Електротехнологічні системи високочастотної індукційної термообробки металів з глибоким регулюванням потужності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

УДК 621.365.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Електротехнологічні системи високочастотної індукційної термообробки металів з глибоким регулюванням потужності

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Ушаков Володимир Іванович

Київ 2007

Загальна характеристика роботи

Вступ. У сучасних промислових технологіях електротермічної обробки металів і металопродукції ефективно використовують електротехнологічні системи високочастотної індукційної термообробки металів (ЕТС ВІТОМ) з тиристорними джерелами електроживлення, які мають істотні переваги порівняно з електромашинними джерелами. Тиристорні перетворювачі (з вихідною частотою 0,5-22 кГц) забезпечують швидкодіюче регулювання режимів електротермічної обробки індукційних установок потужністю десятки-сотні кіловат. На даний час в Україні та за кордоном вже розроблено наукоємні індукційні технології (зокрема, наплавлення автомобільних клапанів, вирощування кристалів, багатопостової плавки та нагрівання перед пластичною деформацією), для реалізації яких необхідно забезпечувати широкодіапазонне регулювання потужності та високу стабільність режимних параметрів. Реалізація такого регулювання в технологічних системах викликає принципові труднощі при значному змінюванні електричних параметрів навантаження, особливо при централізованому електроживленні декількох установок. високочастотний індукційний термообробка метал

Актуальність теми. При змінюванні електричних параметрів навантаження електротехнологічних систем в широких межах ефективним є використання тиристорних джерел електроживлення з резонансними мостовими інверторами та фазовим регулювання потужності. Незважаючи на велику кількість досліджень в цьому напрямку, залишаються невирішеними задачі забезпечення широкодіапазонного регулювання потужності в навантаженні та підвищення зазначених електротехнологічних систем до критичних режимів. Тому розвиток методу глибокого регулювання потужності ЕТС ВІТОМ, визначення умов виникнення в них критичних режимів, розробка ефективних способів та засобів стабілізації режимних параметрів є важливим та актуальним науково-прикладним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводились в Донбаському державному технічному університеті при виконанні НДР “Розробка теоретичних основ побудови та створення потужних статичних перетворювачів частоти для індукційних технологічних комплексів” (№ держ. реєстрації 0101U003080), “Розробка і дослідження фізичних моделей індукційних технологічних комплексів з тиристорними перетворювачами частоти” (№ держ. реєстрації 0198U002548), “Дослідження режимів роботи і розробка технологічних комплексів з індукційною тигельною піччю та тиристорним перетворювачем частоти для плавки металів і неметалічних структур” (№ держ. реєстрації 0195U020684). При виконанні зазначених НДР автор розробляв: принципи побудови тиристорних джерел живлення, математичні моделі для аналізу електромагнітних процесів в системах високочастотної індукційної обробки металів, фізичні моделі індукційних технологічних комплексів.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розвиток методу глибокого регулювання потужності електротехнологічних систем високочастотної індукційної обробки металів, розробка методик і рекомендацій для підвищення енергоефективності таких систем і зменшення нестабільності режимних параметрів при зміні параметрів навантаження в широких межах та централізованому електроживленні установок.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити задачі:

аналізу особливостей ЕТС ВІТОМ та обґрунтування необхідності подальшого розвитку метода глибокого регулювання потужності;

визначення ефективних структур і алгоритмів управління режимами ЕТС ВІТОМ для глибокого регулювання потужності при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах і централізованому електроживленні різних установок;

дослідження умов виникнення критичних режимів електротехнологічних систем із глибоким регулюванням потужності при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах;

дослідження факторів, що впливають на вихідну потужність ЕТС ВІТОМ, та визначення співвідношення параметрів мостового резонансного інвертора, які можуть забезпечувати високу енергоефективність;

розробки способу, схемотехнічних рішень і методик визначення основних параметрів для обмеження перенапруг і режиму генерування другої гармоніки в навантаженні;

створення нових електротехнологічних систем з глибоким регулюванням потужності при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах.

Об'єктом дослідження є електротехнологічні системи високочастотної індукційної термообробки металів з глибоким регулюванням потужності на основі тиристорних резонансних мостових інверторів, що працюють у режимі фазового регулювання.

Предметом дослідження є електромагнітні процеси в ЕТС ВІТОМ, режими глибокого регулювання потужності таких систем і зменшення нестабільності їхніх режимних параметрів при фазовому регулюванні та при збільшенні електричних параметрів навантаження в широких межах.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених завдань використалися: методи наближеного дослідження ланцюгів змінного струму; чисельні методи рішення диференціальних рівнянь; методи математичного моделювання. Вірогідність розв'язання основних положень і результатів перевірялася чисельним і фізичним моделюванням, перевіркою на експериментальних зразках електротехнологічних систем.

Наукова новизна одержаних результатів:

удосконалено метод глибокого регулювання потужності та обґрунтовано принципи побудови енергоефективних електротехнічних систем високочастотної індукційної термообробки металів при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах та при централізованому електроживленні декількох установок;

вперше визначено умови виникнення критичних резонансних режимів (перенапруг, підвищеної генерації другої гармоніки та неоднозначності регулювальної характеристики) в системі індукційної обробки металів на основі двухмостового резонансного інвертора з протифазним підключенням мостів до навантаження;

розроблено новий спосіб стабілізації параметрів ЕТС ВІТОМ для обмеження перенапруг, другої гармоніки, зривів інвертування та забезпечення однозначності регулювальної характеристики при зміненні параметрів навантаження;

вперше визначено співвідношення параметрів реактивних елементів в системі з резонансним мостовим інвертором за умови реалізації максимальної потужності в навантаженні та розширення допустимого діапазону зміни його опору;

отримано нові залежності для визначення оптимальних параметрів ЕТС ВІТОМ, зменшення нестабільності їх режимів, зривів інвертування і перенапруг на навантаженні за рахунок використання блоків рекуперації електричної енергії;

розроблено нові математичні моделі ЕТС ВІТОМ з тиристорними резонансними мостовими інверторами та пристроями, що забезпечують адаптацію до нелінійних змін електричних параметрів навантаження в широких межах.

Практичне значення одержаних результатів:

розроблено схемотехнічні рішення тиристорних резонансних мостових інверторів з рекуперацією енергії та глибоким регулюванням потужності промислових установок індукційної обробки металів і сплавів;

розроблено методику визначення режимних параметрів електротехнологічної системи з блоками рекуперації енергії при зміні електричного навантаження;

створено методику визначення співвідношень між реактивними елементами мостового резонансного інвертора для енергоефективного електроживлення індукційних установок та комплексів при зміні електричного опору навантаження;

створено електротехнологічні системи з глибоким регулюванням потужності, які впроваджено в індукційних установках і комплексах: напайки автомобільних клапанів (Завод автомобільних клапанів м. Луганськ), нагрівання трубних заготівок під пластичну деформацію (ТОВ “Пожзащита” м. Маріуполь) та плавильного комплексу для плавки срібла ІПК-0,032/0,02 (ТОВ “Аргентум”, м. Київ).

Результати роботи також впроваджено при виконанні договорів “Виготовлення і налагодження індукційного плавильного комплексу ІПК-0,4/0,25” (ВАТ “Донецьккокс”, м. Донецьк), “Виготовлення й налагодження малогабаритної індукційної установки” (ЗАТ “ДОІРЕА”, м. Дніпропетровськ).

Особистий внесок здобувача. Зазначені наукові результати дисертації здобувач отримав самостійно. Він самостійно обґрунтував ідею роботи, визначив шляхи вирішення наукових задач, провів теоретичні та експериментальні дослідження, узагальнив результати, сформулював наукові положення та висновки.

У спільних роботах за темою дисертації, особисто автору належить: у роботах [1-4,17,18] - метод розрахунку тиристорних джерел електроживлення, у [5-8] - метод підвищення надійності тиристорних джерел електроживлення за рахунок введення обмежень на вихідну напругу, у [9-11] - метод підтримки стабільних характеристик індукційних установок, у [12-16] - введення в схеми додаткових елементів для покращення характеристик джерел живлення.

Апробація роботи. Результати роботи обговорювались і були схвалені на: IV наук.-техн. конф. “Совершенствование технологий и оборудования по переработке лома и отходов, содержащих драгоценные металлы” (м.Донецьк, 1996); II Міжнародній конф. “Благородные и редкие металлы. БРМ-97” (м.Донецьк, 1997); VII Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки ПСЕ-2002” (м.Київ,2002); IХ Міжнародній конференції “Проблеми сучасної електротехніки ПСЕ-2006” (м. Київ, 2006); V Міжнародній науково-технічній конференції “Устаткування, технології термічної обробки металів і сплавів” (м. Харків, 2004).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 18 друкованих працях, з яких 11 статей у фахових наукових виданнях, 2 тези доповідей, на оригінальні схемотехнічні рішення отримано 5 авторських свідоцтв на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 208 сторінок, у тому числі 131 сторінка основного тексту, 75 рисунків, 9 таблиць, список літературних джерел із 102 найменувань та 3 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі дано обґрунтування актуальності теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичну значимість і реалізацію результатів роботи, приведено відомості про апробацію і публікації.

У першому розділі розкрито особливості індукційних установок підвищеної частоти, характерні режими їх роботи, способи регулювання потужності, їх переваги та обґрунтовано важливість вирішення задач глибокого регулювання вихідної потужності. Аналіз відомих підходів показав, що у більшості випадків індукційної установки є активно-індуктивним навантаженням, електричні параметри якого змінюються в широких межах, що суттєво ускладнює вирішення задач глибокого регулювання вихідної потужності.

Проведено аналіз режимів електротехнологічної системи високочастотної індукційної термообробки з двохланковим джерелом живлення та проміжною ланкою постійного струму. До електричного кола навантаження включено індуктор для термообробки металів та батарея компенсуючих конденсаторів.

Для управління режимами індукційної обробки металів необхідно забезпечити регулювання активної потужності в навантаженні. Таке регулювання може здійснюватися різними методами. Частотне регулювання керуючих імпульсів інвертора легко реалізується і має широкі можливості, але його ефективність залежить від добротності навантаження і воно можливе лише в установках індивідуального електроживлення з одним навантаженням, в яких немає жорстких вимог до зміни частоти. Регулювання в колі постійного струму (з використанням керованого випрямляча) є простим та надійним способом, але має суттєві недоліки, такі як зниження коефіцієнта потужності, погіршення гармонічного складу вхідних токів, тощо. Широтно-імпульсне регулювання може забезпечити потрібну глибину регулювання, але його використання небажане через низьку стійкість при зміні параметрів навантаження в широких межах.

Аналіз методів регулювання показав, що при зміні параметрів навантаження в широких межах найбільш прийнятним є метод фазового регулювання, який реалізується в багатомостових системах електроживлення за рахунок фазового зсуву між керуючими імпульсами окремих мостів. Цей метод знайшов широке розповсюдження в системах централізованого електроживлення, в якому джерело високої частоти утворює самостійну підстанцію, до якої підключено декілька технологічних установок.

Другий розділ присвячено аналізу систем електроживлення індукційних установок з фазовим регулюванням. Проведений аналіз тиристорних інверторів показав, що найбільш стійкі режими забезпечує тиристорний резонансний мостовий інвертор з подвоєнням частоти та зворотними діодами. Його характеристика наближається до ідеальної характеристики джерела “струму-напруги”, тому що в цьому інверторі природно обмежується потужність при зміні опору навантаження як в більшу, так і в меншу сторону від номінального значення. Він здатний працювати як в режимі холостого ходу, так і в режимі короткого замикання.

Були вибрані дві схеми двомостових систем електроживлення з фазовим регулюванням на основі інверторів з подвоєнням частоти та зворотними діодами. Схеми відрізняються способом підключення навантаження. В першій схемі підключення мостів інверторів до навантаження є синфазним і максимальна потужність забезпечується при фазовому зсуву між імпульсами керування мостів цу=0 ел. град. В другій схемі підключення мостів до навантаження є протифазним, при якому максимальна потужність забезпечується при цу=180 ел. град. При наявності фазового зсуву баланс струмів відсутній, що призводить обміну струму між мостами. Цей струм довантажує один з вентильних мостів і розвантажує іншій. Обмінний струм не проходить через навантаження і є чисто реактивні. Він визначає запаси реактивної потужності, необхідної на регулювання. Наявність контуру для обмінного струму вентильних мостів та об'єднання навантажувального ланцюга, у якому, виходячи з енергетичних міркувань, напруга не фіксується, дозволяє широко регулювати фазу між мостами, зводячи вихідний струм, а значить, і напругу, до нуля, перерозподіляючи потужність між вентильними мостами (осередками інвертора), завантажуючи один міст струмом іншого. При цьому, будь який фазовий зсув приводить тільки до зменшення сумарної потужності, а максимальна потужність кожного з інверторів не може бути перевищена, тому що напруга на вентилях визначається як сума напруг на комутуючих елементах і навантажувальній діагоналі; при збільшенні потужності напруга на непровідних вентильних осередках падає до нуля й спрацьовує механізм комутації: тиристор одного осередку - діод іншої. Це приводить до появи контуру, який шунтує навантаження.

Дослідження ЕТС ВІТОМ проводилося з використанням математичних моделей імітаційного типу. Якщо враховувати всі особливості тиристорного джерела живлення в широкому діапазоні зміни його параметрів, виходить складна нелінійна математична модель, дослідження якої можливо лише за допомогою ЕОМ.

Специфіка рішення алгебро-диференційних рівнянь визначається тим, що структура моделі джерела живлення невідома, оскільки моменти перемикання вентилів і відповідно до цього знову утворені контури виникають послідовно в часі й залежать від початкових умов. Інша специфічна особливість даних рівнянь полягає в тому, що вони зв'язані між собою багатомірними векторами, що характеризують структуру досліджуваного об'єкта. Вид операторів зв'язку для більшості схем тиристорних джерел живлення настільки складний, що піддається аналізу тільки чисельними методами.

При моделюванні використано метод діакоптики, згідно якого виділено основні складові частини об'єкта моделювання: силову частину джерела живлення, його систему керування та технологічний пристрій, макромоделі яких розроблено з використанням схемотехнічного, функціонального та інформаційного рівнів. При розробці схемотехнічних моделей використано базис змінних стану, у якому виробляється формування й чисельне рішення початкової задачі Коші для систем звичайних диференціальних рівнянь методом припасування. При цьому, аналіз стаціонарних режимів здійснювався методом установлення, а розрахунок технологічного процесу - методом повільної варіації параметрів. Формування системи керування в математичних моделях виробляється автоматично з використанням апарата топологічних графів і матриць. Функціональні моделі системи керування ґрунтуються на математичному описі алгоритмів керування електротехнологічної системи. Інформаційні моделі навантаження описують характерні зміни електричних параметрів технологічного пристрою. Для перевірки адекватності математичних моделей виконані експериментальні дослідження на макеті електротехнологічної системи.

Для придання універсальності аналізу використана система відносних одиниць. За базові величини були прийняті: ЕДС ідеального джерела напруги _ Е*=1; сумарна індуктивність L*У =1; еквівалентна ємність _ С*е=1. Похідними від базових є величини: хвильовий опір комутуючого контуру

;

базисний струм

I*0=Е*/Z*к=1

базисна частота

;

час відновлення тиристорів, який нормується від половини періоду комутуючого контуру

.

Також прийняті коефіцієнти, які визначають параметри схеми та режими роботи:

kнR=R*н/Z*к

коефіцієнт навантаження при активному навантаженні;

kнL=L*н/L*кУ

коефіцієнт навантаження при комплексному навантаженні;

kLd= L*d/L*кУ

коефіцієнт співвідношення фільтрової та комутуючої індуктивностей

де L*d= L*d1= L*d2 =L*d11+ L*d12= L*d21+ L*d22; tgцн - враховує настройку контуру навантаження, tgцн =0 настройка в резонанс; cosци - враховує добротність індуктора;

n0=щk/екер

відношення частоти комутуючого контуру до частоти керування

kС=С*Р/С*к

коефіцієнт співвідношення розділової та комутуючої ємностей.

Порівняння двох схем показало, що по основним енергетичним показникам ці схеми ідентичні. Істотною відмінною рисою другої схеми в порівнянні з першої є кращий гармонійний состав вихідної напруги. Коефіцієнт гармонік першої схеми в 3-4 рази більший, ніж другої. Спотворення вихідної напруги першої схеми визначається в основному вмістом другої гармоніки. Зміст вищих гармонійних складових у вихідній напрузі пояснюється характером електромагнітних процесів, що протікають у схемах. У режимі максимальної потужності для першої схеми одна напівхвиля вихідного струму формується сумою струмів зворотних діодів, що приводить до асиметрії форми кривій вихідного струму. Для другої схеми асиметрія в аналогічному режимі між напівхвилями відсутня, тому що вони формуються підсумовуванням струмів тиристорів і діодів різних мостів.

Третій розділ присвячено аналізу критичних режимів електротехнічних систем при виникненні в них резонансних явищ і розробки способу їхнього обмеження за рахунок стабілізації режимних параметрів систем електроживлення з фазовим регулюванням.

Для реалізації глибокого регулювання потужності було використано резонансні інвертори, які мають підвищену кількість реактивних елементів, що включені через вентильні блоки. Стан схеми визначається включеними вентилями. Тривалість інтервалів між комутаціями вентилів частково визначається схемою включення реактивних елементів інвертора, а частково _ навантаженням. Природно, що збільшення складності інвертора або збільшення складності схеми значно впливає на резонансні властивості всієї системи живлення. Тому в таких ситуаціях з'являється можливість виникнення в схемі резонансних коливань на частотах, відмінних від номінальної. Зазначені резонансні явища приводять до небажаних ефектів: перенапруги в технологічному навантаженні, підвищенню генерації другої гармоніки та зміни технологічного режиму.

Введення фазового зсуву приводить до того, що імпульси керування подаються із затримкою й при протифазній роботі мостів вплив на систему живлення з боку керування відбувається з подвоєною частотою. Зміна параметрів навантаження викликає зміну вентильного режиму системи живлення, що обумовлено наявністю ланки тиристор _ діод. Момент їхнього вимикання заздалегідь невідомий, але тривалість відкритого стану ланки визначається часом підключення до схеми реактивних елементів. Комутація вентилів одного моста відбувається в міжкомутаційні інтервали вентилів іншого моста, при цьому можливо посилення або ослаблення окремих гармонійних складових, обумовлене значенням фазового зсуву.

При активному навантаженні для першої схеми очевидне посилення третьої гармоніки спостерігається при цу=120 ел. град., а для другої схеми посилення другої гармоніки - при цу=90 ел. град., третьої - при цу=60 ел. град., четвертої - при цу=45 ел. град.

При наявності навантаження у вигляді паралельного RLC-контуру аналіз першої схеми показав, що розвантаження інвертора й фазове регулювання створюють передумови для виникнення резонансних явищ у системі “інвертор - навантаження” на частотах вищих гармонік, що приводить до перенапруг на навантаженні та вентилях інвертора. З погляду регулювання вихідної напруги така схема по втрачає свої властивості та стає некерованою. Особливість прояву резонансу в другій схемі полягає в тім, що друга гармоніка на початку і наприкінці діапазону дорівнює нулю, а значний ріст спостерігається в середині діапазону. З погляду регулювання друга схема втрачає керованість частково.

У діапазоні 0 ? цу ? 90 напруга в другій схемі може регулюватися, але в діапазоні 90 ? цу ? 180 спостерігається неоднозначність характеристики. Це зводить до перенапруг і втрати стійкості при побудові замкнутої системи керування. При фазових зсувах, що відповідають максимальної генерації другої гармоніки, значення напруги на навантаженні у всьому діапазоні зміни kн для другої схеми більше, ніж для першої. Випадок kн? 1 відповідає максимальному посиленню другої гармоніки.

Величина перенапруги при резонансі для другої схеми залежить від коефіцієнта та властивостей навантаження. При активному навантаженні резонанс відсутній. При комплексному навантажені зміна добротності суттєво не впливає на положення максимуму характеристики. При варіації добротності положення максимуму знаходиться при kН? 1. На виникнення резонансу суттєво впливає розладнання контуру навантаження. При індуктивному характері навантаження максимум зміщається в бік менших коефіцієнтів навантаження, а при ємнісному характері - в бік більших коефіцієнтів навантаження.

Таким чином, у роботі визначено умови виникнення резонансу на другій гармоніці у двомостових системах електроживлення, і виявлені фактори, що найбільш впливають на величину перенапруги. Завдяки наявності резонансних явищ на частоті другої гармоніки перша схема не може бути використана для вирішення завдання глибокого регулювання потужності, а друга схема потребує доробки з метою покращення її регулювальних властивостей та ліквідації перенапруги на елементах схеми.

Аналізуючи поведінку параметрів системи при зміні навантаження, спочатку в одномостовому резонансному інверторі, запропоновано використання блоків рекуперації енергії з навантаження, які дозволяють стабілізувати режим роботи системи. В зв'язку з цим, розроблена нова структурна схема системи електроживлення з дволанковим перетворювачем частоти та проміжною ланкою постійного струму.

При моделюванні інвертора визначено, що на стабільність параметрів системи впливає рівень обмеження напруги на навантажені. Запропоновано одномостові та двомостова схеми з блоками рекуперації енергії від навантаження.

Результати досліджень двомостової схеми доводять, що шляхом зміни додаткових ємностей блоків рекуперації енергії СР12=СР13=kCдопСК вдається ліквідувати нетехнологічні режими роботи ЕТС ВІТОМ. Робота блоків рекуперації забезпечує технологічний режим глибокого регулювання потужності та стабільність режимних параметрів при зміни фазового зсуву та зміни параметрів навантаження в широких межах.

Аналізуючи цю схему було визначено, що рівень обмеження напруги залежить від ємності конденсаторів блока рекуперації. В результаті дослідження отримано залежності, що дозволяють оцінювати вплив величини ємностей, застосовуваних у блоках рекуперації електричної енергії систем електроживлення та розроблено рекомендації по вибору енергоефективних режимів та параметрів систем.

В четвертому розділі методом основної гармоніки проведено дослідження енергетичних показників системи електроживлення індукційних установок. Використовуючи форму струму навантаження у вигляді синусоїди

,

де щ - вихідна частота інвертора, амплітуда Im і фаза ш визначаються параметрами інвертора, а час t рахується від часу включення чергової пари тиристорів, визначено залежності вхідного опору по постійному струму (який характеризує активну потужність) та час відновлення тиристорів інвертора від коефіцієнту співвідношення комутуючого та розділового конденсаторів.

Використовуючи схему заміщення по першій гармоніки, визначено еквівалентне навантаження/

При використанні системи відносних одиниць

.

Зважаючи на те, що екстремум характеристики вхідного опору достягається при умові рівності нулю уявної складової, визначено співвідношення між реактивними елементами резонансного інвертора

.

Це співвідношення дозволяє визначити параметри комутуючого і розділового дроселів при відомих параметрах комутуючого і розділового конденсаторів, та забезпечити передачу максимальної потужності від входу інвертора до навантаження. Подальше математичне моделювання характеристик резонансного інвертора підтвердило аналітичне співвідношення параметрів реактивних елементів. Крім того встановлено що, при зміні опору навантаження (практично від короткого замикання до холостого ходу) в певний момент система переходить в режим повторного відпирання діодів, в якому обмежується максимальне значення потужності у навантажені. При виконанні оптимальних співвідношень цей момент настає пізніше, ніж при будь-яких інших співвідношеннях. Таким чином досягається передача максимальної потужності від входу інвертора до навантаження. Проаналізовано також різні варіанти включення комутуючого та розділового дроселів і визначено, що на момент переходу системи в режим повторного включення діодів і рівень потужності в навантажені місто включення цих дроселів не впливає.

П'ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням та практичній реалізації високочастотних індукційних установок з глибоким регулюванням потужності. Для досліджень створено макет індукційної установки на базі тиристорного одномостового резонансного інвертора з подвоєнням частоти та зворотними діодами. Експериментальним шляхом доведено ефективність запропонованих блоків рекуперації енергії з навантаження при зміні його електричних параметрів в широких межах. Підтверджено, що при використанні теоретично знайдених співвідношень між реактивними елементами мостового резонансного інвертора можливо досягти максимуму активної потужності, що передається в навантаження. Розбіжності результатів експерименту та досліджень, що проводились шляхом моделювання систем електроживлення в прикладних програмних середовищах, складає не більше 5%. В якості результатів практичної реалізації наведено характеристики систем електроживлення високочастотних індукційних установок, встановлених на підприємствах: заводі автомобільних клапанів (м. Луганськ); ТОВ “Пожзащита” (м. Маріуполь); ТОВ “Аргентум” (м. Київ).

У додатках наведено тексти розроблених програм та акт впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

В дисертації вирішено актуальну науково-прикладну задачу подальшого розвитку методу глибокого регулювання потужності електротехнологічних систем високочастотної індукційної обробки металів, розробки методик та рекомендацій для підвищення енергоефективності таких систем і зменшення нестабільності їх режимів при зміні параметрів навантаження в широких межах та централізованому електроживленні декількох індукційних установок. Отримані нові наукові та практичні результати у сукупності мають суттєве значення для розвитку теорії регулювання параметрів електротехнічних систем при значних нестаціонарних змінах параметрів навантаження.

Основні наукові та практичні результати дисертації полягають в наступному:

1. На основі комплексного аналізу режимів електротехнологічних систем високочастотної індукційної термообробки металів при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах обґрунтовано, що розробку таких систем доцільно здійснювати на основі тиристорних мостових резонансних інверторів із застосуванням методу глибокого фазового регулювання потужності.

2. Розвинено метод глибоко регулювання потужності в навантаженні та розроблено принципи побудови електротехнічних систем високочастотної індукційної термообробки на основі тиристорних резонансних мостових інверторів з використанням методів і засобів зменшення нестабільності параметрів систем при зміні параметрів навантаження в широких межах і централізованому електроживленні таких установок, що при 5-10 кратному зміненні опору навантаження забезпечує регулювання в ньому потужності більше, ніж в 20 разів.

3. Розроблено математичні моделі електротехнологічних систем високочастотної індукційної термообробки металів на основі тиристорних резонансних мостових інверторів з блоками рекуперації енергії з навантаження, що дозволяє проводити порівняння параметрів систем електроживлення при зміні параметрів навантаження в широких межах і фазовому регулюванні та визначати оптимальні режимні параметри таких систем за критерієм споживання в навантаженні максимальної потужності.

4. Визначено умови виникнення критичних та нетехнологічних режимів резонансних явищ на частоті другої гармоніки у навантажені двомостового резонансного інвертора із протифазним включенням мостів, що приводять до збільшення напруги на навантаженні в 2-2,3 рази, напруги на тиристорах в 1,4-1,5 рази, і зменшенню часу відновлення тиристорних комутаторів в 3-5 разів.

5. Розроблено спосіб та засоби стабілізації параметрів в електротехнологічних системах високочастотної індукційної термообробки з індивідуальним і централізованим живленням для обмеження перенапруг і зривів інвертування, що дозволив зменшити перенапругу на навантаженні в 2-2,5 рази, перенапругу на тиристорах в 1,16-1,5 рази, час відновлення збільшити в 2-4 рази.

6. Отримано залежності, які дозволяють оцінити вплив величини ємностей, застосовуваних у блоках рекуперації електричної енергії систем високочастотної індукційної термообробки на їхні режимні параметри і визначати енергоефективні режими і параметри систем.

7. Отримано аналітичні й графічні залежності, які дозволяють оцінити вплив розподілу комутуючої індуктивності на максимально досяжну потужність тиристорних джерел живлення при різних співвідношеннях між розділовою і комутуючою ємностями. Вперше визначене оптимальне співвідношення параметрів реактивних елементів у схемі резонансного мостового інвертора за критерієм передачі максимальної потужності в навантаження, що дозволяє підвищити енергоефективність в 1,4-1,6 рази.

8. Розроблено методику визначення оптимальних режимних параметрів пристроїв рекуперації в системах високочастотної індукційної термообробки на основі тиристорних резонансних мостових інверторів при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах і створено методику для визначення оптимальних енергоефективних співвідношень між реактивними елементами мостового резонансного інвертора при індивідуальному і централізованому електроживленні високочастотних індукційних промислових установок.

9. Нові наукові та практичні результати дисертаційних досліджень знайшли застосування в індукційних установках і комплексах: а) наплавлення автомобільних клапанів (завод автомобільних клапанів, м. Луганськ); б) напайки різців (ВАТ “АМК”, м. Алчевськ); в) нагрівання трубних заготівель під пластичну деформацію (ТОВ “Пожзащита”, м.Маріуполь, ЗАТ “НЗНТ”, м. Нікополь); г) плавки чорних і кольорових металів (ТОВ “Аргентум”, м. Київ, ТОВ “АЛВІГО-КС”, м. Сєвєродонецьк).

Ймовірність і обґрунтованість наукових досліджень, висновків і рекомендацій підтверджується узгодженням теоретичних та експериментальних даних автора.

Основні публікації за темою дисертації

1. Щерба А.А., Ушаков В.И., Кобец Д.В., Саратовский Р.Н. Системы электропитания повышенной частоты с блоками рекуперации энергии для индукционных установок с изменяющимся энергопотреблением // Технічна електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. - 2006. -Ч.4. - С. 112 - 115.

2. Щерба А.А., Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Глебин А.Г. Анализ схем согласования тиристорных преобразователей частоты с индукционной нагрузкой // Технічна електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. - 2006. -Ч.6 -С. 84 - 89.

3. Ушаков В.И. Тиристорные преобразователи частоты для индукционных нагревательных установок//Технічна електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. - 2002. - Ч. 5. - С. 63-66.

4. Саратовский Р.Н., Глебин А.Г., Ушаков В.И. Устройство согласования тиристорных преобразователей частоты с индукционной плавильной печью// Техн. електродинаміка. - 2005. - №3. - С. 34-37.

5. Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Баранов А.Н. Глебин А.Г. Согласование тиристорных преобразователей частоты с индукционной нагрузкой// Технічна електродинаміка. Темат. вип. “Силова електроніка та енергоефективність”. - 2005. -Ч.4. - С. 20 - 23.

6. Глебин А.Г., Горбачев Г.Н., Ушаков В.И. Сравнительный анализ электромагнитной совместимости двухмостового преобразователя частоты//Электромеханика. - 1989. - №3.- С. 81-86.

7. Горбачев Г.Н., Ушаков В.И. Сравнение регулировочных характеристик двухмостовых инверторов с фазовым управлением//Труды Московского энергетического института. Темат. сб. “Полупроводниковые устройства для электропривода в системах питания”. - 1988. - Вып. 178. - С. 102-105.

8. Ламанов С. Л., Ушаков В.И., Ткаченко Ю. С., Дзигарь В. Г., Лизенко И. Е., Тур А. Д. Инвертор с обратными вентилями для работы на широкодиапазонную нагрузку//Сб. науч. трудов Восточно-украинского гос. университета. - Луганск: 1998. - С. 59-63.

9. Дзюба В.Л, Ушаков В.И., Глебин А.Г., Саратовский Р.Н., Кобец Д.В. Повышение мощности резонансных инверторов с удвоением частоты для индукционных установок//Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів в машинобудуванні: Зб. наук. пр. Східноукр. нац. ун-ту імені В.Даля. - 2004.- Ч. 2. - С. 3-9.

10. Саратовский Р.Н, Мотченко А.И., Ушаков В.И., Кобец Д.В., Прончатова Т.И., Глебин А.Г. Повышение технико-экономической эффективности плавки металлов в индукционных печах//Сб. науч. тр. Донбасского государственного технического университета. - 2004. - Вып 18. - С. 236-245.

11. Ушаков В.И., Кобец Д.В., Саратовский Р.Н., Прончатова Т.И., Глебин А.Г. Повышение коммутационной устойчивости тиристорных преобразователей частоты для электротермии// Сб. науч. тр. Донбасского государственного технического университета. - 2005. - Вып 19. - С. 424 - 433.

12. Последовательный автономный инвертор: А.с. 1099363 СССР, МКИ Н 02 М 7/515 /С.Л. Ламанов, В.И. Ушаков. - №3517662/24-07; Заявлено 03.12.82; Опубл. 23.06.84; бюл. №23. - 4 с.

13. Автономный последовательный инвертор: А.с. 1101997 СССР, Н 02 М 7/515 /С.Л. Ламанов, В.В. Шипицын, В.И. Лузгин, В.И. Ушаков. - №3513876/24-07; Заявлено 25.11.82; Опубл. 07.07.84; бюл. №25. - 4 с.

14. Автономный инвертор: А.с. 1327252 СССР, Н 02 М 7/523 /В.В. Шипицын, С.Л. Ламанов, В.И. Ушаков, В.И. Лузгин - №4026930/24-07; Заявлено 26.02.86; Опубл. 30.07.87; бюл. №28. - 4 с.

15. Инвертор: А.с. 1591162 СССР, Н 02 М 7/523 /С.Л. Ламанов, В.И. Ушаков, Ю.С Ткаченко, Г.Н. Горбачев, В.Н. Кривоносов, Б.Г. Игнатьев - №4497578/24-07; Заявлено 24.10.88; Опубл. 07.09.90; бюл. №33. - 6 с.

16. Инвертор: А. с. 1735989 СССР, Н 02 М 7/523 /С.Л. Ламанов, Ю.С Ткаченко, В.И. Ушаков, А.И. Комссаренко, Г.Н. Горбачев, В.Н. Кривоносов, Б.Г. Игнатьев, В.Г. Дзигарь, А.Д. Тур, И.Е. Лизенко - №4828329/07; Заявлено 24.05.90; Опубл. 23.05.92; бюл. №19. - 10 с.

17. Ушаков В.И. Индукционные плавильные комплексы для плавки драг. металлов//Тез. докл. IV научн.-техн. конф. _ Донецк: ДонИЦМ, 1996. - С. 21-25.

18. Ушаков В.И., Ткаченко Ю.С., Ламанов С.Л. Тиристорные источники питания (ТИП) повышенной частоты для производства благородных и редких металлов//Тез. докл. II Международной конф. “Благородные и редкие металлы. БРМ-97” - Донецк, 1997. - С. 68.

Анотація

Ушаков В.І. Електротехнологічні системи високочастотної індукційної термообробки металів з глибоким регулюванням потужності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено розвитку методу глибокого регулювання потужності електротехнологічних систем високочастотної індукційної термообробки металів на основі тиристорних джерел живлення, підвищенню енергоефективності таких систем і зменшенню нестабільності режимних параметрів при багаторазовому збільшенні параметрів навантаження та централізованому електроживленні установок.

Обґрунтовано, що при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах в високочастотних індукційних системах доцільно використовувати тиристорні мостові резонансні інвертори із застосуванням методу глибокого регулювання потужності зміною фазового зсуву між імпульсами керування мостів. Визначено умови виникнення критичних та нетехнологічних режимів резонансних явищ на частоті другої гармоніки у навантажені двомостового резонансного інвертора із протифазним включенням мостів. Розроблено спосіб стабілізації режимних параметрів в електротехнологічних системах високочастотної індукційної термообробки з індивідуальним та централізованим живленням для обмеження нетехнологічних режимів. Розроблено методику визначення оптимальних режимних параметрів пристроїв рекуперації в електротехнологічних системах високочастотної індукційної термообробки металів на основі тиристорних резонансних мостових інверторів при зміні електричних параметрів навантаження в широких межах та при індивідуальному і централізованому електроживленні та розроблено методику для визначення оптимальних співвідношень між реактивними елементами мостового резонансного інвертора.

Ключові слова: електротехнічна система, індукційна обробка, резонансний інвертор, нестабільність, фазове регулювання, енергоефективність.

Аннотация

Ушаков В.И. Электротехнологические системы высокочастотной индукционной термообработки металлов с глубоким регулированием мощности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена развитию метода глубокого регулирования мощности электротехнологических систем высокочастотной индукционной термообработки металлов, повышению энергоэффективности таких систем и уменьшению нестабильности режимных параметров при значительном увеличении параметров нагрузки и централизованном питании установок.

Рассмотрены особенности индукционных установок высокой частоты, характерные режимы их работы, способы регулирования мощности, их преимущества и недостатки. Показано, что в большинстве случаев индукционная установка для системы питания представляет собой активно-индуктивную нагрузку с параметрами, которые изменяются в очень широких пределах. Эти обстоятельства существенно усложняют решение задач регулирования выходной мощности.

Проведен анализ электротехнологических систем высокочастотной индукционной термообработки с фазовым регулированием выходной мощности. Рассмотрены две основных схемы двухмостовых систем электропитания с фазовым регулированием, построенных на основе инверторов с удвоением частоты и обратными диодами. При создании математических моделей были выделены основные составные части объекта моделирования: силовая часть источника питания, его систему управления и технологическое устройство, макромодели которых разработаны с применением наиболее подходящего математического описания соответственно на схемотехническом, функциональном и информационном уровнях. С помощью математических моделей определены условия возникновения резонанса на частоте второй гармоники в электротехнологических системах, и выявленны факторы, которые оказывают наибольшее влияние на нестабильность их режимных параметров.

Анализируя поведение режимных параметров при изменении нагрузки и возникновении критических и нетехнологических режимов, предложено использование блоков рекуперации энергии с нагрузки, которые позволяют ликвидировать перенапряжение на нагрузке и значительно уменьшить амплитуду второй гармоники. В связи с этим, разработана новая структурная схема электротехнологической системы высокочастотной индукционной термообработки с двухзвенным преобразователем частоты и промежуточным звеном постоянного тока.

При математическом моделировании идеализированного резонансного инвертора определено, что на стабильность режимных параметров системы влияет уровень ограничения напряжения на нагрузке. Предложено три схемы практической реализации блоков рекуперации энергии с нагрузки. Анализ этих схем показал, что уровень ограничения напряжения зависит от емкости рекуперативных конденсаторов. В результате исследований получены зависимости, позволяющие оценивать влияние величины емкостей, применяемых в устройствах рекуперации электрической энергии электротехнологических систем и разработаны рекомендации по выбору энергоэффективных режимов и параметров систем.

Определены новые соотношения параметров реактивных элементов электротехнологических систем. Эти соотношения позволяют определить параметры коммутирующего и разделительного дросселей при известных параметрах коммутирующего и разделительного конденсаторов, и обеспечить передачу максимальной мощности в нагрузку. Дальнейшее математическое моделирование характеристик резонансного инвертора подтвердило аналитическое соотношение параметров реактивных элементов. При этом показано, что при изменении сопротивления нагрузки практически от короткого замыкания к холостому ходу в определенный момент система переходит в режим повторного отпирания диодов, в котором ограничивается максимальное значение мощности в нагрузке. При выполнении оптимальных соотношений этот момент наступает позднее, чем при любых других соотношениях. Таким образом, достигается передача максимальной мощности от входа звена высокой частоты к нагрузке. Проанализированы также разные варианты включения части коммутирующего дросселя, а именно в диагональ постоянного тока и плечё инверторного моста. Определено, что на момент перехода системы в режим повторного включения диодов и уровень мощности в нагрузке место включения этой части дросселя не влияет.

Экспериментальные исследования, которые проведены на макете индукционной установки (на базе тиристорного резонансного инвертора с удвоением частоты и обратными диодами), доказали эффективность предложенных блоков рекуперации энергии с нагрузки при изменении ее электрических параметров в широких пределах. Подтверждено, что при использовании теоретически найденных соотношений между реактивными элементами мостового резонансного инвертора, достигается максимум активной мощности, передаваемой в нагрузку. Расхождения результатов эксперимента и исследований, которые проводились путем моделирования электротехнологических систем в прикладных программных средах, составляет не больше 10%. Результаты исследования электротехнологических систем высокочастотной индукционной обработки на основе тиристорных резонансных мостовых инверторов с глубоким регулированием мощности нашли применение в разных индукционных установках и комплексах: а) наплавки автомобильных клапанов (завод автомобильных клапанов г. Луганск); б) нагрева трубных заготовок под пластическую деформацию (ООО “Пожзащита” г. Мариуполь); в) плавки серебра ІПК 0,032/0,02 (ООО “Аргентум” г. Киев).

Ключевые слова: электротехническая система, индукционная обработка, резонансный инвертор, нестабильность, фазовое регулирование, энергоэффективность.

Summary

Ushakov V.I. Electrotechnological systems of high-frequency induction heat treatment of metals with the deep control of power- The manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - Institute of electrodynamics NAS of Ukraine, Kyiv, 2007.

The thesis is devoted to development of a method of the deep control of power of electrotechnological systems of high-frequency induction heat treatment of metals, increasing power efficiency such systems and to diminution of instability of regime parameters at substantial growth of load parameters and the centralized feed of installations. It is justified, that the using of thyristor bridge resonant inverter with application of a method of the deep control of power by change of a phase shift between bridge control impulses is expedient for high-frequency induction systems at changing of electrical load parameters in wide ranges.

Conditions of occurrence of critical and not technological modes of the resonant phenomena on frequency of the second harmonic in loading of the two-bridge resonant inverter with antiphase connection of bridges are determined.

The way of stabilization of regime parameters in electrotechnological systems of high-frequency induction heat treatment with the individual and centralized feed for restriction of not technological modes such as overvoltage and failures of inverting is developed. The technique for definition of optimal regime parameters of recuperation devices in electrotechnological systems of high-frequency induction heat treatment of metals on the basis of thyristor resonant bridge inverters at changing of electric load parameters in wide ranges and at individual and group power supplies is developed as well as the technique for definition of optimal ratio between reactive elements of the bridge resonant inverter is created.

Key words: electrotechnical system, induction treatment, resonant inverter, instability, phase control, energy efficiency.

Размещено на Allbest.ru