Об одном варианте практической реализации системы измерения параметров индукторов установок индукционного нагрева на режимах близких к номинальным

Суть предлагаемого в упомянутой статье [1] способа сводилась к тому, что емкость, заряженная до определенного напряжения через тиристорный ключ, состоящий из двух встречно-параллельных тиристоров, разряжалась на индуктор. При этом осциллографировалась кривая затухающего синусоидального тока, проходящего в рассматриваемом контуре. Измеренные по осциллограмме декремент затухания и период колебаний позволяют вычислить индуктивность и активное сопротивление модели индуктора. При этом для уточнения параметров индуктора вводилась погрешность, задаваемая сопротивлениями тиристоров в проводящем состоянии, которые определялись для конкретных типов тиристоров на модели установки, выполненной в среде OrCAD. С целью приближения режимов измерения к реальным режимам работы индуктора величина емкости и напряжение ее заряда определялись методом подбора.

При попытке практической реализации предложенного способа, которую предпринял Зоран Лазаревич, были выявлены следующие трудности.

1. Измерение тока индуктора, который смонтирован в нагревательной установке совместно с компенсирующей емкостью, затруднено из-за проблем монтажа и необходимости использования безындуктивного датчика тока, обеспечивающего его измерение без внесения существенных погрешностей. Общеизвестные методы измерения больших токов с помощью безындуктивного шунта с малым собственным сопротивлением или стандартного трансформатора тока при практической реализации не всегда практически доступны.
2. Определенные сложности представляет использование тиристорного ключа, состоящего из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, требующих соответствующего управления.
3. Построение модели используемых в установке тиристоров и получение на этой модели соответствующих сопротивлений тиристоров в открытом состоянии недоступно для всех желающих реализовать данную установку.

В своей экспериментальной установке Зоран Лазаревич преодолел перечисленные трудности следующим образом (см. принципиальную схему экспериментальной установки на рис. 1).

В данной схеме колебательный контур, в который входит индуктор с измеряемыми параметрами, представлен емкостью С1, индуктивностью L1 и сопротивлением R1. Емкость С2 является накопительной и заряжается от внешнего источника питания. При этом величина емкости и напряжение ее заряда определяются амплитудой первой полуволны синусоиды напряжения на индукторе. Индуктивность L2 и сопротивление R2 установлены для ограничения крутизны нарастания тока в тиристоре в момент заряда емкости контура С1 от накопительной емкости С2.

Применение данной схемы позволяет не фиксировать осциллограмму тока, заменяя ее на осциллограмму напряжения, что, в конечном счете, дает возможность обойтись без применения датчика тока и сложностей с его установкой в силовом контуре.

Кроме этого, вместо двух тиристоров, используемых в установке, описанной в [1], применяется один тиристор, что упрощает схему.

Управление тиристором осуществляется от системы управления СУ.

Общеизвестно, что напряжение на емкости в рассматриваемой схеме описывается следующим выражением:

где δ = R/2L;

На рис. 2 приведена кривая затухающего синусоидального напряжения на индукторе.

Определим декремент затухания по напряжению

То есть полученное значение величины декремента затухания по напряжению ΔU равно значению декремента затухания по току ΔI [1], что позволяет повторить выкладки, приведенные в [1].

Из (3), логарифмируя и преобразуя, получим:

Далее

Отсюда

Из (5) получим:

Считая С известным, из (6) получим L:

Из (7) и (4) получим R_i:

Таким образом, по полученным из осциллограммы затухающего синусоидального напряжения на индукторе декременту затухания по напряжению и периоду посредством формул (7) и (8) вычисляются параметры индуктора L и R.

На рис. 3 приведена схема PSpice-модели рассматриваемой экспериментальной установки.

В схеме применен тиристор ТБ233-320-15. PSpice-модель этого тиристора, построенная по паспортным данным, выглядит следующим образом:

Система управления моделируется источником напряжения VPULSE.

Параметры элементов схемы видны на рис. 3.

На рис. 4 приведены осциллограммы напряжения на тиристоре (верхняя кривая) и напряжения на индукторе (нижняя кривая).

Из осциллограмм видно, что тиристор, обеспечивающий заряд емкости С1, закрывается в момент времени t = 22 мкс. С этого времени контур С1L1R1 отключен от накопительной емкости С2 и тиристор практически не вносит погрешностей в измерение параметров индуктора. Для ограничения перенапряжений на тиристоре параллельно к нему присоединяется защитная RLD цепочка (С = 0,3 мкФ, R = 20 Ом), которая на схемах не указывается.

Для рассматриваемых осциллограмм U₁ = 180,8 В, U₃ = 148,9 В, Т = 202,3 мкс. Отсюда Δ_U = U₁/U₃ = 1,214. По этим данным в соответствии с формулами (7) и (8), считая величину С1 заданной и равной 80 мкФ, получим: L1 = 12,99 мкГн, R1 = 0,0248 Ом, что с высокой степенью точности соответствует параметрам модели.

Естественно, что точность измерения величин U₁, U₃ и Т по кривым, полученным с осциллографа, будет ниже, но, тем не менее, экспериментальные данные показывают, что она является вполне удовлетворительной.

На рис. 5 и 6 представлены экспериментально полученная осциллограмма напряжения на индукторе и полученная на модели осциллограмма этого же напряжения (повторение нижней осциллограммы, приведенной на рис. 4 при другой длительности развертки). Соотношения амплитудных напряжений 2-й и 3-й положительных полуволн на экспериментальной и расчетной осциллограммах с точностью до первого знака после запятой совпадают и равны 1,2.

Первый положительный полупериод колебаний на экспериментальной осциллограмме и осциллограмме, полученной в результате моделирования, характеризует процесс заряда емкости С1 колебательного контура от накопительной емкости С2. В контуре заряда участвуют тиристор, индуктивность L2 и резистор R2. Использовать эту полуволну для вычисления декремента затухания нельзя, так как она характеризует колебания в системе, отличной от исследуемого колебательного контура L1, C1, R1. К началу формирования первой отрицательной полуволны на осциллограммах тиристор отключается. При этом погрешности от сопротивления тиристора в открытом состоянии в измерения не вносятся.

Таким образом, предложенная Зораном Лазаревичем схема экспериментального измерения параметров индуктора улучшает предложенную в [1] схему за счет упрощения фиксации затухающего колебательного процесса и исключения погрешностей, вносимых в цепь измерения тиристорами.