Układ sterowania i regulacji falownika równoległego zasilającego nagrzewnicę indukcyjną

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLISKIEJ Seria: ELEKTRYKA z. 115

_______ 1991 Nr kol. 1045

Tadeusz SKCCZK0W3KI Marian KALUS

Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Przemysłowej Politechniki Śląskiej

UKŁAD STEROWANIA I REGULACJI FALOWNIKA RÓWNOLEGŁEGO ZASILAJĄCEGO NAGRZEWNICĘ INDUKCYJNĄ

Streszczenie. W artykule omówiono ogólną koncepcję układu stero

wa nTa"T*T?eguTIcji falownika tyrystorowego prądu zasilającego nagrze

wnicę indukcyjną. Podano strukturę i zasadę działania układu regu

lacji zawierającego pętle regulacji prądu falownika, napięcia wyj

ściowego falownika i mocy czynnej dostarczonej do obciążenia. Omówio

no zachowanie się układu regulacji w normalnym 1 awaryjnym stanie pracy. Przedstawiono szczegółowo układy sterowania falownika według algorytmu stałego kąta i stałego czasu wyłączenia tyrystorów. Podano przebiegi czasowe ilustrujące zasadę działania każdego z nich oraz omówiono ich wady i zalety. Poprawność pracy przedstawionych układów potwierdziły paroletnie doświadczenia eksploatacyjne.

f-

1. Wstęp

Falowniki tyrystorowe począwszy od lat sześćdziesiątych zaczęły wypie

rać generatory elektromaszynowe, które stanowiły do tej pory podstawowe źródło zasilania nagrzewnic indukcyjnych średniej częstotliwości do około 10 kHz. Budowa i zalety falowników tyrystorowych w porównaniu z generato

rami elektromaszynowymi w zastosowaniach elektrotermicznych są dobrze opi

sane w literaturze [i,5,6,7,8,9] •

Podstawową strukturą falownika wykorzystywaną w grzejniotwie indukcyj

nym jest falownik równoległy prądu C6,7,9l . Głównymi zaletami tego falow

nika są prosta budowa części energoelektronicznej, duża odporność na zwar

cia, zdolność do pracy w szerokim zakresie częstotliwości (5 do 1), małe zniekształcenia generowane do sieci (takie same jak prostownika sterowane

go), brak wewnętrznych elementów komutacyjnych i związana między innymi z tym wysoka sprawność. Do wad tego typu falowników literatura zalicza przede wszystkim złożony w porównaniu np. z falownikami napięcia układ sterowania i regulacji oraz problemy związane z tzw. "startem" falownika równoległego.

Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie układów sterowania i re

gulacji falownika równoległego prądu zasilającego nagrzewnicę Indukcyjną.

Z literatury znane są jedynie ogólne zasady sterowania tego typu falowni

kami, brak jest natomiast prac omawiających rozwiązania szczegółowe [1,9] .

(2)

104 T. Skoczkowski, M. Kalus

2. Koncepcja układu sterowania falownika

Schemat blokowy układu sterowania falownika równoległego przedstawiono na rys. 1. Układ sterujący (6) wysterowuje przemiennie pary tyrystorów fa

lownika (T^,T10 i Tg,Tg) w sposób zsynchronizowany ze zmianami napięcia o przebiegu ąuasi-simisoidalnym w gałęzi kondensatora komutacyjnego 0o, przy czym impulsy bramkowe generowane są w takiej chwili, by czas dyspo

nowany dla pary blokowanej tyrystorów był większy od ich czasu wyłączenia.

W celu zapewnienia niezawodnej i bezpiecznej pracy falownika prądowego układ sterowania wyposażony został w blok regulatora kaskadowego, w którym można wyróżnić regulator mocy (1), regulator napięcia kondensatora komuta

cyjnego (2) oraz regulator prądu w obwodzie poóredniczącym falownika (3).

Sygnał wyjściowy regulatora prądu steruje kątem opóźnienia wysterowania tyrystorów (T1 - Tg), w trójfazowym mostku tyrystorowym. Układ regulatora kaskadowego nie zapewnia jednak kontroli napięcia w gałęzi kondensatora komutacyjnego C0 i prądu Id w obwodzie pośredniczącym na granicy maksymal

nej wartości obydwu wielkości, ze względu na zmianę transmitancji pomia

rowej w obydwu torach spowodowanej silną zmianą parametrów obwodu obciąże

nia LQ, Rq w funkcji temperatury. Aby temu zapobiec, zastosowano w obydwu torach pomiarowych komparatory maksymalnej wartości prądu (20) i napięcia (13), wyjścia których współpracują z 4-wejściową bramką typu OR. W przy

padku gdy prąd w obwodzie pośredniczącym falownika lub napięcie na konden

satorze komutacyjnym C0 przekroczą wartość maksymalną, na wyjściu bramki typu 0R-(16) pojawi się wysoki potencjał, który spowoduje blokowanie sy

gnału wyjściowego w regulatorze prądu (3). Prąd w obwodzie pośredniczącym falownika maleje eksponencjalnie do chwili, w której komparator prądu (20) lub napięcia (13) przejdzie ze stanu wysokiego w stan niski. Od tego mo

mentu działanie komparatorów powtarza się. Widać więc, że komparatory prądu lub napięcia wpływają stabilizująco na wielkość prądu w obwodzie pośredni

czącym falownika lub napięcia szczytowego w gałęzi kondensatora komutacyj

nego CQ. Kształt prądu (napięcia) ma charakter oscylacyjny typu eksponen- cjalnego, przy czym wielkość strefy oscylacji zależy od szerokości charek- terystyki histerezowej komparatorów.

W razie wystąpienia awarii regulatora prądu (3) lub pojawienia się przerwy w obwodzie wzbudnika na skutek przegrzania (stan bardzo groźny) następuje ingerencja komparatora wartości maksymalnej napięcia (14), który powoduje wyzwolenie wszystkich tyrystorów falownika (Ty - T1Q) oraz wysterowuje trójfazowy mostek tyrystorowy z maksymalną wartością kąta opóźnienia (stan pracy falowniczej), a następnie odłącza falownik od napięcia sieci zasila

jącej. Komparator wartości zerowej (12) powoduje odłączenie falownika z sieci zasilającej w chwili zaniku napięcia na kondensatorze komutacyjnym CQ, tj. wówczas, gdy zostanie zerwana komutacja falownika lub wtedy, gdy brak jest warunków gwarantujących prawidłowy start.

(3)

Układ sterowania • 105

(4)

106 T. Skoczkowski, U. Kalus

Układ sterujący (15) generuje ciąg impulsów sterujących w fazie rozruchu falownika prądu. Współpracuje on z układem startu (mostek diodowy (10) R, C0, L), układem sterownika (4) oraz układem przekaźnikowo-styczni- kowym (17).

Układy sterowania falowników prądu można najogólniej podzielić na dwie grupy s

- układy sterowania wg algorytmu stałego kąta wyłączenia, - układy sterowania wg algorytmu stałego czasu dysponowanego.

Przykłady realizacji układów każdej z powyższych grup zostaną omówione w dalszej części artykułh.

3. Układ sterowania falownika równoległego prądu wg algorytmu stałego kata wyłączenia [2]

Układ sterowania wg algorytmu stałego kąta wyłączenia zapewnia stabili

zację wartości kąta wyłączenia, niezależnie od zmian częstotliwości rezo

nansowej falownika prądu. Kąt wyłączenia zdefiniowano jako przedział wyra

żony w mierze łukowej liczony od chwili pojawienia się impulsów bramkowych do chwili, w której napięcie na kondensatorze komutacyjnym falownika osią

gnie wartośó zero.

Przykład układu realizującego sterowanie wg algorytmu stałego kąta wyłącze

nia przedstawiono na rys. 2, przebiegi czasowe napięć i prądów w poszczegól

nych gałęziach falownika oraz sygnałów sterujących w przedstawionym ukła

dzie sterowania dla dwóch wartości częstotliwości rezonansowej pokazano na rys. 3. Zasadniczą część układu sterującego stanowi integrator (7), z którym współpracują klucze analogowe (4), (5), (6).W czasie trwania dodat

niej (lub ujemnej) ćwiartki sinusoidy napięcia na kondensatorze komutacyj

nym CQ następuje ładowanie Integratora (7) ujemnym napięciem U^, w czasie trwania drugiej dodatniej lub ujemnej ćwiartki sinusoidy napięcia integra

tor (7) ulega rozładowaniu poprzez przyłożenie na jego wejście dodatniego napięcia Ug (większego od modułu napięcia U^).

W chwili gdy napięcie wyjściowe integratora (7) osiągnie ujemną wartość, nastąpi wyzwolenie impulsów bramkowych na tyrystorach T1 2 lub Układ sterowania wg algorytmu stałego kąta wyłączenia posiada następujące zaletys - liczba składowych harmonicznych zawartych w napięciu i prądzie kondensa

tora komutacyjnego CQ nie zależy od częstotliwości rezonansowej falowni

ka i jest tylko funkcją wartości kąta wyłączenia - ó,

- transmitancje statyczne określające zależności pomiędzy poszczególnymi napięciami i prądami falownika w stanie ąuasi-ustalonym są niezależne od częstotliwości rezonansowej falownika.

(5)

Rys. 2. Schemat układu sterowania według algorytmu stałego kąta wyłączenia tyrystorów falownika

Fig. 2. Scheme of the control system based on the constant turn-off angle principle ot the inverter thyri-ators

(6)

U?

X

IU1aU 2 )v(U 1aU2 I

c m r

(Uf aU

²

!v(U

¹

a U2 i

m c m .

3,4

'

1.2

Vl

I L

ń/y /i u ² )v(ui a u2i

xz m i — I

(U j A U2)v(Uj A U

2

)

x t l x z l x c l

u3

J J IL L

'3.4

_ X L X L

h2

XL. XI

Rys. 3. Przebiegi czasowe w poszczególnych gałęziach falownika oraz w układzie sterowania z rys. 2

KLg. 3. Waveforms in particular limbs of the inverter and in the control system from Pig. 2

(7)

Układ sterowania ... 109

Układ sterujący posiada jedną zasadniczą wadę, a mianowicie to, że czas dysponowany jest zależny odwrotnie proporcjonalnie od częstotliwości re

zonansowej - tn = . D coQ

Ten czynnik zadecydował o tym, że częściej stosuje się układy sterujące wg algorytmu stałego czasu dysponowanego.

4. Układ sterowania falownika równoległego prądu wg algorytmu stałego czasu dysponowanego T37!.

Układ sterowania wg algorytmu stałego czasu dysponowanego zapewnia sta

bilizację wartości czasu dysponowanego, niezależnie od zmian częstotliwo

ści rezonansowej falownika równoległego.

Przykład układu realizującego sterowanie wg algorytmu stałego czasu dyspo

nowanego przedstawiono na rys. 4, przebiegi czasowe sygnałów sterujących w zaprezentowanym układzie sterowania dla dwóch wartości częstotliwości rezonansowej przedstawione na rys. 5. Układ zbudowany jest z generatora napięcia piłowego (integrator (6), klucz analogowy (3), komparatora napię

cia (7)) oraz regulatora czasu komutacji (uniwibrator (4), inwertor (5), integrator (8)). Działanie układu sterującego wg algorytmu stałego czasu dysponowanego polega na porównaniu w integratorze (8) czasu trwania im

pulsu wzorcowego wytworzonego w uniwibratorze (4).

Do zalet układu sterującego wg algorytmu stałego czasu dysponowanego można zaliczyć!

- utrzymanie stałej wartości czasu dysponowanego w szerokim zakresie zmian częstotliwości rezonansowej falownika.

Układ sterowania posiada również i wady:

- liczba składowych harmonicznych zawartych w napięciu i prądzie konden

satora komutacyjnego CQ zależy wprost proporcjonalnie od częstotliwości rezonansowej falownika,

- transmitancje statyczne określające zależności pomiędzy poszczególnymi napięciami i prądami falownika w stanie ąuasi-ustalonym są nieliniowe w funkcji częstotliwości rezonansowej.

5. Podsumowanie

Przedstawione w pracy układy sterowania falownika tyrystorowego równo

ległego zasilającego nagrzewnicę indukcyjną są od paru lat stosowane w roz

wiązaniach przemysłowych [jt-] . Zebrane doświadczenia potwierdziły ich peł

ną przydatność do pracy w bardzo trudnych warunkach eksploatacyjnych. W chwili obecnej trwają prace zmierzające do zastąpienia wszystkich funkcji układów sterowania, regulacji i zabezpieczeń falownika przez system mikro

procesorowy.

(8)

Rys. 4. Schemat układu sterowania według algorytmu stałego czasu dysponowanego na wyłączenie tyrystorów falownika

?ig. 4. Scheme of the control system based on the constant turn - off time principle of the inverter thyristors

(9)

u2

1 X

(U, A U

²

)v(U

¹

A U2I

[— n ____

i

~ ~

z l

tUj

a

A U21

— i r 1 1 1

t

* -1

/ I X 1 1 Uy

n n ' r

IV n

^t

IV n '

. _ i — i r — i

U8

s --

^t

U0=

r

J° t

V _ r \ f

fD

\ v X J

Ul

u ²

I 1

(u ¹ A U ^viU j A U2I iUj A U^vlUj A

%

u7

_ n n n

’3A

V

_ n _

Uą_

Rys. 5. Przebiegi czasowe w poszczególnych gałęziach falownika oraz w układzie sterowania ■ rys. 4

Fig. 5. Waveforms in particular limbs of the inverter and in the control system from Fig. 4

(10)

LITERATURA

[ll QULDNER H. t Schwingkreisumrichter für die induktive Erwarmung.

Elektrie nr 27, H.11, 1973.

[2] KALUS M., SKOCZKOWSKI T., KUCZEWSKI Z., KULESZA A.? Sposób i układ sterowania falowników jednofazowych pracujących w rezonansie.

Patent PRL nr 137148 z dnia 4.08.1988.

[3] KALUS K., SKOCZKOWSKI T., KUCZEWSKI Z,, KULESZA A.t Sposób i układ sterowania falowników jednofazowych pracujących w rezonansie.

Patent PRL nr 137149 z dnia 4.08.1988.

[43

KALUS M., SKOCZKOWSKI T. i innit Tyrystorowe wyżarzarki indukcyjne.

Konferencja pt.t Nowoczesne urządzenia i technologie elektrotermicz

ne w metalurgii, Szczyrk 1987.

[53 MATTHES H.G. t Der statistische Frequenz-Umrichter zum Enisatz in der industriellen Elektrowflrrae. Elektrowärme Int. nr 35, B. 3, 1977.

[63 PELLY B.R

. 1

Latest develoments in static high frequency power sour

ces for induction heating. IEEE Trans, on Ind. Electronics and Con

trol Instruments vol. IECJ - 17 June 1970.

[73 SUNDB3RG Y

. 1

Static frequency convertors for induction metting and heating. ASEA Journal nr 1, vol 47, 1974.

[83 TUNIA H. i innit Układy energoelektroniezne, WNT, Warszawa 1982.

[93 WOSKRESIENSKIJ W.W.t Tiristornyje prieobrazowateli dla pitanija in- dukcionnych ustanowok. Metallurg!ja, Moskwa 1979.

Recenzentt prof. dr hab. inż. Kazimierz Zakrzewski

Wpłynęło do Redakcji dnia 22 marca 1989 r.

CMC TEMA PEryJ1HPOBAHMH H /UPABJIEHHti lUPAJL'iïJILHOrO HHBEHÎOPA,

IfflTAiOliErO yCTAHOBKy HłWKUHOHHOrO H AfPEBA

P e 3 D u e

B c i a i b e o n a c a H a oómaa K O H n e i m a a cacTeiibi peryjiapoBaHaa h y n p a B a e a a a t b - p H c i o p n o r o H H B e H T o p a l o Ka, r n n a r m e r o y c i a a o B K y B H A y K ą a o H a o r o H a r p e s a . P a c c - M c z p e H a C T p y K i y p a u n p a i m a n A e k c i B a a c a c x e M u peryjiapoBaHaa, c o A e p a a ą a a ueni, p e r y a n p o B a H H Ä Tojca E K B e a T o p a a e r o B u x o A H o r o H a n u a x e H u a a aicTHBHoi u o ą a o c T a nepegaBaeuoit b a a r p y s a y . O n a c a H o n o B e ^ e H a e cacreMŁi peryjrapoBasaa b H o p u a A Ł - H O M a aBapattHOM p e x a u e p a ö o i u . IIoApoÖao n p e g C T a B a e H U c a c i e u H ynpaBjieaaji au- B e H T o p a n o a j i r A p a m y n o c T o a H H o r o y r x a a B p e M e H a o ï K X K M e H a a l a p a c i o p o B . Ilpa- B e g e H H BpeueHHbie AHarpatotn aAjnscTpapymmas n p a H u a n AeitciBaa KaxAofi a 3 hb x , o n a c a H H a x n p e a M y m e c i B a a H e A O C T a i K B . E e a y n p e a H o c i b p a d o m npeAJioxeHKux cac- r e M nogTBepAajia S K c n a y a T a n a a A d a m a a c a HecKOJiBKO xe i .

(11)

Uklad sterowania ... 113

THE CONTROL AND REOULATING SYSTEM OP A PARALLEL INVERTER SUPPLYING AN INDUCTIOi, HEATER

S u m m a r y

In this paper the general idea of the control and regulating system of a thyristor current - supplied inverter supplying an induction heater has been discussed. The structure and the operating principle of the system comprising ¡sontrol loops of the inverter current, inverter voltage and ac

tive power supplied to the heater have presented. The behaviour of the re

gulating system upon normal and emergency operations has been discussed.

The details of the inverter control system based on the constant angle and constant turn - off time principle have been given.

Wave forms illustrating the operating principle of each of the thyristors as well as their disadvantages and advantages have been presented.

The regularity of the presented systems operation has been proved by seve

ral years operating experience.