Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УСТАНОВОК
ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА 13
Особенности плавки металлов в индукционных печах 13
Схемы замещения системы "индуктор - садка" 18
1.3. Структуры ПЧ УИН, энергетические показатели качества использования
элементов ПЧ 23
1.4. Алгоритмы и программное обеспечение автоматизированного
проектирования ПЧ УИН 29
Выводы по главе 39
2. ТЕОРИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ С
КОДОВО-ИМПУЛЬСНЫМ СПОСОБОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ 41
Способы регулирования ПЧ для индукционного нагрева 41
Теория ПЧ с кодово-импульсным регулированием 54
Синтез алгоритмов управления ПЧ с КИР 76
Выводы по главе 85
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЧ С КИР 87
Разработка методики выбора весовых коэффициентов ячеек и КИК, обеспечивающих симметричный режим работы силового трансформатора ПЧ с КИР 87
Режимы работы трансформатора в ПЧ с кодово-импульсным способом
регулирования 98
3.3.Исследование методов устранения подмагничивания согласующего
трансформатора ПЧ с КИР 105
Выводы по главе 116
4.ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАНОВОК ВЫСОКОЧАСТОТНОГО
ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА 117
УИН с кодово-импульсным способом регулирования напряжения для плавки металлов 117
УИН с кодово-импульсным способом регулирования напряжения для нагрева деталей под клепку 126
Экспериментальная верификация основных научных результатов 130
Вывод по главе 133
Заключение 134
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ 136
ПРИЛОЖЕНИЯ 148
Перечень сокращений
AM - амплитудная модуляция
ВЧ - высокая частота
ГОСТ - государственный стандарт
ИЯ - инверторная ячейка
КИК - кодово-импульсная комбинация
КИР - кодово-импульсное регулирование
МДМ - многозонная дискретная модуляция
МК - микроконтроллер
ПЧ - преобразователь частоты
РЭ -релейный элемент
СУ - система управления
УИН - установка индукционного нагрева
ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты
ЧМ - частотная модуляция
41 НИМ - частотно-широтно-импульсная модуляция
ШИМ - широтно-импульсная модуляция
IGBT транзисторы - силовые биполярные транзисторы с изолированным
затвором
Введение к работе
Технологии высокочастотного индукционного нагрева получили широкое распространение в промышленности и научных исследованиях, от получения и обработки полупроводниковых материалов до нагрева слитков цветных и черных металлов под прессование и прокатку. Сфера их применения постоянно расширяется. Высокий коэффициент полезного действия, малые вес и габариты, малое число витков высокочастотной индукторной системы и возможность придания ей любой конфигурации позволяют получить требуемое распределение температурного поля в труднодоступных местах, обеспечивая, тем самым, высокоэффективную реализацию данных технологий.
Проектирование преобразователей частоты (ПЧ) для установок индукционного нагрева (УИН) является важной и актуальной задачей. Она значительно усложняется тем, что физические свойства большинства материалов в процессе нагрева постоянно изменяются, как следствие этого, в несколько раз меняется и нагрузка ПЧ. Принимая во внимание перепад сетевого напряжения, диапазон регулирования ПЧ существенно расширяется. Вместе с этим, большинство технологий требуют различных режимов нагрева материалов и деталей. Учитывая все многообразие технологий, в которых применяется индукционный нагрев, и материалов, применяемых в данных технологиях, разработка ПЧ для какой либо конкретной технологии является сложным процессом. Создание программы автоматизированного проектирования ПЧ, имеющей в своем составе модели нагрузок ПЧ для различных технологических процессов, модели узлов и компонентов ПЧ, позволяет не только значительно упростить процедуру проектирования ПЧ, но и выбрать рациональный вариант структуры ПЧ в соответствии с предъявляемыми критериями.
В индукционных технологиях уделяется огромное внимание разработке методов регулирования, отвечающих требованиям заданного
технологического процесса. Основными задачами регулирования являются: обеспечение требуемого диапазона и точности регулирования ПЧ, формирование безопасной траектории переключения силовых полупроводниковых ключей, уменьшение установленной мощности всего ПЧ или отдельных его элементов.
При работе ПЧ на резонансную нагрузку требуются согласование уровней напряжения и гальваническая развязка колебательного контура от источника питания с помощью согласующего трансформатора. При этом, разброс динамических параметров системы управления и полупроводниковых ключей ПЧ приводит к нарушению режима симметричной коммутации и, как следствие этого, к подмагничиванию силового трансформатора постоянным током. Это, в свою очередь, приводит к росту динамических потерь полупроводниковых ключей и их возможному выходу из строя. Исследование методов устранения подмагничивания трансформатора постоянным током позволяет получить надежные схемотехнические решения для стабильной работы всего ПЧ.
Настройка системы управления (СУ), состоящей из аналоговых микросхем и компонентов, является сложным технологическим процессом. К тому же, аналоговые компоненты имеют значительный разброс параметров и изменение их во времени. По этой причине полностью настроенная и рабочая СУ со временем может расстроиться и выдавать значительные ошибки и погрешности в управлении. Вследствие этого, нормальный режим работы ПЧ будет нарушен. Цифровая СУ таких недостатков не имеет, работа такой системы происходит согласно разработанному алгоритму программы управления. При этом настройка параметров управления цифровой СУ значительно упрощается, а надежность работы ПЧ увеличивается.
В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных на кафедре ПМЭ ТПУ и в отделе №16 НИИ АЭМ при непосредственном участии автора с 2003 по 2007 г. Эти исследования выполнялись в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-
исследовательских работ: №1-199/2002 "Разработка и исследование силовых транзисторных преобразователей частоты для электротермии"; №1-59/04 "Исследование силовых транзисторных преобразователей частоты для электротермии"; №1.1.07 "Теоретические основы автоматизированного моделирования электротехнических устройств Фундаментальное исследование"; №1.8.07 "Моделирование сложных технических систем с информационными и энергетическими потоками"; "Ресурсосбережение 2005, 2006 года".
Цель работы - решение задачи создания новых высокоэффективных ПЧ, обеспечивающих требуемый режим индукционного нагрева для плавки металлов при минимальной установленной мощности силового оборудования, имеющей существенное значение для отрасли силовой промышленной электроники.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:
Разработка алгоритмов и программного обеспечения автоматизированного расчета ПЧ с варьированием параметров нагрузки на основе перебора количества витков индуктора в заданном диапазоне и выбора из полученной системы решений варианта, удовлетворяющего заданному критерию.
Анализ способов регулирования ПЧ, работающих на резонансную нагрузку. Разработка теории последовательных резонансных инверторов с кодово - импульсным способом регулирования.
Анализ работы и разработка эффективных схемотехнических решений устранения подмагничивания трансформатора в ПЧ, работающих на резонансную нагрузку.
Разработка структуры и схемотехники цифровой СУ, обеспечивающей кодово-импульсный способ регулирования ПЧ, фазовую
автоподстройку рабочей частоты (ФАПЧ), индикацию и управление рабочими параметрами. 5. Обобщение результатов практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева, в которых использованы основные научные результаты диссертации. 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. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах.
Научная новизна.
Разработан алгоритм автоматизированного расчета ПЧ с варьированием параметров нагрузки на основе перебора количества витков индуктора в заданном диапазоне и выбора из полученной системы решений варианта, удовлетворяющего заданному критерию, позволяющий повысить эффективность и качество проектирования УИН.
Разработана теория последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования.
Предложена методика определения кодово-импульсных комбинаций для работы согласующего трансформатора в симметричном режиме.
Исследованы переходные процессы при подмагничивании согласующего трансформатора в схеме резонансного ПЧ, предложены методы его устранения.
Практическая ценность.
1. Применение проверенных математических методов, моделей нагрузки
и компонентов ПЧ позволяет систематизировать процесс
автоматизированного проектирования ПЧ.
Применение в ПЧ кодово-импульсного способа регулирования позволяет существенно снизить коммутационные потери в ключах.
Применение системы цифрового управления ПЧ с кодово-импульсным способом регулирования и ФАПЧ позволяет значительно повысить надежность работы ПЧ и упростить процедуру настройки узлов управления за счет того, что параметры такой системы могут быть изменены только программным способом.
Методика выбора кодово-импульсных комбинаций для работы согласующего трансформатора в симметричном режиме позволяет повысить точность регулирования ПЧ без завышения рабочей индукции согласующего трансформатора.
Определение условий, при которых не происходит увеличения рабочей индукции и тока подмагничивания трансформатора, исключает значительные коммутационные потери и возможный выход из строя полупроводниковых ключей инвертора.
Реализация результатов работы.
В период с 2003 по 2007 год при непосредственном участии автора было внедрено 4 образца установок высокочастотного индукционного нагрева, которые успешно эксплуатируются на предприятиях РФ.
На защиту автором выносятся следующие положения (тезисы);
Алгоритм автоматизированного расчета ПЧ с варьированием параметров нагрузки на основе перебора количества витков индуктора в заданном диапазоне позволяет определить рациональный вариант структуры ПЧ путем выбора из полученной системы решений.
Разработанная теория последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования позволяет проектировать современные высокочастотные комплексы индукционного нагрева, обеспечивающие работу ПЧ в широком
диапазоне регулирования напряжения с минимальными
коммутационными потерями. 3. Сформулированные по результатам исследований рекомендации
позволяют ограничить превышение рабочей индукции
согласующего трансформатора. Личный вклад.
Разработка структуры и алгоритма программы автоматизированного проектирования ПЧ и цифровой СУ ПЧ на основе кодово-импульсного способа регулирования и фазовой автоподстройки частоты.
Разработка теории последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования.
Исследование методов устранения подмагаичивания согласующего трансформатора постоянным током и происходящих при этом переходных процессов, приводящих к увеличению его рабочей индукции. Определение условий, при которых увеличения рабочей индукции трансформатора не происходит.
Апробация работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
X международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2004.
XI международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2005.
17-ая научно-техническая конференция "Электронные и электромеханические системы и устройства", Томск, 2006.
XII международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2006.
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях, в том числе 1 статья опубликована в ведущем рецензируемом журнале, 2 статьи опубликованы в научно-технических изданиях, 4 статьи - в трудах и сборниках конференций, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Общий объем работы без приложений составляет 147 страниц, 69 рисунков и 21 таблиц. Список литературы изложен на 11 страницах и содержит 116 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследований, показывается практическая ценность работы, излагаются положения, выносимые на защиту, и научные результаты.
В первой главе рассмотрены схемы замещения системы "индуктор -
садка" и структуры ПЧ, а так же особенности поведения характеристик
системы "индуктор - садка" при плавке металлов в индукционных печах.
Разработаны алгоритмы программного обеспечения для
автоматизированного проектирования преобразователя частоты. Сформированы критерии выбора варианта ПЧ.
Во второй главе проведен анализ способов регулирования ПЧ, показана целесообразность применения в ПЧ кодово-импульсного способа регулирования. Разработана теория последовательных резонансных инверторов с кодово-импульсным способом регулирования. Синтезированы алгоритмы управления ПЧ с кодово-импульсным способом регулирования.
В третьей главе разрабатывается методика выбора весовых коэффициентов инверторных ячеек и КИК, обеспечивающих симметричный режим работы силового трансформатора ПЧ с КИР; исследуются режимы работы и методы устранения подмагничивания согласующего трансформатора в ПЧ с кодово-импульсным способом регулирования.
В четвертой главе обобщены результаты практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева, в которых использованы основные научные результаты диссертации. Рассмотрены УИН с кодово-импульсным способом регулирования напряжения для плавки металлов, а также УИН с кодово-импульсным способом регулирования напряжения для нагрева деталей под клепку.
В заключении сделаны выводы и приведены основные научные результаты выполненных исследований.
В приложениях представлены листинги программ
автоматизированного расчета ПЧ, цифровой СУ ПЧ с КИР и ФАПЧ. Приведены копии документов, подтверждающих внедрение образцов оборудования в производство.
