Силовая электроника №1'2016

Схемотехническое моделирование полирезонансного источника электропитания в программе Micro-Cap 10

Зинин Юрий

Мамаева Дарья


В статье рассмотрена схемотехническая модель полирезонансного источника электропитания (ИЭП) на основе тиристорного преобразователя частоты для индукционного нагрева металлов токами повышенной частоты с несимметричным автономным инвертором тока и выходным согласующим трансформатором. Приведен частотный анализ разработанной схемотехнической модели и изложены его результаты, позволившие определить диапазон рабочих частот колебательной нагрузки. Рассмотрен анализ установившихся процессов схемотехнической модели ИЭП, рассчитаны временные графики переходных процессов модели на интервалах от пуска и до момента выключения автономного инвертора. Приведены результаты анализа по Фурье гармонического состава выходного тока автономного несимметричного инвертора. Предложенная схемотехническая модель позволяет исследовать в программе Micro-Cap 10 электромагнитные процессы тиристорных преобразователей с целью эффективного повышения рабочей частоты.

Введение

Последний доклад ЮНЕСКО о состоянии науки в разных странах показал, что США тратят на фундаментальные исследования почти треть мировых расходов — 28,1%, Китай — одну пятую, почти 19,6%, Европейское сообщество — 19,1%, при этом доля России составляет всего 1,7%. При общей тенденции к увеличению количества ученых в развитых странах мира в среднем на 20%, в России их число сокращается. За два последних года по сравнению с общемировым вкладом количество научных публикаций в России сократилось с 2,7 до 2,3% [1].

Сказанное, пожалуй, в большей мере относится к отечественным публикациям в области разработки и проектирования ИЭП высокочастотных установок индукционного нагрева металлов, потому что силовые установки требуют значительных затрат материальных ресурсов. Вместе с тем применение эффективных методов исследования, в частности схемотехнического моделирования, позволяет найти новые способы повышения эффективности существующих ИЭП. Данные публикации полезны специалистам в области разработки тиристорных преобразователей повышенной частоты для популяризации новых методов их исследования.

В технологиях индукционного нагрева металлов широко используются ИЭП током повышенной частоты на основе тиристорных автономных инверторов тока [23]. Для ознакомления с ИЭП, схемотехническая модель которого приведена в статье, необходимо иметь представление о принципе работы последовательного автономного инвертора тока с закрытым входом и его резонансной нагрузки в виде параллельного колебательного контура, т. е. о тиристорных преобразователях повышенной частоты и индукционных установках на их основе [48].

В статье приведены результаты разработки и исследований схемотехнической модели полирезонансного ИЭП, называемого иначе тиристорным преобразователем повышенной частоты для индукционного нагрева металлов, способным генерировать различные гармоники выходного тока. Это свойство обеспечивается специфической формой выходного тока инвертора, имеющего несинусоидальную форму и, следовательно, широкий состав гармоник, определение которого представляет практический интерес. Колебательный контур индукционной нагрузки может настраиваться на различные гармоники, например с целью повышения рабочей частоты.

Ниже нами рассматривается несимметричная схема одноячейкового инвертора тока, и поэтому в ней необходим дроссель постоянного тока значительной величины. Такой вход инвертора называется «закрытым» от проникновения высших гармоник выходного тока в питающую сеть. В отличие от традиционных мостовых или полумостовых схем автономных инверторов, нагрузка этого инвертора включается последовательно с коммутирующими элементами инвертора — конденсатором и катушкой индуктивности. Нагрузкой в электротермических устройствах для индукционного нагрева металлов служит параллельный резонансный контур, образованный индуктором и параллельным конденсатором, компенсирующим низкий коэффициент мощности индуктора.

Известно, что колебательный контур нагрузки автономного инвертора, в который включается одновитковый индуктор с нагреваемым изделием для индукционного нагрева токами высокой частоты, для согласования параметров источника питания и эквивалентного сопротивления нагрузки требует применения согласующего выходного трансформатора. Согласующий трансформатор тока в расчетных моделях инверторов тока обычно представляют эквивалентными ин-дуктивностями, которые необходимо линеаризовать. В то же время известен другой способ представления согласующего трансформатора — это магнитосвязанные общим ферромагнитным нелинейным сердечником индуктивности, задаваемые необходимым количеством витков обмоток. Такое представление трансформатора используется нами в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap 10.

На рис. 1 приведен расчетный файл схемотехнической модели, выполненный в демо-версии программы Micro-Cap 10, для полирезонансного ИЭП, в который входят следующие узлы тиристорного преобразователя частоты: выпрямитель, конденсаторный выключатель, тиристорный несимметричный инвертор, а также нагрузка с согласующим высокочастотным трансформатором и индуктор.

Файл схемотехнической модели полирезонансного ИЭП повышенной частоты

Рис. 1. Файл схемотехнической модели полирезонансного ИЭП повышенной частоты

Схемотехническая модель, на которой компоненты электрической схемы представлены в виде графического файла, соответствует принципиальной электрической схеме ИЭП. Некоторые изображения компонентов схемотехнической модели выбраны типа «евро», либо изменялись встроенным редактором программы.

Схемотехническая модель полирезонансного ИЭП сопровождается PSpice-описанием компонентов инвертора, она содержит Spice-модель трансформатора с сердечником. Поэтому в параметры модели входит число витков обмоток трансформатора и геометрические параметры сердечника, что позволяет легко перейти к его реальной конструкции. Выделение желтым цветом некоторых областей на файле схемотехнической модели служит мерой предосторожности от непреднамеренного изменения схемы или ее параметров и выполняется в последнюю очередь.

Показанная на рис. 1 схемотехническая модель использует предельное число компонентов для демо-версии программы Micro-Cap 10. Определенное удобство в демо-версии предоставляет опция Enabled, которая позволяет исключить компонент файла из расчетной модели, при этом на схеме он выделяется цветом.

В модели представлена трехфазная сеть, неуправляемый мостовой выпрямитель, бесконтактное устройство включения/выключения постоянного напряжения, несимметричный автономный тиристорный инвертор, входящие в состав тиристорного преобразователя частоты, а также нагрузка ИЭП, состоящая из эквивалентной индуктивности и активного сопротивления индуктора, присоединенных через согласующий высокочастотный трансформатор.

Частотный анализ модели ИЭП

Автономный последовательный инвертор тока является полирезонансным, т. к. он способен работать на колебательную нагрузку, настроенную на первую, вторую или третью гармонику выходного тока. Определение резонансной частоты нагрузочного контура с согласующим трансформатором производится в режиме частотного анализа схемотехнической модели.

Через нагрузку инвертора протекает полуволна тока тиристора, затем обратная полуволна тока диода, и перед очередным включением тиристора формируется интервал паузы. Изменением интервала паузы производится регулирование выходной мощности тиристорного преобразователя.

Первым этапом исследований созданной схемотехнической модели полирезонансного инвертора является ее частотный анализ, проведением которого получаем амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) нагрузочного колебательного контура и согласующего трансформатора.

На рис. 2 показаны панель установки параметров частотного анализа и панель Stepping (изменение параметра с дискретным шагом) для расчета АЧХ схемотехнической модели ИЭП. Ось частот на графике задана в логарифмическом масштабе, график АЧХ масштабируется автоматически, диапазон частот задан априори. Шаг (Step) изменения индуктивности входного дросселя (дросселя L1) выбран равным 1 мГн.

Панель установки параметров частотного анализа

Рис. 2. Панель установки параметров частотного анализа (вверху) и панель Stepping для расчета АЧХ схемотехнической модели ИЭП

На рис. 3 показано семейство АЧХ ИЭП при изменении индуктивности дросселя постоянного тока в модели полирезонансного инвертора. АЧХ имеет два максимума, один из которых на частоте 20 кГц (резонансная частота нагрузочного колебательного контура), а второй смещается влево по мере увеличения индуктивности дросселя постоянного тока. С точки зрения увеличения амплитуды АЧХ целесообразно уменьшать индуктивность дросселя постоянного тока, но этому препятствует его другая функция — ограничение электромагнитных помех в силовую питающую сеть ИЭП. В этом случае возможен разумный компромисс. Резонансная частота колебательного контура нагрузки, включенного через согласующий трансформатор, при этом не меняется.

Семейство АЧХ ИЭП

Рис. 3. Семейство АЧХ ИЭП при изменении индуктивности дросселя постоянного тока полирезонансного инвертора

На рис. 4 показана панель частотного анализа и установки шага Stepping (изменение параметра с дискретным шагом) для расчета АЧХ модели нагрузочного колебательного контура с согласующим трансформатором. Ось частот на графике задана в логарифмическом масштабе, график АЧХ масштабируется автоматически. Шаг (Step) изменения емкости конденсатора нагрузочного колебательного контура (конденсатора С4) устанавливается априори.

Панель частотного анализа (сверху) и панель установки шага Stepping (внизу)

Рис. 4. Панель частотного анализа (сверху) и панель установки шага Stepping (внизу) для расчета АЧХ нагрузочного колебательного контура

На рис. 5 показаны результаты частотного анализа схемотехнической модели полирезонансного ИЭП при изменении емкости конденсатора колебательного контура нагрузки от 3 до 12 мкФ. Видно, что согласующий трансформатор мало меняет амплитуду АЧХ нагрузки в широком диапазоне частот с изменением емкости параллельно подключенного конденсатора. Результаты частотного анализа схемотехнической модели позволили уточнить ее параметры для проведения анализа электромагнитных процессов полирезонансного ИЭП.

Семейство АЧХ ИЭП при изменении емкости конденсатора колебательного контура нагрузки

Рис. 5. Семейство АЧХ ИЭП при изменении емкости конденсатора колебательного контура нагрузки

Расчет и анализ электромагнитных процессов в схемотехнической модели ИЭП

Электромагнитные процессы в ИЭП определяются расчетом переходных процессов токов и напряжений в схемотехнической модели. На основании проведенного частотного анализа схемотехнической модели устанавливаем на панели источника импульсов управления период повторения Ps — 200μ (200 мкс), что соответствует частоте включения тиристора 5 кГц. Форма импульсов управления — прямоугольная. Параметры модели Impulse соответствуют требованиям управляющих импульсов для макросов тиристоров Х1 и Х2 — .MODEL IMPULSE PUL (VZERO=-5 VONE=25 P1=0U P2=0U P3=10U P4=10U P5=200U).

На рис. 6 показана панель установки параметров и приведен график импульсов управления тиристорами инвертора. Тиристоры в схемотехнической модели представлены макросом из библиотеки программы Micro-Cap 9 версии — MC9DEMO\library\SCR.MAC.

Панель установки параметров импульсов управления тиристорами инвертора

Рис. 6. Панель установки параметров импульсов управления тиристорами инвертора (справа) и временной график этих импульсов

Описание других моделей файла источника электропитания:

*** From file C:\MC9DEMO\library\SMALL. LBR
.MODEL TIGEL_ CORE (A=1.11539K AREA=120 C=608.39m GAP=3 K=6.62806K MS=1.43MEG + PATH=100)
*** From file C:\Program Files\Spectrum Software\MC10demo\library\SMALL.LIB
.MODEL 3C81 CORE (AREA=60 PATH=60 GAP=1 MS=386.009992K A=20.568442 K=15.533772)
.MODEL PHASE_A SIN (F=50 A=310 RS=0)
.MODEL PHASE_B SIN (F=50 A=310 PH=2.1 RS=0)
.MODEL PHASE_C SIN (F=50 A=310 PH=4.2 RS=0)
.MODEL

На рис. 7 показана панель установки параметров схемотехнической модели для анализа переходных процессов в ИЭП. Длительность интервала расчетов определена частотой 50 Гц для источников напряжения трехфазной питающей сети, которые сдвинуты на 120 эл. град. Результаты расчетов, для удобства обзора, приведены на двух временных диаграммах. Масштаб диаграмм задан опцией Auto Scale Ranges. Перед проведением Transient Analysis выполняется расчет файла модели ИЭП, показанного на рис. 1, по постоянному току (функция Operating Point).

Панель установки параметров для анализа переходных процессов

Рис. 7. Панель установки параметров для анализа переходных процессов в схемотехнической модели ИЭП

На рис. 8 показаны результаты расчета переходных процессов в файле схемотехнической модели. Трехфазная сеть через неуправляемый мостовой выпрямитель обеспечивает выпрямленное напряжение, равное 520 В, которое в течение примерно 1 мс заряжает конденсатор бесконтактной защиты ИЭП, затем на тиристоры инвертора подаются управляющие импульсы с частотой 5 кГц. При этом начинают формироваться импульсы выходного тока инвертора, переходной процесс которых, как показано на нижнем графике, заканчивается также в течение 1 мс. Квазиустановившийся режим характеризуется достижением максимальной амплитуды тока и напряжения на компонентах полирезонансного ИЭП.

Временные диаграммы схемотехнической модели полирезонансного ИЭП

Рис. 8. Временные диаграммы схемотехнической модели полирезонансного ИЭП

Отключение инвертора производится бесконтактным электронным выключателем, при этом конденсатор защиты перезаряжается до напряжения обратной полярности, и начинается переходной процесс уменьшения выходного тока инвертора, показанный на рис. 8 (нижний график). Для уменьшения перенапряжений в инверторе в интервале выключения импульсы управления тиристоров не выключаются.

Приведенные временные диаграммы служат проверкой схемотехнической модели на соответствие реальным электромагнитным процессам ИЭП.

Определение амплитудного спектра выходного тока ИЭП повышенной частоты

Автономный инвертор ИЭП работает в резонансном режиме, при котором ток и напряжение тиристоров в момент включения имеют ограниченную скорость изменения, это является его достоинством. Для случаев применения этого инвертора в установках индукционного нагрева металлов используются резонансные контуры нагрузки с невысокой добротностью, обусловленной значительной величиной вносимого сопротивления. С целью упрощения расчетов, на первом этапе исследований, в схемотехнической модели ранее заменяли комплексную нагрузку активным эквивалентным сопротивлением. В этом случае анализ процессов в схемотехнической модели давал значительную погрешность.

На рис. 9 показаны расчетные графики напряжения и тока для переходного процесса от момента пуска автономного полирезонансного инвертора, нагруженного на колебательный резонансный контур нагрузки. На первых расчетных периодах время восстановления тиристора, равное длительности протекания тока через обратный диод, невелико, но и динамические воздействия на него — скорости изменения тока и прямого восстанавливающего напряжения — также небольшие, что способствует устойчивости пуска ИЭП.

Временные диаграммы напряжения и тока

Рис. 9. Временные диаграммы напряжения и тока для переходного процесса пуска автономного полирезонансного инвертора

В схемотехнической модели автономного инвертора, показанной на рис. 1, параллельно тиристорам включены демпфирующие цепочки, служащие для распределения постоянных напряжений в интервале паузы и уменьшения динамических перенапряжений, вызванных неидентичностью характеристик реальных последовательно включенных тиристоров.

Как видно на рис. 9, установившаяся величина интервала восстановления управляемости тиристора составляет на рабочей частоте инвертора 60 мкс. Скорости нарастания тока и напряжения невелики и не превышают допустимого значения, например для быстродействующих тиристоров ТБ143-400-11-433. Амплитуда прямого напряжения на тиристорах прямо пропорциональна интервалу «паузы» — непроводимости тока в схеме силовыми вентилями. Длительность паузы определяет гармонический состав выходного тока ИЭП. Нами экспериментально была определена рекомендуемая величина «паузы» в выходном токе, которая равняется одной трети от интервала повторения рабочего цикла этого инвертора.

Проведем анализ гармонического состава выходного тока инвертора схемотехнической модели, что позволит обосновать повышение частоты тока в колебательном контуре нагрузки полирезонансного автономного инвертора. Разложим кривую выходного тока инвертора по Фурье (в программе Micro-Cap для этого есть соответствующая опция). Для этого программно выделим один период изменения выходного тока, показанный на рис. 9, и определим его амплитудный спектр [9-12].

На рис. 10 приведены гармоники спектра выходного тока ИЭП повышенной частоты, справа показана осциллограмма одного периода выходного тока инвертора для установившегося режима работы. Постоянная составляющая в выходном токе инвертора равна нулю (нулевой гармоники нет, т. к. нагрузка подключена через последовательный конденсатор), а амплитуды первой и второй гармоники различаются незначительно. Возможна работа ИЭП и на третьей гармонике выходного тока с соответствующим понижением выходной мощности. Отметим, что это свойство и дало название инвертору — полирезонансный.

Амплитудный спектр выходного тока ИЭП повышенной частоты

Рис. 10. Амплитудный спектр выходного тока ИЭП повышенной частоты на основе полирезонансного инвертора

При натурных испытаниях тиристорных преобразователей частоты показано, что частота первой гармоники амплитудного спектра выходного тока характеризует время восстановления управляющих свойств тиристора. Уменьшение интервала «паузы» инвертора приводит к увеличению напряжения на тиристоре, но увеличивает и амплитуду второй гармоники. Совокупное и противоречивое действие рассмотренных факторов на характер изменения электромагнитных процессов в автономном инверторе находит отражение в исследованиях, полученных на схемотехнической модели при подключении колебательного контура нагрузки к автономному инвертору.

Настройка контура колебательной нагрузки автономного инвертора тока, включенного через согласующий трансформатор на вторую гармонику выходного тока, позволяет удвоить рабочую частоту полирезонансного ИЭП при сохранении динамических воздействий на тиристоры, соответствующих работе на первой (основной) гармонике.

Экспериментальная проверка изложенных результатов схемотехнического моделирования в условиях промышленной эксплуатации ИЭП — тиристорных преобразователей частоты — показала, что разработанная схемотехническая модель правильно отражает амплитудный спектр выходного тока электротермической установки.

Заключение

Разработанная схемотехническая модель ИЭП позволяет определить влияние длительности паузы на величину амплитуды основных гармоник выходного тока инвертора. Режим работы инвертора на второй гармонике выходного тока обеспечивает удвоение рабочей частоты полирезонансного ИЭП, при котором частота включения тиристоров инвертора не меняется, но динамические воздействия на тиристоры (di/dt и du/dt) соответствуют работе на первой (основной) гармонике.

Литература

  1. http://unesdoc.unesco.org/images/0023/02354/235407r.pdf.
  2. Шапиро С. В., Зинин Ю. М., Иванов А. В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. М. Энергоатомиздат. 1989.
  3. Зинин Ю., Мульменко М. Современные тиристорные преобразователи частоты типа «Параллель» для установок индукционного нагрева металлов // Силовая электроника. 2015. № 3.
  4. Зинин Ю. М. Анализ интервала восстановления управляемости тиристора в несимметричном инверторе // Электричество. 2006. № 10.
  5. Зинин Ю., Мульменко М. Новые разработки силовых преобразователей типа «Параллель» для установок индукционного нагрева металлов // Силовая электроника. 2014. № 2.
  6. Зинин Ю., Иванов А., Мульменко М., Уржумсков А. Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева труб большого диаметра // Силовая электроника. 2014. № 6.
  7. Мульменко М., Зинин Ю., Мамаева Д. Разработка универсального блока управления и контроля для полупроводниковых преобразователей частоты // Силовая электроника. 2015. № 5.
  8. Валиуллина З., Зинин Ю. Исследование тиристорных преобразователей частоты для установок индукционного нагрева металлов // Силовая электроника. 2007. № 2.
  9. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования MICRO-CAP V. М.: СОЛОН. 1997.
  10. Валиуллина З., Зинин Ю. Схемотехническое моделирование силовых дросселей для тиристорных преобразователей повышенной частоты // Силовая электроника. 2007 г. № 1.
  11. Соколов О. Моделирование систем импульсно-временного управления тиристорными электроприводами в среде MICRO-CAP 9 demo // Силовая электроника. 2015. № 4.
  12. Зинин Ю. Схемотехническая модель индукционного комплекса с тиристорным преобразователем повышенной частоты // Силовая электроника. 2009. № 4.
*  *  *

Другие статьи по этой теме



 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо