Введение к работе
Актуальность работы.
Индукционная тигельная плавка металлов используется на многих литейных заводах во всем мире, что объясняется, прежде всего, высоким КПД данной технологии, при этом важным сопутствующим фактором является перемешивание расплава за счет силового воздействия электромагнитного поля, способствующего получению однородных химических и физических свойств расплава. Интенсивность перемешивания металла определяется частотой тока индуктора, причем оптимальное для перемешивания значение частоты существенно меньше значения, требуемого для эффективного нагрева. Поэтому одной из главных проблем является обеспечение, как эффективного нагрева, так и интенсивного перемешивания металла, что решается применением одновременного двухчастотного индукционного нагрева. Существенный вклад в развитие двухчастотных преобразователей внесли В.И. Лузгин, С.В. Дзлиев, W. Schwenk, V. Rudnev.
Энергетическая эффективность при создании двухчастотных систем приобретает особую важность, так как установки для плавки металла обладают большой выходной мощностью и стоимостью. Поэтому необходимо провести сопоставительный анализ известных способов формирования двухчастотного тока по энергетическим показателям.
Точное определение энергетических показателей преобразователей частоты (ПЧ) невозможно без эквивалентной схемы индуктора, адекватно отражающей зависимость его активно-индуктивного импеданса от частоты тока индуктора. Наличие в схеме частотно-зависимых элементов не позволяет непосредственно использовать классическую эквивалентную схему при двухчастотных электромагнитных полях. Эта задача решается путем разделения эквивалентной схемы на две ветви, каждая из которых отражает свойства индуктора на заданной частоте. Однако при этом возникает проблема селекции частотных составляющих тока в ветвях, которая иногда решается включением заграждающих частотных фильтров, оказывающих влияние на импеданс индуктора и приводящих к существенным ошибкам при моделировании.
Звеном, позволяющим получить резонансный режим сразу на двух синтезируемых частотах, а соответственно и высокие энергетические показатели всей системы, является двухчастотный резонансный контур, элементы которого должны обладать минимальной установленной мощностью.
Наиболее часто для синтеза двухчастотного тока индуктора применяются суммирующие ПЧ, построенные по принципу сложения выходных параметров двух автономных инверторов работающих на разных частотах. В состав суммирующих ПЧ входит частотный фильтр, блокирующий протекание тока соседнего инвертора, при этом достичь полного блокирования можно только при фильтрах с большой постоянной времени и габаритной мощностью. Результаты проведенных к настоящему времени исследований не позволяют рассчитать фильтр по условию минимума его габаритной мощности и наилучших энергетических показателей транзисторных инверторов.
При создании двухчастотных тигельных печей низкая частота имеет величину порядка десятков Герц, что приводит к существенному росту массогабаритных параметров электромагнитных элементов низкочастотного канала ПЧ, в частности согласующего трансформатора. Наиболее эффективным способом снижения массы низкочастотных элементов является введение в преобразователь промежуточного звена повышенной частоты (ЗПЧ), большой вклад в развитие теории таких систем внес проф. А.В. Кобзев. Однако, известные решения ЗПЧ не учитывают специфику работы резонансного ПЧ, связанную с необходимостью создания контуров рекуперации энергии. Важное значение имеет обеспечение благоприятной коммутации транзисторов высокочастотного инвертора и учет влияния паразитных параметров трансформатора.
Таким образом, вышеизложенное определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации.
Цель работы – разработка и исследование энергетически эффективных преобразователей частоты для двухчастотной индукционной тигельной плавки металлов.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:
-
Анализ требований, предъявляемых технологическим процессом двухчастотной индукционной плавки к параметрам ПЧ. Разработка резонансного контура и эквивалентной схемы индуктора, учитывающей переменный характер его импедансно-частотных характеристик.
-
Сопоставительный анализ способов формирования двухчастотного тока индуктора. Исследование схем суммирования выходных параметров разночастотных ПЧ. Оценка энергетических показателей ПЧ и выявление их зависимостей от параметров контура и соотношения амплитуд синтезируемых токов.
-
Разработка энергетически эффективного регулируемого низкочастотного резонансного преобразователя с ЗПЧ.
-
Экспериментальная проверка полученных результатов моделирования схем ПЧ.
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 MathCAD и схемотехнического моделирования PSpice. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением данных, полученных расчетным путем, с результатами моделирования и физического эксперимента. Новизна технических решений подтверждается патентами РФ на изобретение.
Научная новизна.
-
Предложена имитационная модель индуктора с резонансным контуром для систем двухчастотного индукционного нагрева, учитывающая зависимость сопротивления расплавляемого металла от частоты тока индуктора.
-
Установлены зависимости энергетических показателей схем суммирования выходных параметров двух разночастотных резонансных инверторов от параметров двухчастотного резонансного контура и соотношения амплитуд синтезируемых частотных составляющих тока индуктора.
-
Предложен способ минимизации взаимного влияния частотных составляющих в схеме суммирования токов разночастотных резонансных инверторов.
-
Разработан новый способ формирования низкочастотного выходного тока индуктора, основанный на возбуждении резонансного контура пачками однополярных высокочастотных импульсов.
Практическая ценность.
-
-
-
-
Создана имитационная модель индуктора с резонансным контуром, позволяющая определять реальные энергетические характеристики ПЧ при различных способах формирования двухчастотного тока.
-
Получены расчетные соотношения, позволяющие определить параметры элементов двухчастотного резонансного контура с заданными значениями синтезируемых частот.
-
Введение «фильтра-пробки» в цепь низкочастотного ПЧ позволило существенно улучшить его энергетические характеристики за счет исключения взаимного влияния синтезируемых частот. Определены значения элементов двухчастотного резонансного контура, соответствующие их минимальной габаритной мощности.
-
Применение низкочастотного преобразователя с ЗПЧ позволило существенно уменьшить массогабаритные параметры трансформатора, обеспечив при этом резонансный режим работы ПЧ.
На защиту автором выносятся следующие положения (тезисы):
-
Зависимость сопротивления расплавляемого металла от частоты тока индуктора может быть учтена в имитационной модели индуктора с резонансным контуром путем расположения частотно-зависимых элементов в соответствующих ветвях контура.
-
Схемы ПЧ с суммированием выходных параметров двух разночастотных резонансных инверторов энергетически эффективнее схем на основе одного преобразователя, т.к. в последнем случае по транзисторам инвертора протекает двухчастотный ток, вызывая ухудшение энергетических характеристик.
-
Энергетические характеристики преобразователя с суммированием токов двух ИН достигают максимальных значений при полном исключении проникновения высокочастотного тока в низкочастотный инвертор, что обеспечивается введением в схему «фильтра-пробки».
-
Зависимость габаритной мощности фильтрующего дросселя двухчастотного контура от его индуктивности имеет минимум, координата которого обратно пропорциональна соотношению синтезируемых токов.
-
Предложенная схема преобразователя с однополярным возбуждением контура пачками высокочастотных импульсов при длительности пачки меньше половины периода резонансной частоты обеспечивает двухстороннюю проводимость контура при переходе тока через ноль.
Личный вклад автора:
-
Сформированы требования предъявляемые процессом двухчастотной индукционной тигельной плавки к параметрам ПЧ.
-
Проведен сравнительный анализ и систематизация способов формирования двухчастотного тока.
-
Определены расчетные соотношения для реактивных элементов двухчастотного контура по методу парциальных контуров и проведена оценка их габаритных мощностей.
-
Определены благоприятные режимы коммутации транзисторов инвертора с ЗПЧ.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации, полученные автором при выполнении исследований, применяются при проектировании двухчастотных преобразователей частоты в ООО «Магнит М», а также использованы при разработке индукционного комплекса для двухчастотной тигельной плавки черных металлов, внедренного в ОГБОУ СПО «ТомИнТех» г. Томск, что подтверждено соответствующими актами о внедрении. Кроме того, разработанные решения используются в учебном процессе кафедры «Промышленная электроника» ТУСУРа по дисциплине «Основы преобразовательной техники».
Апробация работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
IV Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития». – Томск: В-Спектр, 2007. ч.1. – С. 309-312;
IV Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии». – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – С. 354–356;
XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. Т.1. – С. 285-286;
XVI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. Т.1. – С. 291-293;
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2010». – Томск: В-Спектр, 2010. Ч. 4. – С. 184-187;
V Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии». – Томск: Изд-во ТПУ, 2011. – С. 227–231.
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах, из них 1 статья в центральной периодической печати из перечня ВАК, 1 статья в научно-техническом журнале, 6 – в трудах и сборниках конференций, получено 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и одного приложения. Общий объем работы (без приложений) составляет 131 страниц, в том числе рисунков – 85, таблиц – 3. Список литературы изложен на 13 страницах и содержит 125 наименований.
Похожие диссертации на Энергетически эффективные преобразователи частоты для двухчастотной индукционной тигельной плавки
-
-
-
