автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Теория и разработка полупроводниковых источников питания электротехнологических установок индукционного нагрева с улучшенными энергетическими показателями

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

1Л. Технологии с применением индукционного нагрева

1.2. Индукционная система как нагрузка источника питания

1.3. Требования к полупроводниковым источникам питания установок индукционного нагрева

1.3.1. Структура и схемы полупроводниковых источников питания установок индукционного нагрева

1.3.2. Согласование источника питания с индукционной системой

1.3.3. Управление технологическим процессом

1.3.4. Требования по экономичности, электромагнитной совместимости и электробезопасности

1.4. Промышленные источники питания установок индукционного нагрева

1.5. Выводы

2. МЕТОДЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

2.1. Структура модели преобразователя

2.2. Схемотехническая модель силовой части преобразователя

2.2.1. Допущения при разработке расчетных схем

2.2.2. Методы схемотехнического моделирования

2.3. Анализ переходных и периодических режимов ключевых преобразователей

2.4. Оптимизация параметров полупроводниковых источников питания электротехнологических установок

2.4.1. Задачи оптимизации

2.4.2. Методы оптимизации

2.4.3. Алгоритмы и программы оптимизации 1 ]

2.4.4. Оптимизация параметров преобразователя методом экстремального регулятора

2.5. Программа ПАКЛС

2.5.1. Назначение программы

2.5.2. Структура программы

2.5.3. Подготовка задачи моделирования

2.5.3.1. Описание расчетной электрической схемы

2.5.3.2. Описание алгоритмов управления преобразователя и плана вычислительного эксперимента

2.5.4. Программирование модели на входном языке

ПАКЛС

2.5.5. Выдача результатов

2.6. Выводы 151 3. ТИРИСТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА НА БАЗЕ РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА С УДВОЕНИЕМ ЧАСТОТЫ

3.1. Тиристорный резонансный инвертор с удвоением частоты

3.2. Параллельная работа инверторов с удвоением частоты

3.3. Согласование преобразователя с индукционной технологической нагрузкой

3.4. Системы централизованного питания кузнечных индукционных нагревателей

3.4.1. Структура систем централизованного питания кузнечных индукционных нагревателей

3.4.2. Пусковые и аварийные процессы в СЦП КИН

3.4.3. Влияние параметров высокочастотной распределительной сети на обменные процессы и энергетические показатели СЦП КИН

3.5. Выводы 235 4. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

4.1. Сравнительный анализ схем транзисторных инверторов

4.2. Коммутационные процессы в транзисторных инверторах и их оптимизация

4.3. Групповое включение силовых транзисторов

4.4. Аварийные режимы и способы защиты транзисторных инверторов

4.5.1. Виды аварийных режимов

4.5.2. Аварийные режимы при несимметричном управлении инвертором с трансформаторным выходом 276 4.5.2. Аварийные режимы при коротком замыкании нагрузки

4.6. Управление транзисторными преобразователями

4.7. Параллельная работа резонансных транзисторных инверторов напряжения

4.8. Выводы

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ И УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОЕО НАГРЕВА

5.1. Серия транзисторных преобразователей частоты ТГИ для питания установок индукционного нагрева

5.2. Экспериментальные исследования индукционного нагрева бандажных колец роторов турбогенераторов и разработка промышленной установки для горячей посадки и съема бандажных колец

5.2.1. Цель и программа экспериментальных исследований

5.2.2. Эксперимент по нагреву бандажного кольца ротора турбогенератора ТВВ-1000-2 многовитковым индуктором

5.2.3. Эксперимент по нагреву бандажного кольца ротора турбогенератора ТВВ-320-2 одновитковым индуктором

5.2.4. Эксперимент по горячей посадке и съему бандажного кольца на роторе турбогенератора ТВВ-320

2 с нагревом одновитковым индуктором

5.2.5. Экспериментальные работы по снятию с ротора возбудителя БВД-3400-2 большого и малого опорных колец и бандажных колец

5.2.6. Разработка промышленной установки индукционного нагрева бандажных колец роторов турбогенераторов при горячей посадке и съеме

Индукционный нагрев, потребляющий высокочастотную электроэнергию, широко используется в автомобильной, машиностроительной, электронной, металлургической и других отраслях промышленности.

Технологические процессы, в основе которых лежит индукционный нагрев, очень разнообразны [1 - 17]. К традиционным технологиям относятся нагрев стальных деталей в кузнечно-прессовом производстве, поверхностная закалка машиностроительных деталей, плавка легированных сталей и цветных металлов, сварка при производстве труб, пайка высокотемпературными припоями инструмента, термообработка сварных соединений, высокочастотная плазменная обработка материалов и др.

Новые индукционные технологии, разработка которых производится в настоящее время, это зонная плавка полупроводниковых монокристаллов большого диаметра, нагрев слябов в сталепрокатном производстве, стальной ленты в процессе нанесения корозионно стойких покрытий типа цинкования и гальванилинга, пайка высокотемпературными припоями медных выводов мощных электрических машин и трансформаторов, пайка трубопроводов, высокоинтенсивная поверхностная закалка стали, нагрев термовалов бумагоделательных и каландровых машин, нагрев медных и алюминиевых проводов перед изолированием при производстве электрических кабелей, термическая правка коробления стальных и алюминиевых настилов после сварки (палубы и переборки кораблей), плавка высокотемпературных материалов (оксидов) [8] с целью получения новых материалов и фундаментальных исследований в области экспериментального моделирования тяжелых аварий на атомных электростанциях и др.

Применение индукционного нагрева во всем мире быстро расширяется благодаря высоким показателям качества по сравнению с другими видами нагрева - большой экономической выгоде, экологической чистоте процессов, возможности концентрированной передачи энергии в вещество и высокой степени автоматизации процессов.

В нашей стране внедрение индукционных технологий в промышленность сдерживается отсутствием конкурентоспособных отечественных источников питания. Использующиеся в настоящее время электромашинные преобразователи частоты и ламповые генераторы морально устарели и имеют низкие энергетические показатели. Промышленные предприятия вынуждены приобретать за рубежом дорогостоящее оборудование.

В связи с этим, в данной работе поставлена очень актуальная и важнейшая для страны цель - создание полупроводниковых источников питания индукционных технологических установок с высокими энергетическими показателями, которые позволят поднять на новый уровень технологическое оснащение многих отраслей отечественной промышленности.

Для достижения этой цели поэтапно решались следующие задачи:

1. Разработка аппарата моделирования ключевых преобразователей электрической энергии, способного обеспечить эффективный анализ их динамических процессов и установившихся режимов с учетом характерных особенностей изменения индукционной нагрузки и алгоритмов управления технологическими процессами.

2. Развитие теории и схемотехники тиристорных инверторов, направленное на повышение предельных частот преобразования электрической энергии при ограниченных частотных свойствах тиристоров, на повышение мощности преобразователей путем применения модульных и многоячейковых структур, а также на повышение надежности их работы на переменную индукционную нагрузку за счет использования диодных цепей ограничения реактивной мощности. Разработка серии тиристорных преобразователей СЧГ на частоты до 10 кГц, способных заменить морально устаревшие электромашинные преобразователи;

3. Развитие теории построения мощных подстанций на тиристорных преобразователях частоты для замены электромашинных генераторов при централизованном питании индукционных нагревателей кузнечных цехов. Разработка систем централизованного питания на преобразователях СЧГ;

4. Развитие теории транзисторных источников питания индукционных технологических установок в диапазоне частот до 440 кГц для замены ламповых генераторов. Разработка и промышленное внедрение серии автоматизированных транзисторных генераторов ТГИ на мощность до 40 кВт и частоту до 250 кГц;

5. Разработка промышленных и экспериментальных технологических установок индукционного нагрева с транзисторными генераторами ТГИ, характеризующихся радикальным повышением энергетических показателей по сравнению с аналогичными установками с ламповыми генераторами.

Таким образом, предложенные в данной работе научно обоснованные решения технических и технологических проблем, связанных с созданием и внедрением конкурентоспособных полупроводниковых преобразователей частоты и установок индукционного нагрева практически для всего частотного диапазона применения индукционного нагрева, вносят значительный вклад в развитие экономики страны.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы структурной организации программы Г1АКЛС, позволяющей программировать на проблемно-ориентированном языке и решать задачи временного анализа схем с ключевыми моделями полупроводниковых приборов с учетом алгоритмов управления и регулирования, а также информационной модели индукционной технологической нагрузки и планируемой процедуры вычислительного эксперимента.

2. Математические модели тиристорных и транзисторных преобразователей частоты с индукционной нагрузкой, отражающие цели моделирования и позволяющие проводить расчеты, необходимые для создания систем питания индукционных технологических установок с улучшенными энергетическими характеристиками.

3. Методы параметрической оптимизации и расчета характеристик, адаптированные для эффективного применения при исследовании динамических моделей полупроводниковых преобразователей частоты (модификация метода деформируемого многогранника, метод экстремального регулятора и метод медленной вариации параметров для сканирования характеристик).

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование схемных и конструктивных решений, алгоритмов управления и защиты, принятых при разработке тиристорных и транзисторных источников питания и установок индукционного нагрева.

5. Теория построения систем централизованного питания кузнечных индукционных нагревателей, включающая математические модели, структурные, схемные и конструктивные решения, алгоритмы управления и защиты мощных высокочастотных подстанций на базе тиристорных преобразователей частоты СЧГ.

6. Рекомендации по выбору оптимальных частот нагрева на основе комплексного рассмотрения требований технологии, параметров индукционной системы и источника питания. Экспериментальное обоснование целесообразности повышения частоты нагрева массивных деталей по сравнению с традиционно принятыми нормами при переходе с ламповых на транзисторные источники питания, а также в технологиях, требующих компенсации поверхностных потерь тепла или сквозного прецизионного нагрева с малым теплоперепадом.

11

Выражаю искреннюю признательность и благодарность проф. Васильеву А. С. за постоянную поддержку в работе, проф. Конраду Г. за дружескую помощь в решении теоретических и практических задач создания транзисторных источников питания и ст.н.с. Гуревичу С. Г. за доброжелательное и квалифицированное обсуждение мировоззренческих научно-технических проблем и замечания по рукописи работы.

Особая благодарность членам коллектива кафедры Электротехнологической и преобразовательной техники СПбГЭТУ "ЛЭТИ", непосредственно принимавшим участие в научно-исследовательских работах, результатами которых стали практические разработки полупроводниковых преобразователей и установок индукционного нагрева.

3.5. Выводы

1. Инвертор с удвоением частоты с обратными диодами позволяет строить тиристорные преобразователи на частоты до 10 кГц, удовлетворяющие основным требованиям к источникам питания установок индукционного нагрева.

2. Системы централизованного питания кузнечных индукционных нагревателей на базе инверторов с удвоением частоты обеспечивают надежное электроснабжение потребителей высокочастотной мощностью при высоких энергетических показателях. Правильность теоретических положений по построению подтверждена разработкой и внедрением высокочастотных подстанций крупных кузнечных цехов Псковского завода зубчатых колес и Дружковского метизного завода, а также обследованием СЦП Кировского завода в Петербурге.

1.1. Сравнительный анализ схем транзисторных инверторов

2. Новые технологические установки индукционного нагрева целесообразно комплектовать транзисторными преобразователями частоты.

3. Преобразователи на биполярных транзисторах с изолированным затвором по всем параметрам превосходят своих тиристорных конкурентов, имеют более высокий КПД и лучшие массо-объемные показатели за счет отсутствия коммутирующих реактивных цепей.

4. Таким образом, можно предположить повышенный спрос на транзисторные преобразователи в ближайшем будущем, что делает актуальным их разработку и совершенствование.

5. Каждый из них имеет достоинства и недостатки.

6. Последовательный инвертор напряжения имеет простую транзисторную ячейку, допускает частотное регулирование и, следовательно, не требует регулируемого источника питания постоянным током.

7. Кроме того, последовательный инвертор может работать в импульсных режимах, которые используются в некоторых технологиях индукционногонагрева, например, при высокоинтенсивной закалке, а также в установках газового разряда.

8. Коммутационные процессы в транзисторных инверторах и их оптимизация

9. Ниже приводятся результаты исследования коммутационных процессов в основных схемах транзисторных инверторов на DesignLab-моделях.

10. Последовательный резонансный инвертор

11. Влияние частоты управления на процесс коммутации В последовательном полумостовом резонансном инверторе коммутация начинается с выключения транзистора, после чего с гарантированной паузой включается другой транзистор. " ' '' ' ;