Системы высокочастотного индукционного нагрева для плавки металлов с кодово-импульсным регулированием

Технологии высокочастотного индукционного нагрева получили широкое распространение в промышленности и научных исследованиях, от получения и обработки полупроводниковых материалов до нагрева слитков цветных и черных металлов под прессование и прокатку. Сфера их применения постоянно расширяется. Высокий коэффициент полезного действия, малые вес и габариты, малое число витков высокочастотной индукторной системы и возможность придания ей любой конфигурации позволяют получить требуемое распределение температурного поля в труднодоступных местах, обеспечивая, тем самым, высокоэффективную реализацию данных технологий.

Проектирование преобразователей частоты (ПЧ) для установок индукционного нагрева (УИН) является важной и актуальной задачей. Она значительно усложняется тем, что физические свойства большинства материалов в процессе нагрева постоянно изменяются, как следствие этого, в несколько раз меняется и нагрузка ПЧ. Принимая во внимание перепад сетевого напряжения, диапазон регулирования ПЧ существенно расширяется. Вместе с этим, большинство технологий требуют различных режимов нагрева материалов и деталей. Учитывая все многообразие технологий, в которых применяется индукционный нагрев, и материалов, применяемых в данных технологиях, разработка ПЧ для какой либо конкретной технологии является сложным процессом. Создание программы автоматизированного проектирования ПЧ, имеющей в своем составе модели нагрузок ПЧ для различных технологических процессов, модели узлов и компонентов ПЧ, позволяет не только значительно упростить процедуру проектирования ПЧ, но и выбрать рациональный вариант структуры ПЧ в соответствии с предъявляемыми критериями.

В индукционных технологиях уделяется огромное внимание разработке методов регулирования, отвечающих требованиям заданного технологического процесса. Основными задачами регулирования являются: обеспечение требуемого диапазона и точности регулирования ПЧ, формирование безопасной траектории переключения силовых полупроводниковых ключей, уменьшение установленной мощности всего ПЧ или отдельных его элементов.

При работе ПЧ на резонансную нагрузку требуются согласование уровней напряжения и гальваническая развязка колебательного контура от источника питания с помощью согласующего трансформатора. При этом, разброс динамических параметров системы управления и полупроводниковых ключей ПЧ приводит к нарушению режима симметричной коммутации и, как следствие этого, к подмагничиванию силового трансформатора постоянным током. Это, в свою очередь, приводит к росту динамических потерь полупроводниковых ключей и их возможному выходу из строя. Исследование методов устранения подмагничивания трансформатора постоянным током позволяет получить надежные схемотехнические решения для стабильной работы всего ПЧ.

Настройка системы управления (СУ), состоящей из аналоговых микросхем и компонентов, является сложным технологическим процессом. К тому же, аналоговые компоненты имеют значительный разброс параметров и изменение их во времени. По этой причине полностью настроенная и рабочая СУ со временем может расстроиться и выдавать значительные ошибки и погрешности в управлении. Вследствие этого, нормальный режим работы ПЧ будет нарушен. Цифровая СУ таких недостатков не имеет, работа такой системы происходит согласно разработанному алгоритму программы управления. При этом настройка параметров управления цифровой СУ значительно упрощается, а надежность работы ПЧ увеличивается.

В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных на кафедре ПМЭ ТПУ и в отделе № 16 НИИ АЭМ при непосредственном участии автора с 2003 по 2007 г. Эти исследования выполнялись в рамках хоздоговорных и госбюджетных научноисследовательских работ: № 1−199/2002 «Разработка и исследование силовых транзисторных преобразователей частоты для электротермии» — № 1−59/04 «Исследование силовых транзисторных преобразователей частоты для электротермии» — № 1.1.07 «Теоретические основы автоматизированного моделирования электротехнических устройств Фундаментальное исследование» — № 1.8.07 «Моделирование сложных технических систем с информационными и энергетическими потоками» — «Ресурсосбережение 2005, 2006 года» .

Цель работы — решение задачи создания новых высокоэффективных ПЧ, обеспечивающих требуемый режим индукционного нагрева для плавки металлов при минимальной установленной мощности силового оборудования, имеющей существенное значение для отрасли силовой промышленной электроники.

Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:

1. Разработка алгоритмов и программного обеспечения автоматизированного расчета ПЧ с варьированием параметров нагрузки на основе перебора количества витков индуктора в заданном диапазоне и выбора из полученной системы решений варианта, удовлетворяющего заданному критерию.

2. Анализ способов регулирования ПЧ, работающих на резонансную нагрузку. Разработка теории последовательных резонансных инверторов с кодово — импульсным способом регулирования.

3. Анализ работы и разработка эффективных схемотехнических решений устранения подмагничивания трансформатора в ПЧ, работающих на резонансную нагрузку.

4. Разработка структуры и схемотехники цифровой СУ, обеспечивающей кодово-импульсный способ регулирования ПЧ, фазовую автоподстройку рабочей частоты (ФАПЧ), индикацию и управление рабочими параметрами.

5. Обобщение результатов практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева, в которых использованы основные научные результаты диссертации.

Методы исследования базируются на общих положениях теории электрических цепей, теории алгебраических и дифференциальных уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах.

Научная новизна.

1. Разработан алгоритм автоматизированного расчета ПЧ с варьированием параметров нагрузки на основе перебора количества витков индуктора в заданном диапазоне и выбора из полученной системы решений варианта, удовлетворяющего заданному критерию, позволяющий повысить эффективность и качество проектирования УИН.

2. Разработана теория последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования.

3. Предложена методика определения кодово-импульсных комбинаций для работы согласующего трансформатора в симметричном режиме.

4. Исследованы переходные процессы при подмагничивании согласующего трансформатора в схеме резонансного ПЧ, предложены методы его устранения.

Практическая ценность.

1. Применение проверенных математических методов, моделей нагрузки и компонентов ПЧ позволяет систематизировать процесс автоматизированного проектирования ПЧ.

2. Применение в ПЧ кодово-импульсного способа регулирования позволяет существенно снизить коммутационные потери в ключах.

3. Применение системы цифрового управления ПЧ с кодово-импульсным способом регулирования и ФАПЧ позволяет значительно повысить надежность работы ПЧ и упростить процедуру настройки узлов управления за счет того, что параметры такой системы могут быть изменены только программным способом.

4. Методика выбора кодово-импульсных комбинаций для работы согласующего трансформатора в симметричном режиме позволяет повысить точность регулирования ПЧ без завышения рабочей индукции согласующего трансформатора.

5. Определение условий, при которых не происходит увеличения рабочей индукции и тока подмагничивания трансформатора, исключает значительные коммутационные потери и возможный выход из строя полупроводниковых ключей инвертора.

Реализация результатов работы.

В период с 2003 по 2007 год при непосредственном участии автора было внедрено 4 образца установок высокочастотного индукционного нагрева, которые успешно эксплуатируются на предприятиях РФ.

На защиту автором выносятся следующие положения (тезисы);

1. Алгоритм автоматизированного расчета ПЧ с варьированием параметров нагрузки на основе перебора количества витков индуктора в заданном диапазоне позволяет определить рациональный вариант структуры ПЧ путем выбора из полученной системы решений.

2. Разработанная теория последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования позволяет проектировать современные высокочастотные комплексы индукционного нагрева, обеспечивающие работу ПЧ в широком диапазоне регулирования напряжения с минимальными коммутационными потерями. 3. Сформулированные по результатам исследований рекомендации позволяют ограничить превышение рабочей индукции согласующего трансформатора. Личный вклад.

1. Разработка структуры и алгоритма программы автоматизированного проектирования ПЧ и цифровой СУ ПЧ на основе кодово-импульсного способа регулирования и фазовой автоподстройки частоты.

2. Разработка теории последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования.

3. Исследование методов устранения подмагничивания согласующего трансформатора постоянным током и происходящих при этом переходных процессов, приводящих к увеличению его рабочей индукции. Определение условий, при которых увеличения рабочей индукции трансформатора не происходит.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. X международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2004.

2. XI международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2005.

3. 17-ая научно-техническая конференция «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2006.

4. XII международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2006.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях, в том числе 1 статья опубликована в ведущем рецензируемом журнале, 2 статьи опубликованы в научно-технических изданиях, 4 статьи — в трудах и сборниках конференций, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Общий объем работы без приложений составляет 147 страниц, 69 рисунков и 21 таблиц.

Список литературы

изложен на 11 страницах и содержит 116 наименований.

Выводы по главе.

1. Разработана методика определения кодово-импульсных комбинаций для КИР, обеспечивающих работу силового трансформатора в симметричном, режиме и минимальные пульсации тока индуктора в диапазоне изменения у? (1ч- 0.5).

2. Предложена методика повышения точности регулирования многоячейкового ПЧ с КИР и одинаковыми весовыми коэффициентами трансформаторов ячеек.

3. Выявлена зависимость рабочей индукции трансформатора во всех режимах его работы от индуктивности рассеяния его первичной обмотки.

4. Установлено, что наиболее универсальным методом, обеспечивающим симметрирование петли намагничивания магнитопровода, является включение последовательно с первичной обмоткой трансформатора разделительного конденсатора, который также позволяет компенсировать паразитное влияние индуктивности рассеяния трансформатора.

5. Выявлено, что, при включении разделительного конденсатора последовательно с первичной обмоткой трансформатора, между разделительным конденсатором и индуктивностью намагничивания трансформатора образуется резонансный колебательный контур, при воздействии на который определенной величины несимметрии возникают низкочастотные колебания, приводящие к завышению рабочей индукции трансформатора, для устранения которых, необходимо, чтобы фронт роста несимметрии не превышал постоянную времени колебательного процесса.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАНОВОК ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА.

В главе обобщены результаты практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева, в которых использованы основные научные результаты диссертации.

4.1. УИН с кодово-импульсным способом регулирования напряжения для плавки металлов.

Разработана УИН с многоячейковым ПЧ (рис. 4.1) со следующими основными техническими характеристиками:

Выходная мощность 200 кВт.

Температура нагрева 1200 °C.

Время плавки 40 мин. Диапазон регулирования напряжения 20 -120 В.

Диапазон рабочих частот 8−15 кГц к.п.д. 75%.

Массогабаритный показатель 2 кг/кВт.

Трансформаторный блок.

Индукторная система.

Преобразователь частоты.

Рис. 4.1. УИН на основе многоячейкового ПЧ с кодово-импульсным способом регулирования.

УИН состоит из многоячейкового ПЧ с суммирующим трансформатором [6] и цилиндрического индуктора. ПЧ имеет структуру параллельно-последовательного типа, состоящую из шести инверторных ячеек, регулируемых кодово-импульсным способом, с суммированием общим контуром их выходных напряжений (рис. 4.2). Выходные напряжения инверторных ячеек, при у = 1, составляют 20 В. Дискретный набор КИК, реализующих КИР в представленной структуре, приводится в таблицах 4.14.6.

Рис. 4.2. Структурная схема ПЧ.

Заключение

.

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты, содержащие научную новизну и практическую ценность.

1. Предложенный алгоритм автоматизированного расчета ПЧ с варьированием параметров нагрузки на основе перебора количества витков индуктора в заданном диапазоне и выбора из полученной системы решений варианта, удовлетворяющего заданному критерию, позволяет повысить эффективность и качество проектирования УИН.

2. Анализ способов регулирования ПЧ в технологии индукционного нагрева показал, что применение кодово-импульсного способа регулирования является новым и перспективным направлением, так как позволяет при достаточной точности регулирования практически исключить динамические потери на переключение силовых коммутирующих приборов.

3. Разработана теория последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования.

4. Разработана методика определения КИК для КИР, обеспечивающих работу силового трансформатора без завышения его рабочей индукции при минимальных пульсациях тока нагрузки в диапазоне изменения уе (о.з+1).

5. Предложена методика повышения точности регулирования многоячейкового ПЧ с КИР и одинаковыми весовыми коэффициентами трансформаторов ячеек.

6. Выявлена зависимость рабочей индукции трансформатора, во всех режимах его работы, от индуктивности рассеяния его первичной обмотки.

7. Выявлено, что при включении разделительного конденсатора последовательно с первичной обмоткой трансформатора, между разделительным конденсатором и индуктивностью намагничивания трансформатора образуется резонансный колебательный контур, при воздействии на который определенной величины несимметрии возникают низкочастотные колебания, приводящие к завышению рабочей индукции трансформатора, для устранения которых, необходимо, чтобы фронт роста несимметрии был больше периода этих колебаний.

8. Научные результаты диссертации использованы в практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева.