Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ схемотехнических решений источников питания индукционных печей 12
1.1 Состояние проблемы 12
1.2 Схемотехника одноключевых однофазных резонансных инверторов тока 18
1.3 Модульность как средство повышения эффективности систем электропитания 21
1.4 Системы электропитания для многопостовой плавки металлов 23
1.5 Постановка задачи 28
Выводы по главе 1 29
Глава 2 Электромагнитные процессы в одноключевых резонансных инверторах с закрытым входом в системах питания индукционных плавильных печей 30
2.1 Динамика изменения электрофизических параметров индукционной печи в процессе плавки 30
2.2 Одномо дульная система электропитания однопостовой индукционной установки 48
2.2.1 Имитационная модель 50
2.2.2 Электромагнитные процессы и оценка эффективности использования оборудования 56
Выводы по главе 2 64
Глава 3 Многомодульная система электропитания однопостовой индукционной установки 65
3.1 Имитационная модель 67
3.2 Динамика электромагнитных процессов в многомодульном источнике питания однопостовой индукционной установки 72
3.3 Оценка эффективности применения многомодульной структуры
Выводы по главе 3 95
Глава 4 Влияние разброса параметров на распределение мощности между параллельно работающими модулями 97
4.1 Разброс по сопротивлению тиристоров инвертора 97
4.2 Разброс по внутреннему сопротивлению обратных тиристоров инвертора 101
4.3 Разброс по моменту подачи импульсов управления тиристорами 104
4.4 Оценка совместного влияния разброса параметров на распределение мощности 107
Выводы по главе 4 113
Глава 5 Многомодульная система электропитания многопостового комплекса для индукционной плавки металлов 114
5.1 Имитационная модель 117
5.2 Динамика изменения структуры системы электропитания в процессе многопостовой плавки 125
5.3 Оценка эффективности применения многомодульной структуры 131
5.4 Варианты схемотехнических решений многомодульных источников питания 141
Выводы по главе 5 147
Заключение 148
Список использованных источников
- Модульность как средство повышения эффективности систем электропитания
- Электромагнитные процессы и оценка эффективности использования оборудования
- Динамика электромагнитных процессов в многомодульном источнике питания однопостовой индукционной установки
- Разброс по моменту подачи импульсов управления тиристорами
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современная металлургия уже не может обойтись без использования в литейном производстве высокочастотных преобразовательных систем для плавки черных и цветных металлов. Многочисленные исследования, касающиеся разработки высокоэффективных систем электропитания индукционных плавильных печей, и широкая номенклатура выпускаемых промышленных установок убедительно подтверждают неослабевающий интерес к этому технологическому процессу. Современные источники питания индукционных установок (ИПИУ) фактически уже достигли своих предельных технико-эксплуатационных показателей (ТЭП), таких как надежность, срок службы силового оборудования, возможность наращивания мощности без замены источников питания плавильных печей на новые (т.е. уменьшение затрат на оборудование при наращивании производственных мощностей), сокращение номенклатуры выпускаемых преобразователей для индукционной плавки, эффективность использования оборудования, понимаемая как степень соответствия фактической загрузки источников питания индукционных печей их потенциальным возможностям. По данным отечественных и зарубежных публикаций эффективность использования оборудования в системе «один источник - одна печь» не превосходит 30-40%. Дальнейшее повышение ТЭП исследователи видят на пути перехода к модульной архитектуре ИПИУ.
Концепция модульного построения источников электропитания на базе вентильных преобразователей частоты интенсивно развивалась применительно к системам централизованного электроснабжения и источникам бесперебойного питания. В работах Г.Г. Адамия, В.А. Чванова, И.И. Кантера, И.И. Артюхова, Н.П. Митяшина, Ю.Б. Томашевского, A.L. Shinkman, I. Szekely, D.A. Fujin, J.H.R. Enslin, M.A. Slonim и др. заложены принципы построения многомодульных оперативно перестраиваемых преобразовательных сетей на базе инверторов тока и напряжения, предложены схемотехнические решения и алгоритмы оперативного управления такими системами.
Вопросы применения многомодульных источников для питания индукционных печей рассматривались в работах Е.И. Берковича, В.И. Лузгина, Е.М. Силкина, J.H. Simcock, O.S. Fishman, J.H. Mortimer. В публикациях обосновывалась перспективность использования модульной архитектуры и описывалась работа простейших двухмодульных комплексов. В то же время ряд принципиальных проблем, касающихся оперативной адаптации структуры ИПИУ к изменяющимся в процессе плавки параметрам нагрузки, анализа динамики электромагнитных процессов при изменении топологии токопроводящих цепей, обеспечения равномерной загрузки модулей, остаются открытыми, что делает предпринятые исследования актуальными.
Кроме того, мало изученной остается область электропитания многопостовых индукционных установок. Применение модульной архитектуры для построения систем электропитания многопостовых плавильных участков (с
их весьма широким диапазоном изменения нагрузочных параметров) также является актуальной задачей исследования.
Цель работы: разработка и исследование многомодульных источников питания, обеспечивающих увеличение сроков эксплуатации силового оборудования, повышение надежности и нагрузочной способности для питания индукционных плавильных установок.
С учетом поставленной цели решаются задачи:
1. Разработка компьютерной программы для расчета зависимости
электрофизических параметров индуктора от температуры расплавляемого в
нем металла.
2. Модернизация схемотехнических решений одноключевых (quarter-
bridge) резонансных инверторов с целью обеспечения возможности их
параллельной работы.
-
Разработка имитационной модели многомодульного комплекса на базе одноключевых резонансных инверторов, работающих на общую нагрузку.
-
Разработка имитационной модели многомодульного комплекса электропитания многопостовой системы индукционной плавки.
-
Исследование динамических процессов, возникающих в многомодульной системе электропитания индукционных установок.
6. Анализ распределения мощности между параллельно работающими
инверторами при разбросе внутренних электрофизических параметров элементов.
Объектом исследования являются источники питания индукционных плавильных установок на базе quarter-bridge инверторов.
Предметом исследования являются схемотехника и электромагнитные процессы в многомодульных одноключевых резонансных инверторах при их параллельной работе на индукционные печи.
Научная новизна:
1. Впервые разработаны и предложены имитационные модели
многомодульного преобразовательного комплекса, построенного на базе
одноключевых резонансных инверторов, позволяющие на этапе
проектирования выполнить полный анализ системы электропитания и
обоснованно выбрать наилучшие схемотехнические решения.
2. Установлено, что оперативная перестройка структуры
преобразовательного комплекса на базе параллельно работающих инверторных
модулей возможна только при замене обратных диодов на управляемые ключи,
а для снижения потерь в снабберных цепях необходимо введение симисторов.
-
Впервые обосновано повышение эффективности использования силового оборудования на 20-25 % для однопостовой нагрузки и 24-42 % для многопостовой нагрузки благодаря применению многомодульных преобразовательных комплексов.
-
Показано, что реально существующий разброс в параметрах элементов инверторных модулей (<10 %) вызывает неравномерность распределения токов между ними не более 20 %, что позволяет обойтись без применения специальных схем и алгоритмов управления для выравнивания нагрузки между параллельно работающими одноключевыми резонансными
инверторами. Равномерность токовой нагрузки можно обеспечить фазовым сдвигом моментов включения тиристоров инверторов. Практическая ценность работы:
1. Разработана программа для расчета изменяющихся в процессе плавки
электрофизических параметров индуктора, которая может быть использована
при разработке систем индукционной плавки.
2. Даны рекомендации по обеспечению оперативной перестройки
топологии многомодульного источника питания индукционной установки, не
вызывающей перегрузки элементов схемы по току и напряжению.
3. Обосновано увеличение срока эксплуатации вентильного оборудования
за счет применения модульной структуры преобразовательного комплекса.
4. Показано, что применение модульной организации ИПИУ
обеспечивает сокращение затрат на резервирование оборудования для
повышения надежности системы.
Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы были использованы методы объектно-ориентированного программирования, математического и компьютерного моделирования с помощью специализированных программных средств PSIM (лицензионная версия) и Delphi (лицензионная версия), решения нелинейных уравнений, а также методы теории электрических цепей.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Установлено, что параллельная работа одноключевых резонансных
инверторов в их классическом исполнении (т.е. при наличии обратных диодов,
шунтирующих силовые ключи) невозможна в режимах оперативной адаптации
состава инверторов к изменяющимся параметрам нагрузки из-за
периодического закорачивания колебательного контура указанными диодами.
2. Замена обратных диодов обратными тиристорами исключает
периодическое закорачивание коммутационного контура и обеспечивает
безаварийную работу источника питания. Введение симисторов в снабберные
цепи снижает потери электроэнергии в силовых модулях.
-
Разброс по величине внутренних сопротивлений основных тиристоров инверторов на 10 % вызывает неравномерность распределения токов между инверторами в пределах 15 %; разброс по величине внутренних сопротивлений обратных тиристоров на 10 % приводит к разбалансу токов инверторов на 3,5 %; сдвиг по времени подачи импульсов управления на инверторные тиристоры в пределах 5 мкс вызывает разброс по току между модулями до 1,5 %; одновременное предельное отклонение нескольких паспортных параметров приводит к разбросу токов инверторов на 20 %. Доказано, что при условии разброса указанных выше параметров сохраняется устойчивая работа многомодульного преобразовательного комплекса, питающего однопостовую индукционную установку.
-
Принцип модульной организации источника питания индукционной плавильной установки, а также предложенные схемотехнические решения и методы управления позволяют повысить эффективность использования оборудования, представляющую собой отношение мощности, отбираемой
нагрузкой, к установленной мощности параллельно работающих на данном этапе плавки модулей на 20-25 % для однопостовой нагрузки и 24-42 % для многопостовой нагрузки.
5. Процесс включения модулей на параллельную работу не вызывает аварийных ситуаций, приводящих к «опрокидыванию» инвертора, а при уменьшении числа параллельно работающих модулей в многопостовой системе моменты отключения инверторов должны запаздывать относительно моментов отключения соответствующих индукторов на 0,1-0,2 секунды для устранения перегрузки по току в элементах схемы.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и
полученных результатов обеспечивается корректным использованием аппарата
математического анализа, теории электрических цепей, объектно-
ориентированного программирования, профессионального пакета
имитационного моделирования PSIM и подтверждается непротиворечивостью
полученных результатов положениям теории электрических цепей,
совпадением осциллограмм электромагнитных процессов с приведенными в
известных публикациях по одноключевым инверторам и их повторяемостью
при различных вариациях имитационных моделей, а также удовлетворительной
сходимостью результатов моделирования и экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» 22-24 апреля 2011г. (г. Саратов), 20-23 сентября 2011г. (г. Пенза), на XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» 28-30 мая 2012г. (г. Волгоград), 2-4 октября 2012г. (г. Харьков, Украина), на XX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» 19-20 сентября 2012г. (г. Саратов).
Реализация результатов
Результаты исследований использовались в МНПЛЭ при Саратовском государственном техническом университете им. Гагарина Ю.А. для создания макета трехмодульного преобразовательного комплекса для индукционной плавки металлов, а также при выполнении государственных контрактов №9553р/14177 от 04.07.2011г. на тему «Разработка многомодульного источника питания с перестраиваемой структурой для индукционной плавки металлов» и №11020р/17111 от 31.08.2012г. на тему «Изготовление макета трехмодульного источника питания с перестраиваемой структурой для индукционной плавки металлов».
Личный вклад автора:
-
Разработаны имитационные модели многомодульных источников питания для однопостовой и многопостовой нагрузки.
-
Разработана программа расчета электрофизических параметров индукторов в процессе плавки.
3. Проведены исследования динамических процессов в многомодульных
комплексах при оперативной перестройке их структуры.
-
Установлено явление взаимного влияния параллельно работающих модулей при изменении их состава, исключающее нормальное функционирование источника питания, и реализованы мероприятия, обеспечивающие его безаварийную работу.
-
Определены условия равномерного распределения мощности между параллельно работающими модулями при разбросе параметров элементов.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них: 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 работ опубликовано в сборниках международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 153 наименования. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста и содержит 92 рисунка и 16 таблиц.
Модульность как средство повышения эффективности систем электропитания
По данным министерства промышленности и торговли РФ доля металлургии в ВВП страны определена на уровне 5 %, и, учитывая стратегию развития металлургической промышленности Российской Федерации на период до 2020 года, будет неуклонно расти. Одновременно с этим растет потребление отраслью энергоресурсов: 28 % электроэнергии от общепромышленного уровня, 5,4 % от общего потребления природного газа, что на фоне растущей стоимости природных ресурсов приводит к большим затратам [110]. Поэтому, согласно данной стратегии, главными целями развития металлургии являются обеспечение растущих потребностей в металлопродукции, повышение качества и эффективности производства, снижение ресурсо- и энергозатрат.
Значительную часть металлопродукции получают широко известным методом индукционного нагрева металлов, когда увеличение температуры связано не с теплопередачей, а с электрическими токами, индуцированными переменным магнитным полем источника питания. В силу специфики способа, для питания установок такого типа требуются преобразователи электрической энергии. Стандартные питающие сети с общепринятым в России трехфазным напряжением 380 В промышленной частоты 50 Гц недостаточны для нормального протекания технологического процесса индукционной плавки. В первую очередь, необходимо повышение частоты работы источника питания, нагруженного на индукционную печь (индуктор), так как частота переменного тока непосредственным образом влияет на глубину проникновения вихревых токов в нагреваемый металл (шихту). В общем виде преобразователь представляет собой вентильный комплекс, преобразующий трехфазное переменное напряжение промышленной частоты в однофазное переменное напряжение или ток повышенной частоты, которая требуется для конкретной технологической операции. Вид такого устройства схематически показан на рисунке 1.1. Структура преобразователя для индукционной плавки металлов Здесь U] — напряжение питающей сети, U2 — напряжение на выходе выпрямительного блока, U3 — напряжение питания нагрузки; Ш]—Шз — количество фаз питающего напряжения на входе каждого из блоков преобразователя; fi — частота питающего напряжения, f2, f3 - частота работы каждого преобразовательного блока.
Нестабильность напряжения питающей сети накладывает на источники питания индукционных установок повышенные требования по надежности работы, а наращивание производственных мощностей предприятий однозначно указывает на необходимость улучшения технико-экономических показателей (ТЭП). Основными из них являются:
Современные схемотехнические решения выпускаемых на рынок устройств индукционной плавки практически исчерпали себя в плане улучшения ТЭП. Поэтому требуется принципиально новый подход к разработке источников питания индукционных установок. Одним из решений на сегодняшний день может быть создание модульных систем, которые представляют собой комплекс, состоящий из n-модулей, работающих на общую нагрузку.
Разработке подобных систем посвящено большое количество публикаций отечественных и зарубежных ученых, которые можно разделить на категории с учетом специфики нагрузки: -электропривод [18, 33, 111, 121]; - системы гарантированного электроснабжения [12, 69, 71]; -сварка [11, 51, 76]; - индукционный нагрев металлов [90, 40, 41, 43, 46, 107]; Как правило, изменения электрофизических параметров нагрузки преобразовательного комплекса, имея существенно нелинейный характер и значительную величину, приводят к тому, что выходные параметры источника питания (ток, напряжение, мощность) также меняются. Для того чтобы придерживаться заданного режима работы (постоянство тока, напряжения или потребляемой индуктором мощности) в существующих источниках питания в основном используют системы регулирования частоты работы преобразователя. Однако это приводит к недоиспользованию силового оборудования и увеличению потерь электроэнергии. С этой точки зрения целесообразно применение источников питания с перестраиваемой структурой, адаптирующихся к изменяющимся параметрам индуктора.
Создание такой структуры основано на организации параллельной работы аналогичных друг другу модулей на общую нагрузку. При этом сами модули могут представлять собой различные исполнения вентильных преобразовательных устройств: автономный инвертор тока [15, 36, 55, 81, 87, 98, 99, 101, 113, 118, 132, 133, 138], инвертор напряжения [33, 35], непосредственные преобразователи частоты и др. Помимо достоинств указанной архитектуры многомодульного преобразовательного комплекса (МПК) существует ряд серьезных задач, решению которых в диссертационной работе уделяется большое внимание. Первоочередным вопросом является равномерное распределение мощности между параллельно работающими модулями [3, 4, 114, 132, 133, 142]. В силу того, что добиться стопроцентного сходства между элементами модулей не представляется возможным, параллельно работающие преобразователи имеют различное внутреннее сопротивление, что закономерно приводит к дисбалансу распределяемой мощности. Это обуславливает недоиспользование оборудования по установленной мощности. Вторым немаловажным вопросом является выбор оптимальной конфигурации МПК, то есть расчет количества модулей и их мощностей по критериям увеличения эффективности использования силового оборудования и уменьшения затрат на элементную базу, а также разработку системы управления. Расчет номинальной мощности каждого из параллельно работающих устройств может быть осуществлен двумя способами: — для конкретной нагрузки преобразовательного комплекса производится анализ потребляемой ей мощности. С учетом указанных выше критериев решается оптимизационная задача выбора количества модулей п. Общая номинальная мощность у оборудования распределяется поровну между п параллельно включенными устройствами; — мощность, отдаваемая в нагрузку, распределяется между модулями по некоторому закону, например, в виде ряда Фибоначчи (1,2,3,5...).
Достоинством первого метода, несомненно, является относительная простота в проектировании силовой схемы преобразователя. Второй способ позволяет значительно сократить количество модулей за счет точного подбора структуры комплекса по мощности. Однако это приводит к существенному усложнению системы управления и схемотехнических решений для загрузки модулей пропорционально их номинальным мощностям.
В силу технических ограничений по параметрам силовых вентильных элементов (предельные токи, напряжения, время восстановления и т.д.) существует определенный предел по мощности для создания преобразователя. Поэтому возможность наращивания производственных мощностей также является неоспоримым достоинством перехода к модульной архитектуре источников питания.
Вопросу повышения надежности преобразовательных систем посвящено достаточно много публикаций. В основном они касаются разработки быстродействующих элементов защиты [5, 9, 14], усовершенствованию уже существующих схемотехнических решений, а также использованию стопроцентного резервирования, что характерно для одномодульных систем. Таким образом, для того чтобы система на протяжении всего технологического процесса отвечала требованиям безотказности и ремонтопригодности необходимо, помимо основного источника питания наличие дополнительного с аналогичными параметрами. В случае многомодульных систем достаточно иметь один дополнительный модуль с мощностью для обеспечения такого же уровня надежности. Явными преимуществами такого подхода являются уменьшенные массогабаритные показатели, по сравнению с 100%-резервированием, увеличение показателя загруженности силовых элементов, а значит, и эффективности их использования. Для предприятий, занимающихся индукционной плавкой металлов, актуальными являются также вопросы, связанные с сокращением времени плавки за счет сведения к минимуму технологических перерывов, уменьшением эксплуатационных площадей, занимаемых оборудованием, повышением производительности работы системы «источник питания — индукционная печь». Одним из возможных решений данных проблем является применение многопостовых плавильных систем.
На данный момент зарубежными компаниями, такими как ABB (Швеция), Inductotherm (США), а также отечественной компанией «РЭЛТЕК» производятся двухпостовые системы индукционной плавки. Принцип работы основан на питании одновременно нескольких печей от одного источника. Источник представляет собой двухзвенный преобразователь, состоящий из общего выпрямителя и ряда инверторов, количество которых совпадает с числом индукторов. Основным преимуществом данной организации системы индукционной плавки является возможность работы отдельных печей в разных режимах технологического процесса (активного нагрева, поддержания температуры расплавленного металла, сушку футеровки и т.д.) [65]. Однако, с учетом использования одного выпрямителя, который должен обеспечивать весь интервал возможной потребляемой мощности, снижается эффективность использования оборудования в случае непредвиденного сдвига во времени технологических циклов в различных печах. Также, учитывая необходимость оперативной подстройки частоты работы каждого инвертора для компенсации динамически изменяющейся реактивной составляющей нагрузки, усложняется система управления комплексом.
Решением, предлагаемым в данной диссертационной работе, перечисленных выше задач является разработка многомодульного источника питания (МИП) нагруженного на многопостовую систему индукционной плавки. Для оценки преимуществ, получаемых от использования такого схемотехнического решения, необходимо рассмотреть работу многомодульной структуры, нагрузкой которой является один индуктор, после чего перейти к рассмотрению питания многопостовой нагрузки.
Электромагнитные процессы и оценка эффективности использования оборудования
Ток инвертора складывается из тока тиристора и диода. После подачи импульса управления через тиристор проходит ток перезарядки коммутирующего конденсатора — положительная полуволна тока на временной диаграмме (tl—t2). В момент t2, когда конденсатор перезарядился до напряжения противоположной полярности и прямой ток тиристора достигает нуля, через обратный диод начинает протекать ток возврата реактивной мощности из коммутирующего контура нагрузки в цепь разделительного конденсатора. Время протекания этого тока определяет величину угла запирания тиристора, так как обратное напряжение тиристора для его закрытия очень мало и определяется падением напряжения на диоде в проводящем состоянии. Для нормального функционирования инвертора и во избежание срыва инвертирования коммутирующие элементы подбираются из условиея сохранения достаточного времени, предоставляемого схемой для восстановления управляемости тиристоров (в дальнейшем — время восстановления) на всем диапазоне изменения электрофизических параметров индуктора. На рисунке 2.15 представлен график изменения времени восстановления в процессе плавки.
Как видно из рисунка, для восстановления тиристором своей запирающей способности отводится от 112 до 128 мкс для случая одномодульного источника питания и однопостового исполнения нагрузки, что вполне достаточно, учитывая современную элементную базу частотных полупроводниковых приборов, в которых в основном время выключения тиристоров лежит в диапазоне 10-60 мкс в зависимости от группы прибора по времени запирания.
В момент времени t3 (рисунок 2.14) ток через диод прекращается, и начинается пауза запертого состояния тиристорно-диодного модуля, которая длится до момента подачи на тиристор следующего управляющего импульса. Длительность этого интервала определяется частотой управления инвертором. Чем выше частота управления, тем меньше пауза. Одновременно с этим растет нагрузка на вентили по напряжению и току от неизрасходованной в контуре нагрузки электрической энергии.
Время проводящего состояния тиристора и диода, а также амплитуда протекающего через них тока отличаются друг от друга. Это связано с постоянной подзарядкой коммутирующего конденсатора постоянным током от выпрямителя во время паузы t3—14, и потерями энергии в коммутирующем контуре. После подачи очередного импульса управления описанный процесс повторяется.
Одним из важных вопросов работы источника питания является процесс надежного запуска преобразовательного комплекса при соблюдении всех необходимых для этого условий. Основными параметрами схемы, влияющими на процесс пуска инвертора, являются коммутирующие элементы Lkomut, Condkomutl, а также индуктивность на входе инвертора Ld (рисунок 2.12).
Для успешного пуска инвертора необходимо после начала работы выпрямителя выждать промежуток времени, достаточный для полной зарядки конденсатора Condkomutl, в противном случае процесс выключения тиристора не произойдет (рисунок 2.16). Кривая синего цвета отображает процесс успешного запуска инвертора при условии зарядки коммутирующего конденсатора до напряжения 1000 В. Для этого требуется не менее 750 мкс в имитационной модели, изображенной на рисунке 2.12. Красным цветом обозначены диаграммы процесса срыва инвертирования в результате отсутствия запирания тиристора и, как следствие, короткого замыкания источника питания, то есть другими словами — аварийного процесса. В результате исследований можно сделать вывод о том, что одновременный запуск выпрямителя и инвертора невозможен.
На рисунке 2.17 а) показаны диаграммы напряжения коммутирующего конденсатора при различных величинах индуктивности входного дросселя (красным 0,5 мГн, синим 1 мГн). Необходимо отметить, что и в том и другом случае коммутирующий конденсатор заряжен до предельно возможного значения 1000 В, однако в одном из них происходит аварийный процесс срыва инвертирования. Это также связано с недостатком энергии для успешного и своевременного закрытия тиристора. С использованием имитационной модели было выяснено, что при такой конфигурации силового оборудования на входе инвертора требуется устанавливать реактор индуктивностью не менее 0,85 мГн.
На рисунке 2.18 показан переходный процесс от момента запуска инвертора до установившегося режима штатного функционирования преобразователя. В момент запуска тиристорного одноключевого инвертора в его контуре не возникает критических скачков напряжения и токов. Амплитуда максимальных скачков напряжений и токов лишь на 8 % превосходит соответствующие значения в установившемся режиме. Учитывая короткую длительного переходного процесса включения (порядка 90—110 мс), можно утверждать, что его влияние на силовые элементы минимально. Таким образом, несимметричный автономный инвертор с закрытым входом обеспечивает стабильную работу источника питания, нагруженного на индукционную печь. I irwertor
Динамика электромагнитных процессов в многомодульном источнике питания однопостовой индукционной установки
Таким образом, средняя эффективность использования оборудования рассчитывается как сумма отношений мощности нагрузки к установленной мощности оборудования на каждом из температурных промежутков, на границах которых происходит изменение структуры источника питания. Для приведенного примера повышение показателя Q при переходе к трехмодульной структуре составляет в среднем 22,5% по сравнению с одномодульным исполнением (рисунок 2.22). Совершенно очевидно, что с увеличением количества модулей в системе будет возрастать и среднее значение Qcp .
Что касается класса тиристоров по напряжению, то его целесообразно выбрать одинаковым для всех трех модулей и соответствующим максимальному значению, имеющему место в процессе плавки (Рисунок 3.20). В этом случае модули становятся равноценными в смысле адаптации структуры системы электропитания к изменяющимся параметрам индукционной печи, что позволяет, при надлежащем управлении, обеспечить равномерное расходование ресурса работоспособности модулей. Из графика видно, что перестройка структуры источника питания не вызывает критических скачков напряжений на тиристорах инверторов. При увеличении числа модулей, подключенных к нагрузке, на единицу амплитудное напряжение снижается на 1,5 % (температуры tl, t4), а при отключении одного из них амплитудное напряжение увеличивается на 2 % (температуры t2, t3). Изменения амплитудного напряжения на тиристоре во время перестройки структуры
Одной из главных задач при проектировании многомодульных систем электропитания является оптимальный выбор количества модулей. В данном случае критериями служат, с одной стороны, повышение эффективности использования оборудования и надежности работы системы, а с другой, уменьшение массогабаритных и стоимостных показателей.
Проведенные исследования позволили получить данные о зависимости показателя эффективности использования оборудования от числа параллельно работающих модулей (Рисунок 3.21). При разработке модели МПК соблюдался ряд обязательных условий: все модули являются идентичными по предельно допустимому току, отдаваемому каждым из них; - общая номинальная мощность одновременно работающих модулей позволяет обеспечить пятипроцентный запас по току от требуемого для питания нагрузки при максимальных значениях ее ЭФП.
Как видно из диаграммы (Рисунок 3.21), при использовании пятимо дульного преобразовательного комплекса для питания нагрузки возможно повысить эффективность использования оборудования на 25 % по сравнению с применением о дномо дульной структуры. При дальнейшем увеличении числа модулей рост показателя эффективности не превышает 3-4 %, что с точки зрения увеличения массогабаритных и стоимостных показателей может оказаться нецелесообразным. Это означает, что при вычислении оптимального количества модулей в системе электропитания индукционной установки должна решаться оптимизационная задача, учитывающая, с одной стороны, эффект увеличения срока службы оборудования из 91 за сокращения времени работы каждого модуля в процессе плавки, снижение затрат на резервирование для повышения надежности, и, с другой стороны, увеличение стоимости системы с ростом количества модулей.
Не менее важным фактом является то, что данные показатели получены без учета резервирования системы питания. Очевидно, что при полном резервировании одномодульной структуры показатель эффективности будет значительно ниже приведенных в данной работе, так как для этого необходимо иметь дополнительный аналогичный основному по номинальной мощности модуль. При использовании многомодульной структуры для замены отказавшего модуля достаточно иметь в запасе лишь один модуль, который в п раз (п — общее количество инверторов) меньше по своей номинальной мощности от суммарной мощности всего комплекса. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что при использовании системы резервирования показатель эффективности использования оборудования МПК будет значительно превосходить 25 % по сравнению с одномодульной структурой источника питания.
Оценим эффективность применения модульной структуры источника питания индукционной установки в режиме UHHfl=const.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что в режиме стабилизации напряжения на индукторе при условии изменения активного сопротивления индуктора в диапазоне (0,085 — 0,242 Ом) и индуктивности индукционной печи с шихтой — (33,9 — 48,3 мкГн), ток, отдаваемый инвертором, изменяется в 1,61 раза.
Для оценки целесообразности применения многомодульной системы в рассматриваемом режиме необходимо построить зависимости показателя эффективности использования силового оборудования от температуры нагреваемой шихты (Рисунок 3.23). Критерием эффективности, также как и в случае постоянства тока индуктора, является условие максимального приближения суммарной установленной мощности оборудования на каждом интервале плавки к значению мощности, потребляемой нагрузкой.
По кривой изменения показателя эффективности (Рисунок 3.23) можно увидеть, что на этапе плавки при температуре выше 758 С функция Q — J (Т) при использовании многомодульной структуры принимает значения близкие к максимальным, по сравнению с одномодульным источником питания.
Разброс по моменту подачи импульсов управления тиристорами
В последнем случае при малом количестве подключенных постов, а также при низких значениях ЭФП индукторов в процессе плавки в колебательном контуре нагрузки остается нескомпенсированнои значительная емкостная составляющая, что снижает коэффициент мощности системы «нагрузка - колебательный контур».
При комбинированном способе подключения коммутационных элементов (рисунок 5.4 б) возникает проблема с подключением в работу очередного поста. Это связано с тем, что при замыкании одного из ключей K_l..K_q образуется безындуктивная цепь между параллельно соединенными конденсаторами с разными потенциалами на их обкладках. В результате выравнивания напряжения происходит критическое нарастание тока через все подключенные к нагрузке емкостные элементы, что может вызвать пробой тиристоров и, как следствие, выход из строя всего комплекса (рисунок 5.5).
Таким образом, несмотря на повышенные массогабаритные показатели, подключение для каждой печи отдельного последовательно-параллельного индуктивно-емкостного контура (рисунок 5.4 а) является наиболее обоснованным способом соединения нагрузки с коммутирующими элементами. На рисунке 5.6 показан процесс последовательного включения и отключения индукторов при питании от одномодульного источника. Увеличенные в масштабе диаграммы диапазона времени (0,0217 .. 0,0245с), во время которого происходит подключение второго индуктора, приведены в правом верхнем углу. Включение и отключение очередного поста не влияет на параметры работы уже функционирующих постов, за исключением кратковременного переходного процесса Atnepi 8 мс. Скачок напряжения на выходе инвертора после отключения индуктора не превышает по
Расчеты показывают (таблица 5.1), что в зависимости от изменения параметров нагрузки и состава подключенных постов ток инвертора может изменяться в 9,45 раз. При этом минимальный ток инвертора обеспечивается подключением к источнику питания одного индуктора, когда его ЭФП соответствуют точке перехода магнитной проницаемости металла через точку Кюри (рисунок 3.11), а максимальный — в момент одновременного включения всех постов с максимальными ЭФП, соответствующие температуре металла в печи —500 С.
Учитывая такое значительное изменение тока инвертора, предлагается применение модульной структуры источника. Исследование электромагнитных процессов, протекающих в системе «многомодульный источник питания — многопостовая нагрузка», проводилось для случаев последовательного подключения четырех индукционных печей к а) четырехмодульному (рисунок 5.7), б) двенадцатимодульному источнику.
Основным преимуществом организации многопостовой нагрузки, в отличие от существующих систем, является возможность независимого подключения отдельных постов к источнику питания, то есть момент их включения может меняться по стохастическому закону. В качестве примера в данной работе рассматривается случай, когда индукторы подключаются последовательно с интервалами времени относительно включения первого поста 7, 17, 24 мин. При этом соблюдаются следующие допущения: металл в индукторе представляет собой сплошной цилиндр; в точке Кюри (точка магнитных превращений) магнитная проницаемость нагреваемой шихты равняется единице; параметры индукторов и степень загруженности металлом одинаковы. На рисунке 5.8 показаны изменения ЭФП каждой из печи с течением времени, а также временной сдвиг моментов подключения постов к источнику питания (tO, tl, t2, t3).
Моменты t4, t5, t6, t7 обозначают время отключения индукторов. Расчет зависимости изменения ЭФП нагрузки от времени проводился исходя из опыта плавки на базе существующих систем. В среднем нагрев металла в печи типа ИСТ—0,16 осуществляется со скоростью 30 С в минуту. Необходимо отметить, что данная зависимость, принятая во внимание при построении диаграммы (рисунок 5.8), не влияет на характер выходных параметров работы комплекса и служит лишь для наглядного отображения процессов, происходящих в преобразовательном комплексе и нагрузке.
Учитывая особенности схемы источника питания, подключения нагрузки и коммутирующих элементов, поддерживать в каждой печи один из режимов индукционного нагрева (IHHfl=const, UHHfl=const, PHHfl=const) в чистом виде не представляется возможным. Это связано с тем, что ЭФП каждой печи в один и тот же момент времени могут отличаться, и при регулировании частотой управления выходного параметра в одном из индукторов, в других постах этот параметр также будет изменяться. Поэтому в данном случае целесообразным является сохранение в процессе плавки заданной частоты управления модулями. В главе 3 было показано, что данный режим работы инвертора близок к режиму постоянства напряжения на индукторе, преимущества которого также отмечены в главе 3.
На рисунке 5.9 показано изменение напряжения на индукторах в процессе перестройки нагрузки по вышеописанному закону. Максимальное отклонение напряжения не превосходит 5,4 % от среднего значения. В моменты tl, t2, t3, t4. t5, t6, t7 при изменении количества подключенных к источнику питания постов происходят незначительные (в пределах 2 %) изменения напряжения на индукторах, оставшихся подключенными после перестройки.
Рассмотрим процесс подключения модуля с условием, что моменты подачи импульсов управления тиристорами инверторов синхронизированы. В этом случае не наблюдается неблагоприятных переходных процессов при перераспределении суммарного тока, отдаваемого работающими модулями. Выходное напряжение источников питания постов (VPInvertor) остается неизменным (рисунок 5.10). индукторах, В —о—Напряжение на индукторе 1 —п—Напряжение на индукторе 2 І — Напряжение на индукторе 3 Напряжение на индукторе 4 Процесс изменения состава модулей источника питания в сторону уменьшения числа параллельно подключенных к нагрузке модулей также осуществляется без видимых признаков неблагоприятных переходных процессов (рисунок 5.11). В очередной момент подачи импульсов управления на тиристоры один из инверторов остается не подключенным и, с учетом принципа функционирования резонансных инверторов, происходит плавное нарастание тока тиристоров, распределенного поровну между оставшимися в работе модулями. При этом напряжение на инверторах остается прежним и определяется величиной нагрузки. Исходя из амплитудного значения напряжения (\]ШІШ_иіт) на инверторе выбираются тиристоры подходящего класса.
Согласно принятому ранее порядку подключения индукторов исследуем изменение иамдлинв. Напряжение каждого инвертора принимает ненулевое значение в моменты непроводящего состояния прямого и обратного тиристора — фаза нулевого тока инвертора. В зависимости от длительности этой фазы формируется форма кривой напряжения на выходе каждого модуля. Так как частота управления остается неизменной, то изменение напряжения коррелириует с изменением периода колебаний тока инвертора (рисунок 5.12). В течение всего времени плавки амплитуда напряжения изменяется в 1,46 раза. На рисунке 5.13 показана зависимость резонансной частоты тока инвертора от времени.