Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние разработки и применение комплексных электротехнологических установок, и их элементов 16
1.1 Современные промышленные способы термообработки деталей 17
1.2 Структура источников питания для электротехнологий 19
1.3 Схемы совместной работы резонансных инверторов и трансформаторно-индукторных модулей 22
1.4 Применение согласующих трансформаторов в современных комплексных электротехнологических установках 27
1.5 Модернизация элементов электротехнологических установок, включающих индукционный нагрев с промежуточными проводящими средами 36
1.6 Обзор методик расчета согласующих высокочастотных трансформаторов 44
1.7 Выпрямительно-инверторные модули в составе электротехнологических установок с индукционным нагревом 47
Выводы к первой главе и постановка задач исследования 50
Глава 2 Источники питания для электротехнологических установок, включающих индукционный нагрев 53
2.1 Разработка структуры источников питания для электротехнологий на базе одновентильных инверторов 54
2.2 Параметрический синтез резонансных инверторов для электротехнологий 56
2.3 Параметрический синтез с помощью имитационных моделей источников питания с ферромагнитными модулями для согласования выходных параметров инверторов с параметрами нагрузки 68
Выводы ко второй главе 82
Глава 3 Разработка математических моделей и структурных схем комплексных электротехнологических установок с индукционным нагревом, включающих индукторы с промежуточными проводящими средами 84
3.1 Индукторы, применяемые на промышленной частоте питающего тока 84
3.2 Расчет параметров электромагнитного поля комплексной электротехнологической установки 87
3.3 Расчет электромагнитного поля в электротехнологических установках с различной толщиной стенок добавочной проводящей среды 95
3.4 Расчет параметров индукторов с промежуточной проводящей средой с прорезями 97
3.5 Разработка и определение параметров схемы замещения комплексной установки с добавочной проводящей средой 102
3.6 Совершенствование методики расчета комплексных электротехнологических установок определение и основных соотношений для расчета индукторов с добавочными проводящими средами 105
Выводы к третьей главе 107
Глава 4 Анализ и расчет электромагнитных процессов в установках с согласующими трансформаторами 110
4.1 Методика расчета согласующих высокочастотных трансформаторов 110
4.2 Экспериментальное определение параметров системы
«преобразователь - трансформаторно-индукторный модуль» 121
4.3 Имитационное моделирование и исследование электромагнитных процессов в источниках питания электротехнологических установок с применением многофазных управляемых выпрямительных модулей 129
4.4 Разработка конструкции многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз 132
Выводы к четвертой главе 134
Заключение 137
Список литературы
- Схемы совместной работы резонансных инверторов и трансформаторно-индукторных модулей
- Параметрический синтез резонансных инверторов для электротехнологий
- Расчет электромагнитного поля в электротехнологических установках с различной толщиной стенок добавочной проводящей среды
- Имитационное моделирование и исследование электромагнитных процессов в источниках питания электротехнологических установок с применением многофазных управляемых выпрямительных модулей
Схемы совместной работы резонансных инверторов и трансформаторно-индукторных модулей
В выпрямительном модуле происходит преобразование трехфазного переменного тока промышленной частоты в постоянный. При этом в современных установках в основном применяется трехфазный мостовой выпрямитель по схеме Ларионова [21]. Сглаживающий дроссель (на рисунке 1.1 не показан) в общем случае имеющий магнитопровод и обмотку, обтекаемую пульсирующим выпрямленным током, состоящую из двух полуобмоток, наматываемых на разные стержни магнитопровода, и использующийся в качестве фильтра на выходе выпрямителя [3, 22], уменьшая величины пульсаций выпрямленного напряжения, а также не допускающий проникновение высокочастотных помех, которые возникают при работе установки, в питающую сеть. В инверторном блоке происходит обратное преобразование постоянного тока в переменный, но повышенной частоты. Нагрузочный модуль состоит из индукторно-конденсаторного модуля [7], а также, в ряде случаев, согласующего высокочастотного трансформатора. Согласующий трансформатор используется для согласования параметров источника питания и индукторно-конденсаторного модуля. Система управления электротехнологической установкой - сложное устройство, состоящее из нескольких основных модулей. Устройство управления и защиты осуществляет управление работой установки, то есть оно отвечает за выработку и распределение управляющих сигналов по полупроводниковым вентилям. Также к системе управления можно отнести блок, отвечающий за стабильность параметров источника питания при его работе, модуль управления, отвечающий за управление источником питания. Подключение установки к питающему напряжению и отключение от него осуществляется с помощью устройств для коммутации. При этом эти устройства также управляются системой управления при помощи соответствующего блока (рисунок 1.1).
Для достижения цели разработки источников питания для электротехнологических установок с индукционным нагревом, и повышения их эффективности за счет совместной работы новых высокочастотных согласующих трансформаторов, резонансных контуров, выпрямительно-инверторных и индукторно-конденсаторных модулей с промежуточными проводящим средами, необходимо совершенствовать все элементы данных установок, включающие выпрямители, инверторы, индукторы и согласующие высокочастотные трансформаторы.
В силу того, что в настоящее время элементная база полупроводниковых элементов обширна [21, 23, 24] и промышленностью выпускается широкий ассортимент как тиристоров, так транзисторов, обладающих высокими свойствами, а также в связи со значительным расширением применения полупроводниковых источников питания не только на крупных заводах, но в бытовых целях, важным моментом при их разработке является достаточная простота конструкции источников и надежность. Поэтому важно рассмотреть использование в таких источниках простых и надежных схем инверторов с минимальным количеством элементов. В отечественной и зарубежной литературе описываются разнообразные схемы тиристорных и транзисторных инверторов [13, 18, 25, 26], обеспечивающих различные параметры электрической энергии. Одним из наиболее подходящих вариантов таких инверторов являются одновентильные транзисторные инверторы, которые являются достаточно простыми и надежными по сравнению с многими применяемыми в настоящее время схемами. Однако в существующей литературе вопросы теоретического исследования электромагнитных процессов в одновентильных инверторах освещены недостаточно [29, 30, 31]. В связи с чем вопросы теории и проектирования преобразователей данного типа представляются актуальными.
Таким образом, разработка структуры и параметрический синтез новых источников питания для электротехнологических установок с индукционным нагревом на базе применения одновентильных транзисторных инверторов является актуальной научно-технической задачей.
В настоящее время в различных публикациях, патентах представлены разнообразные схемы и конструкции электротехнологических установок, в том числе включающих индукционный нагрев, а также элементов этих устройств. Для выявления типов и конструкций установок и их элементов, совершенствование которых наиболее перспективно, необходимо рассмотреть основные применяемые их типы.
В этих инверторах одним из главных элементов являются полупроводниковые приборы, в качестве которых используются как тиристоры (рисунок 1.2 - 1.4), так и транзисторы. Отечественные и зарубежные тиристоры могут работать при средних значениях анодного тока тиристора до нескольких тысяч ампер и обратных напряжениях до 6 киловольт, при допустимых скоростях нарастания тока до нескольких сотен ампер в микросекунду и напряжения до тысячи вольт в микросекунду. КПД таких приборов достигает 99%. Время восстановления управляющих свойств таких тиристоров составляет: для высокочастотных модификаций от десяти микросекунд, для низкочастотных модификаций - от 200 микросекунд [21].
Среди множества типов выпускаемых транзисторов наиболее рационально применять комбинированные типы - биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT транзисторы), которые совмещают в себе наилучшие качества различных типов транзисторов. За рубежом выпускаются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы) четвертого поколения с выходными токами до 1200 А и напряжением до 6500 В [21, 23, 24]. Также в настоящее время в силу развития элементной базы полупроводниковых приборов промышленностью освоено производство совокупности ключевых элементов в единой конструкции или модуле.
На основании вышесказанного, можно сделать вывод, что благодаря развитию элементной базы силовых полупроводниковых приборов, электромагнитные процессы в электротехнологических установках с индукционным нагревом практически не зависят от типа применяемых ключей - тиристоров или транзисторов, а определяются параметрами силовых элементов, входящих в состав устройства, например индуктора, дросселей, согласующих трансформаторов.
В отечественной и зарубежной литературе имеется большое количество работ, посвященных анализу электромагнитных процессов [33-36, 138-140] в основных схемах инверторов, в том числе несимметричных и мостовых, определению мощности установок [37, 38], моделированию работы с помощью пакетов программ [39, 40].
Параметрический синтез резонансных инверторов для электротехнологий
В данной главе решаются задачи разработки структуры, создания математической модели и параметрического синтеза новых источников питания для электротехнологических установок с индукционным нагревом, а также создание имитационных моделей источников питания электротехнологических установок с применением новых высокочастотных согласующих трансформаторов с исследованием электромагнитных процессов в установках с помощью разработанных моделей.
Решаемые проблемы соответствуют первой и второй задачам диссертации. Обзор литературы, осуществленный в первой главе, показал, что известно достаточно большое количество схем источников питания электротехнологических установок, и для совершенствования источников важное значение имеет применение наиболее простых, надежных схем инверторов, позволяющих в широких пределах регулировать выходные параметры. Таким условиям удовлетворяет находящая сегодня применение схема с одним управляемым вентилем [29]. В используемых установках в основном применяются параллельный или бестрансформаторный способ компенсации, обладающие значительными недостатками, а применяемые в настоящее время в согласующие высокочастотные трансформаторы имеют низкие технико-экономические показатели вследствие применяемых в них магнитных материалов, в связи с чем возникает необходимость разработки и исследования установок с согласующими высокочастотными трансформаторами с современными магнитными материалами, имеющими высокие технико-экономические показатели для расширения применения последовательной компенсации
Разработка структуры источников питания для электротехнологий на базе одновентильных инверторов Среди используемых в настоящее время источников питания одновентильные транзисторные инверторы обладают значительными преимуществами, заключающимися в простоте и надежности [29]. Благодаря использованию в их схеме полностью управляемых вентилей - транзисторов, по сравнению с тиристорными инверторами, удается добиться исключения таких элементов, сглаживающий и коммутирующий дроссель, которые имеют достаточно большие габариты и занимают много места в установке. Исключение данных элементов позволило соответственно удешевить устройство. По способу подключения конденсатора такие инверторы принято разделять на последовательные и параллельные. На рисунке 2.1 приведена схема одновентильного последовательного инвертора. На рисунке 2.2 приведена схема одновентильного параллельного инвертора.
Однако следует отметить один из недостатков таких инверторов. Он заключается в наличии постоянной составляющей тока в нагрузке.
Вопросы исследования электромагнитных процессов в последовательных одноключевых транзисторных инверторах исследованы недостаточно, известны лишь упрощенные математические модели, без подробного исследования работы данных источников питания.
Одновентильный транзисторный инвертор (рисунок 2.1) состоит из индуктора, представленного активно-индуктивным сопротивлением R, L, к которым последовательно соединен конденсатор С, встречно-параллельно с которым соединен транзистор VT и обратный диод VD.
Одновентильный параллельный транзисторный инвертор (рисунок 2.2) состоит из индуктора, представленного активно-индуктивным сопротивлением R, L, к которым параллельно подключен конденсатор С, последовательно с данным контуром подключена цепь из встречно-параллельно соединенных транзистора VT и обратного диода VD. і R - і -- о — H і і K/7
В данных инверторах в качестве управляемого ключа предлагается использование /Є Г-транзистора [21, 23]. Следует отметить, что такие приборы обладают значительными преимуществами перед тиристорами. Одним из преимуществ является значительно меньшее время восстановления управляющих свойств по сравнению с тиристорами, что позволяет данному инвертору работать при большей частоте инвертирования.
Следует отметить, что рассмотренные на рисунках 2.1 и 2.2 источники могут применяться только на базе полностью управляемых полупроводниковых приборов - транзисторов.
Также можно сказать, что особенность работы источников на рисунках 2.1 и 2.2, заключается в том, что импульсы на отпирание транзистора VT должны подаваться одновременно с подключением инвертора к питающему напряжению, а подача импульса открывания транзистора VT должна быть одновременна с пересечением напряжением на транзисторе нулевого значения.
В данном разделе будет разработана математическая модель, описывающая электромагнитные процессы, происходящие в последовательных и параллельных одновентильных транзисторных инверторах. С помощью данной модели можно будет определить основные соотношения, определяющие области рациональных параметров инверторов. При этом следует отметить, что электромагнитные процессы можно исследовать с помощью дифференциальных уравнений второго порядка.
Рассмотрим вначале работу последовательного одновентильного инвертора в квазиустановившемся режиме. В момент времени t=0 системой управления транзисторного инвертора подается отпирающий импульс на транзистор VT и он отпирается. В цепи инвертора начинает течь ток / от нуля, в положительном направлении. В момент времени t\ системой управления снимается импульс управления, и транзистор VT запирается. Одновременно с этим в цепи колебательного контура емкость С источника питания перезаряжается до наступления времени t3. Когда наступает время t3, в работу инвертора вступает вентиль VD. С момента времени t3 и до момента времени t5 ток инвертора идет в обратном направлении, уменьшаясь до нуля. В момент времени t5 обратный диод VD запирается, и системой управления транзисторного инвертора подается импульс управления на отпирание транзистора VT. После этого все процессы повторяются. В силу того, что в инверторе используется резонансный контур, ток имеет форму, близкую к синусоидальной.
Как уже было отмечено, когда происходит запирание транзистора VT, происходит колебательный перезаряд конденсатора и ток инвертора идет по цепи, содержащую индуктор R, L и конденсатор С. При этом в момент времени t4 ток инвертора / достигает максимального значения, а затем уменьшается до нуля к моменту времени t2. Затем ток снова протекает в обратном направлении, возрастает до максимального значения и убывает до момента t3, когда включается обратный диод VD.
Напряжение на конденсаторе равно нулю до момента t\, когда запирается транзистор VD, затем оно начинает нарастать до своего максимума в момент времени t2, во время которого ток инвертора снижается до нуля. После прохождения максимума напряжение на конденсаторе снижается до нуля к моменту времени ґз, при котором отпирается обратный диод.
Расчет электромагнитного поля в электротехнологических установках с различной толщиной стенок добавочной проводящей среды
Рассмотрим основные параметры данной схемы, ток /и - это ток катушки индуктора, ток 13 - это ток в нагреваемой заготовке, напряжение [/и - это напряжение катушки индуктора, ток /0 _ это ток в цепи обратного замыкания магнитного потока [63], ток 12 - это ток, протекающий в реторте, сопротивление г\ - это активное сопротивление проводника катушки индуктора, сопротивление Х\М - это внутреннее реактивное сопротивление катушки индуктора, сопротивление xsi - это реактивность рассеяния добавочной проводящей среды, сопротивление ха - это реактивное сопротивление, которое определяет снижение параметров поля, проходящего через промежуточную проводящую среду к нагреваемой заготовке, сопротивление .х з - это реактивность рассеяния термообрабатываемой заготовки, сопротивление х0 - это реактивное сопротивление обратного замыкания магнитного потока, сопротивление г2 - это активное сопротивление промежуточной проводящей среды, которое приведено к току участка катушки индуктора бесконечной длины, сопротивление хтм - это внутреннее реактивное сопротивление промежуточной проводящей среды, которое приведено к току участка катушки индуктора бесконечной длины, сопротивление г3 - это активное сопротивление термообрабатываемой детали, которое приведено к току участка катушки индуктора бесконечной длины, сопротивление хш - это внутреннее реактивное сопротивление заготовки, которое приведено к току участка катушки индуктора бесконечной длины.
Как можно заметить из рисунка 3.9, снижение величины напряженности магнитного поля, которое проходит через реторту, определяется наличием в цепочке, которая соответствует нагреваемым деталям, добавочного сопротивления ха_ Если рассматривать параметры промежуточной проводящей среды из п. 3.2, то значение добавочного сопротивления равно 23% от значения сопротивления XS2 С целью облегчения полного определения параметров электротехнологических установок с промежуточными проводящими средами, цепочки, соответствующие промежуточной проводящей среде и нагреваемым заготовкам, могут быть заменены единой цепочкой с сопротивлениями i"n, хп (рисунок 3.10).
Сопротивления нагрузочной ветви приводятся к току индуктора с помощью коэффициента с = Таким образом, разработанная схема замещения комплексной электротехнологической установки позволяет при определении параметров создаваемой установки свести задачу расчета электромагнитного поля к задаче расчета электрической цепи. Данные действия позволяют существенно упростить определение параметров комплексной электротехнологической установки с промежуточными проводящими средами и позволяют применять аналитический метод расчета.
Это позволяет на основе вышеуказанного усовершенствовать методику расчета индукторов с промежуточными проводящими средами с учетом влияния данных сред на параметры электромагнитного поля, а также определения необходимости выполнения прорезей в промежуточных проводящих средах.
Совершенствование методики расчета комплексных электротехнологических установок определение и основных соотношений для расчета индукторов с добавочными проводящими средами В начале расчета комплексных электротехнологических установок с индукционным нагревом деталей в промежуточной проводящей среде необходимо определить необходимость выполнение прорезей в добавочной проводящей среде.
Для этого используют формулы, позволяющие рассчитать распределение напряженностей магнитного поля в толще добавочных проводящих сред, полученные путем решения уравнения Бесселя для напряженности магнитного поля в добавочной проводящей среде.
По итогам расчетов параметров электромагнитного поля с применением современных математических пакетов Mathematica и Mathcad строится график распределения напряженности магнитного поля по сечению промежуточной среды, например, аналогичный рисунку 3.9, с рассмотрением различных параметров промежуточных проводящих сред.
На основании полученных графиков определяется необходимость выполнения прорезей в добавочной проводящей среде.
В случае, если необходимости выполнять прорези нет, то есть поле с достаточно свободно проникает внутрь цилиндра, с напряженностью в полости цилиндра не менее 60 - 70 % от напряженности поля на поверхности индуктора, следующим этапом расчета является определение граничных условий для системы индуктор - промежуточная проводящая среда - деталь, а именно определение напряженности магнитного поля на границе сред - между индуктором и проводящей средой, а также на границе между добавочной проводящей средой и нагреваемой деталью. Определение граничных условий производится аналогично разделам 3.1-3.2.
Следующим этапом является построение схемы замещения комплексной электротехнологической установки с целью формализации расчетов, подобной той, которая приведена в разделе 3.5. Как было выше отмечено, такая схема замещения позволяет при определении параметров создаваемой установки свести задачу расчета электромагнитного поля к задаче расчета электрической цепи. Данные действия позволяют существенно упростить определение параметров комплексной электротехнологической установки с промежуточными проводящими средами и позволяют применять аналитический метод расчета. С помощью данной схемы замещения, параметры комплексных установок могут быть определены с помощью расчета электрической цепи.
В случае, если по итогам расчета параметров магнитного поля в добавочной проводящей среде выполнение прорезей является необходимым, то есть после значительно ослабляется при прохождении через цилиндр, то следующим этапом также является определение граничных условий для системы индуктор - промежуточная проводящая среда с прорезями - деталь, как показано в разделе 3.4.
Следующим этапом в таком случае будет расчет интегральных величин, характеризующих индуктор с добавочной проводящей средой с прорезями, а именно величины магнитного потока, напряжения, подводимого к индуктору и др. Основные соотношения для расчета интегральных величин приведены в разделе 3.4.
Следующим этапом с целью формализации расчетов является построение схемы замещения индуктора комплексной электротехнологической установки с добавочной проводящей средой с прорезями, которая аналогична схеме на рисунке 3.10, но со своими параметрами и сопротивлениями, отличными от случая, когда выполнение прорезей не требовалось.
Имитационное моделирование и исследование электромагнитных процессов в источниках питания электротехнологических установок с применением многофазных управляемых выпрямительных модулей
Как было выявлено из обзора источников, в настоящее время в составе индукционных установок применяются как неуправляемые выпрямители на диодах (рисунок 1.14), так и управляемые тиристорные выпрямители.
Одним из вариантов модернизации выпрямительных модулей электротехнологических установок с индукционным нагревом является применение управляемых многофазных выпрямительных модулей с согласующими фазопреобразующими трансформаторами, благодаря которым помимо улучшения электромагнитной совместимости за счет применения многофазного выпрямления, появится возможность регулировать параметры электрической энергии в широких пределах.
Работа таких многофазных трансформаторов описывается уравнениями, представленными в различной литературе, например, в [129].
Для исследования электромагнитных процессов в таких многофазных выпрямительных модулях была создана имитационная модель, фрагмент которой представлен на рисунке 4.6. Данная модель был создана на основе схемы управляемого выпрямительного модуля с многофазным согласующим трансформатором, которая аналогична схеме на рисунке 1.15, но отличается применением управляемых выпрямителей с оригинальными системами управления, с возможностью регулирования выходных параметров преобразователя.
На рисунке 4.6 показана одна из трехфазных систем вторичных напряжений многофазного трансформатора, соответствующие обмотки трансформатора подключены к управляемому выпрямителю, представленному в виде блока Universal Bridge. Система управления выпрямителем моделируется подсистемой Control System, внутри которой располагаются элементы системы управления, отвечающие за выработку и своевременную подачу импульсов управления на соответствующие вентили.
Следует отметить, что в данной модели был учтен реальный магнитный материал трансформатора. Параметры использованного материала представлены в приложении И.
В качестве нагрузки выпрямительных модулей упрощенно принимался активное и индуктивное сопротивления, моделируемые в виде блоков Rd и Ld. Полная модель содержит девятифазный трансформатор, преобразующий выходное трехфазное напряжение в девятифазное. Трансформатор имеет три вторичные обмотки, одна соединена звезду и две другие, соединены в зигзаг 87, 88].
Для работы управляемых выпрямителей, а также регулирования в широких пределах параметров электрической энергии, была разработана оригинальная система управления данным преобразователем.
С помощью приведенной модели могут быть определены мгновенные и действующие значения потребляемых токов, токов фазопреобразующих трансформаторов, а также мгновенные и средние значения выпрямленных напряжений и другие параметры [130-132].
С помощью разработанной имитационной модели был произведен гармонический анализ кривой выпрямленного напряжения многофазного управляемого выпрямителя. По итогам моделирования было получено, что в случае применения управляемых в электротехнологических установках управляемых выпрямительных модулей с многофазными согласующими трансформаторами выпрямленное напряжение имеет пульсации, первая гармоника которых имеет частоту 900 Гц, вторая гармоника имеет частоту 1800 Гц, и т.д.
В результате моделирования электротехнологических установок с управляемыми выпрямительными модулями с многофазными согласующими трансформаторами было получено, что коэффициент пульсаций Кп выпрямленного напряжения при угле регулирования 0 градусов составляет не более 0,0062 для случая девятифазного трансформатора. Применение данных выпрямителей позволяет регулировать в широких пределах параметры электрической энергии. Таким образом, применение управляемых выпрямительных модулей с многофазными трансформаторами позволяет обеспечить электромагнитную совместимость электротехнологических установок с индукционным нагревом с сетью и нагрузкой, благодаря малой величине пульсаций выпрямленного напряжения, по сравнению с известными трехфазными мостовыми выпрямителями, в которых коэффициент пульсаций составляет 0,057.
Как известно, одним из способов обеспечения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с сетью и нагрузкой является применение многофазных трансформаторов [130-132].
Для решения задачи обеспечения электромагнитной совместимости был разработан многофазный трансформаторный преобразователь числа фаз, состоящий (рисунок 4.8) из (на примере восемнадцатифазного преобразователя) трехфазного трансформатора, имеющего три катушки первичной обмотки 1, 2, 3, соединенные по схеме «звезда» и подключенные к фазам А, В, С трехфазной сети, а также соединенные между собой шесть катушек 4, 5, 6, 7, 8, 9 вторичных обмоток. В отличие от известных аналогов он содержит три добавочные катушки 10, 11, 12 вторичных обмоток, соединенные определенным образом, замыкая контур катушек вторичных обмоток. В этом случае каждая катушка вторичных обмоток трансформатора является стороной «шестиугольника». При этом отпайки основных и добавочных катушек вторичной обмотки соединены с нулевой точкой восемнадцатифазной системы напряжений преобразователя. Преимуществом предлагаемого устройства является то, что все катушки преобразователя расположены на одном стержне [133].
Для получения симметричной восемнадцатифазной системы напряжений было рассчитано положение отпаек а\, а2, щ, а4, Ъ\, Ь2, Ьз, Ь4, с\, с2, с3, с4, а5, а7, Ь5, bj, с5, с-] от витков основных и дополнительных катушек вторичных обмоток, таким образом, чтобы длины векторов их напряжений были одинаковы. Подобным образом можно получить любую многофазную систему напряжений на базе правильного шестиугольника.