CC BY
129
УДК 621.314.27
А. Г. Глеб и н
Принцип построения системы управления резонансным инвертором тока тиристорного преобразователя частоты для индукционного нагрева металлов
Рассматривается принцип построения самонастраиваемой системы управления резонансным инвертором тока путем его самовозбуждения.
При работе тиристорного преобразователя повышенной частоты (ТПЧ) для питания установок индукционного нагрева металлов и сплавов токами повышенной частоты в большинстве случаев возникает необходимость согласования частоты выходного напряжения инвертора с его индукционной нагрузкой, параметры которой могут изменяться в широких пределах. При пуске ТПЧ необходимое значение частоты инвертора чаще всего заранее неизвестно, оно устанавливается экспериментально в период запуска преобразователя, а затем регулируется при изменении эквивалентных параметров индукционной нагрузки с учетом усло -вий и требований технологического процесса нагрева металлов. Соотношение между рабочей частотой инвертора и частотно-зависимыми параметрами его нагрузочного контура (НК) определяет энергетический режим работы ТПЧ. Поэтому частотное управление используется для регулирования мощности ТПЧ или для нахождения ее максимума, зависящего от параметров нагрузки и частоты инвертора [1, 2].
Обычно, для формирования импульсов управления тиристорами резонансных инверторов применяется задающий генератор с регулируемой частотой выходных импульсов, частота которых, (а, следовательно, и частота инвертора), устанавливается оператором или задается системой управления электротермической установки. Частота импульсов управления тиристорами инвертора зависит от входного сигнала задающего генератора (ЗГ), который осуществляет возбуждение инвертора независимо от проходящих в нем электромагнитных процессов.
Независимое возбуждение может применяться во всех без исключения типах инверторов. Помимо независимого возбуждения инверторов при построении систем управления применяется зависимое возбуждение, называемое самовозбуждением [3], позволяющее производить «самонастройку» ТПЧ с неизвестными и изменяющимися параметрами его нагрузки.
Известен ряд принципов построения и схемных решений для реализации способа самовозбуждения параллельных инверторов тока в источниках питания повышенной частоты электротехнологических установок [3, 4]. В то же время, несмотря на широкое внедрение схем резонансных инверторов тока при создании ТПЧ для питания электротермических установок не уделено должного внимания принципам построения систем управления резонансными инверторами тока с использованием самовозбуждения.
© А. Г. Глебин 2007 р.
Процессы изменения во времени тока, протекающего через элементы схемы инвертора, представляют собой автоколебания, в процессе которых между моментами подачи импульсов управления на тиристоры инвертора отсутствует управляющее воздействие на колебательные процессы. Период этих колебаний и длительность его отдельных интервалов зависят от параметров реактивных элементов схемы инвертора и эквивалентных параметров НК. Таким образом, момент подачи очередного импульса управления на ти -ристоры инвертора можно установить по длительности межкоммутационного интервала при автоколебаниях. При этом удается осуществить самовозбуждение (ЗГ), при котором рабочая частота инвертора будет устанавливаться и изменяться автоматически при изменениях параметров нагрузки.
Целью статьи является разработка принципа построения систем управления резонансным инвертором с самовозбуждением, реализация которого позволит осуществлять самонастройку ТПЧ.
Рассмотрим, рис. 1, а одну из наиболее распространенных схем резонансных инверторов удвоения частоты с диодами встречного тока, используемую при построении ТПЧ для питания установок индукционного нагрева металлов [3], и соответствующие ей типовые временные диаграммы токов, протекающих через тиристоры и диоды инвертора для некоторого режима его работы, показанные на рис 1, б. Цифровые значения индексов в обозначениях токов, напряжений и импульсов управления на рис. 1 соответствуют нумерации вентилей на схеме.
Как следует из анализа временных диаграмм токов для вентилей инвертора, в рассматриваемом режиме прерывистого тока (Д/п > 0) период следования импульсов управления Т складывается из отдельных интервалов времени протекания токов:
Т = Д/Т + Д/д + Д/П. (1)
через тиристоры Д/т, диоды Д/д и межкоммутационной паузы Д/п соответственно).
Длительность интервала прохождения тока через тиристоры Д/т зависит от значений элементов контура коммутации, в который (помимо элементов схемы инвертора Ск, Ср и Ск1, и Ск2) входит НК, образованный элементами индукционной нагрузки Кн, Ьн (с па-
LK2
Cp
Ud
VS1±lt>liVD1 VS2V
Г - - - VLS I г " " "
J'in" CK Lki ^ir2^VD2
VS4 V lD4±_
+i T4 *
VD4
/ww
/it1.3JI
iT1,3J l
. 0
Im,;
эЧ
о
/.Iii У1
/т2.4
о
im а'
Д (п.з
Ö
VS3][ Л
ID2
Си,
ЮЗ
■ iiVD3
Rh Lh
IHK
a)
h-
¿in
L ¿toi J
I« >1
Afn
б)
Рис. 1. Схема резонансного инвертора с удвоением частоты и диодами встроенного тока (а) и временные диаграммы
токов, протекающих через вентили (б)
раллельно подключенной к ней компенсирующей емкостью Сн). Очевидно, что нагрузка индуктора электротермической установки определяется свойствами нагреваемого металла. Изменение эквивалентных параметров нагрузки в период нагрева металла будет приводить к изменению длительности интервала А/т (а, следовательно, - периода Т).
Момент подачи очередного импульса управления 'уг рис. 1, б, можно прогнозировать по длительности Ат прохождения тока через тиристор после его включения, измеряя этот временной интервал и определяя последующую задержку во времени до подачи очередного импульса. При этом можно формировать режим прерывистого тока инвертора с межкоммутационной паузой А/п или режим непрерывного тока с повторным отпиранием обратных диодов без паузы [3].
Период Т (определяющий время между моментами подачи импульсов управления на тиристоры инвертора) можно описать функциональной зависимостью:
T = f [(1 + K) • Д/т]
(2)
где К - коэффициент управления, значение которого определяет (при внешнем регулирующем воздействии) длительность периода Т и режим работы ин-
вертора. При К > 1 инвертор явно будет работать в режиме прерывистого тока (то есть - с появлением
межкоммутационной паузы А/п > 0 ). При К < 1 возможен режим непрерывного тока ( А/п = 0 ) с повторным отпиранием обратных диодов.
Рассмотрим один из предлагаемых способов построения системы управления тиристорами инвертора с самовозбуждением с регулирующим воздействием, показанный на рис. 2 и названный «наклонным».
В момент времени / = 0 системой управления производится подача импульса управления 'уг1,з на управляющие электроды тиристоров УБ1 и УБ3 на рис. 1, а, в результате чего протекает полуволна тока /Х1,з через эти тиристоры в течение интервала времени А/Т1,3. Одновременно системой управления инвертором формируется положительная полуволна опорного напряжения стабилизированной амплитуды «от,3 (равная длительности полуволны этого тока). Интегрирование опорного напряжения во времени приводит к формированию на выходе интегратора напряжения ми1,з, которое достигает максимума иитах1,з в момент окончания протекания тока через тиристоры УБ1, УБ3. В этот же момент появляется ток диодов У01, У03, а системой управления опорное напряжение устанавливается отрицательным (но такой же по величине стаби-
Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие «наклонный способ» формирования импульсов управления тиристорами
инвертора при самовозбуждении
лизированной амплитуды иош 3). После этого интегратором производится снижение выходного напряжения ми1 з с темпом, зависящим от значения коэффициента управления К. По истечении времени, когда это напряжение станет равным нулю, формируется импульс управления ¿ут2,4 для включения очередных тиристоров УБ2 и УБ4. Затем, аналогично предыдущему алгоритму, выполняется формирование импульса управления ¿ут1,з тиристорами УБ1 и УБ3.
После прохождения полуволны тока через тиристоры УБ1, УБ3 и достижения напряжением на выходе интегратора значения иитах1,з, напряжение на его выходе изменяется во времени согласно соотношения:
/ -Д/Т
ии1,3(/) = иитах1,3(1 - тг . ^ ) ,
К • Д/Т '
(3)
достигая нулевого значения по истечении времени Т (начиная с момента подачи импульса управления гут1,з). Тогда, согласно (3), получим:
Т = Д/Т • (1 + К),
(4)
что будет соответствовать функциональной зависимости (2).
Изменение периода следования импульсов управления тиристорами инвертора при самовозбуждении с регулированием от внешнего воздействия его длительности может быть также осуществлен «вертикальным способом». Суть способа заключается в добавлении на втором этапе интегрирования к напряжению иитах на рис. 3 отрицательного опорного напряжения (соответствующего дополнительному сигналу управления), пропорционального значению
х. В этом случае после момента времени Д/т
Кии
напряжение на выходе интегратора будет изменяться во времени:
= (1 К - / - д/т)
ии = ии тах(1 + К . , ),
д/
Т
(5)
достигая нулевого значения в момент времени / = Т. Согласно (5) справедливо:
Т = Д/Т • (2 + К).
(6)
Таким образом, период подачи импульсов управления (а, следовательно, и рабочая частота инвертора) в обоих случаях определяется длительностью полуволны тока через тиристор и коэффициентом управления К , изменение которого можно производить непрерывно внешним регулирующим воздействием (за счет соответствующих схемных решений при построении системы управления инвертора).
Рис. 3. Временная диаграмма, поясняющая «вертикальный способ» формирования импульсов управления тиристорами инвертора при самовозбуждении
При самовозбуждении существует возможность самонастройки необходимой рабочей частоты инвертора и изменения его режима работы (в зависимости от контролируемых величин: мощности, напряжения на нагрузке, тока в нагрузке, фазового сдвига между током и напряжением и т. п.). Для этого в систему управления следует ввести обратные связи по соответствующим контролируемым величинам. Фрагмент схемы такой замкнутой системы управления приведен на рис. 4.
кУ =
Рис. 4. Фрагмент схемы построения замкнутой системы управления инвертора с самовозбуждением
Задающий сигнал контролируемой величины из поступает на вход устройства, сравнивается с сигналом отрицательной обратной связи иос контролируемой величины. Сигнал обратной связи иос должен соответствовать уровню задающего сигнала из. Разность между этими сигналами подается на вход ПИ-регулятора, имеющего передаточную функцию:
1 T
Wp (p) = —+T-.
ToP T0
(7)
Так как процесс нагрева металла характеризуется медленным изменением эквивалентных параметров индукционной нагрузки во времени (время нагрева составляет обычно 1 ^ 40 мин), а переходные процессы в ТПЧ повышенной частоты протекают в среднем не дольше чем за (40-60) мс, то к ПИ-регулятору не предъявляются требования высокого быстродействия. Постоянная времени Т0 может быть принята из условия: Т0 > 0,1 с., а постоянная Т - соотношения:
T1 = ky • T0,
(8)
где £у - коэффициент усиления, зависящий от соотношения между сигналом задания и входным напряжением системы управления инвертором (СУИ) ивх СуИ, определяющим необходимое изменение коэффициента управления К,
вх СУИ иЗ
(9)
Наличие интегрирующей составляющей в передаточной функции ПИ-регулятора обеспечивает нулевую статическую ошибку при регулировании в любом диапазоне изменения коэффициента управления К .
Необходимо отметить, что изменение коэффициента управления К приводит к изменению не только частоты инвертора, но и - коммутационных режимов работы инвертора, гармонического состава его выходных напряжений и тока, что может вызвать нежелательные режимы работы ТПЧ в целом. Поэтому при построении системы управления с самовозбуждением необходимо учитывать возможность появления таких режимов работы инвертора, вводя в систему управления дополнительные звенья, исключающие их появление.
Вывод. Предложенный принцип построения систем управления резонансным инвертором с самовозбуждением позволяет создавать самонастраиваемые частотно-регулируемые системы, что упрощает наладку тиристорных преобразователей частоты и придает им адаптивные свойства к изменению параметров нагрузки.
Перечень ссылок
1. Ушаков В. А., Саратовский Р. Н., Глебин А. Г. Сравнительный анализ эффективности введения экстремального регулятора в индукционную плавильную установку с тиристорным преобразователем частоты // Збiрник наукових праць. - Мико-лаТв: НУК. - 2004. - № 3 (396). - С. 155-160.
2. Саратовский Р. Н., Глебин А. Г., Ушаков В. Н. Экстремальный регулятор для управления тиристорным преобразователем частоты при плавке металлов в индукционной печи // Электротехника и электроэнергетика. - 2004. - № 2. - С. 55-60.
3. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е. И. Беркович, Г. В. Ивенский, Ю. С. Иоффе, В. В. Моргун. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энер-гоатомиздат. Ленинград. отд-ние. 1983. - 208 с.
4. Р. Н. Саратовський, А. Г. Глебин, В. И. Ушаков, Т. И. Прончатова. Частотно-независимое фазосд-вигающее устройство// Вюник СНУ iм. В. Даля. -2003. - №6 (64). - С.9-15.
Поступила в редакцию 28.09.07 г.
После доработки 15.11.07 г.
Розглядаеться принцип побудови самоналагоджувально!' системи керування резонансним нвер-тором струму шляхом його самозбудження.
It is considered the principle of the construction of the self-tuning operating system by resonance inverter of the current by means of its self-excitation.
