Файл: Васильев, А. С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева.pdf

щий электрод находится под разностью сигналов опорного выпря­ мителя и датчика защиты. При подаче сигнала от датчика защиты тиристор открывается и закорачивается весь блок формирования и подачи импульсов. Реле защиты отключает питание сеточной цепи выпрямителя, кроме цепи смещения.

От выпрямителя питание поступает на два блока инверторов, собранных на экситронах Э1-150/7А в качестве управляемых вен­ тилей и кремниевых диодах ПВКЛ-200/6, которые образуют выпря­ митель обратного тока. В плече моста включаются 14 диодов, кото­ рые шунтируются резисторами н 7?С-цепочками. Батарея коммути­ рующего контура набрана из конденсаторов ЭСВ 750-0,5 (33 мкф) на напряжение 4,5 ко. Для возможности подстройки режима часть емкости может подключаться и отключаться контакторами.

Разделительная емкость выполнена из конденсаторов ЭСВ 1000-1. В плечи моста включены коммутирующие индуктивности в виде спиральных катушек из алюминиевой шины с индуктивностью

ных нужд. Блок собственных нужд включает в себя выпрямитель дежурного анода (10 в, 12 о), собранный на диодах ВК-2-10, и цепь поджигателя, обеспечивающую периодическую подачу поджигающих импульсов от накопительной емкости. На управляющие сетки экси­ трона инвертора от задающего генератора подаются прямоугольные

подано напряжение смещения от выпрямителя с ^С-фнльтром. Цепи подачи импульса тока и тока деионизации разделены специальными диодами. Охлаждение экситронов происходит от теплообменника

тель. Прежде всего рассмотрим общий ход кривых, представляю­ щих внешние характеристики при нагрузке в виде нагревателя для термообработки стальных изделий. Для этого приведем данные, полученные при нагреве детали на частоте в диапазоне 2 200— 2 500 гц от статического преобразователя, собранного по рассматри­

При работе инвертора следует определить рациональность того или иного режима преобразователя при включении его на нагре­ ватель. Если данная схема малочувствительна к изменению пара­ метров нагрузки, то режим можно выбирать, исходя из технологи­ ческих требований. Например, распространенным является мнение, что при закалке лучше всего режим ступенчатого изменения мощ­ ности, для целого ряда технологических процессов требуется посто­ янная мощность и т. д. Исходя из этого, следует выбрать лучший из возможных вариантов.

Какие же это варианты? Они определяются настройкой нагруз­ ки и выбором режима схемы инвертора. Колебательный контур с индуктором может быть настроен в резонанс в горячем, холодном

140

или промежуточном режимах, т. е. инвертор может быть настроен в одном случае на индуктивно-активную нагрузку по первой гар­

жим А. Этому будет соответствовать график мощности с некоторым максимумом в зоне промежуточного режима (кривая 3). Если на­ стройку произвести в промежуточном режиме, то мощность будет монотонно возрастать и после достижения промежуточного режима остается постоянной (кривая 4).

Уже предварительное рассмотрение показывает, что настройка контура в холодном или промежуточном режимах обеспечивает благоприятное распределение мощности при питании от установки периодического кузнечного нагревателя. Однако при этом не нужно забывать, что при больших изменениях параметров нагрузки, как это, например, имеет место в индукционных печах, увеличивается разброс мощности, вследствие чего целесообразно прибегнуть при индивидуальном питании к изменению частоты. Изменение частоты желательно вести таким образом, чтобы после включения частота несколько повышалась, достигая значения, соответствующего настро­ енному контуру в промежуточном режиме. Это обеспечит равномер­ ную подачу мощности в деталь. Обычно изменение частоты доста­ точно произвести в пределах 10—15%.

При работе на методический нагреватель, т. е. на постоянную нагрузку, нужно исходить из оптимальной работы вентилей и ми­ нимума реактивной мощности конденсаторных батарей. Как уже указывалось выше, оба эти требования соблюдаются при значениях затухания, соответствующих границе режимов N п А, причем 'рабо­ чую точку целесообразно сместить в режим А. Выбор режима пре­ рывистого или непрерывного тока зависит от того, какой элемент схемы желательно поставить в более легкие условия работы. При меньших значениях собственной частоты П\ разгружаются вентили, а при больших — коммутирующие конденсаторы, увеличение же ко­ эффициента включения емкостей $ приводит к разгрузке обоих этих элементов.

141

Г л а в а ш е с т а я

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

14. Параллельная работа с фазовым регулированием (основные положения)

В предыдущих параграфах рассматривались случаи индивидуального питания индукционных нагреватель­ ных установок от статического преобразователя. Его режим в этом случае выбирается в соответствии с кон­ кретными технологическими задачами. Однако в целом ряде случаев необходимо применять питание нескольких индукционных устройств от одного источника питания. Это особенно целесообразно делать тогда, когда мощ­ ность нагрузки много меньше мощности преобразовате­ ля, что часто встречается на практике. При наличии большого числа потребителей, чья индивидуальная мощ­ ность заметно меньше мощности единицы источника пи­ тания, необходимо применение централизованного пи­ тания.

Схемы централизованного питания нашли в настоя­ щее время широкое применение при создании мощных высокочастотных станций с электромашиниыми вращаю­ щимися преобразователями. Экономия в капитальных затратах, уменьшение числа преобразователей при ра­ зумно организованном технологическом процессе можег достичь 30—40% стоимости всей станции. Существенно облегчаются резервирование, уход за оборудованием

ит. д.

Кнекоторым недостаткам централизованного питания следует отнести усложнение кабельной разводки от гене­

раторной подстанции к натревалям и усложнение инди­ видуальной подстройки нагревателя. Первая трудность может быть в значительной степени облегчена рацио­ нальным проектированием кузнечного цеха и повыше­ нием качества высокочастотных кабелей. Второе обстоя­ тельство—трудность индивидуальной подстройки нагре­ вателя— является временным, так как связано с отсут­ ствием регуляторов тока повышенной частоты. В то же время возможности тиристорной техники позволяют сегодня создать регуляторы тока повышенной частоты, работающие с фазовым или широтно-импульсным мето­ дом регулирования.

142

Опыт эксплуатации преобразовательных подстанций на вращающихся электромашинных преобразователях с централизованным питанием нагревателей подтвердил преимущества этого способа. Особенно эффективно при­ менение в таких системах источников энергии с малыми потерями холостого хода.

Из рис. 30 следует, что характерной чертой эксплуа­ тационных режимов систем централизованного питания является резко неравномерная загрузка систем по мощ­ ности. Экспериментальные данные с различных пред­ приятий ‘говорят о том, что нагрузка может меняться несколько раз в течение нескольких минут. Подобного рода неравномерная загрузка при использовании в каче­ стве источников питания вращающихся электромашин­ ных преобразователей приводит к значительному увели­ чению расхода электроэнергии, который может достичь 700—800 квт-ч на тонну нагреваемого металла под ков­ ку. Это объясняется существенной зависимостью к. п. д. электромашинного преобразователя от нагрузки и невоз­ можностью частых включений вращающихся преобразо­ вателей.

Применение в системах централизованного питания в качестве источников энергии статических преобразова­ телей, к. п. д. которых превышает 90% и практически не зависит от нагрузки, может принести ощутимый эконо­ мический эффект, несмотря на дешевую для ряда райо­ нов страны электроэнергию. Например, для высокоча­

тических преобразователях частоты связано с решением основного вопроса о параллельной работе нескольких преобразователей на резкопеременную нагрузку и выбо­ ром метода воздействия на режим как всех преобразова­ телей вместе, так и каждого в отдельности. Выбранный

го или иного преобразователя; в) возможность измене­ ния мощности всей группы параллельно работающих преобразователей; г) стабилизацию напряжения на об­ щих шинах, от которых питаются нагреватели; д) стаби­ лизацию выходной частоты. С точки зрения выполнения

143

этих задач оценим возможные способы регулирования. Если не останавливаться на ступенчатом регулирова­ нии элементов схемы преобразователей, что требует раз­ работки специальной аппаратуры и не может обеспечить плавного регулирования, то для статических преобразо­ вателей частоты можно предложить следующие способы

регулирования:

1)регулирование выходной частоты;

2)фазовое регулирование напряжения выпрямителя, питающего преобразователь, или угла управления по частоте 50 гц для преобразователей с неявно выражен­ ным звеном постоянного тока;

3)широтно-импульсное регулирование напряжения

выпрямителя;

4)регулирование балластными индуктивностями на стороне переменного напряжения;

5)регулирование на стороне переменного напряже­ ния за счет сдвига фаз между параллельно работающи­ ми преобразователями.

К оценке недостатков и преимуществ указанных спо­ собов регулирования следует подходить с учетом сле­ дующих факторов: капитальных затрат, обеспечения тех­ нологических требований, устойчивости статических пре­ образователей при выбранном способе регулирования. Естественно, что принятый способ регулирования не дол­ жен отразиться на к. п. д. системы.

Возможность плавного регулирования режима за счет изменения выходной частоты преобразователя не может рассматриваться в системах централизованного питания. Известно, что при небольших изменениях частоты пара­ метры индуктора в первом приближении зависят от ча­ стоты следующим образом:

Я инд^К /; •^инд= f•

Следовательно, можно считать, что ток индуктора

Л ш д = 1 / / ,

а мощность

Ашд--- /„нд ^инд — f -1,5

Мощность индуктора при неизменной производитель­ ности в первом приближении линейно связана с темпе­ ратурой в конце нагрева. Отсюда, учитывая, что для обычных углеродистых сталей допустимый температур-

144

ный разброс 'перед 'пластической деформацией состав­ ляет 4,2% (I 150—1250 °С), допустимое частотное откло­ нение, обеспечивающее нужный технологический резуль­ тат, составляет всего ±2,5%. 'Подобное изменение ча­ стоты ни в .коем случае не может обеспечить устойчи­ вость работы преобразователя на переменную нагрузку общих шин, которая может меняться в 2—3 раза.

Так как параметры индукторов зависят от частоты по-разному для разных типов 'индукторов, то большее изменение 'частоты недопустимо, ибо приведет к неповто­ ряемое™ технологических результатов. Таким образом, если не рассматривать случай синхронной работы одно­ типных индукторов, изменение частоты не 'может быть использовано в качестве регулирующего фактора при пи­ тании нескольких нагрузок.

Фазовое регулирование выпрямителя (или регулиро-

-ванне на частоте 50 гц в случае преобразователя с неяв­ но выраженным звеном выпрямления) позволяет хорошо выполнить технологические требования, но обладает и существенными недостатка'ми.

Во-первых, резко ухудшается гармонический состав тока, потребляемого преобразователем от сети 50 гц. Во-вторых, падает cos <р преобразователя. В-третьих, воз­ растает мощность короткого замыкания сети. Известно [Л. 36], что для случая шестифазных выпрямителей с глу­ боким регулированием отношение .мощности короткого замыкания к мощности постоянного тока

где у —минимальный угол коммутации, получаем соотношение Рня/Рап—18,6, т. е. мощность короткого замы­ кания сети может быть уменьшена почти вдвое, так как