автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Многомодульные источники питания на базе одноключевых резонансных инверторов для индукционной плавки металлов

9 15-5/1029

На правах рукописи

КОСТЕРЕВ Андрей Александрович

МНОГОМОДУЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ НА БАЗЕ ОДНОКЛЮЧЕВЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2015

Работа выполнена на кафедре «Системотехника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Официальные оппоненты:

Научный руководитель: Голембиовский Юрий Мичиславович,

доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры

«Системотехника», г. Саратов

Черных Илья Викторович,

доктор технических наук, заведующий кафедрой «Техника высоких напряжений» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург Силкин Евгений Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, генеральный директор Общества с ограниченной ответственностью «Силовая электроника» (ООО ЭЛСИ), г. Ульяновск

ФГБОУ ВПО «Нижегородский

государственный технический университет имени P.E. Алексеева», г. Нижний Новгород

Защита состоится «26» ноября 2015 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « СИ » октября 2015 года

Ведущая организация:

Ученый секретарь /С/

диссертационного совета Миргородская Е.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современная металлургия уже не может обойтись без использования в литейном производстве высокочастотных преобразовательных систем для плавки черных и цветных металлов. Многочисленные исследования, касающиеся разработки

высокоэффективных систем электропитания индукционных плавильных печей, и широкая номенклатура выпускаемых промышленных установок убедительно подтверждают неослабевающий интерес к этому технологическому процессу. Современные источники питания индукционных установок (ИПИУ) фактически уже достигли своих предельных технико-эксплуатационных показателей (ТЭП), таких как надежность, срок службы силового оборудования, возможность наращивания мощности без замены источников питания плавильных печей на новые (т.е. уменьшение затрат на оборудование при наращивании производственных мощностей), сокращение номенклатуры выпускаемых преобразователей для индукционной плавки, эффективность использования оборудования, понимаемая как степень соответствия фактической загрузки источников питания индукционных печей их потенциальным возможностям. По данным отечественных и зарубежных публикаций, эффективность использования оборудования в системе «один источник -одна печь» не превосходит 30-40 %. Дальнейшее повышение ТЭП исследователи видят на пути перехода к модульной архитектуре ИПИУ.

Концепция модульного построения источников электропитания на базе вентильных преобразователей частоты интенсивно развивалась применительно к системам централизованного электроснабжения и источникам бесперебойного питания. В работах Г.Г. Адамия, В.А. Чванова, И.И. Кантера, И.И. Артюхова, Н.П. Митяшина, Ю.Б. Томашевского,

A.L. Shinkman, I. Szekely, D.A. Fujin, J.H.R. Enslin, M.A. Slonim и др. заложены принципы построения многомодульных оперативно перестраиваемых преобразовательных сетей на базе инверторов тока и напряжения, предложены схемотехнические решения и алгоритмы оперативного управления такими системами.

Вопросы применения многомодульных источников для питания индукционных печей рассматривались в работах Е.И. Берковича,

B.И. Лузгина, Е.М. Силкина, J.H. Simcock, O.S. Fishman, J.H. Mortimer. В публикациях обосновывалась перспективность использования модульной архитектуры и описывалась работа простейших двухмодульных комплексов. В то же время ряд принципиальных проблем, касающихся оперативной адаптации структуры ИПИУ к изменяющимся в процессе плавки параметрам нагрузки, анализа динамики электромагнитных процессов при изменении топологии токопроводящих цепей, обеспечения равномерной загрузки модулей, остаются открытыми, что делает предпринятые исследования актуальными.

Кроме того, малоизученной остается область электропитания многопостовых индукционных установок. Применение модульной архитектуры для построения систем электропитания многопостовых плавильных участков (с их весьма широким диапазоном изменения нагрузочных параметров) также является актуальной задачей исследования.

Цель работы: разработка и исследование многомодульных источников питания, обеспечивающих увеличение сроков эксплуатации силового оборудования, повышение надежности и нагрузочной способности для питания индукционных плавильных установок.

С учетом поставленной цели решаются задачи:

1. Разработка компьютерной программы для расчета зависимости электрофизических параметров индуктора от температуры расплавляемого в нем металла.

2. Модернизация схемотехнических решений одноключевых (quarter-bridge) резонансных инверторов с целью обеспечения возможности их параллельной работы.

3. Разработка имитационной модели многомодульного комплекса на базе одноключевых резонансных инверторов, работающих на общую нагрузку.

4. Разработка имитационной модели многомодульного комплекса электропитания многопостовой системы индукционной плавки.

5. Исследование динамических процессов, возникающих в многомодульной системе электропитания индукционных установок.

6. Анализ распределения мощности между параллельно работающими инверторами при разбросе внутренних электрофизических параметров элементов.

Объектом исследования являются источники питания индукционных плавильных установок на базе quarter-bridge инверторов.

Предметом исследования являются схемотехника и электромагнитные процессы в многомодульных одноключевых резонансных инверторах при их параллельной работе на индукционные печи.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны и предложены имитационные модели многомодульного преобразовательного комплекса, построенного на базе одноключевых резонансных инверторов, позволяющие на этапе проектирования выполнить полный анализ системы электропитания и обоснованно выбрать наилучшие схемотехнические решения.

2. Установлено, что оперативная перестройка структуры преобразовательного комплекса на базе параллельно работающих инверторных модулей возможна только при замене обратных диодов на управляемые ключи, а для снижения потерь в снабберных цепях необходимо введение симисторов.

3. Впервые обосновано повышение эффективности использования силового оборудования на 20-25 % для однопостовой нагрузки и 24^12 %

для многопостовой нагрузки благодаря применению многомодульных преобразовательных комплексов.

4. Показано, что реально существующий разброс в параметрах элементов инверторных модулей (<10 %) вызывает неравномерность распределения токов между ними не более 20 %, что позволяет обойтись без применения специальных схем и алгоритмов управления для выравнивания нагрузки между параллельно работающими одноключевыми резонансными инверторами. Равномерность токовой нагрузки можно обеспечить фазовым сдвигом моментов включения тиристоров инверторов.

Практическая ценность работы:

1. Разработана программа для расчета изменяющихся в процессе плавки электрофизических параметров индуктора, которая может быть использована при разработке систем индукционной плавки.

2. Даны рекомендации по обеспечению оперативной перестройки топологии многомодульного источника питания индукционной установки, не вызывающей перегрузки элементов схемы по току и напряжению.

3. Обосновано увеличение срока эксплуатации вентильного оборудования за счет применения модульной структуры преобразовательного комплекса.

4. Показано, что применение модульной организации ИПИУ обеспечивает сокращение затрат на резервирование оборудования для повышения надежности системы.

Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы были использованы методы объектно-ориентированного

программирования, математического и компьютерного моделирования с помощью специализированных программных средств PSIM (лицензионная версия) и Delphi (лицензионная версия), решения нелинейных уравнений, а также методы теории электрических цепей.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что параллельная работа одноключевых резонансных инверторов в их классическом исполнении (т.е. при наличии обратных диодов, шунтирующих силовые ключи) невозможна в режимах оперативной адаптации состава инверторов к изменяющимся параметрам нагрузки из-за периодического закорачивания колебательного контура указанными диодами.

2. Замена обратных диодов обратными тиристорами исключает периодическое закорачивание коммутационного контура и обеспечивает безаварийную работу источника питания. Введение симисторов в снабберные цепи снижает потери электроэнергии в силовых модулях.

3. Разброс по величине внутренних сопротивлений основных тиристоров инверторов на 10 % вызывает неравномерность распределения токов между инверторами в пределах 15%; разброс по величине внутренних сопротивлений обратных тиристоров на 10 % приводит к разбалансу токов инверторов на 3,5 %; сдвиг по времени подачи импульсов

управления на инверторные тиристоры в пределах 5 мкс вызывает разброс по току между модулями до 1,5 %; одновременное предельное отклонение нескольких паспортных параметров приводит к разбросу токов инверторов на 20 %. Доказано, что при условии разброса указанных выше параметров сохраняется устойчивая работа многомодульного преобразовательного комплекса, питающего однопостовую индукционную установку.

4. Принцип модульной организации источника питания индукционной плавильной установки, а также предложенные схемотехнические решения и методы управления позволяют повысить эффективность использования оборудования, представляющую собой отношение мощности, отбираемой нагрузкой, к установленной мощности параллельно работающих на данном этапе плавки модулей на 20-25 % для однопостовой нагрузки и 24—42 % для многопостовой нагрузки.

5. Процесс включения модулей на параллельную работу не вызывает аварийных ситуаций, приводящих к «опрокидыванию» инвертора, а при уменьшении числа параллельно работающих модулей в многопостовой системе моменты отключения инверторов должны запаздывать относительно моментов отключения соответствующих индукторов на 0,10,2 секунды для устранения перегрузки по току в элементах схемы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов обеспечивается корректным использованием аппарата математического анализа, теории электрических цепей, объектно-ориентированного программирования, профессионального пакета имитационного моделирования РБ1М и подтверждается непротиворечивостью полученных результатов положениям теории электрических цепей, совпадением осциллограмм электромагнитных процессов с приведенными в известных публикациях по одноключевым инверторам и их повторяемостью при различных вариациях имитационных моделей, а также удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» 22-24 апреля 2011г. (г. Саратов), 20-23 сентября 2011г. (г. Пенза), на XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» 28-30 мая 2012г. (г. Волгоград), 2—4 октября 2012г. (г. Харьков, Украина), на XX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» 19-20 сентября 2012 г. (г. Саратов).

Реализация результатов

Результаты исследований использовались в МНПЛЭ при Саратовском государственном техническом университете им. Гагарина Ю.А. для создания макета трехмодульного преобразовательного комплекса для индукционной плавки металлов, а также при выполнении государственных

контрактов №9553р/14177 от 04.07.2011г. на тему «Разработка многомодульного источника питания с перестраиваемой структурой для индукционной плавки металлов» и №11020р/17111 от 31.08.2012г. на тему «Изготовление макета трехмодульного источника питания с перестраиваемой структурой для индукционной плавки металлов».

Личный вклад автора:

1. Разработаны имитационные модели многомодульных источников питания для однопостовой и многопостовой нагрузки.

2. Разработана программа расчета электрофизических параметров индукторов в процессе плавки.

3. Проведены исследования динамических процессов в многомодульных комплексах при оперативной перестройке их структуры.

4. Установлено явление взаимного влияния параллельно работающих модулей при изменении их состава, исключающее нормальное функционирование источника питания, и реализованы мероприятия, обеспечивающие его безаварийную работу.

5. Определены условия равномерного распределения мощности между параллельно работающими модулями при разбросе параметров элементов.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них: 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 работ опубликовано в сборниках международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 153 наименования. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста и содержит 92 рисунка и 16 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность применения многомодульных источников питания в системах индукционной плавки металлов, определена цель работы и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость, представлены положения, выносимые на защиту, а также информация об опубликованных научных статьях по теме диссертации и апробации полученных результатов.

В первой главе дан краткий обзор проблем и задач в области создания многомодульных источников питания для индукционного нагрева металлов, обоснована целесообразность проведения исследований на основе изученной литературы и выбор схемотехнического решения автономного инвертора, входящего в состав системы электропитания, проанализированы существующие системы многопостовой плавки.

С точки зрения организации эффективного электропитания, наибольший интерес для исследования индукционной установки

представляет инвертирующее звено, обладающее большим разнообразием схемотехнических решений.

В ходе анализа существующих инверторов была выбрана схема однофазного одноключевого резонансного инвертора с закрытым входом (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема одноключевого резонансного инвертора с нагрузкой

В настоящее время для индукционной плавки металлов в основном используют схему, когда один преобразовательный модуль нагружен на одну индукционную печь. Значительное число научных работ посвящено именно такой концепции построения систем индукционной плавки. Основным направлением развития было создание новых схемотехнических решений преобразовательных модулей в составе источников питания, а также алгоритмов работы систем управления и регулирования преобразовательной техники.

Развитие сталелитейной промышленности, а также переход к микропроцессорной технике и компьютерному моделированию дали толчок к наращиванию мощностей источников питания, а также к повышению требований по надежности и эффективности их работы. Существующие предельные ограничения работы вентильных ячеек по току и напряжению не позволяют безгранично увеличивать мощность только за счет улучшения внутренних характеристик отдельных силовых элементов, к тому же, это приводит к увеличению массогабаритных параметров источников питания, увеличению их стоимости и большим затратам в случае аварийных ситуаций. В то же время нельзя не учитывать главного - характера поведения нагрузки во время процесса плавки. Этому важному вопросу в области индукционного нагрева посвящены научные труды А.Е. Слухоцкого, С.К. Земана, С.Н. Владимирова, A.B. Осипова, Л.Э. Рогинской и др. Учитывая данные их исследований в области зависимости характеристик резонансного контура от электрических и конструктивных параметров индуктора с находящимся внутри нагреваемым телом, были получены зависимости электрофизических параметров (ЭФП) системы «индуктор-нагреваемый объект» от температуры. Анализ этих зависимостей позволяет предложить модульную концепцию построения инверторов индукционных установок.

Известно, что для увеличения КПД любого источника питания необходимо, чтобы отдаваемая им мощность стремилась к ее номинальному значению. Это означает, что целесообразно придерживаться соотношения:

РН=Р + АР, (1)

где Рн - номинальная мощность источника питания, Р - текущая потребляемая мощность, АР - запас мощности для обеспечения надежной работы. Следовательно, от того, какую мощность отбирает нагрузка, зависит и номинальная мощность преобразователя, то есть Рн- переменная величина. Технически это может быть реализовано, если разбить инвертор на отдельные модули и организовать их параллельную работу на общий индуктор. Тогда, придерживаясь критерия Рн - (Р + АР) —> min, можно адаптировать структуру многомодульного источника к изменяющимся в процессе плавки параметрам нагрузки.

Во второй главе описан характер изменения электрофизических параметров индуктора в процессе плавки, проанализированы зависимости этих изменений от температуры при различных режимах функционирования преобразователя, разработана и исследована имитационная модель одномодульного преобразовательного комплекса, дана оценка эффективности использования силового оборудования.

Если предположить, что нагреваемое тело представляет собой сплошной цилиндр и отсутствует учет краевых эффектов, то зависимости эквивалентных параметров индуктора от температуры нагреваемого тела имеют вид, показанный на рисунке 2.

0.267 0.233 0J * 0.167 0.1 ВТ 0.1 0.067 0.01!

R3.0M

SO 1511 250 350 JSfl 550 650 750 850 950 ibso 11SO iiii) П50 lisd 100 200 300 400 S00 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 ТЕМПЕРАТУРА, *C

La, MKI'H

6 "Т"

J •

5 " ":" ...1 .;...:.. \ —

itr 1 50 2^0 -ж ¿0 6^0 ' 7*50 s'50 1 9^0 ibso ltao ¿50 1^50 1450

6)

Рисунок 2 - Температурная зависимость: а) эквиватентное активное сопротивление индуктора (Кэ)', б) эквивалентная индуктивность индуктора (1э)

Расчет зависимости выходных параметров инвертора: частоты, мощности и тока от температуры шихты производится для режима автоподстройки частоты, обеспечивающем резонансные колебания в системе «емкость - индуктор» в процессе плавки металла.

Исследуются три режима, применяемые для индукционных устройств:

- режим постоянного тока индуктора;

- режим постоянного напряжения на индукторе;

- режим постоянной активной мощности, потребляемой индуктором.

Исходя из формул (2) и (3), вычисляются значения основных

выходных параметров индуктора для каждого из режимов.

= (2) ^ = (3)

Анализ полученных данных показал, что:

а) в режиме 1инд=сопз1:

- мощность, потребляемая индуктором в процессе плавки, а также напряжение питания индуктора снижаются в несколько раз после прохождения точки Кюри, что приводит к неэффективному использованию установленной мощности силового оборудования;

б) в режиме Ц.щгСогЫ:

- значительное уменьшение диапазона регулирования выходных параметров 1иид, Р„нд;

- питание индуктора малоизменяющимся током, а следовательно, получение нагреваемым металлом постоянного теплового потока;

в) в режиме Ринл=соп81:

- в результате сохранения активной мощности, питающей индуктор, после точки Кюри нагрев металла в индукторе может происходить неравномерно, что заметно сказывается на качестве, а также из-за сильной циркуляции металла возможно его выплескивание из печи.

На основании вышеуказанной особенности для Р|1НД=соп51 можно сделать вывод о том, что данный режим, с точки зрения практического применения, меньше остальных рассматриваемых режимов адаптирован для использования в индукционной плавке на протяжении всего цикла технологического процесса.

С учетом характера изменения нагрузки в программе имитационного моделирования Р51М разработана модель одномодульной системы электропитания на базе одноключевого резонансного инвертора с закрытым входом, питающей однопостовую нагрузку (рисунок 3).

Рисунок 3 -Одномодульная система электропитания на базе одноключевого инвертора с закрытым входом

Главным требованием к исследуемой модели является надежное функционирование преобразовательного комплекса на всем диапазоне изменения параметров нагрузки. Проведенный анализ позволил определить параметры схемы таким образом, чтобы:

- система была устойчива при различных ЭФП индуктора;

- поддерживался резонансный режим работы;

- осуществлялся надежный запуск инвертора;

- силовые элементы были защищены от перегрузок по току и напряжению.

Для получения зависимости изменения основных параметров работы источника питания от температуры нагреваемой детали необходимо промоделировать процесс индукционной плавки с учетом изменяющихся электрофизических параметров индуктора, показанных на рисунке 2.

В качестве оценки степени загруженности силового оборудования используется соотношение

в = Х ' <4>

где Рт- текущая мощность нагрузки;

Ру - установленная мощность вентильного комплекта.

Показатель Q отражает эффективность использования вентильного комплекта. Для случая одномодульного комплекса, нагруженного на одну индукционную печь, формула для расчета средней эффективности имеет вид:

, т°т т „ т о - /ЛСГМТ» а, = —--, (5)

где ТТкои - температура шихты, соответственно, в начальный и конечный моменты времени индукционной плавки;

(1Т°- шаг интегрирования.

Расчеты показывают, что при любом из режимов плавки (1„„д=соп81, и„„д=сопзО, средняя загрузка источника питания индукционной установки не превышает 0,73.

В третьей главе предложены принципы перестройки структуры многомодульного преобразовательного комплекса для индукционной плавки металлов, разработаны имитационные модели комплексов в среде моделирования Р81М, исследованы изменения выходных параметров источника питания в зависимости от температуры нагреваемой детали, а также доказано повышение эффективности использования силового оборудования за счет применения модульной структуры источника питания.

Адаптация структуры МПК к изменяющимся параметрам индуктора с загруженным в него металлом происходит путем своевременного отключения/включения отдельных модулей с целью соответственно уменьшения/увеличения текущей установленной мощности источника питания. На рисунке 4 представлена структурная схема такого комплекса.

3-60Гц 380В

Рисунок 4 - Структурная схема МПК

На основе данной схемы разработана имитационная модель источника питания однопостовой нагрузки на базе одноключевых резонансных инверторов с учетом требований, предъявляемых к преобразовательным системам и описанных в главе 2 (рисунок 5).

Рисунок 5 - Модель четырехмодульного ТПЧ для питания одной индукционной печи

При организации параллельной работы модулей на общую нагрузку возникает ряд проблем, которые не актуальны при использовании одномодульной структуры комплекса. Во-первых, при использовании обратных диодов, подключенных параллельно тиристору, происходит периодическое закорачивание коммутационного контура при появлении отрицательных полуволн напряжения на выходе инверторов. Во-вторых, протекание токов в снабберных цепях отключенных инверторов вызывает увеличение потерь и, как следствие, снижение КПД работы комплекса. Решением этих проблем является введение управляемых элементов в цепи протекания токов. Предлагается вместо обратных диодов инвертора использовать тиристоры для отсекания обратных полуволн тока при выключенном состоянии соответствующего модуля. Применение в снабберных цепях диодов, тиристоров, транзисторов и других элементов с однополярной проводимостью не решает проблему снижения потерь. Для этих целей лучшим вариантом является применение симистора, который способен в открытом состоянии проводить ток в обоих направлениях.

С использованием имитационной модели получены зависимости изменения выходных параметров источника питания от температуры

нагрева детали в индукторе, на основе которых определяется оптимальный состав модулей преобразовательного комплекса на каждом интервале. Определяющим в выборе состава является то, что на параллельную работу при любой величине и характере нагрузки всегда должно быть включено минимальное количество модулей, но достаточное для питания потребителя с текущими параметрами с учетом некоторого запаса для обеспечения устойчивости инвертора к опрокидыванию.

Как и в случае одномодульной системы, интегральной оценкой эффективности применения многомодульных систем может служить отношение полной текущей мощности потребителя к суммарной установленной мощности оборудования, подключенного в данный момент к нагрузке. Для вычисления среднего значения показателя эффективности используется формула

( . т;

о.-}

I Рт (Т) (ГГ

р,,

(6)

где / - количество изменений структуры источника питания на всем интервале плавки;

/ - номер текущего интервала;

Т¡.1, ТI - температура соответственно в начальный и конечный моменты времени для каждого температурного интервала;

Рт- текущее значение мощности, потребляемой нагрузкой;

РУ1 - установленная мощность инверторов на каждом интервале;

с!Т° - шаг интегрирования.

Расчеты показывают, что благодаря применению многомодульной системы можно повысить показатель эффективности использования силового оборудования на 16-25 % (в зависимости от режима). Это означает, что ресурс работоспособности силового оборудования расходуется более экономно, поскольку каждый модуль работает в среднем на 16-25 % меньше времени на периоде плавки по сравнению с одномодульной структурой. Соответственно увеличивается срок эксплуатации силового оборудования.

В четвертой главе исследовано влияние на распределение токов между параллельно работающими модулями следующих параметров:

- сопротивление основных тиристоров инверторов в открытом состоянии;

- сопротивление обратных тиристоров инверторов в открытом состоянии;

- сдвиг моментов подачи импульсов управления на тиристоры.

Исследования на имитационной модели показали, что максимальный

разбаланс токов инверторов, вызванный а) разбросом внутренних сопротивлений основных тиристоров в пределах 10 %, б) расхождением

внутренних сопротивлений обратных тиристоров в пределах 10 %, в) разбросом моментов подачи импульсов управления тиристорами в пределах 5 мкс, - составляет соответственно 15; 3,5; 1,5%, а при их одновременном влиянии может достигать значения 20 % (рисунок 6).

Рисунок 6 - Влияние разброса параметров инверторов на распределение мощности между модулями

Сдвигом момента подачи импульсов управления (Д^) инвертора в сторону запаздывания относительно остальных модулей можно добиться уменьшения действующего значения тока данного инвертора и тем самым уменьшить разбаланс токов инверторов. В случае если величина такого разбаланса велика и времени недостаточно для выравнивания токов, благодаря использованию обратных тиристоров можно снижать разброс токов инверторов, также управляя моментами их включения (Мг) (рисунок 7).

0.8 О.в 0,4 0.2 0

1000 750 500 250 О

-250 -500

0.020031 0020064 0020097 002013 0.020163 0.020196 0.020229 0020262 0020295 0020328 44 6) 412

Time (s)

Рисунок 7 - Выравнивание токов инверторов при смещении момента подачи импульсов управления тиристорами

Vjmpl ^ Vimp2 Vimp3 ..■Vimp4 Vmip_otK (V)

IJnvwtprl —ljnvertor2. —l_jrwertqr3 —!_hvenor4

Исследование динамики электромагнитных процессов, протекающих в параллельно работающих одноключевых инверторах, показало устойчивую работу системы электропитания индукционной печи в течение всего времени плавки, в том числе при перестройке структуры преобразовательного комплекса.

В пятой главе исследована работа МПК на многопостовую нагрузку, обоснован выбор схемотехнического решения параллельного подключения индукторов к многомодульному источнику питания, описаны особенности, связанные с моментами включения/отключения инверторов при адаптации структуры комплекса к изменяющимся параметрам многопостовой нагрузки.

На рисунке 8 показана структурная схема многомодульного источника питания многопостовой нагрузки. Ее особенностями, в отличие от схемы «один модуль - один пост», являются наличие вентильных контакторов КТМ1..КТМя для подключения/отключения индукторов, использование вместо обратного диода инвертора обратного тиристора. В общем случае количество модулей и постов может не совпадать.

В ходе анализа возможных схемотехнических решений подключения нагрузки к источнику питания была выбрана последовательно-параллельная схема соединения коммутирующих элементов, когда к каждому индуктору подключен свой контур коммутации. Такое исполнение обеспечивает наилучшую компенсацию реактивной составляющей мощности в колебательном контуре, что увеличивает коэффициент мощности нагрузки, а также не вызывает коротких замыканий между параллельно подключенными контурами коммутации при изменении количества индукторов в процессе плавки.

Рисунок 8 - Структурная схема МПК с многопостовым индукционным комплексом

Основным преимуществом организации многопостовой нагрузки в отличие от существующих систем является возможность независимого подключения отдельных постов к источнику питания, то есть момент их включения может меняться по стохастическому закону. На рисунке 9 показаны изменения ЭФП каждой из четырех печей с течением времени, а также временной сдвиг моментов подключения постов к источнику питания (ЮЛ 1,12,13).

.Индухчианосты., МИГИ _ _Пець1 -;-Печь2 -й-ПечьЗ -о-ПеЧь4 ; "••'-•; '. . ': . ■ Печь1 -»-Печь2 * ПечьЗ -^-Печь4 Сопротивление 11.0м:

Рисунок 9 - Изменение ЭФП четырехпостовой нагрузки при сдвиге моментов включения отдельных индукторов

С использованием имитационной модели получена зависимость суммарного тока инверторов МПК от времени плавки при изменении количества подключенных постов (рисунок 10).

Рисунок 10 - Изменение суммарного тока инверторов при изменении количества подключенных постов

Для оценки эффективности применения МПК многопостового плавильного комплекса, а также расчета среднесуточной загрузки оборудования исследовалась работа четырех- и двенадцатимодульного источника питания. Средняя величина суммарной установленной мощности

инверторов Pq„ используемых в течение времени многопостовой плавки определяется по формуле

к i

-= (7)

IUI 4:1

где / - номер интервала стационарного состояния топологии системы электропитания;

к - количество интервалов;

АР - установленная мощность одного модуля;

п, - количество включенных на параллельную работу модулей на /-ом интервале;

г, - длительность /-го интервала;

Тт - общее время плавки в q-постовой системе.

Степень использования силового оборудования S„ за период q-постовой плавки, как это следует из (10), равна:

к

р

8. "' т , (П)

п-АР п-Тт

где п - общее количество модулей преобразовательного комплекса.

Для четырехмодульной и двенадцатимодульной системы значения коэффициентов <5j, и ö/2 равны соответственно 0,68 и 0,56.

В результате исследования установлено, что применение многомодульной системы источника питания многопостовой нагрузки позволяет повысить показатель эффективности использования оборудования на 42 %, что увеличивает срок эксплуатации силового оборудования в 1,5-2 раза.

В заключении отражены основные выводы и результаты диссертации, показана ее практическая значимость.

Основные результаты и выводы

1. Показана перспективность применения многомодульной структуры источника питания индукционных плавильных печей, адаптирующейся к изменяющимся в процессе плавки в широких пределах параметрам нагрузки, с целью:

- экономии ресурса работоспособности силового оборудования;

- повышения надежности, отказоустойчивости и «живучести» систем индукционной плавки;

- наращивания мощности источника питания за счет подключения необходимого количества модулей;

- сокращения затрат на резервирование;

-унификации изделий преобразовательной техники.

2. Предложены схемотехнические решения для реализации параллельной работы модулей на общую нагрузку, исключающие их

взаимное влияние при изменении топологии токопроводящих ветвей в источнике питания.

3. Проведены исследования при помощи имитационного компьютерного моделирования электромагнитных процессов, протекающих в многомодульном источнике питания на базе одноключевого резонансного инвертора с закрытым входом, показавшие:

- возможность оперативной адаптации структуры многомодульного источника к изменяющимся в процессе плавки параметрам нагрузки по критерию максимальной загрузки работающих в текущем интервале плавки преобразовательных модулей;

- устойчивость к срыву инвертирования системы электропитания индукционных печей при оперативном изменении состава работающих модулей;

- отсутствие перенапряжений и бросков тока в динамических режимах перестройки структуры системы электропитания индукционных печей.

4. Оценено влияние разброса параметров силовых элементов на распределение мощности между параллельно работающими модулями. Показано, что при самом неблагоприятном соотношении параметров разбаланс по токам модулей не превышает 20 %, что может быть скомпенсировано сдвигом импульсов управления тиристорами инверторов.

5. Доказана перспективность применения модульной структуры источника питания для многопостовой системы индукционной плавки и его устойчивость к срыву инвертирования при оперативном изменении состава параллельно работающих модулей. На примере четырехпостового комплекса для индукционной плавки показано повышение эффективности использования подключенных к нагрузке инверторов при двенадцатимодульном исполнении преобразователя на 42 % по сравнению с одномодульным источником питания, что пропорционально продлевает срок эксплуатации силового оборудования.

6. Показана возможность непосредственного подключения преобразовательных модулей к промышленной сети 380 В, 50 Гц без использования входных трансформаторов, а также применения единого выпрямителя, питающего параллельно работающие одноключевые инверторы. При этом не наблюдается появления уравнительных токов из-за отсутствия гальванической развязки входных цепей преобразовательных модулей.

Список публикаций по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Костерев, А.А. Модульность как средство повышения эффективности систем индукционного нагрева / Ю.М. Голембиовский, А.А. Костерев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. Т. 4. № 4 (62). С. 144-149.

2. Костерев, А.А. Исследование параллельной работы quarter-bridge инверторов для индукционной плавки металлов / Ю.М. Голембиовский,

To — 11 12 8

A.A. Костерев // Вестник Саратовского государственною технически! о университета. 2012. Т. 2. № 2 (66). С. 49-54.

3. Костерев, A.A. Система адаптивного управления многомодульным преобразовательным комплексом для индукционной плавки металлов / Ю.М. Голембиовский, A.A. Костерев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. Т. 3.№ 1 (72). С. 102-107.

4. Костерев, A.A. К вопросу об адаптации структуры многомодульною источника питания для индукционной установки / Ю.М. Голембиовский, A.A. Костерев, H.H. Беспалов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. №2 (26). С. 101-109.

Статьи в сборниках трудов конференций

5. Костерев, A.A. Многомодульные источники мигания индукционных установок для плавки металлов / Ю.М. Голембиовский. A.A. Костерев // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24: матер. XXIV Междунар. науч. конф. - Пенза, 2011. С. 123-124.

6. Костерев, A.A. Модульность кик средство повышения эффективности систем индукционного нагрева / Ю.М. Голембиовский. A.A. Костерев // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24: матер. XXIV Междунар. науч. конф. - Саратов, 2011. С. 94-95.

7. Костерев, A.A. Исследование динамических процессов в трехмодульном автономном инверторе при перестройке структуры ' Ю.М. Голембиовский, A.A. Костерев // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25: матер. XXV Междунар. науч. конф. - Волгоград. 2012. С. 84-87.

8. Костерев, A.A. Схемотехническое решение и алгоритм управления трехмодульным инвертором / Ю.М. Голембиовский, A.A. Костерев -V Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25: матер. XXV Междунар. науч. конф. - Харьков, 2012. С. 196-197.

9. Костерев, A.A. Один из вариантов перестройки структуры источника питания индукционной установки / Ю.М. Голембиовский, A.A. Костерев /У Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2012: матер. XXV Междунар. науч. конф. - Саратов, 2012. С. 355-359.

Подписано в печать 25.09.2015 Формат 60*84 1/16

Бум. офсет. усл. печ. л. 1,0 Уч. изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 110 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

Л I ППСА О«««««

От(

2015670985

2015670985