2.3. Особенности работы трпн с фиу на трансформаторную нагрузку

При работе на трансформаторную нагрузку (рис.41.11, а) необходимо учитывать особенности трансформатора. Схема замещения трансформатора представлена на рис.41.11, б.

В момент отпирается тиристорVS1 (рис.41.11, в) и трансформатор с нагрузкой подключается к сети.

Ток тиристора i_а1 обеспечивается алгебраической суммой тока намагничивания i_μ и приведенного к первичной обмотке тока нагрузки

.

Ток i₂ при активной нагрузке (если пренебречь х_S1 и х_S2) совпадает по фазе с напряжением сети. Ток i_μ отстает от напряжения сети на /2. Поэтому отключение тиристора VS1 происходит не в момент , когдаi_μ достигает максимума, а в момент , когда токиi_μ и i₂ становятся равными по значению и противоположными по знаку.

Рис.41.11. ТРПН с ФИУ с трансформаторной нагрузкой (а), схема замещения трансформатора (б), временные диаграммы (в, г, д)

После запирания тиристора в момент электродвижущая сила самоиндукции замкнута на приведенное сопротивление нагрузки, при этом ток намагничивания и ток нагрузки совпадают. Скорость изменения тока на этом интервале зависит от сопротивления нагрузки.

К моменту следующего включения тиристора ток может снизиться до нуля (рис.41.11, в – сплошная линия) либо нет (пунктирная линия).

Как и в случае активно-индуктивной нагрузки возможен одноволновой режим работы, что необходимо учитывать при построении системы управления. Если сдвиг между импульсами управления не будет равен π, то трансформатор будет перемагничиваться по частному циклу, что приведет к увеличению тока намагничивания, а при значительной асимметрии может произойти насыщение трансформатора и нарушение нормальной работы источника.

2.4. Особенности работы трпн с шиу на первичной стороне трансформатора

Специфика применения ТРПН с ШИУ в электропечах сопротивления в значительной мере определяется характеристиками нагревателей, в частности их параметрами и стабильностью в зависимости от температуры и срока эксплуатации.

Сопротивление нагревателей носит активный характер. Индуктивная составляющая, в основном определяемая параметрами токоподводящей сети, благодаря применению специальных мер невелика и может не учитываться в расчетах.

По своим характеристикам все нагреватели можно разделить на две группы.

К первой группе относятся нагреватели из железоникелевых сплавов (нихрома). Эти сплавы обладают достаточно высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Благодаря хорошим механическим свойствам этих сплавов из них можно изготовить нагреватели с малым сечением и большой длиной, рассчитанные на подключение непосредственно к сети. Однако, эти нагреватели целесообразно делать массивными и подключать к сети через понижающий трансформатор. При этом за счет снижения расхода железоникелевых сплавов и стоимости ремонта очень быстро окупаются дополнительные капитальные и эксплуатационные расходы, связанные с установкой трансформатора.

Ко второй группе относятся нагреватели, изготовленные из металлокерамики, карборунда, графита, чистых металлов (платина, вольфрам, молибден).

Абсолютное значение электрического сопротивления нагревателей, отнесенных ко второй группе, может изменяться в широких пределах. Общим свойством рассматриваемых нагревателей является существенная зависимость сопротивления от температуры, причем ТКС может быть положительным (металлокерамика), отрицательным (силит), а также знакопеременным (графит); ТКС у нагревателей из металлокерамики значительно выше, чем у других материалов. Так, например, сопротивление нагревателя из дисилицида молибдена при изменении температуры от комнатной до рабочей (1400^оС) изменяется в 18 – 20 раз, а для силита при тех же условиях – в 2 раза.

Характеристика этих нагревателей мало зависит от времени работы, за исключением карборундовых, которые «стареют», то есть увеличивают свое сопротивление особенно в первые 60 -80 ч (примерно на 20 %).

Зависимость сопротивления нагревателей от температуры приводит при включении печи к большим броскам токов, если ТКС положительный, или же к уменьшению мощности, выделяемой на нагревателях, если ТКС отрицательный.

Временная нестабильность (старение нагревателей) также приводит к уменьшению выделяемой мощности. Оба явления (броски тока и уменьшение выделяемой мощности) нежелательны: первое неблагоприятно влияет на сеть, а также вызывает в нагревателях значительные механические напряжения вследствие быстрого нагрева, второе замедляет разогрев печи.

Нагреватели второй группы также подключаются к сети через трансформатор.

В большинстве случаев нагреватели рассчитываются на малые напряжения и большие токи. В то же время тиристоры, выпускаемые промышленностью, наоборот, предназначены для работы с относительно высоким напряжением и малыми токами. Учитывая это, регулирование напряжения на нагревателях целесообразно осуществлять на стороне высшего напряжения печного трансформатора, включая последовательно с его первичной обмоткой тиристоры по схеме, обеспечивающей выход на переменном токе.

Главная особенность работы ТРПН с ШИУ в цепи первичной обмотки трансформатора обусловлена нелинейной зависимостью между индукцией и напряженностью поля B = f (H) магнитопровода, что приводит к резкому увеличению тока намагничивания при «неудачном» значении остаточной индукции в момент включения тиристора.

Рост тока намагничивания неблагоприятно сказывается на режиме работы трансформатора и тиристоров, а также ухудшает энергетические показатели установки в целом.

Для того чтобы найти условия, при которых ШИР не приведет к заметному увеличению тока намагничивания, рассмотрим характер изменения индукции в магнитопроводе за время одного цикла. При этом будем считать, что процесс перемагничивания на интервалах включенного состояния протекает одинаково (трансформатор находится в квазиустановившемся режиме) и все они начинаются в положительный полупериод и заканчиваются в отрицательный.

В трансформаторах происходит непрерывное циклическое перемагничивание магнитопровода, а его магнитное состояние определяется основной кривой намагничивания – кривой, идущей из начала координат и соединяющей вершины основных петель гистерезиса, лежащих внутри предельной петли кривой намагничивания. На рис.41.12,а она представлена штрих-пунктирной кривой.

При отключении трансформатора напряженность Н будет равна нулю, а индукция в сердечнике сохранится на некотором уровне В₀. Индукция В₀ зависит от многих факторов: остаточной индукции В_r и коэрцитивной силы Н_с материала магнитопровода трансформатора; способа шихтовки магнитопровода; нагрузки на вторичной стороне трансформатора и длительности отключенного состояния; значения потока (намагничивающего тока) в момент отключения трансформатора.

На рис.41.12,а точка 1 соответствует остаточной индукции В₀. При включении трансформатора индукция В возрастает до точки 2, а после изменения полярности питающего напряжения уменьшается по новому участку характеристики до точки 3. Дальнейший ход по точкам 3 – 5 вплоть до установившегося процесса, показанного пунктиром, ясен из рис.41.12,а.

Рис.41.12. Процесс перемагничивания трансформатора

Поскольку индукция в начале и конце первого полупериода в общем случае по модулю неодинакова, то первый цикл перемагничивания и ряд последующих являются несимметричными. От цикла к циклу несимметрия уменьшается за счет влияния разности падений напряжения на активных сопротивлениях трансформатора в положительные и отрицательные полупериоды сетевого напряжения.

Если бы сопротивления обмоток трансформатора были равны нулю, то в течение всех циклов перемагничивания на интервалах включенного состояния этот процесс шел по одному и тому же участку 1 – 2 (рис.41.12, а), который определяется начальным углом отпирания тиристоров α и индукцией В₀. В действительности за счет падения напряжения внутри трансформатора индукция к концу первого полупериода (t =  - α) достигнет значения, определяемого точкой 2. Во второй полупериод ток намагничивания будет меньше, чем в первый полупериод (цикл перемагничивания несимметричный). Соответственно по сравнению с первым полупериодом уменьшается падение напряжения внутри трансформатора. В результате в конце второго полупериода (2t =  - α) индукция будет соответствовать точке 3, лежащей ниже точки 1.

Таким образом, уже в первый период после подачи напряжения сети цикл перемагничивания приближается к симметричному. Аналогичная картина будет иметь место в последующие периоды сетевого напряжения. При достаточно большой длительности интервала включенного состояния трансформатор постепенно переходит на симметричный цикл перемагничивания (точки 6 – 7) с амплитудным значением индукции, близким к B_m, соответствующим установившемуся режиму работы. Для качественного анализа можно пренебречь ввиду малости активными сопротивлениями трансформатора. Тогда изменение индукции при включении трансформатора с начальной фазой α будет определяться выражением

, (41.27)

где ;, S – число витков и сечение сердечника трансформатора; U_c – действующее значение напряжения сети.

Из (41.27) следует, что свободная составляющая индукции будет равна нулю в случае, если

,

откуда

. (41.28)

Последнее выражение показывает, что если достаточно точно известен остаточный поток, то включение трансформатора при оптимальном угле α_опт обеспечивает наступление сразу установившегося режима и, следовательно, отсутствие бросков тока намагничивания.

Однако остаточный поток может быть определен только с некоторым приближением. Поэтому необходимо найти условия, при которых броски тока либо полностью отсутствовали, либо ими можно было пренебречь. Таким условием является расположение процесса перемагничивания внутри предельного цикла.

Из (41.27) следует, что изменение индукции за каждый полупериод питающего напряжения, начиная со второго, равно 2 B_m.

Поэтому если к концу первого полупериода индукция удовлетворяет неравенству

, (41.29)

то к концу второго , в третьем полупериоде она вновь достигнет значения, определяемого по (41.29) и т.д.

Таким образом, если выполняется условие (41.29), то процесс перемагничивания в течение интервала включенного состояния лежит внутри предельного цикла и, следовательно, ток намагничивания мал.

Совершенно аналогично можно показать, что если в конце второго полупериода индукция лежит в интервале

, (41.30)

то процесс перемагничивания трансформатора не выходит за границы предельного цикла.

Кроме влияния на загрузку трансформатора и тиристоров ток намагничивания может явиться причиной возникновения ненормальных режимов работы встречно-параллельной схемы, применяемой в силовой части тиристорного источника питания. Как известно, нормальная работа встречно-параллельной схемы происходит при изменении угла включения α в интервале

α_кр < α < .

При α = α_кр угол проводимости тиристоров составляет , и они полностью открыты. В этом режиме ток нагрузки представляет собой синусоиду, амплитуда и фаза которой зависят только от приложенного напряжения и параметров нагрузки. Уменьшение угла включения α<α_кр не может привести к увеличению угла проводимости, так как одновременное протекание тока в обоих тиристорах невозможно: падение напряжения на одном из них запирает другой. Значение α_кр равно фазовому углу нагрузки.

При работе встречно-параллельной схемы на нагрузку, включенную через трансформатор, через тиристоры протекают два тока: ток нагрузки, практически совпадающий с напряжением сети, и ток намагничивания (поскольку ток намагничивания в общем случае несинусоидальный, то здесь и далее имеется в виду эквивалентный синусоидальный ток. Как будет видно далее, это не влияет на сущность протекающих процессов), зависящий от индукции, и поэтому отстающий от напряжения сети на /2. Поэтому в момент перехода напряжения сети через нуль магнитная индукция и, следовательно, ток намагничивания достигают максимума. Очевидно, что условие запирания тиристора в этой точке не выполняется.

При синусоидальной форме обоих токов  =  + arctg (I_μ /I_н). По аналогии с работой встречно-параллельной схемы на активно-индуктивную нагрузку разность между углом запирания тиристора и  может быть названа критическим углом.

Зависимость последнего от степени загрузки трансформатора k_н приведена на рис. 41.13,в, из которого следует, что угол запирания возрастает от 5 эл.град. при номинальной нагрузке и до 80 эл.град. при холостом ходе трансформатора. Поскольку в процессе работы коэффициент нагрузки может изменяться от 1 до 0 (обрыв нагревателей), то соответствующее изменение угла запирания должно учитываться при разработке систем управления. В противном случае в источнике питания, состоящем из тиристоров, включенных по встречно-параллельной схеме, может возникнуть аварийный режим. Действительно, если тиристоры работают с углом отпирания, удовлетворяющим неравенству, гдеи– углы запирания тиристора при полной нагрузке трансформатора и холостом ходе, а ширина управляющего импульса меньше, то при обрыве нагревателей основное условие работы встречно-параллельной схемы нарушится:. Это приводит к тому, что на трансформатор работает лишь тот тиристор, который был открыт в момент обрыва нагрузки, так как к моменту его запирания и появления анодного напряжения на втором тиристоре импульс управления на управляющем переходе последнего исчезнет. Такой режим изображен на рис.41.14, где показаны импульсы управления и анодные напряжения тиристоров.Крайний левый импульс включает один из тиристоров и анодное напряжение уменьшается до нуля, средний импульс, сдвинутый относительно предыдущего на (угол проводимости тиристора в установившемся режиме), не может включить другой тиристор, так как исчезает раньше, чем закроется первый.

Рис.41.13. Зависимость сдвига угла запирания тиристора относительно точки перехода напряжения через нуль от нагрузки трансформатора

Рис.41.14. Осциллограмма одноволнового режима: iу – импульсы управления; иа – анодное напряжение

Возникающий в этом случае режим, называемый одноволновым, является аварийным, так как характеризуется резким (6–8-кратным) увеличением тока первичной обмотки трансформатора вследствие насыщения последнего под действием постоянной составляющей намагничивающего тока. Причиной возникновения одноволнового режима, как следует из вышесказанного, является изменение угла запирания тиристора вследствие уменьшения отношения I_н / I_μ.

Значение угла запирания для классической встречно-параллельной схемы определяется фазовым углом нагрузки. Ввиду этого трансформатор вместе с электропечью следует рассматривать как нагрузку с переменным фазовым углом, причем значение его не может быть определено заранее, так как зависит от сопротивления нагревателей и момента включения трансформатора.

2.4.1. Для ограничения бросков тока намагничивания при периодическом подключении трансформатора могут быть использованы различные способы:

1. Фазовое управление в течение первых восьми полупериодов напряжения питающей сети.

2. Включение трансформатора с учетом изменения магнитной индукции в паузе тока.

3. Ассиметричное управление тиристорами на интервале подачи на нагрузку меньшего напряжения.

Однако при этом либо вносится дополнительное запаздывание, либо не решаются вопросы первого включения. Выпускаемые промышленностью импульсные ТРПН могут работать только на активную нагрузку.

4. Включение трансформатора с фиксированным углом включения.

5. Включение трансформатора с однополярным размагничиванием. Трансформатор подключается к сети с углом α, а выключается с углом .

6. Включение трансформатора с разнополярным размагничиванием, углом включения α₁ и α₂ не равны.

После выключения трансформатора производится повторное включение с углом α₁ в нечетной «посылке» и α₂ в четной.

Переходные процессы при включении будут исключены, если после выключения трансформатора произвести повторное включение с углом отпирания α₁ (рис.41.15, а) при нечетном и α₂ при четном включениях. При этом необходимо соблюдение условия . Размагничивание трансформатора приводит к тому, что длительность паузы, внешние механические, тепловые и другие воздействия не изменяют магнитное состояние трансформатора и, следовательно, не нарушают условия безударного включения трансформатора в сеть. Угол включения α устанавливается поочередно 90 и 270 эл.град.

Допустим, что в момент окончания интервала включенного состояния индукция равна В_ост. Из рис.41.15, б очевидно, что

В_ост = -В_m cos φ_н, (41.31)

где φ_н – фазовый угол нагрузки.

Ввиду того, что интервал времени ₃ - ₄ относительно мал, то можно считать, что индукция в момент времени ₄ равна В_ост.

Рис.41.15. Временные диаграммы напряжений, токов, магнитной индукции (а) и зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля (б,в) в процессе перемагничивания сердечника трансформатора

Магнитная индукция в момент времени ₆ определяется

(41.32)

где W – число витков первичной обмотки; S – сечение сердечника трансформатора;  – угловая частота питающей сети.

Так как ₆ - ₅ ≈ ₃ - ₂, то φ_н = φ (41.33)

Следовательно, В_ост определяется

В_ост = В_m cos φ_н + В_m cos φ = В_m (cos φ_н - cos φ) = 0 (41.34)

Таким образом, после дополнительного включения ТРПН трансформатор полностью размагничен, В_ост = 0. При последующем подключении трансформатора к сети индукция в трансформаторе будет изменяться по следующему закону (рис.41.15, в):

. (41.35)

Максимальное значение индукции в первом периоде включенного состояния составит

. (41.36)

Следовательно, размагничивание трансформатора приводит к тому, что длительность паузы, внешние механические, тепловые и другие воздействия не изменят магнитное состояние трансформатора и, следовательно, не нарушат условий «безударного» включения трансформатора в сеть.