Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор систем регулирования выходных параметров электротехнических комплексов индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы 10
1.1 Типовые системы регулирования выходных параметров индукцион-ных установок, обзор современной отечественной практики приме-нения индукционного нагрева металлических шаров под термообра-ботку 10
1.2 Анализ современных схемных решений, направленных на формиро-вание токов высокой частоты 21
Выводы 28
2 Математические основы разработки электротехнического комплеса, обеспечивающего симметричный индукционный нагрев металлических шаров 29
2.1 Математическое описание передачи энергии переменного электромагнитного поля металлоизделию шарообразной формы 29
2.2 Математическое описание распределения энергии электромагнитно-го поля в объёме металлического шара 36
2.3 Обоснование необходимости вращения металлического шара в электромагнитном поле для обеспечения симметрии его нагрева 40
2.4 Определение времени скатывания шара по спиральному транспор-тирующему профилю корытообразного сечения в индукторе 44
2.5 Разработка математической модели комплекса «автономный резо-нансный инвертор-индуктор-шар» 51
Выводы 60
3 Построение системы управления АИР в УИН ТВЧ для симметричного нагрева металлических шаров, конструктивные особенности транспортирующих профилей 61
3.1 Сравнительный анализ вариантов геометрических конфигураций спиральных транспортирующих профилей в УИН ТВЧ для симмет-ричного нагрева металлических шаров 61
3.2 Механико-математическое исследование движения шара в свобод-ном скатывании по комбиспиральному транспортирующему профи-лю в индукторе 74
3.3 Исследование характерных участков плоской развёртки комбиспи-рального транспортирующего профиля 78
3.4 Построение системы управления АИР для электротехнического комплекса индукционного нагрева металлических шаров 86
Выводы 100
4 Экспериментальная и аппаратная часть проведённых исследовний 101
4.1 Описание экспериментов по нагреву металлических шаров энергией высокочастотного электромагнитного поля 101
4.2 Разработка комплексов оборудования, встроенных в автоматические линии непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева металлических шаров под термообработку 111
4.3 Энергетические показатели электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообраз-ной формы 129
Выводы 136
Заключение 138
Библиографический список
- Анализ современных схемных решений, направленных на формиро-вание токов высокой частоты
- Математическое описание распределения энергии электромагнитно-го поля в объёме металлического шара
- Механико-математическое исследование движения шара в свобод-ном скатывании по комбиспиральному транспортирующему профи-лю в индукторе
- Разработка комплексов оборудования, встроенных в автоматические линии непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева металлических шаров под термообработку
Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется необходимостью повышения качества термообработки металлоизделий шарообразной формы, к которым в первую очередь относятся мелющие шары, а также тела качения шариковых подшипников. В связи с этим необходимо разработать электротехнический комплекс с улучшенными функциональными возможностями для термообработки металлоизделий шарообразной формы с симметричным поверхностным индукционным нагревом на заданную глубину и температуру. Развитие силовой электроники и микропроцессорной техники дат новые возможности для построения сложных алгоритмов, направленных на решение поставленных задач. Современные схемные решения, позволяющие формировать токи высокой частоты, как правило, строятся на базе полностью управляемых IGBT транзисторов с высокой коммутационной способностью, что обеспечивает возможность беспрепятственного получения частот тока в диапазоне нескольких килогерц. На этой элементной базе возможно создание электротехнического комплекса для индукционного нагрева, обеспечивающего достижение оптимального сочетания высокой поверхностной тврдости шара в совокупности с вязко-пластичной сердцевиной, предопределяющей противоударную стойкость.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2010-2013 гг.; при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Степень разработанности темы исследования. Многие исследователи неоднократно обращались и продолжают обращаться к проблеме симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы и, как следствие, вопросу разработки системы управления для такого нагрева. Огромный вклад в области построения систем управления для индукционного нагрева изделий различной формы внесли отечественные и зарубежные ученые – В.П. Вологдин, Г.И. Бабат, А.Е. Слухоцкий, В.С. Немков, В.Б. Демидович, С.Е. Рыскин, А.Б. Кувалдин, А.Н. Шамов, Л.С. Зимин, В.А. Бу-канин, E. J. Davies, R. Poiroux, S. Lupi, R. M. Baker, E. Kolbe, M. J. Sablic, и др. Известен ряд работ, посвященных вопросу индукционного нагрева металлоизделий различной формы, в том числе шарообразной. Сохраняет актуальность проблема разработки электротехнического комплекса для сим-
метричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы.
Цель работы – разработка и исследование электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», позволяющего осуществлять симметричный индукционный нагрев металлоизделий шарообразной формы с заданными технологическими параметрами.
Идея работы состоит в создании системы регулирования автономным резонансным инвертором, позволяющей поддерживать заданные технологические параметры при движении шара через индуктор при его симметричном нагреве под термообработку.
Научная новизна:
– разработана система управления автономным резонансным инвертором, отличающаяся от известных возможностью регулирования мощности и активной глубины нагрева при движении шара через индуктор;
– определены параметры электрической схемы замещения системы «индуктор-шар», отличающиеся от известных учетом фактора изменения индуктивности контура вследствие движения металлического шара через индуктор;
– разработана новая спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора, отличающаяся от известных обеспечением возможности вращения металлических шаров в высокочастотном электромагнитном поле с целью их равномерного по объму либо поверхности нагрева.
Теоретическая и практическая значимость:
– разработанная спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора позволяет обеспечить возможность вращения металлоизделий шарообразной формы в электромагнитном поле;
– разработанная система управления автономным резонансным инвертором позволяет осуществлять симметричный индукционный нагрев металлических шаров от 200 С до закалочных 800 0 С с заданными технологическими параметрами.
Методология и методы исследования. Объектом исследования являлся электротехнический комплекс «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар». При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория индукционного нагрева, теория теплопроводности, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математиче-
ских моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакетов математических программ Simulink и Wolfram Mathematica.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов теоретических исследований, математического моделирования и экспериментальных данных с положениями теории индукционного нагрева и автоматического управления.
Реализация работы. Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (Электропривод) Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).
На защиту выносится:
– построенная математическая модель электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар»;
– разработанная система управления автономным резонансным инвертором, позволяющая регулировать технологические параметры установки: мощность и активную глубину нагрева шара;
– результаты исследования динамических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», проявляющихся при прохождении шара через индуктор;
– результаты исследования энергетических характеристик электротехнического комплекса оборудования «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе» (г. Долгопрудный 2011); на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молоджи НТТМ-2011 (г. Москва 2011); на III Международной Научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молоджи – путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва 2011); на Всероссийском Конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых по основным направлениям инновационного развития крупнейших отечественных компаний в области машиностроения, телекоммуникаций и связи (г. Долгопрудный 2012); на финальном мероприятии по отбору работ по про-
грамме У.М.Н.И.К. фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Липецк 2012); на Полуфинале Всероссийского конкурса инноваций им. В. Зворыкина (г. Солнечногорск 2010); на смене «Инновации и техническое творчество» Всероссийского форума Селигер-2010 (оз. Селигер 2010); в ОАО «НЛМК» (г. Липецк 2011); на I Международной межотраслевой научно – практической конференции молодых уч-ных и специалистов (г. Харьков 2012); на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учных по нескольким междисциплинарным направлениям (г. Новочеркасск 2011); на Международной научно–технической конференции «Состояния и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения к 130– летию изобретения электродуговой сварки Н.Н. Бенардосом) (г. Иваново 2011); на IX Международной научно–практической интернет–конференции «Энерго– и ресурсосбережение – XXI ВЕК» (г. Орел 2011); на III Международной научно–практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза 2012); на IV международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк 2010); на IX Всероссийской школе-конференции молодых учных «Управление большими системами» (г. Липецк 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 4 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 118 наименований, и 6 приложений. Общий объем работы – 160 страниц. Основная часть изложена на 149 страницах текста, содержит 55 рисунков, 5 таблиц.
Анализ современных схемных решений, направленных на формиро-вание токов высокой частоты
Методология и методы исследования. Объектом исследования являлся электротехнический комплекс «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар». При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория индукционного нагрева, теория теплопроводности, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакетов математических программ Simulink и Wolfram Mathematica.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов теоретических исследований, математического моделирования и экспериментальных данных с положениями теории индукционного нагрева и автоматического управления.
Реализация работы. Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (Электропривод) Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).
На защиту выносится: – построенная математическая модель электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар»; – разработанная система управления автономным резонансным инвертором, позволяющая регулировать технологические параметры установки: мощность и активную глубину нагрева шара; – результаты исследования динамических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», проявляющихся при прохождении шара через индуктор; – результаты исследования энергетических характеристик электротехнического комплекса оборудования «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе» (г. Долгопрудный 2011); на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2011 (г. Москва 2011); на III Международной Научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва 2011); на Всероссийском Конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых по основным направлениям инновационного развития крупнейших отечественных компаний в области машиностроения, телекоммуникаций и связи (г. Долгопрудный 2012); на финальном мероприятии по отбору работ по программе У.М.Н.И.К. фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Липецк 2012); на Полуфинале Всероссийского конкурса инноваций им. В. Зворыкина (г. Солнечногорск 2010); на смене «Инновации и техническое творчество» Всероссийского форума Селигер-2010 (оз. Селигер 2010); в ОАО «НЛМК» (г. Липецк 2011); на I Международной межотраслевой научно – практической конференции молодых учёных и специалистов (г. Харьков 2012); на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям (г. Новочеркасск 2011); на Международной научно – технической конференции «Состояния и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения к 130–летию изобретения электродуговой сварки Н.Н. Бенардосом) (г. Иваново 2011); на IX Международной научно – практической интернет–конференции «Энерго– и ресурсосбережение – XXI ВЕК» (г. Орел 2011); на III Международной научно–практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза 2012); на IV международной научно-практической конферен 9 ции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк 2010); на IX Всероссийской школе-конференции молодых учёных «Управление большими системами» (г. Липецк 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 4 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 118 наименований, и 6 приложений. Общий объем работы – 160 страниц. Основная часть изложена на 149 страницах текста, содержит 55 рисунков, 5 таблиц.
Математическое описание распределения энергии электромагнитно-го поля в объёме металлического шара
Идеей технического решения задачи симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы является новая конфигурация индуктора ТВЧ, направляющий желоб которого (он же транспортирующий профиль) изогнут в пространственную спираль с вертикальной осью симметрии. Кинематика движения шара по спиральному желобу в индукторе (свободное скатывание) характеризуется двухмерным, а в другом случае, при переменной кривизне витков спирали (или траектории движения центра массы шара) - трёхмерным побуждением к изменению направления его оси собственного вращения от входа в индуктор, до выхода из него, что предопределяет возможность создания УИН непрерывного действия, обеспечивающих равномерное по плотности взаимодействие всей поверхности скатывающегося шара с электромагнитным полем в индукторе и, соответственно, достижение искомого симметричного нагрева на заданную глубину – прямого, скоростного и потому высокоэнергоэф-фективного, практически без окисления и обезуглероживания.
Наиболее важной, в методологическом плане, теоретической предпосылкой к разработке нового индукционного оборудования для симметричного нагрева металлических шаров является: концепция виртуального характера изменения направления оси собственного вращения шара при скатывании по спиральному транспортирующему профилю в индукторе, т.е. за поворотом оси не следует поворот тела шара (подтверждается исследованиями движения шарика в радиально-упорном подшипнике [36, 37]), иллюстрируется рисунком 2.2. На рисунке 2.2, демонстрируется эксперимент: изготовлена в натуральную величину (применительно к шару »40…30) модель спирального транспортирующего профиля корытообразного сечения, наружная стенка витков в котором выполнена из светопрозрачного пластика для видеофотометрии «летящей» по спирали камерой (реально – 3…4 стационарные камеры с широкозахватными объективами). На поверхности шара помечено цветовое пятно и фиксируется оно на исходной позиции перед входом в транспортирующий профиль так, что это пятно располагается по горизонтальной оси шара согласно кадру 1 (в полюсе P). Далее шар отпускается в свободное скатывание, идёт съёмка траектории перемещения пятна (P) с видом через прозрачную стенку. При разработке изображённого посередине круга построения траектории пятна (вид А) использован приём упрощённого геометрического дифференцирования, оперирующего не производными, а приращениями: изменение направления оси вращения шара происходит дискретно, с при 42 ращениями через n0 (в нашем случае n=150 ), пятно описывает вокруг этих фиксированных осей окружности последовательно возрастающего диаметра, видимые сквозь прозрачную боковую стенку в форме эллипсов; затем участки кривых этих эллипсов лекально соединяются, образуя разворачивающуюся спираль. В кадре 1 в течение некоторого времени камера «видит» цветовое пятно в виде точки, лежащей на горизонтальной оси вращения шара. В кадрах 2 и 3 уже видна разворачивающаяся спираль траектории пятна (в кадре 2 спираль целиком начертана на видимой полусфере шара до направления оси вращения под углом 450 , в кадре 3 продолжение поворота оси до 900 ). В кадре 4 спираль траектории в экстремуме, пятно вращается в диаметральной плоскости вокруг вертикальной оси. Камера фиксирует эту траекторию в виде прямой линии – диаметра шара.
В приведенной упрощённой графической проработке отсутствуют количественные математические значения, тем не менее, в качестве принципиального подхода (алгоритма) к построению траектории она послужит важным подспорьем для последующего строгого математического описания закономерности изменения оси собственного вращения шара.
В конечном счёте, в практическом плане важно не столько описание закономерности изменения направления оси собственного вращения, сколько определение времени скатывания с изменяющимся направлением оси, в частности по треку комбиспирального транспортирующего профиля (подробно описано в параграфе 3.1).
Механико-математическое исследование движения шара в свобод-ном скатывании по комбиспиральному транспортирующему профи-лю в индукторе
Порядок работы установки с индуктором согласно рисунку 3.2. аналогичен рисунку 3.1. в загрузочной части и далее до фокальной зоны с поворотом направления оси вращения на 900 . Преимуществом этого варианта в сравнении с рисунком 3.1. является переменная (возрастающая) кривизна витков спирали транспортирующего профиля выше фокальной плоскости F – F, предопределяющая ускоренное возрастание центробежного воздействия, побуждающего к постепенному пространственному трёхмерному повороту направления оси собственного вращения шара от горизонтального на 900 в координатах X, Y и Z (перемещение шара по спирали из пункта «а» в пункт «б» и далее в пункт «в» можно приравнять к скатыванию по образующим – гиперболам в плоскости рисунка 3.2 с осью собственного вращения в координате Z).
Общим недостатком рассмотренных вариантов согласно рисунку 3.1. и рисунку 3.2. является одноколейность транспортирующего профиля корытообразного сечения, предопределяющая одновременное и непрерывное по всей развёрнутой длине спирали динамическое взаимодействие поверхностей скатывающихся шаров с двумя взаимоперпендикулярными опорными поверхностями – беговой дорожкой и вертикальной наружной стенкой корыта (разнонаправленные на 900 моменты сил трения качения по беговой дорожке и обкатывания вертикальной стенки) с неизбежным возникновением сил трения проскальзывания с верчением согласно [87].
Характер моментов сил трения, действующих одновременно и разнонаправ-лено на всём пути качения шара по таким транспортирующим профилям делает весьма затруднительным предпроектное теоретическое обоснование геометрических параметров индукторов, обеспечивающих искомый симметричный нагрев для практического использования, что чревато возрастанием технических и финансовых рисков при проектировании и изготовлении экспериментальных образцов из – за недостаточной сходимости результатов эксперимента с теоретическим обеспечением. Напрашивается также потребность развития сформулированных в рассмотренных изобретениях идей в части достижения двукратного опрокидывания направления оси собственного вращения шара (горизонт - 900 - горизонт).
В описании к патенту РФ №2370550 «Индуктор « [86] утверждается, что гиперболоидная конфигурация транспортирующего профиля последовательно обеспечивает двойное опрокидывание направления оси собственного вращения шара благодаря ослаблению воздействия центробежных сил ниже фокальной плоскости из – за возрастания радиуса кривизны профиля. На самом деле будет продолжаться возрастание центробежных сил пропорционально квадрату возрастающей с ускорением gsin() окружной скорости центра массы шара ( - угол подъёма спирали), а контрвлияние возрастания величины первого порядка – радиуса кривизны – будет ничтожным. Соответственно не произойдёт искомый второй (обратный) поворот направления оси собственного вращения шара от 900 до горизонтального на выходе из индуктора.
Эти проблемы побудили, во-первых, к поиску технических решений, исключающих отмеченное явление проскальзывания с верчением путём разведения по времени и в пространстве (по разным колеям) максимальных, разнонаправленных на 900 значений моментов сил трения качения MXт р и MYт р в начале и завершении дистанции движения шара с поворотом оси собственного вращения на 900.
Следующий вариант – транспортирующий профиль кольцевого поперечного сечения (труба) иллюстрируется рисунком 3.3. Идея кольцевого сечения [88] (с зазором во избежание экранирования) основывается на известном из дифференциальной геометрии представлении об окружности, как геометрическом интеграле множества локальных элементов в виде дуг равной кривизны с единым центром кривизны – от бесконечно малых, до предельных размеров в виде двух полуокружностей [89].
Соответственно внутренняя поверхность трубы рассматривается как составленная из любого количества линейных (или криволинейных, при изогнутой трубе) желобков дугообразного сечения.
Применительно к рассматриваемой проблеме такими функционально задействованными желобчатыми колеями являются две (рисунок 3.3): - в оси Y нижней части сечения (рисунок 3.3 а) при отсутствии MYт р в прямых участках индуктора на входе и выходе из него; - далее под действием возрастающей центробежной силы шар выкатывается на 900 по криволинейной траектории в другую, боковую желобчатую колею в оси X сечения (рисунок 3.3 в) и самоустанавливается в ней, продолжая движение по закону, близкому к гипоциклоидному, с осью собственного вращения в оси Y. На рисунке 3.3 б показано промежуточное положение шара на полпути к боковой колее профиля.
Важно заметить, что самоустановиться в колее по оси X (рисунок 3.3 в) ещё не значит динамически стабилизироваться в траектории движения шара по этой колее. Здесь возникает ограничение по минимальному соотношению диаметров шара d и внутреннего диаметра D кольцевого сечения направляющего профиля, возникающее в связи с необходимостью сближения кривизны поверхностей шара и кольцевого сечения
Разработка комплексов оборудования, встроенных в автоматические линии непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева металлических шаров под термообработку
Цель постановки ряда экспериментов заключалась в получении информации, характеризующей процесс нагрева металлических шаров энергией высокочастотного электромагнитного поля и её сопоставления с аналитическими данными процесса нагрева согласно математическому аппарату, разработанному в параграфах 2.1 и 2.2 диссертации.
Нагрев металлических шаров энергией высокочастотного электромагнитного поля при проведении экспериментов производился на двух индукторах: – промышленном на базе генератора ВЧГ3-160/0.066 (ремонтный цех прокатного оборудования ОАО «НЛМК» г. Липецк), достигались токи в интервале IИ = 10-12 кА; – лабораторном, который был собран специально для постановки экспериментов на кафедре Электропривода Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ), достигались токи IИ = 0.7-1.5 кА. Генератор ВЧГ3-160/0.066 – типовой, ламповый, его основные характеристики сведены в таблицу 4.1.
Лабораторный индуктор выполнен на основе двухтактного инвертора. Принцип работа инвертора достаточно подробно описан в литературе [102, 103]. Блок-схема предлагаемого инвертора представлена на рисунке 4.1. Рассмотрим каждый из узлов на рисунке 4.1 в отдельности.
Выпрямитель. В представляемой реализации инвертора это самый габаритный узел. Для регулирования выходного напряжения выпрямитель содержит ЛАТР (лабораторный автотрансформатор) [104]. Схема указанного выпрямителя представлена на рисунке 4.2, выпрямитель надежен и удобен в работе.
Отклонение стабилизированного анодного напряжения при регулировании в пределах 3,5-10,5кВт при изменении напряжения питающей сети в пределах ± 5%, %, не более 5
В качестве ключей были выбраны мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (М0SFЕТ) [105, 106]. В специальной литературе были рассмотрены различные варианты генераторов управляющих импульсов [107], в результате была использована микросхема IR2153 (рисунок 4.3) в связи с её функциональной простотой и, как следствие, относительной дешевизной. Необходимое усиление сигналов генератора управляющих импульсов может быть осуществлено применением специализированных интегральных микросхем [108]. В инверторе были использованы драйверы MAX4420, рабочий ток которых достигает 6 А [109]. Они достаточно оперативно могут формировать необходимые сигналы (фронты и спады). Схема включения драйверов MAX4420 представлена на рисунке 4.4.
В силовом модуле имеется полумост, поэтому возникает проблема управления верхним плечом полумоста [110, 111]. Для решения указанной проблемы существуют разные схемные решения (нужно осуществить сдвиг уровня сигнала верхнего плеча) [112]. Указанные схемные решения могут быть разделены на два класса: с использованием гальванической развязкой и без неё. В работе был применён вариант с гальванической развязкой с использованием импульсного трансформатора.
Модуль управления запитан от источника постоянного напряжения (22В, 8А), который состоит из: трансформатора, конденсатора на 1000 мкф (используется в качестве фильтра) и выпрямительного моста. Чтобы получить стабилизированные напряжений 12 В и 15 В были применены стандартные микросхемы LM7812 и LM7815, которые включались согласно [113]. Осциллограмма сигнала, полученного на выходе с блока управления, представлена на рисунке 4.5. Данное измерение было осуществлено на ёмкостной нагрузке (эффективная ёмкостьСэфф. составляла 4000 пФ).
Представленная форма импульсов характерна на рабочем частотном диапазоне от 60 до 300 кГц. Осциллограммы формы сигналов иллюстрируются рисунком 4.6. Полная схема силового модуля представлена на рисунке 4.7. В схеме использовались транзисторы IXFH30N60 фирмы IXYS (рабочий ток и напряжение 30 А и 600 В соответственно, сопротивление в открытом состоянии 0,16 Ом). Силовые транзисторы шунтированы быстрыми диодами VD10 и VD11. Применение снабберов R9-C8 и R10-C9 особенно актуально при работе на индуктор (индуктивная нагрузка) [68]. Напряжение конденсаторов C8 и C9 не менее 600-800В. Так же использовались высоковольтные конденсаторы C10 и C11 (рабочее напряжение более 400 В). Использовались 3 конденсатора ёмкостью 0,47 мкФ каждый, которые были соединены параллельно.
Так же как и для первичной обмотки используется медь. Индуктор состоит из нескольких витков медной трубки диаметром 4 мм. Общая схема инвертора, собранного в лаборатории кафедры Электропривода Липецкого государственного технического университета представлена на рисунке 4.9. Следует отметить тот факт, что результаты, полученные в ходе постановки ряда экспериментов индукционного нагрева, внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» ЛГТУ, а индуктор, собранный в лабораторных условиях и представленный в приложении Б, используется в качестве базы для проведения ряда практических работ студентами.
