Автономні інвертори як складова частина електротехнологічних установок

У вступі обгрунтовані актуальність теми і сформульована мета досліджень, перераховані основні результати роботи, наведені положення, які виносяться на захист.

У першому розділі розглянуто основні вхідні дані для досліджень (структура електротехнологічного процесу, місце і вплив перетворювача частоти на електротехнологічний процес, названі найбільш енергоємні електротермічні і ультразвукові установки, розглянуто основні особливості технологічних установок. Наведена класифікація перетворювачів параметрів електричної енергії і визначені вимоги до автономних інверторам, що застосовуються в електротехнологічних установках.

Сучасний електротехнологічний процес характеризується багатьма параметрами, які визначають його основні техніко-економічні показники: продуктивність, якість кінцевого продукту, питомі втрати енергії, маса та об'єм встановленого обладнання, собівартість готової продукції та ін. При цьому показники технологічного процесу залежать не тільки від обраного способу технології, але і від параметрів і режиму роботи окремих блоків технологічного обладнання.

Для створення заданого кінцевого продукту з потрібними характеристиками треба визначеним чином перетворити електричну енергію, яка одержана від мережі змінного струму.

В сучасній електротехнології електрична енергія, одержана від промислової мережі змінного струму, як правили, повинна бути перетворена до вигляду, зручному до споживання (електрична енергія постійного струму з заданими параметрами, імпульсна електроенергія, енергія змінного струму підвищеної частоти та ін.).

Перетворювач електричної енергії виявляє безпосередній вплив на енергетичні характеристики технологічного процесу (ККД, енергетику споживання - , гармонічний склад струму, який споживається, несиметрію та ін.).

Дуже часто вихідні характеристики перетворювача виявляють безпосередній вплив на кінцевий продукт і можуть приводити до його необоротної зміни (браку). Швидкість вимикання енергії, яка передається у навантаження безпосередньо визначається динамічними та навантажувальними характеристиками перетворювача. В процесі технологічної обробки характеристики середовища, в якому відбувається процес, безперервно змінюються, довільно або за програмою, що визначається видом технології, спостерігаються плавні довільні зміни або стрібкоподібні зміни. Таким чином, існує зворотний зв'язок з боку навантаження. Тому вихідні характеристики перетворювача повинні відповідати вимогам, які визначаються не тільки статичними, але й динамічними параметрами середовища (навантаження перетворювача).

Таким чином, перетворювач електричної енергії є одною з головних ланок технологічного кола, який виявляє вплив на основні техніко-економічні характеристики технологічного процесу. Часто не вдається оптимальним чином організувати електротехнологічний процес, пристосовуючи до умов електротехнології відомі типи перетворювачів. Тому актуальна розробка нових видів перетворювачів електричної енергії, які найкращим чином відповідають задачам електротехнології.

З загальних вимог до перетворювачів енергії, на нашу думку, найважливішою є вимога високої надійності. Важливість цієї вимоги важко переоцінити, тому що будь-які інші достоїнства напівпровідникового перетворювача частоти при низькій надійності його роботи, не в змозі забезпечити позитивний економічний ефект від його застосування внаслідок різкого збільшення експлуатаційних витрат та недовипуску продукції заданої якості.

Надійність напівпровідникових перетворювачів є складною функцією дуже багатьох факторів. Вона залежить від схемотехнічних рішень, від кількості та якості елементів і інтенсивності їх відмов, якості проектного розрахунку та конструювання, виду системи охолодження, якості виготовлення, умов експлуатації та ін. Кожний з цих факторів є складною функцією інших факторів.

Крім фізичних відмов, коли руйнується і вимагає заміни частина обладнання напівпровідникового перетворювача, може мати місце випадкова функціональна відмова інвертора перетворювача, що зветься зривом процесу інвертування, який може бути викликаний порушенням керованості тиристорів внаслідок короткочасного перевищення їх струму, напруги або температури, а також появи сильної електромагнітної завади. Після зникнення короткочасних збурюючих діянь при повторному запуску нормальна робота перетворювача відновлюється в цьому випадку без заміни обладнання. Оскільки зрив процесу інвертування пов'язаний з порушенням запірності тиристорів, тобто їх нормальної комутації, можна цей вид відмови назвати порушенням комутаційної стійкості перетворювача, яка з одного боку не є повною відмовою, особливо при наявності автоматичного повторного вмикання, проте в цілому знижує надійність роботи перетворювача та ефективність його застосування.

Вимоги до надійності напівпровідникових перетворювачів особливо зростають зараз по двом причинам. По-перше, в зв'язку з автоматизацією виробничих процесів все частіше джерела живлення на основі високоякісних напівпровідникових інверторів установлюються в автоматичні лінії з великою продуктивністю та різко змінними параметрами навантажувального контуру. По-друге, джерела живлення на основі високочастотних напівпровідникових інверторів починають застосовуватись окрім цехових стаціонарних умов у польових або морських умовах, наприклад, при пошуку та добуванні нафти, де параметри навантаження також можуть змінюватися в широких межах в зв'язку з різними типами електроакустичних випрямінювачей, різної довжини силового кабелю (вона визначається глибиною свердловини або умовами експерименту), різними типами порід, які піддаються обробці, та ін. Суттєво важливим для підвищення надійності напівпровідникових перетворювачів є вибір таких основних схемотехнічних рішень при яких би зберігалися як інтегральні, так і миттєві значення прийнятих електромагнітних завантажень обладнання перетворювача, а для тиристорів також значення швидкостей наростання струму та напруги і їх схемного часу запирання незалежно від меж і швидкості зміни параметрів навантажувального контуру, які в багатьох електротехнологічних установках можуть бути достатньо великими. Обмеження інтегральних електромагнітних навантажень елементів забезпечить гарантовані інтенсивності їх відмов, тобто одержати максимально можливу надійність перетворювача при існуючий елементній базі та реальних умовах експлуатації, а обмеження миттєвих значень струмів і напруг, їх динамічних діянь, а також зберігання схемного часу запирання забезпечить максимально можливу комутаційну стійкість перетворювача.

Для забезпечення стійкої роботи перетворювача в режимі короткого замикання навантаження (або близьких до нього) треба, щоб він володів властивостями джерела струму, а для забезпечення стійкої роботи перетворювача в режимі холостого ходу навантаження (або близьких до нього) треба, щоб він володів ще й властивостями джерела напруги.

Другий розділ присвячений гармонічному аналізу інверторів струму і резонансних інверторів без зворотних діодів. Аналізуються режими роботи схеми послідовно-паралельного інвертора як найбільш загальної схеми інвертора, при різноманітній конфігурації і розладі навантажувального контуру. Розглядаються режими безперервних і переривчастих вхідних струмів, а також граничний режим, для яких складені математичні моделі. Для всіх розглянутих режимів виведені співвідношення, що дозволять визначати всі параметри інвертора.

В залежності від параметрів елементів схеми інвертора та навантаження одна і та ж схема інвертора може плавно або стрибкоподібно переходити від одного типу до іншого, або від одного режиму до іншого, тобто інвертор струму (АІС) може перейти з режиму з пульсуючим вхідним струмом (РБС) в режим переривчастого вхідного струму (РПС),що відповідає резонансному інвертору (АРІ), а в свою чергу АРІ може перейти в АІС. Найбільш загальною схемою інвертора є послідовно-паралельний інвертор, який може проявляти себе як послідовний, послідовно-паралельний, так і паралельний.Точний аналіз АІС і АРІ без зворотних діодів показав, що перша гармоніка вихідної напруги та дійсне його значення відрізняються мало. На відміну від напруги форма імпульсу змінного струму суттєво відрізняється від синусоїди. Тому апроксимація його першою гармонікою призводить до великої похибки. Тому при аналізі інверторів струму та резонансних інверторів змінний вихідний струм треба брати дійсної форми. Тому що вихідний струм має однакову форму з загальним струмом кола змінного струму, а останній є діянням напруги , яке може бути зображено однією еквівалентною синусоїдою, форма імпульсу вхідного струму дуже близька до істинної.

При аналізі процесів в інверторі його можна зобразити еквівалентною схемою, в якій змінна напруга замінена генератором синусоїдної напруги або еквівалентними активним та ємнісним опорами.

Струм в колі описується виразом

, (1)

де - (2)

стала, яка визначає початкове значення струму (на початку та в кінці напівперіоду);

, (3)

, (4) , (5)

(6)

Одержані вирази дозволяють визначити струми і напруги, які характеризують роботу інвертора. Вираз (2) дозволяє одержати три значення А, які відповідають різним режимам роботи інвертора:

1. - режим безперервних вхідних струмів (РБС). При ідеально згладженому вхідному струмі стала і середнє значення вхідного струму рівні.

2. - граничний режим (ГР), при якому струм на початку та в кінці напівперіоду дорівнює нулю.

3. - через те , що ключі мають однобічну провідність, від'ємне значення неможливе, проте воно одержується формально і означає наявність режиму переривчастого струму (РПС), при якому струм дорівнює нулю до кінця напівперіоду.

Одержані співвідношення дозволяють визначити величини, які характеризують роботу інвертора: а) миттєве, середнє значення вхідного струму, форму та фазу струму; б) максимальні значення напруг на конденсаторах С1, С2, С, напругу на діагоналі моста та її фазу; в) максимальні прямі та зворотні напруги на ключах; г) час, який надається ключам для відновлення запірних властивостей; д) потужності, які споживаються від джерела живлення та віддаються в навантаження. Робота інверторів стійка, а струми та напруги мають прийнятні значення при виборі

, (7)

де . (8)

В виразах, які характеризують роботу АІС і АРІ, присутні еквівалентний опір та фазові кути і . Вони характеризують коло змінного струму, яке знаходиться в діагоналі моста (між точками а і b - рис.3,а,б) та навантажувальний коливальний контур. В роботі приведені аналітичні вирази цих величин для різних схем кола змінного струму.

В роботі показано, що при побудові інверторів струму на повністю керованих ключах найбільш доцільною є робота на частоті близької до резонансної, тому що на цій частоті маємо найменші струми в схемі, а отже і втрати потужності.

Третій розділ присвячений електричному проектуванню автономних інверторів струму і резонансних інверторів без зворотних діодів. Запропонована інженерна методика розрахунку різних типів інверторів, призначених для індукційного нагрівання і працюючих в різних режимах, яка з достатньою точністю дозволяє визначити параметри елементів схеми для будь-якого варіанту побудови інвертора.

Майстерність проектування АІС і АРІ складається з двох основних компонент: перша міститься в знанні та умінні правильно вибрати величини і (- добротність контуру в еквівалентній схемі інвертора) в залежності від співвідношення частот та забезпечення працездатності в сталих і перехідних процесах; друга пов'язана з правильністю та вмінням перетворення складних кіл змінного струму і приведенням їх до послідовних схем заміщення, які забезпечують визначення узагальнених параметрів і інвертора. Представлена повна система характеристик , слушна для будь-якого режиму автономного інвертора без зворотних діодів.

РБС з добре згладженим струмом доцільний при і не доцільний при ; РБС з пульсуючим вхідним струмом - . ГР - пунктирна лінія, РПС - над пунктирною лінією ГР. Як видно, кут може відображати велику та різноманітну інформацію про електромагнітні процеси в АІС та АРІ, тобто він є мірою форми та пульсацій вхідного струму, а також режимів роботи інвертора.

З порівняння різних типів інверторів можна зробити висновок, що вони близькі за своїми властивостями і не мають вирішальної властивості, за якою їм можна віддати перевагу. Це дійсно так, якщо навантаження має сталі параметри. В цьому випадку немає необхідності ускладнювати схему і доцільно вибирати саму просту схему паралельного інвертора. В разі змінного навантаження, що має місце при застосуванні інвертора в індукційному нагріванні, доцільне використання послідовно-паралельної схеми через основну відзнаку від інших схем - можливості роботи при будь-якому стані паралельного контуру: резонансі, а також розладі як в ємністний, так і в індуктивний бік.

Четвертий розділ присвячений аналізу і проектуванню автономних резонансних інверторів з зворотними діодами. На підставі використання відношення в якості класифікаційної ознаки і поняття граничного режиму автономних резонансних інверторів з зворотними діодами (АРІ з ЗД) запропонована єдина класифікація всіх автономних інверторів струму і резонансних інверторів струму. Введене поняття квазіграничного режиму для всіх автономних резонансних інверторів з зворотними діодами, що дозволило проводити аналіз і розрахунок автономних резонансних інверторів з зворотними діодами, як і для автономних резонансних інверторів без зворотних діодів.

В залежності від типу АРІ з ЗД напівперіод одержується менше або більше напівперіоду перемикання . У відповідності з цим відношення може бути меншим або більшим одиниці. Таким чином різниця АРІ з ЗД у порівнянні з АРІ без ЗД в ГР в значенні відношення і в обов'язковості коливального режиму роботи лише в частку напівперіоду. Для усіх. АРІ з ЗД відношення частот , тоді як в АРІ без ЗД в ГР воно дорівнює одиниці. Враховуючи вказані відмінності, можна прийняти, що АРІ з ЗД працюють не в граничному, а квазіграничному режимі.

Зроблений висновок про квазіграничний режим після вибору для конкретного типу АРІ з ЗД значення відношення дозволяє виконувати аналіз і розрахунок як для АІР без ЗД. При цьому необхідним і достатнім є те, що елементи схеми інвертора забезпечують одержання визначеної частоти та відношення частот .

Розглянута схема АРІ з ЗД і з дозуванням енергії, яка дозволяє накопичувати і передавати незмінними порціями енергію у навантаження при сталій її потужності незалежно від параметрів навантаження. Регулювання потужності та захист інвертора від перенавантажень можна здійснювати шляхом зміни частоти.

Останнім часом в джерелах електроживлення для індукційного нагрівання використовується АРІ з ЗД і колом змінного струму у вигляді послідовного навантажувального коливального контуру.

Це означає, що застосовується не паралельна, а послідовна компенсація індуктивності нагрівального індуктора. В цьому випадку параметри і навантаження ( індуктора) виконують роль двох елементів контуру і . Інвертор виконується з введенням тільки одного додаткового елемента - конденсатора . Природна простота не єдина перевага такого інвертора. Важливим і визначальним є можливість одержання регулювання в широкому діапазоні потужності та узгодження шляхом зміни робочої частоти, що особливо необхідно в електротермічних установках для індукційного нагріву.

В додатку приводиться акт впровадження результатів роботи в навчальний процес.

ВИСНОВКИ

Проведені в роботі дослідження дозволили вирішити ряд наукових задач, зв'язаних з розробкою і вдосконаленням схем автономних інверторів, підвищити надійність їхньої роботи при постійному і навантаженні, що змінюється в широких межах.

Сукупність науково обгрунтованих теоретичних і практичних результатів має істотне значення для розвитку перетворювальної техніки.

Показано, що побудова перетворювачів частоти для електротехнологічних установок доцільна на базі автономних інверторів, побудованих на різного типу ключових напівпровідникових приладах. Встановлено, що узгодження параметрів інверторів з змінними параметрами навантаження необхідно здійснювати зміною робочої частоти.

Показано, що схема АРІ з ЗД з послідовним навантажувальним коливальним контуром не тільки дуже проста, бо вимагає введення тільки одного додаткового елементу - конденсатора, але й забезпечує регулювання в широкому діапазоні потужності і узгодження шляхом зміни робочої частоти.

3. В роботі розвинуто метод гармонічного аналізу інверторів, що базується на заміні синусоїдою імпульсу змінної напруги, а не як прийнято загального змінного струму. Це дозволило розробити нові математичні моделі інверторів без зворотних діодів і з зворотними діодами, які дозволяють при істотно менших витратах машинного часу виявити ті режими, в яких найбільш повно виявляються їхні переваги з точки зору полегшення умов роботи напівпровідникових приладів.

4. Отримано узагальнені вирази і досліджено характеристики автономних інверторів без зворотних діодів послідовного, паралельного і послідовно-паралельного типів, що дозволило визначити комбінації незалежних змінних, при яких спотворення імпульсу струму і кут максимальні, а також зробити висновок про те, що значення різних величин, які характеризують роботу інвертора, залежать тільки від узагальнених параметрів і і не залежать від конкретних параметрів схеми.

5. Визначено еквівалентні параметри і фазові співвідношення для найбільш розповсюджених схем кола змінного струму інвертора, які дозволяють спростити обчислення і отримати більш наочні залежності.

6. Розроблений інвертор струму на МОН-транзисторах показав, що його робота найбільш доцільна на частоті, близькій до резонансної частоти контуру, бо на цій частоті маємо найменші струми в схемі, а отже і втрати потужності.

7. Розроблено єдину методику розрахунку автономних інверторів струму і резонансних інверторів (без і з зворотними діодами), яка має одну і ту же послідовність обчислень незалежно від особливостей їх роботи і яка використовує поняття квазіграничного режиму.

8. Запропоновано АРІ з ЗД і дозуванням енергії, яка передається в навантаження, при постійній частоті, незмінну потужність при всіх значеннях її параметрів, тобто забезпечує природним чином погодження без силових або керуючих діянь. Інвертор стійко працює при великих перевантаженнях аж до к.з., а також і при недовантаженнях, в тому числі і при х. х.

9. Результати виконаних досліджень і рекомендацій використані в навчальному процесі і передані для використання при розробці і вдосконаленні перетворювачів підвищеної і ультразвукової частоти на металургійний комплекс “ЭЛЬ-ХАДЖАР” г. Аннабе (Алжір).

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

За темою дисертації опубліковано 6 наукових робіт:

1. Сенько В.І., Сенько Є.В., Бензин А., Фажрауи Х.М. Математична модель компенсатора реактивної потужності // Наукові вісті НТУУ "КПІ". -1999.- №1(5). - С. 88-92.

2. Смирнов В.С., Сенько Е.В., Х. Жаруша, А. Бензин, Х.М. Фажрауи. Математическая модель выходного преобразователя //Проблеми автома-тизированного электропривода. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1998. - С. 293-294.

3. Сенько В.И., Сенько Е.В., А. Бензин, Х. Жаруша. Управление автономными инверторами с помощью оптимальной ШИМ // Технічна електродинаміка, спеціальний випуск 2, т.1. - 1998. - С. 128-131.

4. Сенько Е.В., Сенько Л.И., А. Бензин, Х. Жаруша. Математическая модель входного преобразователя // Электроника и связь. -1998.- №4, ч.І. - С. 192-195.

5. Сенько Л.И., А. Бензин. Анализ процессов в параллельном резонансном инверторе // Электроника и связь. -1999. - №6, т.2. - С. 55-59.

6. Сенько Е.В., Х.М. Фажрауи, А. Бензин. Повышение энергетических показателей однофазных входных преобразователей // Труды междунар. конф. “Проблемы физической и биомедицинской электроники”. - №4, ч.І. - Киев: НТУУ “КПИ”. - 1998.- С.187-191.

АНОТАЦІЇ

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09. 12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001 р.