Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ТЕПЛОВЫЕ И ИМПЕДАНСНЫЕ РАСЧЕТЫ ПРИ
ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ СТАЛЕЙ ПОД ПЛАСТИЧЕСКУЮ
ДЕФОРМАЦИЮ 13
Особенности нагрева заготовок перед пластической деформацией и теплофизические свойства нагреваемых сталей 13
Режимы нагрева заготовок перед пластической деформацией 19
Исследование эквивалентной схемы системы "индуктор -нагреваемый объект" 27
Определение зависимости тока индуктора от температуры и расчет глубины регулирования ПЧ 33
Выводы по главе 39
2. СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С
ПЕРИОДИЧЕСКИМ СПОСОБОМ ЗАГРУЗКИ ИНДУКТОРА 41
Принципы управления и способы регулирования ПЧ для индукционного нагрева 41
Анализ многоячейковых структур ПЧ 48
Многоячейковые структуры ПЧ с регулируемой "скользящей"
ячейкой 61
Способы регулирования резонансной инверторной ячейки 66
Многоячейковые структуры ПЧ со "скользящей" ячейкой, регулируемой ФШИМ 77
Выводы по главе 81
3. СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С МЕТОДИЧЕСКИМ
СПОСОБОМ ЗАГРУЗКИ ИНДУКТОРА 83
3.1. Определение зависимости импеданса системы "индуктор -нагреваемый объект" от количества нагреваемых заготовок и
аппроксимация профиля тока индукторной системы S3
Анализ вариантов реализации секционированных индукторных систем 90
Исследование характеристик трансформатора при работе с повышенной реактивной составляющей напряжения 103
3.4. Выводы по главе 110
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАНОВОК
ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА 111
УИН с периодическим способом загрузки индуктора 111
Экспериментальное исследование многоячейковых резонансных ПЧ со "скользящей" ячейкой регулируемой с помощью ФШИМ 119
УИН с методическим способом загрузки индуктора 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
Список источников 128
Приложения 139
Введение к работе
Технологии, в основу которых положен высокочастотный индукционный нагрев материалов и изделий в настоящее время широко используются в промышленности. Большой коэффициент полезного действия, малые масса и габариты установок индукционного нагрева (УИН), а также ряд других не менее важных преимуществ позволяют успешно применять высокочастотный индукционный нагрев в различных технологических операциях, в том числе и для нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой, прокаткой и т.д.).
Теорией и проектированием установок высокочастотного индукционного нагрева заготовок перед пластической деформацией занимаются многие ученые, известны работы Бабата Г.И., Немкова B.C., Слухоцкого А.Е. и др.
При нагреве под пластическую деформацию необходимо создать равномерное температурное поле по сечению заготовки, при этом теплопроводность нагреваемого материала является основным фактором, ограничивающим минимальное время нагрева и максимальную подводимую мощность. Использование при расчете этих параметров усредненных теплофизических характеристик приводит к существенным ошибкам при проектировании.
Высокая температура нагрева, необходимая для пластической деформации стальной заготовки, приводит к существенному изменению ее удельного сопротивления, магнитной проницаемости, а соответственно активной составляющей импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" и передаваемой в заготовку мощности. Для стабилизации мощности необходимо регулирование напряженности магнитного поля индуктора, что чаще всего реализуется путем регулирования его рабочего тока. Учитывая, что точный расчет импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" крайне затруднителен, задача аналитического определения требуемого тока индуктора и
диапазона его регулирования в режиме стабилизации мощности актуальна.
Требования, предъявляемые к питающему индуктор резонансному преобразователю частоты (ПЧ) существенно зависят от способа загрузки индуктора. При периодическом способе загрузки заготовка нагревается до требуемой температуры, после чего заменяется следующей. В этом случае регулирование тока индуктора достигается регулированием выходного напряжения ПЧ, Поэтому актуальна задача разработки способов регулирования резонансных ПЧ, обеспечивающих требуемый диапазон и точность регулирования, а также благоприятные режимы коммутации.
При построении транзисторных ПЧ большой мощности, как правило, применяются многоячейковые структуры с дискретным регулированием выходного напряжения, при этом мощности ячеек проектируются пропорционально весовым коэффициентам двоичного кода, а ячейка младшего разряда определяет точность регулирования. Однако увеличение точности регулирования связано с ростом количества ячеек, широким разбросом их динамических параметров и, вследствие этого нарушением синхронной коммутации транзисторов. В связи с этим задача определения многоячейковой структуры ПЧ обеспечивающей минимальную габаритную мощность и высокую точность регулирования при ограниченном количестве ячеек является актуальной.
При непрерывном (методическом) способе загрузки индуктора, нашедшем широкое применение в условиях серийного производства, одновременно нагреваются несколько заготовок, поштучно перемещающихся через индуктор от входа к выходу, что позволяет создать конвейерную линию. Изменение импеданса системы "индуктор — нагреваемый объект", а соответственно и диапазон регулирования ПЧ, в установившемся режиме зависят от количества находящихся в индукторе заготовок, поэтому определение минимального количества заготовок обеспечивающего ограничение диапазона регулирования актуально. Для стабилизации передаваемой в заготовку мощно-
сти необходимо формирование заданного распределения (профиля) тока по длине индукторной системы, что требует точного определения зависимости тока индуктора от температуры. Задача формирования профиля тока часто решается путем разбиения индуктора на несколько секций с различающимися рабочими токами, в этом случае основной проблемой является определение количества секций и проектирование ПЧ обеспечивающего их питание заданным током и компенсацию реактивной мощности. Известные в настоящее время схемотехнические решения секционированных индукторных систем имеют целый ряд недостатков, обуславливающих их дальнейшее совершенствование.
В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных в отделе №16 НИИ АЭМ при ТУ СУР и в ООО "Магнит" при непосредственном участии автора в период с 1999 г. по 2004 г. Эти работы выполнялись по заказам предприятий и в рамках научно-технических программ: "Ресурсосбережение 2001, 2002, 2003 года" и "Дооснащение предприятий 2003 года".
Цель работы - решение задачи создания новых высокоэффективных ПЧ, обеспечивающих требуемый для пластической деформации заготовок режим индукционного нагрева при низкой установленной мощности силового оборудования и минимальных массогабаритных показателях, имеющей существенное значение для отрасли силовой промышленной электроники.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:
Определение требуемой мощности и диапазона регулирования ПЧ при периодическом способе загрузки индуктора, а также профиля тока индукторной системы с методическим способом загрузки.
Анализ и выбор структуры ПЧ и способа ее регулирования при периодической загрузке индуктора. Определение регулировочных и энергетических
характеристик многоячейковых ГГЧ, анализ вариантов их улучшения.
Разработка эффективных схемотехнических решений формирования требуемого профиля тока в системах методического типа загрузки с секционированным индуктором и вариантов компенсации реактивной мощности секций.
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.
На основе систематизации сталей по тепло про водящим свойствам и учета температурных зависимостей их теплопроводности определена требуемая для нагрева под пластическую деформацию мощность ПЧ.
Полученные расчетные соотношения параметров элементов эквивалентной схемы индуктора позволяют определить требуемый диапазон регулирования ПЧ в системах с периодическим и профиль тока индукторных систем с методическим способом загрузки.
Впервые получена аналитическая зависимость габаритной мощности многоячейкового резонансного ПЧ от количества зон регулирования в режиме стабилизации мощности. Предложено введение в структуру ПЧ "скользящей" ячейки1.
"скользящая" ячейка - дополнительная непрерывно регулируемая ячейка, переходящая из одной зоны в другую путем изменения комбинации включенных, дискретно регулируемых ячеек.
Определена зависимость характеристик "скользящей" ячейки регулируемой с помощью фазос двигающей широтно-импульсной модуляции (ФШИМ) от номера зоны, в которой она находится.
Установлена зависимость относительного изменения импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" от количества заготовок, нагреваемых в индукторной системе с методическим способом загрузки.
Предложен новый принцип распределения токов секций в системах индукционного нагрева методического типа загрузки с секционированным индуктором, определены варианты компенсации реактивной энергии секций.
Практическая ценность.
Точное определение мощности с учетом нелинейности характеристик теплопроводности стали, позволяет избежать недопустимых термических напряжений в заготовке, приводящих к браку.
Учет нелинейности электромагнитных характеристик системы "индуктор - нагреваемый объект" позволяет уточнить требования к структуре ПЧ и способу ее регулирования.
Путем введения в многоячейковую структуру ПЧ "скользящей" регулируемой ячейки достигнуто сокращение количества зон регулирования при минимальной габаритной мощности и высокой точности стабилизации.
Применение в "скользящей" ячейке ФШИМ позволило существенно снизить коммутационные потери в ключах.
Определение минимального количества нагреваемых в индукторной системе с методическим способом загрузки заготовок, обеспечивающего нестабильность изменения импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" не более 10%, позволяет ограничить диапазон регулирования ПЧ.
Предложенные устройства с секционированным индуктором позволяют получить необходимый профиль тока индукторной системы, и стабилизировать потребляемую заготовкой мощность на протяжении всего цикла нагрева.
Реализация результатов работы.
В период с 1999 по 2004 год при непосредственном участии автора было внедрено 5 образцов установок высокочастотного индукционного нагрева, которые успешно эксплуатируется на предприятиях РФ.
На защиту автором выносятся следующие положения (тезисы):
Проведенная в работе аппроксимация температурных зависимостей теплопроводности позволяет учитывать изменение температурного перепада в нагреваемой заготовке при определении допустимых значений мощности ПЧ.
Требуемый диапазон регулирования ПЧ в системах с периодическим и профиль тока индукторных систем с методическим способом загрузки определяются с помощью полученных расчетных соотношений параметров элементов эквивалентной схемы системы "индуктор - нагреваемый объект".
Габаритная мощность ключей многоячейковых резонансных ПЧ с дискретным регулированием в режиме стабилизации мощности существенно зависит от количества зон регулирования. Введение в структуру ПЧ "скользящей" ячейки позволяет минимизировать габаритную мощность.
Характеристики "скользящей" ячейки регулируемой ФШИМ изменяются при переходе из зоны в зону, при этом с ростом номера зоны уменьшается коммутируемая мощность и угол сдвига первых гармоник тока и напряжения. Соотношение мощностей "скользящей" ячейки и всего ПЧ определяется количеством зон регулирования.
5. В индукторных системах с методическим способом загрузки при нагреве
более шести заготовок нестабильность импеданса системы "индуктор - на
греваемый объект" не превышает 10%, при этом для формирования требуе
мого профиля тока рационально применение секционированного индуктора,
состоящего из трех секций, с распределением токов с помощью трансформа
торных узлов, первичные обмотки которых включены последовательно.
Личный вклад.
Расчет импедансных характеристик системы "индуктор - нагреваемый объект" в режиме стабилизации передаваемой в заготовку мощности.
Определение зависимости регулировочных и энергетических характеристик резонансных многоячейковых ГТЧ от количества зон регулирования.
Разработка рациональных способов компенсации реактивной мощности секций в секционированной индукторной системе.
Исследование согласующего трансформатора, питающего секцию индуктора, при работе с реактивной составляющей напряжения, определение ее допустимой величины по условию минимизации рабочей индукции.
Апробация работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международная научно-техническая конференция "Электромеханические преобразователи энергии", Томск, 2001;
Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления", Томск, 2002;
VIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2002;
IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2003;
Международная научно-техническая конференция "Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы", Томск, 2003;
Всероссийская научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления", Томск, 2003;
X Международная научно-практическая конференция студентов, аспи-
рантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2004.
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях, в том числе 4 статьи опубликованы в научно-технических изданиях, 7 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 четырех приложений. Общий объем работы (без приложений) составляет 138 страниц, 84 рисунка и 6 таблиц. Список литературы изложен на 11 страницах и содержит 101 наименование.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследований, показана практическая ценность работы, излагаются положения, выносимые на защиту и научные результаты.
В первой главе сформированы требования, предъявляемые процессом пластической деформации к ПЧ. Определена требуемая мощность ПЧ и зависимость тока индуктора от температуры нагреваемой заготовки, позволяющая определить диапазон регулирования ПЧ в системах с периодическим и профиль тока в системах с методическим способом загрузки индуктора.
Во второй главе решается задача определения структур ПЧ и способов их регулирования при периодической загрузке индуктора. Проведен анализ способов регулирования ПЧ, показана целесообразность применения комбинированного способа регулирования, основанного на введении в многоячейковый ПЧ "скользящей" ФШИМ ячейки.
В третьей главе решается задача создания систем индукционного нагрева с методическим способом загрузки индуктора. Проведен анализ вариантов реализации систем с секционированным индуктором, разработаны новые схемотехнические решения, обеспечивающие требуемый профиль тока и компенсацию реактивной мощности нескольких индукторных секций, решена задача определения их числа и рабочих токов.
В четвертой главе обобщены результаты практической реализации УИН, в которых использованы основные научные результаты диссертации. Рассмотрены УИН с периодическим способом загрузки индуктора, а также УИН с индукторной системой методического типа загрузки для нагрева цилиндрических заготовок перед объемной штамповкой.
В заключении сделаны выводы и приведены основные результаты выполненных исследований.
В приложениях представлен пример решения системы импедансных зависимостей в пакете MathCAD, результаты физических экспериментов и приведены копии документов, подтверждающих внедрение образцов оборудования в производство.
