Введение к работе
Актуальность и постановка проблемы. Современное состояние электротехнологии оказывает существенное влияние на развитие промышленного производства, его интенсификацию. Разработка новых технологий является недостижимой без использования современных, прогрессивных методов и подходов для их реализации. Сложность реализации, усугубляется энергоемкостью оборудования, единичная мощность которого может составлять 1000 кВт и более, обеспечением робастности системы источник питания (ИП) - технологическое звено в широком диапазоне изменения параметров системы и быстротой их изменения при необходимом уровне достижения наибольшего КГЩ системы во время всего технологического процесса. Современные исследования' и экспериментальные данные показывают, что при разработке новых- высокочастотных (ВЧ) электротехнологических процессов к ним следует подходить комплексно, проектируя полностью всю установку, обеспечивающую требуемый процесс, .начиная от сети промышленной частоты и заканчивая процессами в технологическом звене. В этом случае не только обеспечивается достижимость технологии, но и ее высокая эффективность, соответствие ВЧ установки принятым стандартам.
Ведущую роль для достижимости новых или модернизации известных технологий играет ИП, обязанный при высоком КПД обеспечивать бесперебойное питание нагрузки при быстром изменении ее параметров в широких пределах практически от холостого хода (XX) до короткого замыкания (КЗ) в разрешенном стандартом частотном диапазоне. В ряде случаев это достигается специфичной внешней характеристикой, которая может быть, в зависимости от требований, либо характеристикой источника тока, либо - источника напряжения, специальными режимами работы (импульсным или импульсно^ертодичёским 7ЙПР)) при условии возможного изменения частоты ИП в разрешенном стандартом диапазоне.
Значительные успехи в электротехнологии достигнуты и являются перспективными-в диапазоне частот 0.44-5.28 МГц, где до недавнего времени в качестве ИП применялся только ламповый генератор (ЛГ) с самовозбуждением.
В последние годы бурное развитие получили ИП на транзисторах за счет улучшения их параметров, что привело к четкой градации частотного диапазона, где применяются полупроводниковые приборы и
генераторные лампы (ГЛ). Твердотельные приборы няеот ш преимущества, так и недостатки по сравнению с ГЛ. Транзистор завоевывают верхний диапазон частот до 1 МГц на мощность 1 - : кВт, на частоте 200 кГц уже имеются опытные образцы ИП і мощностью 300 кВт (Thermatool). В нашей стране создание ИЛ. 20 кГц/300 кВт на отечественной элементной базе возможно лишь : ближайшие 5-10 лет, что обусловлено отсутствием мощны транзисторов и низковольтных конденсаторов на эти частоты.
Тем не менее, в ближайшие 10 лет на больших мощностях (50 кВт и выше) и частотах (0.44- МГц и выше) не просматриваете: применения транзисторных ИП. Дело в том, что транзистор являете: низковольтным прибором, что при большом уровне мощности ведет к большим токам в ИП, а значит и к увеличению потерь в нем необходимости параллельного соединения приборов, а значит ] ставит проблему выравнивания токов, что на высоких частота выливается в самостоятельную задачу.
По этой причине долгие годы совместно будут сосуществоват] транзисторные генераторы и ЛТ, область применения которы: определяется частотой ИП и его мощностью, достижениями в созданш сильноточных транзисторов.
В то ке время ИП на ГЛ - ЛГ - является единственным типом И на частотах 1.76 - 27.12 МГц мощностью в сотни кВт.
В последние годы наметилось восстановление интереса і разработке новых мощных ГЛ с улучшенными показателями дда различных технологических применений (ABB, SIEMENS, EIUAC СВЕТЛАНА). Это обусловлено, с одной стороны, неоправдавшимисі окиданиями в развитии мощных ВЧ полупроводниковых приборов, связанными с достижением на сегодняшний день теоретическое предела их возможностей, а с другой - потребностями увеличена единичной мощности ГЛ до уровня 1+3 МВт. По критерию - "МОЩНОСТ] прибора-частота его работы" ГЛ, по-прежнему, остается единственным типом приборов, позволяющим создавать требуемы( мощные МП для плазменных, лазерных, индукционных технологий.
В настоящее время в электротехнологии применяются генераторі с самовозбуждением, работающие' в режиме класса "С" і представляющие электрическую цепь с нелинейными элементами, которая описывается системой дифференциальных уравнений (СДУ, высокого порядка. Во всех схемах ЛГ используются ГЛ < карбидированным торировашшм катодом, имеющие веерообразны*
характеристики, к которым применима линейная теория анализа только для качественной оценки.
Именное с этих позиций, начиная с 20-х годов и до последнего времени, ЛГ были подвергнуты тщательному качественному и, частично, количественному анализу усилиями известных ученых: Берг А.И., Агафонов Б.С, Андронов А.А., Аршинов С.С, Гоноровский И.С, Дробов С.А., Евтеев Ф.Е., Евтянов СИ., Зейтленок Г,А., Изюмов Н.М., Колесников A.M., Линде Д.П., Модель З.И., Невяжский И.Х., Рыжков А.Е., Сивере М.А., Сифоров В.И., Фомичев И.Н., Хайкин С.Э., Хацкелевич В.А., Хмельницкий Е.П., Шахгильдян В.В., Foremen P., Marcovlc А. и др. Промышленным ЛГ уделялось заметно меньше внимания. Здесь необходимо отметить работы таких известных ученых как: Васильев А.С, Вигдорович Ю.Б., Донской А-.В., Нетушил А.В., Рамм Г.С, Colpitz &., Dlttrlch Н., Hartley М., Petric В., Wetzel P., Zehnder 0.
Современные метода исследования и экспериментальные данные показывают, что, во многих случаях, при работе на изменяющуюся. нагрузку, ЛГ используется не в оптимальном режиме, с превышением необходимой мощности оборудования, с неточными условиями согласования, только в режиме непрерывной передачи мощности в нагрузку. Более того, в современной теории промышленных ЛГ отсутствуют разделы, касающиеся работы ЛГ на нагрузку с низкой добротностью, которая характерна именно для электротехнологии, где добротность колебательного контура на порядок и более ниже, чем в случае работы радиопередающих устройств. По этой же причине отсутствуют и конкретные данные по влиянию параметров ЛГ на его энергетические показатели и конкретные рекомендации по выбору . параметров элементов колебательной системы и цепи обратной связи (ОС) при заданной технологической нагрузке с целью использования ЛГ с максимальным значением КПД во время всего процесса в разрешенном стандартом частотном диапазоне.
Не выявлены до конца возможности и самих промышленных ЛГ с точки зрения КПД. Увеличение КЩ даже на несколько процентов при уровне мощности в несколько сот кВт не только повышает энергетическую эффективность оборудования путем снижения потребляемой мощности, но и ведет к значительному снижению его массо-габаритных показателей. В подавляющем большинстве случаев энергетические характеристики ЛГ могут быть существенно улучшены путем перевода его в би- и полигармонический режимы работы.
Отсутствует и методика совместного анализа технологической нагрузки и полной электрической схемы ИП.
Разработка в последние года новых технологий, связанная с применением больших удельных мощностей в детали (до 20 кВт/смг вместо 2 кВт/см2) и широким использованием ИПР, приводит к необходимости определения максимальной мощности ИП и динамики его работы с большой степенью точности. Это, в первую очередь, относится к направлению использования индукционного нагрева для термообработки, ВЧ сварки, получения монокристаллов полупроводников и кристаллов оксидов, ВЧ плазменных процессов, т.к.-все эти технологии реализуются в диапазоне частот 0.44-5.28 МГц. В работе рассматриваются теоретические положение, ориентированные на этот диапазон частот, что не исключает распространения методик расчета и на другие частоты с применением их для самых разнообразных технологий, в том числе и нагрева диэлектриков. Специальные режимы работы ЛГ такие, как ИПР, а і'аюке комплексный подход к созданию технологических установок, заставляют оценить и влияние, оказываемое мощными установками на питающую сеть в различных режимах их работы с целью оценки их электромагнитной совместимости с сетью промышленной частоты.
Аналогичная ситуация . наблюдается и с о установками, содержащими ЛГ, выпускаемыми ведущими зарубежными фирмами: Thermatool (США), Elphiac (Бельгия), АБВ (Швейцария), SIEMENS (Германия), Philips (Голландия), SIATEM (Италия).
Поэтому усилия, направленные на преодоление указанных проблем и решение поставленных задач, являются актуальными.
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание уточненной теории работы ЛГ на технологическую нагрузку с изменяющимисяв широком диапазоне параметрами и определение оптимальных режимов работы этих генераторов.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах математического моделирования электрических цепей с нелинейными элементами как в частотной, так' и во временной областях, использующие: численные методы решения СДУ и систем алгебраических уравнений (САУ); методы автоматического формирования систем уравнений по известной топологии графа электрической схемы; методы решения задачи Коши для получения переходных и установившихся процессов и краевой задачи для получения стационарных режимов. В ряде случаев применяются
-5 -численные метода для параметрического синтеза и реазкия краевой задачи для получения параметров элементов колебательной системы, удовлетворяющих заданным условиям.
Научная новизна и значимость работы определяются положениями, выносимыми на защиту:
методика совместного моделирования схем ЛТ и нагрузки;
анализ работы ЛТ на низкодобротную колебательную систему;
методика расчета ГЛ и колебательной системы;
методы численного анализа, позволяющие определить оптимальные режимы работы ГЛ и ЛГ и параметры элементов колебательной системы, обеспечивающие данные режимы, а также рекомендации по выбору этих параметров в зависимости от типа нагрузки с учетом заданного диапазона изменения частоты самовозбуадения;
- использование метода решения краевой задачи и метода
параметрического синтеза на ее основе, применительно к схемам ЛТ;
повышение КПД ЛГ с самовозбуждением в би - и полигармоническом режимах при изменении параметров нагрузки и рекомендацій по определению параметров генератора, обеспечивающих данные ражими;
влияние ИПР схем ЛГ на сеть промышленной частоты и параметров колебательной системы на характер ИПР в схемах промышленных ЛГ;
ЛГ, обеспечивающие высокую стабильность выходного напряжения;
методика проектирования ЛГ с самовозбуждением.
Практическая ценность работы. Разработанные в работе метода и программное обеспечение на их основе доведены до уровня, предназначенного для инженерного проектирования схем промышленных ЛГ на технологические нагрузки. На базе созданных математического и программного обеспечений разработаны: одноконтурные схемы ЛГ, работающие в оптимальном режиме работы; методика расчета ГЛ и колебательной системы; упрощенный алгоритм расчета нагрузочных характеристик ГЛ и ЛГ; схемы двухконтурных ЛГ о самовозбуждением и увеличенным КПД при их работе в би- и полигармоническом резашах и схемы ЛГ с повышенным качеством выходного напряжения; методика проектирования схем промышленных ЛГ, снабженная разработанным программным обеспечением для реализации ее каждого этапа; методика совместного моделирования схем ЛГ и нагрузки; алгоритмы решения краевой задачи, применительно к схемам ЛГ и метод параметрического синтеза на ,.этой основе; автоматизированный ЛТ для электротехнологий. Исследовано влияние параметров колебательной системы на характер ИПР в схемах промышленных ЛГ;
- 6 -влияние ИПР схем ЛГ на сеть промышленной частоты.
Реализация результатов. Полученные в диссертационной работ результаты связаны с выполнением работ в рамках НИР с ВНИИТВЧ НИИЯФ МГУ, НИЛТ, АО "Северский трубный завод". Результаты работ используются как для научно-исследовательских целей, так' и учебном процессе Электротехнического Департамента Падуанског университета (Италия) и Института электронагрева Ганноверскої университета (Германия). Результаты расчетов были использоваї фирмой IMAIRAN 70IUA ОЇ (Финляндия). Программное обеспечен* используется в учебном процессе специальности "Автрматизированнь электротехнологические установки и системы" СПоТЭТУ.
Апробация работы. Основные научные положения и результат диссертационной работы докладывались автором и получили поддерж* на 13 Международных, Всесоюзных и Всероссийских конферешдаях. Ої получили поддержку Российского Фонда Фундаментальных исследоваш JS 94-02-05796-а. Результаты работы докладывались и одобрены і конференциях профессорско -преподавательского состава СПоТЭТУ 1984-94 гг., на семинаре Электротехнического 'Департамент Падуанского университета (Италия, 1991), на семинаре Институт электронагрева Ганноверского университета (Германия, 1991), і семинаре Департамента научных исследований фирмы TATRAN VOIMA С (Финляндия, 1990), на семинаре фирмы SIATEM (Италия, 1991).
Публикации. По проблематике диссертационной работы авторе опубликовано 43 работы, в том числе 1 монография в соавторстве, учебно-методических работы, 5 авторских свидетельств и зарегистрированных программных средств.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит і введения, шести глав, заключения, приложений и списка литератур! включающего 169 наименований. Основное содержание работы изложеі на 298 страницах машинописного текста. Работа содержит 1< рисунок и 51 таблицу. В приложения вынесены акты внедрения наиболее громоздкие результаты расчетов.