Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные направления совершенствования комплексов индукционного нагрева 8
1.1. Технологии с применением индукционного нагрева 8
1.2. Особенности индукционной системы 18
1.3. Структура комплексов индукционного нагрева 23
1.4. Современные комплексы индукционного нагрева и основные пути их совершенствования 26
1.5. Выводы и постановка задачи 36
ГЛАВА 2. Адаптивный алгоритм самовозбуждения 38
2.1. Определение оптимальных моментов коммутации силовых ключей в транзисторном инверторе напряжения 38
2.2. Разработка адаптивного алгоритма самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения 49
2.3. Выводы 62
ГЛАВА 3. Исследование комплекса индукционного нагрева с согласующим управлением на основе самовозбуждения 63
3.1. Разработка компьютерной модели и исследование рабочих режимов нагревательного комплекса с согласующим управлением на основе самовозбуждения 63
3.2. Сравнительный анализ инвертора напряжения с самовозбуждением и инвертора напряжения с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) 78
3.3. Выводы 89
ГЛАВА 4. Разработьса и исследование комплекса индукционного нагрева 90
4.1. Макет комплекса индукционного нагрева 90
4.2. Экспериментальное исследование транзисторного инвертора напряжения с самовозбуждением в составе комплекса индукционного нагрева 95
4.3. Выводы 106
Заключение 107
Список литературы 109
- Технологии с применением индукционного нагрева
- Определение оптимальных моментов коммутации силовых ключей в транзисторном инверторе напряжения
- Разработка компьютерной модели и исследование рабочих режимов нагревательного комплекса с согласующим управлением на основе самовозбуждения
- Экспериментальное исследование транзисторного инвертора напряжения с самовозбуждением в составе комплекса индукционного нагрева
Введение к работе
Технологии, использующие индукционный нагрев металлов, широко
применяются во многих отраслях промышленности, как в нашей стране, так
и за рубежом. К таким технологиям можно отнести пайку, сварку, закалку,
высокочастотную металлизацию, горячую посадку, съем
машиностроительных деталей, нагрев металла перед пластической деформацией и многие другие. Независимо от технологий проблемы повышения энергетических показателей и эффективности применения являются общими для всех комплексов индукционного нагрева.
Новые решения в области преобразовательной транзисторной техники позволяют существенно повысить энергетические показатели электротехнологических комплексов индукционного нагрева, но требуют разработки новых алгоритмов управления, обеспечивающих оптимальное взаимодействие составляющих элементов комплекса. Решение этих задач открывают широкие возможности модернизации процессов термообработки металлов на машиностроительных предприятиях России.
Актуальность диссертационной работы обусловлена насущными потребностями промышленности в усовершенствовании морально и физически устаревших комплексов индукционного нагрева металлов.
Цель настоящей работы. Разработка структуры и алгоритмов управления, направленных на улучшение энергетических показателей комплекса индукционного нагрева.
Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
Разработка оптимальной структуры комплекса индукционного нагрева с улучшенными энергетическими показателями.
Разработка адаптивного алгоритма оптимального согласующего управления комплексом индукционного нагрева, направленного на повышение КПД и минимизацию реактивной мощности обмена между элементами комплекса.
Разработка и исследование компьютерной модели комплекса индукционного нагрева и настройка параметров алгоритма управления.
Разработка физической модели комплекса индукционного нагрева с улучшенными энергетическими показателями и экспериментальная оценка его эффективности в условиях реальных возмущений.
Методы исследования. При разработке теоретических положений диссертационной работы применялось численное моделирование и экспериментальные исследования на макете комплекса индукционного нагрева.
Научная новизна и значимость работы состоит в следующем:
В структуру комплекса индукционного нагрева включен блок оптимального согласующего управления, который минимизирует обмен реактивной мощностью между элементами комплекса и поддерживает оптимальный режим высокочастотного преобразования при изменении параметров индукционной системы.
Предложен новый алгоритм управления, построенный на основе самовозбуждения с адаптацией параметров к изменению режима работы нагревательного комплекса.
Компьютерная модель разработана с учетом взаимосвязей всех элементов комплекса индукционного нагрева и влияния управляющих воздействий на энергетические показатели, что позволяет выполнять настройку параметров нового алгоритма управления в различных динамических и установившихся режимах, характерных для индукционного нагрева.
Физическое моделирование комплекса индукционного нагрева выполнено на уровне мощности 100 кВт в частотном диапазоне 30... 100 кГц, что позволило оценить эффективность и помехоустойчивость комплекса в условиях реальных возмущений со стороны питающей сети и индукционной нагрузки, подтвердило его работоспособность и высокую эффективность.
Основные положения, выносимые на защиту:
Структура комплекса индукционного нагрева с блоком согласующего управления.
Адаптивный алгоритм оптимального согласующего управления комплексом индукционного нагрева, обеспечивающий повышение КПД и минимизацию реактивной мощности обмена между элементами комплекса при переменных параметрах индукционной системы.
Компьютерная модель, описывающая динамические и установившиеся режимы комплекса индукционного нагрева.
Физическая модель комплекса индукционного нагрева с новым адаптивным алгоритмом управления и оценка его эффективности в условиях реальных возмущений со стороны индукционной нагрузки и питающей сети.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
Введение оптимального согласующего управления в структуру комплекса индукционного нагрева позволяет существенно снизить себестоимость термообработки токами высокой частоты машиностроительных деталей за счет экономии электроэнергии и снижения установленной мощности оборудования.
Адаптивный алгоритм оптимального согласующего управления позволит поднять верхнюю границу диапазона частотного преобразования транзисторных инверторов в составе комплексов индукционного нагрева, что даст большой экономический эффект при замене ламповых генераторов в промышленности.
Разработанная компьютерная модель имеет самостоятельную практическую ценность, так как позволяет выполнять настройку параметров нового алгоритма управления с учетом характерных особенностей конкретных технологий индукционного нагрева.
Физическая модель комплекса индукционного нагрева мощностью 100 кВт может служить прототипом промышленных комплексов
нового поколения для термообработки машиностроительных деталей токами высокой частоты.
Внедрение результатов. Разработанный комплекс индукционного нагрева успешно прошел испытания в межотраслевой лаборатории «Современные электротехнологии» (МОЛ СЭТ) СПбГЭТУ и ООО «ИНТЕРМ».
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МОЛ СЭТ СПбГЭТУ 2006-08 гг.
Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, среди которых 2 публикации в рецензируемом издании, рекомендованном в перечне ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами и заключения. Она изложена на 115 страницах машинописного текста, включает 61 рисунок и содержит список литературы из 63 наименований, среди которых 54 отечественных и 9 иностранных авторов.
Технологии с применением индукционного нагрева
В мире широко применяются различные технологии, использующие индукционный нагрев металлов. К таким технологиям можно отнести пайку, сварку, закалку, высокочастотную металлизацию, горячую посадку, съем машиностроительных деталей, нагрев металла перед пластической деформацией и многие другие.
Основными преимуществами индукционного нагрева перед другими способами электро- и газо- нагрева являются высокая надежность и большой срок службы нагревательных элементов, высокие КПД и производительность, лучшие санитарно - гигиенические условия производства, небольшие размеры нагревательного устройства, высокая ремонтопригодность и возможность автоматизации процесса [14, 23, 26, 27].
Основное отличие индукционного нагрева от других видов нагрева заключается в том, что тепло в нагреваемую деталь не передается из окружающей среды, а возникает в ней самой в результате действия индуктированных токов, при этом сама окружающая среда остается практически холодной.
Высокочастотная, энергия передается в нагреваемые изделия с помощью индуктора, который представляет собой виток или спираль, состоящую из нескольких витков проводника, по которому течет ток высокой частоты. Вокруг витков создается переменное магнитное поле. Подготовленные к нагреву детали располагаются в переменном электромагнитном поле индуктора. Это поле индуктирует электродвижущую силу, под действием которой в металле возникают токи, разогревающие детали до необходимой температуры. Ниже дано описание наиболее распространенных технологических процессов с использованием индукционного нагрева, а также требуемые для них частотные диапазоны, и уровни мощности.
Индукционная пайка. Основное требование при пайке - равномерный нагрев соединяемых деталей в зоне пайки. Температура нагрева места пайки должна превышать температуру плавления припоя на (10 - 30)С. На качество пайки влияет не только конечная температура нагрева места соединения, но также и продолжительность нагрева. Малое время нагрева, меньше 5 — 10 с, может быть недостаточным для завершения процесса очистки флюсом паяемых поверхностей и достижения всеми элементами, участвующими в пайке одинаковой температуры. При очень продолжительном нагреве произойдет излишнее окисление припоя и паяемого металла. В обоих случаях неправильный режим нагрева приводит к ухудшению качества пайки. Время нагрева при пайке обычно составляет (10-М20)с.
Основными достоинствами индукционной пайки являются [8]: 1. меньшее коробление изделия благодаря местному нагреву паяемого соединения; 2. возможность быстро нагревать паяемый материал и производить пайку глубинных швов за счет выделения тепла непосредственно в самом изделии без передачи его извне; 3. высокая производительность процесса, вытекающая из возможности концентрировать значительные мощности в малом объеме; 4. получение однородной качественной пайки посредством регулирования режима нагрева и точной дозировки энергии, передаваемой в изделие, при возможности автоматизировать процесс и организовать его в потоке механической обработки; 5. возможность удешевления и увеличения производительности процесса по сравнению с газопламенной пайкой при улучшении качества изделия (прочность соединения и внешний вид); 6. улучшение и оздоровление труда рабочих. Для индукционной пайки применяют различные частоты тока. В тех случаях, когда требуется равномерно прогреть массивную деталь на значительную глубину, используют средние частоты (1; 2,4; 8; 10 кГц). Чем больше глубина нагрева, тем ниже должна быть частота. Используя высокие частоты (66; 440 кГц), производят нагрев тонкостенных деталей. Мощность нагревательных комплексов лежит в диапазоне 10-100 кВт [8]. Для получения однородных результатов при высокочастотной пайке одинаковых деталей очень важно, чтобы условия нагрева были строго постоянными. Это достигается точным расположением детали в индукторе, а также стабилизацией мощности, напряжения или тока индуктора, времени нагрева. Индукционная сварка позволяет значительно повысить производительность труда и качество при изготовлении электросварных труб, кабелей в металлических оболочках, профилей, улучшить условия труда. В настоящее время распространение получили три вида сварки металлов с использованием индукционного нагрева [24, 34, 54]: прессовая стыковая сварка, сварка оплавлением по отбортованным кромкам, сварка давлением в условиях встречного протекании тока по свариваемым поверхностям. Последний вид реализован в установках индукционной сварки прямошовньгх стальных и алюминиевых труб из ленты, формуемой на специальном стане. Частоты, на которых практически работают установки индукционной сварки прямошовньгх труб — 10 кГц для стальных труб с толщиной стенки до 10 мм, а также 66 и 440 кГц для тонкостенных стальных и алюминиевых труб. Оптимальный частотный диапазон при сварке прямошовньгх труб, по данным [54] определяется из условия устойчивости кромок при осадке (нижний предел) и допустимого температурного градиента по высоте кромок (верхний предел). Мощность выбирается в зависимости от материала свариваемой заготовки и ее геометрии. Подробно методика выбора мощности изложена в [54]. Мощность установок может достигать сотен кВт скорость сварки от 25 до 100 м/мин, а производительность - 200 т/час. Поверхностная закалка. Закалкой называется нагрев стали до температуры выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической. Поверхностная закалка стальных деталей выполняется для получения высокой твердости поверхностного слоя при сохранении гибкости и пластичности сердцевины. Наиболее распространенными методами поверхностного нагрева являются: нагрев кислородно-ацетиленовым пламенем или газовой горелкой, нагрев в водном электролите при пропускании электрического тока, контактный нагрев электротоком, индукционный нагрев токами высокой и промышленной частоты. Закалка при индукционном нагреве имеет ряд преимуществ по сравнению с закалкой при нагреве другими способами. При использовании индукционного нагрева улучшается качество изделий (уменьшается деформация, практически полностью устраняется окисление) и значительно повышается производительность.
Определение оптимальных моментов коммутации силовых ключей в транзисторном инверторе напряжения
После полного перезаряда проходных емкостей включаются обратные диоды транзисторов М2 и МЗ (момент времени t4), которые проводят до момента t8, когда ток в нагрузочном контуре меняет знак. Управляющий импульс на включение транзисторных ячеек М2 и МЗ подается в момент времени t5. Полупроводниковая структура этих транзисторов начнет открываться в момент времени te при достижении напряжением затвор -исток значения Uos(th)mm- Полностью эта пара транзисторов откроется, когда напряжение затвор - исток достигнет значения UGs(th)max- Потери включения транзисторов М2 и МЗ обусловлены только разрядом проходных емкостей. Отрицательный импульс мгновенной мощности физически означает отдачу энергии, накопленной в проходных емкостях транзисторов. Потери в открывающейся полупроводниковой структуре отсутствуют, так как коммутация осуществляется при отсутствии тока и напряжения на ключах. Временной интервал t g является самым благоприятным для включения транзисторов М2 и МЗ. Включение этих транзисторов должно начинаться после полного перезаряда проходных емкостей и заканчиваться до перехода тока нагрузочного контура через ноль. Если включить транзисторы М2 и МЗ на интервале tit2, когда проводят транзисторы Ml, М4, то источник питания инвертора будет закорочен транзисторами. Включение транзисторов на интервале t2t4 приведет к росту потерь включения, так как оно осуществляется при наличии напряжения на включаемых транзисторах. Включение транзисторов М2, МЗ после момента времени t8, вызовет бросок тока восстановления обратных диодов транзисторов Ml, М4, что также приведет к увеличению потерь включения.
При емкостном рассогласовании (частота работы инвертора меньше резонансной частоты нагрузочного контура) выключение транзисторов Ml и М4 происходит без потерь, так как в это время уже проводят их встречные диоды. Включение транзисторов М2 и МЗ сопровождается большими потерями как в них самих, так и в транзисторах Ml и М4. Это связано с тем, что источник, питающий инвертор, на короткое время оказывается закороченным из-за тока обратного восстановления антипараллельных диодов силовых транзисторов Ml и М4. Режим работы транзисторного инвертора напряжения с емкостным рассогласованием является нежелательным.
Для снижения коммутационных потерь выключения необходимо уменьшить ток, протекающий через закрывающуюся полупроводниковую структуру силовых транзисторов. Этого можно добиться путем уменьшения индуктивного рассогласования инверторного моста. На рис. 2.3. приведены временные диаграммы коммутационного процесса с минимальными потерями в силовых ключах, которые обусловлены только перезарядом их проходных емкостей. Частота работы инвертора составляет 66,2 кГц. В момент времени ti с транзисторов Ml, М4 снимается импульс управления. На временном интервале tit2 входная емкость затвор - исток разряжается через сопротивление управляющего устройства. Напряжение затвор - исток падает, значение тока стока не изменяется. Транзисторы все это время открыты. Они начнут закрываться только тогда, когда напряжение затвор — исток достигнет значения Uos(th)max (момент времени t2). С этого момента полупроводниковая структура транзисторов начинает закрываться, сопротивление прямой проводимости увеличивается, напряжение на транзисторах возрастает. Транзисторы полностью закроются, в момент времени t3, когда напряжение затвор - исток достигнет значения UGS(th)mm- В данном случае эффект Миллера проявляется после полного закрытия полупроводниковой структуры силовых транзисторов. Это связано с уменьшением скорости изменения напряжения сток — исток. На временном интервале t2t3 ток нагрузочного контура поддерживается током, проходящим через закрывающуюся полупроводниковую структуру транзисторов Ml и М4. На временном интервале t3t4 ток нагрузки поддерживается за счет тока заряда емкостей сток — исток силовых транзисторов Ml и М4 и разряда аналогичных емкостей транзисторов М2 и МЗ. Потери выключения силовых транзисторов Ml и М4 выделяются на временном интервале t2i4. Их уровень значительно ниже, чем при работе на частоте 68 кГц. Это связано с уменьшением уровня тока, проходящего через закрывающиеся транзисторы, а также со значительным снижением временного интервала закрытия полупроводниковой структуры транзисторов. Управляющий импульс на включение транзисторов М2 и МЗ подается в момент времени t4.
Разработка компьютерной модели и исследование рабочих режимов нагревательного комплекса с согласующим управлением на основе самовозбуждения
Исследование различных режимов работы транзисторного инвертора напряжения с системой фазовой автоподстройки частоты проводилось с помощью компьютерного моделирования. Расчетная схема силовой части транзисторного инвертора напряжения приведена на рис. 3.15. Инвертор питается от идеального источника постоянного напряжения Vd, который моделирует выпрямитель, Rgl, Rg2, Rg3 и Rg4 - сопротивления в цепи затворов силовых транзисторов. В расчетной схеме используется модель IGBT транзистора APT75GP120JDF3.
Элемент HI является датчиком тока нагрузочной диагонали. Элементы Eletable - E4etable выполняют роль драйверов, управляющих силовыми ключами.
Частотный диапазон работы ФАПЧ задается с помощью резисторов R1, R2 и конденсатора С1 и примерно составляет 10 - 250 кГц. Импульсы с генератора управляемого напряжением VCO_OUT поступают на силовые ключи, минуя элементы U3 — U7. На этих элементах импульсы делятся на два канала, и между ними устанавливается мертвое время равное 200 не. Элемент U1 отслеживает момент перехода выходного тока через ноль. Сигнал с Ш поступает на один из входов фазового компаратора микросхемы CD4046. В качестве сигнала, фиксирующего переход выходного напряжения через ноль, используется один из импульсов управляющих силовыми ключами. Сдвиг этого сигнала на некоторое время t осуществляется с помощью интегратора, построенного на основе операционного усилителя U8. Пусть собственная частота нагрузочного контура равна 66 кГц. Временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выхода инвертора на заданный режим приведены на рис.3.17. Инвертор пускается на максимальной частоте 250 кГц. Большие коммутационные потери в начальный момент времени обусловлены недостаточной задержкой между импульсами управления силовыми транзисторами. В исследуемой модели она заданна жестко и равна 200 не. При работе с небольшим током собственные емкости не успевают перезаряжаться за такое время, поэтому коммутация транзисторов проходит при наличии на них напряжения. Это приводит к высокому уровню коммутационных потерь в начальный момент времени, когда инвертор работает на частоте далекой от резонансной частоты нагрузочного контура. Выход на заданный режим осуществляется примерно за 1мс. Это время можно уменьшить, снизив постоянную времени фильтра R3C2. С другой стороны это может привести к кратковременны переходам инвертора в режим емкостной коммутации. В установившемся режиме коммутационные потери находятся примерно на уровне 2 кВт. Уменьшив время рассогласования t уровень потерь можно снизить, однако это также может привести к переходу инвертора в емкостную коммутацию в динамических режимах. Данное условие является большим недостатком рассматриваемой системы фазовой автоподстройки частоты. При работе на нагрузочный контур с большей собственной резонансной частотой уровень коммутационных потерь может существенно возрасти. Это приведет не только к снижению КПД системы, но также может вывести силовые приборы из строя. На рис. 3.18. приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выхода инвертора на заданный режим при работе на нагрузочный контур с частотой 150 кГц.
При работе на нагрузочный контур с большей частотой инвертор выходит на заданный режим быстрее. При пуске не наблюдается высокий уровень коммутационных потерь. Это обусловлено увеличением начального тока инвертора. Проходные емкости силовых транзисторов успевают перезарядиться, и коммутация силовых ключей проходит при отсутствии на них напряжения. Уровень коммутационных потерь в установившемся режиме значительно увеличился и составляет примерно 5 кВт. Это можно объяснить двумя факторами: увеличением частоты работы инвертора, увеличением рассогласования, которое привело к увеличению коммутируемого тока. При работе инвертора на нагрузочный контур с еще большей частотой рассогласование увеличится, коммутируемый ток увеличится и, следовательно, увеличатся коммутационные потери в силовых ключах.
Экспериментальное исследование транзисторного инвертора напряжения с самовозбуждением в составе комплекса индукционного нагрева
Разработка и исследование макета нагревательного комплекса показали, что для работы адаптивного алгоритма самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения достаточно двух датчиков, датчика выходного тока (трансформатор тока), и датчика выходного напряжения (трансформатор напряжения). Допустимо использовать для формирования импульсов управления силовыми транзисторами вместо сигналов напряжения на транзисторах сигнал выходного напряжения инвертора.
Исследования рабочих режимов макета нагревательного комплекса с согласующим управлением на основе адаптивного алгоритма самовозбуждения показали, что данный алгоритм обеспечивает оптимальную коммутацию силовых транзисторов инвертора при пуске, в установившемся режиме, и в различных динамических режимах, характерных для индукционной нагрузки. 3. Опытный образец комплекса индукционного нагрева на базе транзисторного инвертора напряжения с адаптивным алгоритмом самовозбуждения с применением в качестве силовых ключей IGBT подтвердил целесообразность отказа от параллельного включения большого числа MOSFET при создании мощных преобразователей. 1. Разработана структура комплекса индукционного нагрева с блоком оптимального согласующего управления, который минимизирует обмен реактивной мощностью между элементами комплекса и поддерживает оптимальный режим высокочастотного преобразования при изменении параметров индукционной системы. Это позволяет существенно снизить себестоимость термообработки токами высокой частоты машиностроительных деталей за счет экономии электроэнергии и снижения установленной мощности оборудования. 2. Разработан адаптивный алгоритм оптимального согласующего управления комплексом индукционного нагрева, обеспечивающий повышение КПД при переменных параметрах индукционной системы. Алгоритм построен на основе самовозбуждения с адаптацией параметров к изменению режима работы нагревательного комплекса. Внедрение алгоритма позволит поднять предельную для современных транзисторов верхнюю границу частотного диапазона преобразователей, применяемых в составе комплексов индукционного нагрева, что даст большой экономический эффект при замене ламповых генераторов в промышленности. 3. Разработана компьютерная модель комплекса индукционного нагрева, учитывающая взаимосвязи всех элементов комплекса и влияние управляющих воздействий на энергетические показатели в различных динамических и установившихся режимах, характерных для индукционного нагрева. Выполнена настройка параметров нового алгоритма управления с учетом характерных особенностей конкретных технологий индукционного нагрева. 4. Разработана физическая модель комплекса индукционного нагрева мощностью 100 кВт, на котором выполнена экспериментальная оценка эффективности нового адаптивного алгоритма управления. Установлено, что потери в силовых транзисторах инвертора при реализации предложенного алгоритма снижаются в 1,8...2,3 раза. Физическая модель послужила прототипом разработанного фирмой «ИНТЕРМ» промышленного комплекса термообработки машиностроительных деталей токами высокой частоты.
