Исследование схемотехнической модели тиристорного преобразователя частоты с вакуумной индукционной плавильной печью

Американский институт AIMMPE (American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers) составил список важнейших изобретений, способствующих прогрессу человечества, которые отбирали свыше 4 тысяч экспертов из 68 стран мира.

На первом месте оказалась периодическая система элементов Д. И. Менделеева. На втором — плавка железа египтянами, впервые произведенная за 3550 лет до н. э. На третьем месте — изобретение транзисторов. Далее последовательно — изобретение стекла, микроскопа, цемента, плавка стали, меди.

Промышленное использование вакуумной плавки металлов началось около полувека назад. Вакуумные технологии характеризуются пониженным давлением воздуха в плавильной камере 10^–3…10^–6 мм рт. ст. Они позволяют очищать металл от газов (азота, кислорода и водорода) и используются в производстве ответственных изделий. В вакуумных индукционных печах выплавляют особо чистые металлы, стали и сплавы.

Индукционные установки с применением токов высокой частоты (ТВЧ) для вакуумной плавки металлов широко применяются на промышленных предприятиях. Вакуумные процессы определяют развитие высоких технологий и относятся к экологически чистым процессам.

Выходное напряжение источника питания вакуумной индукционной печи для исключения в ней электрических разрядов не должно превышать 400 В.

Обычные технические решения, снижающие возможность электрических пробоев вакуумной индукционной печи — подключение преобразователя через сетевой трансформатор, либо применение понижающего разделительного высокочастотного трансформатора в выходном контуре — используются при питании от электромашинного генератора. Замена машинного генератора тиристорным преобразователем частоты позволяет исключить необходимость применения понижающих трансформаторов.

В схеме несимметричного тиристорного преобразователя частоты выходное напряжение можно уменьшить до необходимой величины без использования выходного трансформатора [1]. Особенностью подключения тиристорных преобразователях частоты к вакуумной индукционной печи является симметрирование выхода тиристорного инвертора относительно «земли» (коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель разделяются на две симметричные части). Величина емкости удваивается по сравнению с аналогичным преобразователем для открытой плавки, но установленная мощность конденсаторов при этом не увеличивается.

На рис. 1 показаны функциональные узлы тиристорных преобразователях частоты, параметры которых необходимо определить для использования в составе вакуумных плавильных установок. Конструктивное исполнение этих узлов не меняется. Определяющий размер — 90 см — показывает относительные габариты функциональных узлов тиристорных преобразователях частоты: катушки индуктивности, силовых электротермических конденсаторов и входного дросселя постоянного тока.

Задача схемотехнического моделирования — определить параметры названных функциональных узлов таким образом, чтобы выходное напряжение тиристорного преобразователя частоты не превышало 400 В при выходной мощности тиристорного преобразователя частоты 120 кВт и частоте выходного тока 2000 Гц.

Схемотехническая модель тиристорного преобразователя частоты

Схемотехническая модель тиристорного преобразователя частоты для вакуумной плавки металлов показана на рис. 2. Она состоит из выпрямителя (6 диодов 1N4148), тиристорного несимметричного инвертора (тиристор SCR с обратным напряжением VDRM = 5 k) и нагрузочного колебательного контура.

На рис. 2 приведена схемотехническая модель нагрузки с индуктором, подключенным симметрично относительно выхода тиристорного преобразователя частоты. Индуктор заземлен через очень большое сопротивление. Не показаны параметры компонентов, величина которых не критична для моделирования.

Индуктивность входного дросселя инвертора достаточно велика — 3 мГн. Поэтому выпрямитель для несимметричного тиристорного инвертора с обратным диодом является источником тока.

Частота включения тиристора автономного инвертора — 1 кГц. Встречно-параллельный тиристору (обратный) неуправляемый диод обеспечивает циркуляцию реактивной мощности в инверторе при изменении нагрузки. В этом инверторе напряжение на полупроводниковых элементах не изменяется в зависимости от нагрузки. Это свойство рассматриваемой схемы тиристорного инвертора способствует ее широкому применению.

На рис. 3 приведены PSpice-модели основных элементов преобразователя частоты. Трехфазный источник переменного тока промышленной частоты представлен моделями синусоидальных источников ЭДС — A, B и C.

Импульсный источник IMPULSE представляет собой схему управления тиристорным преобразователем частоты. Модель .MODEL IMPULSE PUL формирует импульсы длительностью 20 мкс с частотой повторения 1 мс амплитудой 20 В. PSpice-модели диодов представлены далее.

PSpice-описания моделей формируются программой MicroCap автоматически и могут корректироваться пользователем.

Исследование схемотехнической модели

Задача исследований изображенной на рис. 2 схемотехнической модели — определить параметры элементов тиристорного инвертора для применения в тиристорном преобразователе частоты с установками индукционной вакуумной плавки. Так как тиристорный преобразователь частоты в номинальном режиме работает с резонансной нагрузкой, в схемотехнической модели необходимо изменять частоту выходного тока, либо определить параметры нагрузки в соответствии с этой частотой.

На рис. 4 приведены результаты анализа схемотехнической модели — частотная характеристика индуктора вакуумной индукционной печи, согласно которой резонансная частота колебательной нагрузки составляет 2 кГц.

Исследуемая схема инвертора может работать с нагрузкой на первой, либо второй гармонике выходного тока. При резонансной частоте контура нагрузки 2 кГц и выходной частоте тиристорного инвертора 1 кГц используется вторая гармоника выходного тока.

На рис. 5 показана форма выходного тока несимметричного автономного инвертора. Переходный процесс изменения амплитуды тока конденсатора I (С2), с момента начала расчета при нулевых начальных условиях, заканчивается через 20 мс. Для определения установившихся значений токов и напряжений в схемотехнической модели необходимо время расчета, которое не меньше этого значения. Расчет входной или выходной мощности требует установки большего интервала расчетного времени. Для экономии времени и памяти компьютера шаг расчета можно увеличить.

Форма тока имеет несинусоидальный характер, обусловленный наличием обязательной «паузы» — интервала выключенного состояния полупроводниковых вентилей. Величина паузы определяет амплитуду напряжения на элементах инвертора и выходную мощность.

Длительность паузы в выходном токе тиристорного инвертора определяет гармонический состав тока. Увеличение паузы снижает мощность инвертора и изменяет амплитуды первой и второй гармоники в выходном токе.

На рис. 6 показаны амплитуды первых трех гармоник в одном периоде установившегося значения выходного тока. Амплитуда второй гармоники на треть меньше первой гармоники, а режимы работы полупроводниковых элементов инвертора соответствуют номинальным режимам. Аналогичные кривые для тока нагрузки, приведенные на рис. 7, показывают, что в колебательном контуре максимальной является вторая гармоника с частотой 2 кГц.

Содержание гармоник в кривой выходного тока тиристорного преобразователя частоты определено разложением ее в ряд Фурье (процедура FFT). Проведенный анализ показывает, что работа тиристорного инвертора на второй гармонике обеспечивает необходимые параметры тиристорного преобразователя частоты.

На рис. 8 показана номинальная мощность тиристорного преобразователя частоты при указанных на схемотехнической модели параметрах коммутирующих элементов. Кривая мощности получена перемножением выходного тока инвертора I (C2) и выходного напряжения V (C1).

Условное время расчета схемотехнической модели для получения последней кривой составляет 1 с. Сохранение рассчитанных значений подобных файлов требует 50–500 Мбайт дискового пространства. Для дальнейшего использования схемотехнической модели тиристорного преобразователя частоты необходимо хранить исходный расчетный файл в формате .cir объемом 10–20 кбайт.

На рис. 9 представлено напряжение на тиристорах преобразователя частоты при номинальной мощности 120 кВт. Величина напряжения соответствует применению в тиристорном преобразователе частоты четырех силовых тиристоров 10-го класса. Время восстановления тиристоров в этой схеме позволяет повысить выходную частоту до 20 кГц. Следовательно, вносить изменения в конструкцию и комплектацию функционального узла силовых вентилей тиристорного преобразователя частоты нет необходимости.

На следующем этапе исследований произведем проверку выполнения основного условия, необходимого для применения тиристорного преобразователя частоты в вакуумных установках — получение необходимой мощности (120 кВт) при выходном напряжении преобразователя частоты менее 400 В.

Согласно рис. 10 максимальное напряжение на выходе тиристорного преобразователя составляет 333 В. Это напряжение приложено к герметичному вводу индуктора, через который протекает переменный ток той же частоты, форма которого показана также на рис. 10.

Отличие тока и напряжения на индукторе от синусоидальной формы не позволяет использовать для их измерения приборы. Поэтому мы не отмечаем на графиках средние и действующие значения. В то же время полученные кривые практически не отличаются от аналогичных кривых на экране цифровых осциллографов, что позволяет судить об адекватности протекания процессов в тиристорном преобразователе частоты и его схемотехнической модели, основанной на PSpice-моделях. Это подобие внешнее, они имеют различную природу — физическую, либо математическую.

Современные PSpice-модели элементов учитывают рабочую температуру и паразитные параметры. Оболочка применения этих моделей — программы-симуляторы (типа MicroCap и др.) также совершенствуются [2] и становятся обычным приложением персональных компьютеров, как Word, Excel и другие приложения Windows, знание которых необходимо техническим специалистам в области силовой электроники.

С другой стороны, названные программы настолько просты, что многие пользователи считают достаточными их знания в минимальном объеме — «открыть, напечатать, сохранить». В Word так можно работать с документом объемом не более 3 страниц. С большими документами нужно работать в режиме структуры, использовать стили и их форматирование, автоматическую нумерацию внедренных объектов (рисунки, формулы), перекрестные ссылки и др. и, наконец, формировать оглавление. Сказанное относится и к программам схемотехнического моделирования.

Выполнение требований симметрии выходного напряжения тиристорного преобразователя частоты относительно «земли» обеспечивается симметричным включением обмоток индуктивных элементов — дросселя и коммутирующей индуктивности и обеспечением электромагнитной связи между витками катушек.

На рис. 11 показана конструкция коммутирующей индуктивности, состоящей из двух катушек, выполненных из медной трубки достаточного сечения для протока охлаждающей воды. Для изменения индуктивности наружная катушка выполнена с отпайками. Она заключена в экран, выполненный из феррита.

Схемотехническая модель для определения индуктивности коммутирующей катушки тиристорного инвертора при протекании ТВЧ показана на рис. 12. Справа, на панели параметров сердечника К1, обеспечивающего взаимную связь обмоток силовой катушки индуктивности, показаны параметры PSpice-модели сердечника.

Функции сердечника катушки выполняют ферритовые экраны, основным назначением которых является уменьшение нагрева металлических элементов конструкции тиристорного преобразователя частоты. Использование модели сердечника коммутирующей катушки в схемотехнической модели тиристорного инвертора позволяет определить необходимую величину индуктивности ее обмоток.

Воздушный зазор дросселя постоянного тока определяется с помощью параметрических кривых изменения индуктивности дросселя от величины тока в нем [3].

На рис. 13 представлена скорректированная в результате проведенных исследований схемотехническая модель несимметричного тиристорного инвертора и нагрузки преобразователя частоты для вакуумной плавки металлов.

При схемотехническом моделировании используется практика проектирования и теория устройств силовой электроники, поэтому при исследовании схемотехнических моделей этапы синтеза и анализа схем силовой электроники не разделяются.

Заключение

1. Схемотехническое моделирование позволяет с необходимой точностью рассчитать переходные и установившиеся режимы электромагнитных процессов в тиристорном преобразователе частоты. Проверка проводилась путем сравнения их с осциллограммами аналогичных кривых.
2. Несимметричный тиристорный инвертор соответствует требованиям, предъявляемым к электропитанию вакуумных индукционных установок ТВЧ частотой 2–8 кГч, мощностью 60–160 кВт. При этом обеспечивается симметрия выходного напряжения преобразователя частоты относительно «земли».