х1 и Х2, потом импульсы управления поступают на Х3 и Х4. Временные интервалы меж импульсами управления V1 и V3 равны 1000 мкс, противофазные тиристоры врубаются симметрично (через 500 мкс). Несимметрия импульсов управления не должна превосходить нескольких микросекунд, по другому появляется несимметрия амплитуды и среднего значения токов, протекающих через противофазные тиристоры автономного инвертора.

Функции системы управления противофазными тиристорами мостового тиристорного инвертора в схемотехнической модели определяются перечнем характеристик: .MODEL NEWMODEL1 PUL (P1=500u P2=500u P3=520u P4=520u
P5=1000u VONE=25 VZERO=-5);
.MODEL NEWMODEL2 PUL (P1=0 P2=0 P3=20u P4=20u P5=1000u
VONE=25 VZERO=-5).

Более тщательно схемотехническая модель тиристорного инвертора и особенности его моделирования изложены в [11].

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 6. PSpice-параметры модели диодов схемотехнической модели автономного мостового инвертора

На рис. 6 приведены характеристики второго уровня моделирования (LEVEL 2) для PSpice-модели встречно-параллельных диодов инвертора. Описание модели диодика инвертора, находящееся в текстовом файле устройства защиты, последующее: .MODEL $GENERIC D (BV=5000).

При схемотехническом моделировании сначала рассматриваются условия обычной работы тиристоров. Принципиальной чертой тиристоров для автономного инвертора завышенной частоты является время выключенного состояния в сопоставлении с паспортным (либо допустимым для PSpice-модели) временем восстановления маневренности. При условии tвуУкажем другие, вероятные либо возможные предпосылки появления аварийной ситуации. Превышение действующих значений скорости нарастания прямого тока тиристоров — di/dt, также скорости нарастания напряжения на их — du/dt в автономном инверторе является последующей по частоте возникновения предпосылкой аварийной ситуации в ТПЧ. Подробное рассмотрение выбора этих характеристик с нужным припасом для обеспечения надежности тиристоров устройства защиты приведено дальше.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 7. Моделирование появления неисправности в автономном инверторе

Разглядим, к чему приводит «отказ» тиристора автономного инвертора в ТПЧ. На рис. 7 изображено рабочее окно программки, в каком показана схемотехническая модель ТПЧ с короткозамыкателем в виде контактора, имитирующего повреждение (ненамеренное включение) 1-го тиристора мостовой схемы. Имитация повреждения тиристора сопровождается прекращением протекания частотного тока в нагрузке и осуществляется замыканием модели реле времени SW4. Замыкание этого реле происходит в случайный момент времени по отношению к интервалу непроводимости тиристора и служит предпосылкой появления режима недлинного замыкания в инверторе. Внедрение в схемотехнической модели нескольких реле времени позволяет имитировать задержку прохождения сигнала в системе защиты ТПЧ.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 8. Развитие аварийного процесса при появлении неисправности в автономном инверторе

На рис. 8 приведена диаграмма входного тока инвертора в режиме его обычной работы и на шаге развития аварийного процесса при появлении неисправности в автономном инверторе. Варьируемым параметром на графике является величина индуктивности входного дросселя. Временная диаграмма охарактеризовывает переходные процессы тока в выпрямителе, дросселе и тиристорах автономного инвертора с момента запуска. При обычной работе автономного инвертора прекращение подачи импульсов управления на его тиристоры неприемлимо, ибо по другому прерывается ток входного дросселя, и в схеме появляются недопустимые перенапряжения. Приведенная схемотехническая модель тиристорного инвертора позволяет изучить электрические процессы, протекающие в ТПЧ при пришествии аварии, и моделировать задержку передачи импульсов управления в систему аварийной защиты.

Временная диаграмма на рис. 8 указывает возрастание входного тока инвертора при «срыве инвертирования», вызванном несанкционированным замыканием тиристора автономного инвертора. После момента срыва автоколебаний в нем оказываются включенными противофазные тиристоры. Повышение входного тока инвертора ограничивается в главном индуктивностью линейного дросселя неизменного тока, а текущее значение аварийного тока линейно растет фактически до бесконечности. Ограничение скорости возрастания аварийного тока инвертора достигается повышением индуктивности дросселя в цепи неизменного тока, при всем этом улучшается селективность деяния контактной защиты, но растут утраты мощности в дросселе на рабочих режимах. Участок линейного нарастания тока соответствует глухому недлинному замыканию на выходе источника питания ТПЧ.

Селективность (избирательное действие) рассматриваемой системы бесконтактной защиты улучшается при внедрении в систему защиты быстродействующего бесконтактного выключателя аварийных режимов, вызванных наружными и внутренними по отношению к ТПЧ причинами.

Дальше мы разберем и другие предпосылки, способные вызвать необходимость срабатывания системы аварийной защиты ТПЧ, и выявим динамику прерывания аварийных процессов. Для этого более тщательно разглядим разработанную нами схемотехническую модель быстродействующего конденсаторного выключателя, основанную на принципе принудительного выключения силового поочередного тиристора ТКВ методом емкостной коммутации вспомогательным тиристором, который врубается от датчика системы аварийной защиты.

Схемотехническое моделирование тиристорно-конденсаторного выключателя системы аварийной защиты ТПЧ

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 9. Схемотехническая модель силового устройства защиты и характеристики макроса тиристоров устройства ТКВ

На рис. 9 слева приведен кусок схемотехнической модели для электронной схемы ТПЧ с бесконтактным устройством защиты. Бесконтактный конденсаторный выключатель ТПЧ выполнен с применением моделей силовых тиристоров — поочередного тиристора (SCR Х5) и вспомогательного тиристора бесконтактного выключателя (SCR Х6), также коммутирующего конденсатора защиты (С3). Другие элементы схемы бесконтактного выключателя делают последующие функции:

  • индуктивность L3 и резистор R3 ограничивают амплитуду тока и предупреждают появление ВЧ-колебаний в контуре выключателя;
  • резистор R2 обеспечивает подготовительный заряд конденсатора защиты перед приведением ее в действие;
  • контакты «Запуск» и «Стоп», вместе с источниками импульсных сигналов IMPULSE и PULSE2, обеспечивают включение/выключение силовых тиристоров устройства ТКВ.

Характеристики макроса для схемотехнической модели тиристоров устройства защиты показаны в панели под заглавием SCR (Silicon Controlled Rectifier Macro), приведенной на рис. 9.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 10. Формирование импульсов управления для системы защиты ТКВ

На рис. 10 показана панель PSpice-параметров генератора импульсов (IMPULSE в схемотехнической модели), имитирующего форму импульсов управления для тиристоров ТКВ. Тиристоры врубаются и поддерживаются во включенном состоянии импульсными сигналами высочайшей частоты, это позволяет повысить быстродействие переключения и уменьшить мощность управления тиристорами в сопоставлении с возможным управлением. Форма управляющих импульсов прямоугольная, амплитуда 25 В, частота импульсов 20 мкс. Временной график импульсов генератора V10 (IMPULSE) показан на рис. 10 справа.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 11. Импульсы управления тиристорами ТКВ

На рис. 11 показано рабочее, активное окно симулятора Micro-Cap (Transient Analysis), на котором изображены диаграммы импульсов управления тиристорами конденсаторного выключателя. В схемотехнической модели устройства защиты включенное состояние «проходного» тиристора в режиме готовности поддерживается высокочастотными импульсами (период 20 мкс) от генератора IMPULSE. Эти импульсы отключаются, когда генератор PULSE2 подключается к тиристору защиты SCR Х6, обеспечивая его включение.

Импульсные функции схемотехнической модели устройства защиты IMPULSE и PULSE2 задаются перечнем характеристик: .MODEL IMPULSE PUL (P1=0 P2=0 P3=10u P4=10u P5=20u VONE=25)
.MODEL PULSE2 PUL (P1=10u P2=10u P3=20u P4=20u P5=20u
VONE=25).

Эти характеристики определяются требуемой формой импульсов управления тиристорами конденсаторного выключателя.

На рис. 12 приведен график конфигурации входного тока автономного инвертора (в этом случае это ток линейного дросселя L2 на входе инвертора) в случае принудительного отключения тиристорного инвертора устройством защиты.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 12. График конфигурации входного тока автономного инвертора при его выключении тиристорно-конденсаторным выключателем

Этот график иллюстрирует действие системы защиты, потому что потребляемый из сети ток, проходящий через выпрямитель и дроссель инвертора, резко миниатюризируется при маленьком замыкании в тиристорном инверторе — в отличие от показанного на рис. 8. Задержка в срабатывании ТКВ не превосходит 1-го периода высочайшей частоты инвертора. Скопленная энергия входного дросселя рассеивается в тиристорном мосту инвертора.

На рис. 13 показана временная диаграмма выходного тока инвертора при его выключении системой аварийной защиты. Прекращение колебаний выходного тока инвертора, обеспечиваемых запасенной электрической энергией дросселя неизменного тока, происходит за несколько периодов высочайшей частоты, при всем этом входной ток инвертором не потребляется.

Проектирование бесконтактного выключателя аварийных режимов в тиристорном преобразователе завышенной частоты для индукционного нагрева металлов

Рис. 13. Временная диаграмма выходного тока инвертора при выключении системой аварийной защиты при помощи ТКВ

Мы проявили некие достоинства внедрения в системе аварийной защиты ТПЧ быстродействующего бесконтактного тиристорноконденсаторного выключателя. В продолжении статьи будет рассмотрена коммутирующая способность ТКВ устройства защиты, ее эффективность и требования к ней для внедрения в ТПЧ различной мощности.

Окончание следует