Стабилизированный трехфазный источник напряжения для питания ванн электролитного нагрева деталей

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 243 1972

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ВАНН ЭЛЕКТРОЛИТНОГО

НАГРЕВА ДЕТАЛЕЙ

Э. Г. ЗАВАЦКИИ, В. П. ОБРУОНИК, М. А. ЖИТКОВ

Электролитный метод нагрева деталей последние годы находит все большее применение, особенно в автотракторной промышленности. Большие работы по созданию автоматизированных установок для термообработки деталей с использованием нагрева их в электролите проводятся Алтайским научно-исследовательским институтом технологии машиностроения.

До последнего времени в качестве источников питания таких установок обычно использовались системы двигатель—генератор, которые имеют ряд существенных недостатков. Эти системы требуют повышенных затрат на текущее обслуживание, имеют относительно низкий коэффициент полезного действия, повышенные весовые и габаритные данные, иногда требуют отдельных помещений для установки и, что особенно важно, сложных систем управления для стабилизации выходного напряжения и ограничения токов короткого замыкания. Кроме того, особенно неустойчивый характер нагрузки, характерный для установок электролитного нагрева, приводит к тому, что генераторы работают в тяжелых условиях, что вынуждает завышать их установленную сущность.

В научно-исследовательском институте автоматики и электромеханики три Томском -политехническом институте для питания ванн электролитного нагрева разработан статический трехфазный источник стабилизированного, регулируемого в диапазоне 100-^250 вольт напряжения постоянного тока мощностью 80 ква.

Особенностью этого источника является то, что в качестве силового регулирующего элемента в нем применен трансформатор, регулируемый подмагничиванием магнитного шунта (ТРПШ), с полупроводниковым силовым выпрямителем выходного напряжения и сглаживающим фильтром.

С целью увеличения быстродействия системы, снижения ее габаритов и веса, увеличения коэффициента усиления по мощности принят импульсный способ подмагничивания трансформатора [1, 2], заключающийся в том, что в обмотку подмагничивания ТРПШ (рис. 1), шунтированную обратным вентилем Ц, подаются узкие импульсы напряжения, расположенные в минимуме отрицательной полуволны э. д. с. нечетных гармоник. При этом от источника подмагничивания обмоткой Ш7 потребляется минимальный средний ток и через эту же обмотку осуществляется положительная обратная связь по токам гармоник, кратных трем. Такой способ управления обеспечивает трансформатору высокий коэффициент усиления по мощности, достигается выигрыш в весе и га-

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизированного трехфазного источника напряжения для питания ванн электролитного нагрева

баритах, так как нет необходимости делать обмотки обратных связей, смещения и т. д. При этом у регулятора получаются внешние характеристики ивых=}(1яагр) экскаваторного типа, что решает вопрос о защите источника питания от перегрузок и токов короткого замыкания простым ограничением ширины управляющих импульсов без введения дополнительных устройств отсечки, отключения и т. д.

Исполнительным элементом импульсного подмагничивания ТРПШ является полупроводниковый выпрямитель с тиристорным ключом. Тири-сторный ключ на рис. 1 представляет собой систему, состоящую из силового тиристора Т\, включенного последовательно с обмоткой подмагничивания \¥у ТРПШ, и узла принудительной коммутации этого тиристора. Автономная система для принудительной коммутации тиристора Т\ подробно описана в [3]. В схеме коммутирующего узла для уменьшения потерь энергии и разгрузки зарядной цепи при сохранении высокой отключающей способности применен непосредственный перезаряд конденсатора С3. Энергия из контура коммутации не отводится, а для устранения явления накопления ее на этапе заряда конденсатора создается дополнительная цепь, не включающая источник подмагничивания, по которой происходит перезаряд С3. Цепь перезаряда образована дросселем /-3 и диодом Д8. Управляется ключ двумя командами, одна из которых включает силовой тиристор Гь а другая является командой на его выключение и подается на управляющий электрод тиристора Т2. При отпирании тиристора Т2 конденсатор С3, имеющий напряжение порядка 2 разряжается в контуре Ь2Съ. Когда попярность напряжения на С3 будет соответствовать указанной на рис. 1, диод Д8 открывается и происходит перезаряд конденсатора в контуре ¿3Д8С3. Тиристор Т2 закрывается, когда ток в контуре переходит через нуль. При этом С3 продолжает перезаряжаться по цепи ¿3Д8 и подзаряжается от источника питания по цепи Е—Ь4—Д9—С3. Напряжение, до которого заряжается конденсатор С3 к следующей коммутации, зависит от соотношения индуктивностей

ии

Команды для управления тиристорным ключом выдаются схемой управления, обведенной на рис. 1 пунктиром. Временные диаграммы, поясняющие ее работу, показаны на рис. 2.

Питание схемы управления осуществляется от трансформатора ТР\ через выпрямитель Дг^Дгэ- В исходном состоянии транзистор ПТ\ находится в закрытом состоянии, так как ток в цепи его базы равен нулю, ПТ2 — насыщен. При поступлении отрицательной полуволны синусоидального напряжения рис. 2, а с обмотки управляющего трансформатора на базу транзистора ПТ\ триод открывается. На выходе ПТ\ при этом формируются прямоугольные импульсы напряжения (рис. 2, б), длительность которых определяется периодом управляющего напряжения. При полном открытии ПТ\ ток базы ПТ2 равен нулю и он закрыт. Таким образом, на коллекторе транзистора ПТ2 получаются прямоугольные импульсы, равные по длительности половине периода управляющего напряжения рис. 2, б. Через дифференцирующую цепь С7Я13 импульсы от переднего фронта сигнала с ПТ2 подаются на вход ждущего блокинг-генератора, выполненного на триоде ПТ%. С выхода импульсного трансформатора Тр. 2 снимается управляющий сигнал, который подается на управляющий электрод коммутирующего тиристора Т2 и открывает его. В то же время импульс с трансформатора Тр. 2 подается на левое плечо триггера ПТЪ через диод Д44 и опрокидывает его в первое устойчивое состояние. С момента закрытия триода ПТ\ начинает заряжаться конденсатор Сп генератора пилообразного напряжения. Соответствующим выбором постоянной времени заряда удается получить желаемый наклон «пилы» и ее линейность.

Заряд емкости Си рис. 2, ж происходит до момента сравнения пи-

и,

Unr,

ПТ2

О)

61

di

el

жI

григ

Unr г

^ t

П

Д

П

l-sj

Рис. 2. Временные диаграммы

лообразного напряжения £/пИл- с эталонным £/э на компораторе, выполненном на транзисторе ПТ4. Эталонное напряжение, снимаемое с делителя ^19^20, через диод Д40 приложено к обмотке трансформатора Тр. 3, выполняющей функцию отрицательной обратной связи, а пилообразное напряжение ипжл., снимаемое с Сп через диод Д4Ь приложено к обмотке Тр. 3, выполняющей функцию положительной обратной связи ком-поратора. До момента сравнения £/Пил. с иъ диод Д4о находится в проводящем состоянии, Д41 — заперт, а компоратор не генерирует. В момент, когда = диод Д41 оказывается в проводящем состоянии, по обмотке положительной обратной связи протекает ток, компоратор возбуждается и на выходных обмотках появляется импульс напряжения, который через диод Д45 прикладывается к базе триода ПТ6 и переводит триггер во второе устойчивое состояние. При этом транзистор ПТъ открывается и через диод Д4з шунтирует конденсатор Си. Конденсатор быстро разряжается. Выходной импульс с триггера усиливается триодами ПТ7 и ПТ8 и с обмотки импульсного трансформатора Тр. 4 подается на управляющий электрод тиристора Ти открывая его. Таким образом, меняя напряжение IIэ, мы меняем момент открытия силового тиристора и тем самым регулируем ток, протекающий в обмотке подмагничивания от трансформатора управления. При ограничении £/э на определенном уровне ограничивается и предельное значение тока короткого замыкания ТРПШ.

Регулирование выходного напряжения источника производится за счет изменения положения потенциометров или При этом разность напряжения {Узад, снимаемого со стабилитрона Д\6 или Д17, и напряжения, пропорционального напряжению выхода источника, сравнивается с иэ и определяет ток подмагничивания трансформатора.

4. Заказ 5178.

49

При отклонении выходного напряжения источника от заданного меняется разность между £/3 и напряжением обратной связи

£/ос = ^зад Сб£/Источ>

где а?7ИСТоч — напряжение, снимаемое с или

Следовательно, меняется длительность открытого состояния силового тиристора Т\, что ведет к изменению тока подмагничивания ТРПШ. Трансформатор переходит на работу с другой выходной характеристикой, которая соответствует ранее установленному выходному напряжению, то есть осуществляется стабилизация выходного напряжения источника.

В описанном источнике питания ванн электролитного нагрева мощностью 80 ква при регулировании напряжения выхода от 100 до 250 в получена точность стабилизации ±2%ивых в диапазоне изменения тока нагрузки 100-^-300 а. Ток короткого замыкания при номинальном под-магничивании не превышает 800а. Габариты источника в кожухе 750X1650X1420 мм, вес — 920 кГ.

Описанный источник питания ванн электролитного нагрева успешно прошел производственные испытания и может быть рекомендован для широкого применения. При изменении обмоточных данных ТРПШ и узла обратной связи система может быть использована во многих электрохимических установках.

Приложен не

Технические данные и параметры элементов системы

Данные трансформатора, регулируемого подмагничиванием: напряжение пит. сети 380 вольт; коэффициент трансформации /Ст=1,53; номинальный ток подмагничивания 20а; напряжение постоянного тока 250-М00 вольт; номинальный ток нагрузки 300 а.

Параметры узла принудительной коммутации: напряжение источника 120 вольт.

Дх — диод ПВКЛ 100—10 Т1 — тиристор ПТЛ-50—8, Т2 — тиристор ВКУ-Ю—5, Д8 - диод Д216Б Д9 — диод Д246Б

и и

¿4 — индуктивность Ь= 17 мгн, С] — конденсатор МБ20-10,0—4006, С2 — конденсатор К50-ЗН —

500 мкф — 450 е. С3 — конденсатор МБГО-10,0—400я„

индуктивность ¿ = 0,167 мгн, — резистор ЮОвг, 40 ом, индуктивность Ь = 3 мгн, /?2 — резистор ОМЛТ-2-470 ом.

Параметры схемы управления: напряжение питания 24 вольта.

ПТ1 — транзистор МП25 -

ПТ2 — транзистор МП25 -

ПТ3 — транзистор МП25 7?ю

ПТ4 — транзистор МП25 /?ц

ПТ5 — транзистор МП25 /?12

ПТ6 — транзистор МП25 /?13

ПТ7 — транзистор МП25 /?17

- транзистор МП25 конденсатор ЭГЦ—1000-30. /?19 конденсатор БМ2-0,0125—200 ,9 — конденсатор БМ2-0,125—200 10 — конденсатор ЭТО 15Х20в

ПТ

Сс с7 с с

резистор ОМЛТ-0,125— 1,3/с, резистор ОМЛТ-0,5—240ом,

- резистор ОМЛТ-0,5—7,5/с,

- резистор ОМЛТ-0,5—1,3к,

- резистор ОМЛТ-0,5—12к,

- резистор ОМЛТ-0,5—1,3/с,

- резистор ОМЛТ-0,5—3,9к,

- резистор ОМЛТ-0,5—11 к,

- резистор перем, ППЗ-З/с,

Сп — конденсатор ОМБГ-20—400, Си — конденсатор БМ2-0,1 —160s, С и — конденсатор МБМ-1,0—160в, С15 — конденсатор БМ-3300—200в, С is — конденсатор БМ2-0,05—160е, С17 — конденсатор БМ-3300—200в, С is — конденсатор МБМ-0,025—150, Сig — конденсатор К50-3—200Х50в, Д24—Д29 — диоды Д7Ж, Дзг — диод Д7Ж, Д34—Дзб — диоды Д7Ж, Д37—Дз8 — диоды Д211, Дзэ Д46 — диоды Д7Ж. /?20 — резистор ОМЛ Т-1 —91 Оом, R21 — резистор ОМЛТ-2—5,1/с, /?22 — резистор ОМЛТ-0,5—4,3/с, ^2з — резистор ОМЛТ-0,5—47 к, Ru — резистор ОМЛТ-0,5—9,1/с, R25 — резистор ОМЛТ-0,5—1 Юсш, Rze — резистор ОМЛТ-0,5—4,3/с, /?27 — резистор ОМЛТ-0,5—4,3/с, /?2в — резистор ОМЛТ-0,5—12/с, У?29 — резистор ОМЛТ-0,5— 12/с, /?зо — резистор ОМЛТ-0,5—4,3«, /?3i — резистор ОМЛТ-0,5—4,3/с, ^32 — резистор ОМЛТ-0,5—7,5 к, R33 — резистор ОМЛТ-1-9Юож, R34 — резистор ОМЛТ-0,5—240еш, /?35 — резистор ОМЛТ-0,5—240ом.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. П. Обру сник, А. В. Кобзев. Способ импульсного подмагничивания. Авторское свидетельство, № 245842, кл. 21а2 18/08, Бюллетень изобретений, № 20, 1969.

2. В. П. Обру сник, А. В. Кобзев. Режимы работы и характеристики однофазных ТРПШ при импульсном подмагничивании. Доклады VI научно-технической конференции по вопросам автоматизации производства, т. 2. Издательство ТГУ, Томск, 1969.

3. А. И. Зайцев, М. А. Житков. Устройство принудительной коммутации тиристоров с непосредственным перезарядом коммутирующего конденсатора. Доклады VI научно-технической конференции по вопросам автоматизации производства, том 5, Издательство ТГУ, Томск, 1969.