автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Высокочастотные индукционно-нагревательные комплексы на основе транзисторных преобразователей с многозонным регулированием

На правах рукописи

Бабенко Павел Геннадьевич

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ИНДУКЦИОННО-НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С МНОГОЗОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

05.09.12 - силовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\

Томск - 2003

Работа выполнена в научно-исследовательском институте автоматики и электромеханики при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, с.н.с.

Земан Святослав Константинович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Казанцев Юрий Михайлович.

кандидат технических наук, доцент

Петрович Виталий Петрович.

Ведущая организация:

Институт физики прочности и материаловедения. Сибирское отделение Российской академии наук, г. Томск.

Защита диссертации состоится 25 декабря 2003 г. в 11 час. на заседании диссертационного совета Д 212.268.03 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд.230.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан 24 ноября 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Курячий М. И.

К 6*1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокая потребность в высокочастотной индукционной нагревательной технологии определяется тем, что во многих технологических операциях в тяжелом машиностроении, энергетике, металлургии, транспорте, таких как сборка и разборка узлов машин и механизмов, сопрягаемых посредством горячей посадки, пайка, термообработка стальных изделий перед штамповкой, восстановительной наплавкой и т. д., прямоточный нагрев жидкостей, полимеризация антикоррозийных покрытий металлических поверхностей данная технология нагрева является одной из самых эффективных. Малые габариты, малое количество витков высокочастотного индуктора, возможность придания ему любой конфигурации и получения секционированных легкоразъемных конструкций, позволяет проводить нагрев деталей в труднодоступных местах, обеспечивая заданную конфигурацию температурного поля и эффективную реализацию требуемой технологии. По мере расширения области применения высокочастотного индукционного нагрева существенные перемены происходят и в традиционных областях применения. Повышаются уровни мощностей, требования к механизации, автоматизации и компактности установок, к точности поддержания режима и экономичности процессов. Все это определяет ряд технических задач, стоящих в настоящее время перед разработчиками как в сфере модернизации существующих технологий нагрева, так и в новых ее применениях.

Одной из важных задач, возникающих при проектировании систем промышленного нагрева изделий и сред индукционным способом, является исследование системы «индуктор - нагреваемый объект» как нагрузки преобразователя частоты (ПЧ). Результаты такого исследования позволяют определить оптимальные с точки зрения минимизации энергопотребления параметры источников высокочастотного электромагнитного поля.

Другая важная задача обусловлена значительной нестабильностью, как параметров нагрузки, так и питающего сетевого напряжения и заключается для большинства технологических процессов в необходимости построения эффективных глубоко-регулируемых ПЧ. До настоящего времени для регулирования ПЧ широко применялись амплитудная модуляция (АМ), широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и частотно-импульсная модуляция (ЧИМ). Недостатками данных видов регулирования являются завышенные массогабаритные показатели ПЧ из-за наличия дополнительных блоков регуляторов для АМ, демпфирующих устройств, обеспечивающих безопасную работу ключевых элементов, для ШИМ и ЧИМ. Одним из перспективных направлений в регулировании ПЧ является принцип многозонной импульсной модуляции (МИМ), позволяющий сократить массогабаритные показатели ПЧ за счет исключения дополнительных блоков и устройств. Применительно к индукционному нагреву данный вид регулирования изучен недостаточно и

^•""'••тн«

"" ? м

' " • -ГА,

поэтому требует детального рассмотрения.

Еще одно направление совершенствования преобразователей частоты связано с бурным развитием технологий изготовления мощных полупроводниковых приборов. За последние 10-20 лет разработаны и освоены промышленностью быстродействующие IJBT - транзисторы на токи и напряжения в несколько сотен ампер и тысяч вольт соответственно. Вторжение транзисторов в область силовой преобразовательной техники, где традиционно использовались тиристоры, привело к необходимости разработки новых схемотехнических решений, в том числе надежных алгоритмов работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи в структуре ПЧ с МИМ.

В качестве непосредственного нагревательного устройства в установках индукционного нагрева (УИН) применяются индукторы, в исследование разработку и создание конструкций которых большой вклад внесли А. Е. Слухоцкий, С. Е. Рыскин, В. А Пейсахович, А. Д. Демичев, И. П. Русинковский, А. Н. Шамов, В. А. Бодажков. Тем не менее поиск новых конструкций индукторов, обладающих лучшей эффективностью нагрева, а значит более высоким КПД, также является одной из актуальных задач, стоящих перед разработчиками, позволяющая совершенствовать индукционную нагревательную технологию и расширить область ее применения.

Одним из перспективных направлений в проектировании УИН является концепция создания «рабочего места оператора» при широкой номенклатуре нагреваемых деталей при использовании одного преобразователя частоты и набора сменных индукторов. Для решения такой задачи требуется разработка методик и алгоритмов согласования индукторов с ПЧ. Используя данный подход в проектировании УИН, можно добиться унификации ряда ПЧ по мощности и индукторов для них и решить проблему занимаемой производственным оборудованием площади, что в современных условиях весьма актуально.

В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных в отделе №16 НИИ АЭМ при ТУСУР и в ООО «Магнит» при непосредственном участии автора в период 1998 г. по 2003 г., как по заказам предприятий, так и в рамках научно-технических программ: «Ресурсосбережения 2001, 2002, 2003 года» и программа «Дооснащения предприятий 2003 года». Программы осуществляются по договорам с Департаментом вагонного хозяйства МПС России и с ФГУП ПКБ ЦТ МПС России. По результатам работы в 2003 году автор удостоен именной стипендии Нефтяной Компании «ЮКОС» за успехи в создании конкурентно-способных образцов новой техники и технологий.

Цель работы - решение задачи проектирования УИН на основе транзисторных преобразователей частоты, имеющей существенное значение для отрасли силовой промышленной электроники.

Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:

- определение схемы замещения и основных расчетных соотношений

параметров индукционной системы «индуктор - нагреваемый объект » как нагрузки ПЧ в УИН;

- исследование основных особенностей применения транзисторных преобразователей частоты в УИН;

- сравнительная характеристика основных схем и моделей ПЧ с МИМ, исследование их энергетических и регулировочных характеристик, определение надежных алгоритмов работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи;

- разработка конструкций высокочастотных индукторов для нагрева плоских поверхностей и индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующего трансформатора;

- разработка методики проектирования унифицированных УИН для монтажа и демонтажа широкой номенклатуры деталей, сопрягаемых горячей посадкой при использовании одного ПЧ и набора сменных индукторов;

- обобщение результатов практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева, в которых использованы основные научные результаты диссертации.

Методы исследования базируются на общих положениях теории проектирования, теории цепей, теории алгебраических и дифференциальных уравнений, численных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования. Проверка основных теоретических положений осуществляется путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- определена эквивалентная схем и основные соотношения для расчета параметров системы «индуктор - нагреваемый объект», как нагрузки транзисторных ПЧ;

- предложен ряд схем транзисторных ПЧ с многозонным импульсным регулированием для УИН;

- определены оптимальные алгоритмы работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи в схемах ПЧ с МИМ;

- разработаны новые конструкции индукторов и методики их расчета, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения;

- получена зависимость потребляемой мощности индуктора от частоты питающего тока при изменении числа витков индуктора и на ее основе разработана методика проектирования унифицированных УИН для монтажа и демонтажа широкой номенклатуры деталей, сопрягаемых горячей посадкой при использовании одного ПЧ и набора сменных индукторов.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

В период с 2000 - по 2003 года при непосредственном участии автора было разработано около 20 образцов установок высокочастотного индукционного нагрева. Всё оборудование внедрено и успешно эксплуатируется более чем на 70 предприятиях в РФ, а также в ряде предприятий Казахстана и

Прибалтики на предприятия железнодорожного транспорта, металлургии и энергетики. В целом объем продаж оборудования за три указанных года составил более 50 млн. рублей. Большинство образцов разработанного оборудования, представлялось на десяти Международных и региональных конкурсах и выставках на лучшую НИР и ОКР, где были отмечены дипломами и медалями: на 3-й и 4-й Всероссийских специализированных выставках «Энергосбережение в регионах России», в г. Москве, 2001, 2002 года; на Международной выставке «Промтрансэкспо», в г. Омске, 2002 года; на 7-й Международной выставке - конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» в г. Санкт-Петербурге, 2002 года.

Основные положения, выносимые на защиту.

i Эквивалентная схема и основные расчетные соотношения параметров системы «индуктор - нагреваемый объект» в УИН.

2. Схемы и модели ПЧ с МИМ.

3. Алгоритмы работы инверторной ячейки, в режиме неискажающей передачи в схемах ПЧ с МИМ.

4. Конструкции и методики расчета высокочастотных индукторов для нагрева плоских поверхностей и индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующего трансформатора.

5 Методика проектирования унифицированной УИН для монтажа и демонтажа широкой номенклатуры деталей, сопрягаемых горячей посадкой на основе полученной зависимости потребляемой мощности индуктора, от частоты питающего тока, при изменении числа витков индуктора.

6. Результаты практической реализации систем индукционного нагрева созданные при участии автора и защищенные патентами РФ.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- VII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск,

2001 г.;

- Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» Томск, 2001, г.;

- Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления», г. Томск 2002 г.;

- VIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск,

2002 г.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 11 публикациях, из которых - 4 тезиса докладов, 1 - статья в научно-техническом издании, 2 патента на изобретение, 4 - свидетельства на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Общий объем работы (без приложения) составляет 123 страницы, в том числе 87 страниц машинописного текста, 53 рисунка и 7 таблиц. Список литературы изложен на 9 страницах и содержит 85 наименований.

Во введении обоснованна актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы, отражены вопросы реализации и апробации полученных научных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены общие сведения о структуре высокочастотной установки индукционного нагрева (УИН) и о диапазоне частот применяемых в индукционном нагреве. Рассмотрена эквивалентная схема замещения системы «индуктор - нагреваемый объект» (рис. 1), которая может быть представлена последовательной или параллельной схемой. Показано, что использование второй целесообразно при Хж » , когда она лучше отражает частотные свойства системы, что весьма существенно при анализе пусковых режимов и процессов в схеме с несинусоидальным источником напряжения. В установившемся же режиме на частотесо0 обе схемы эквивалентны.

Рисунок 1 - Эквивалентная схема замещения системы «индуктор -нагреваемый объект» и схемы ее преобразования, где г, - активное сопротивление витков индуктора и соединительных проводов, Цс - индуктивность обратного замыкания, - индуктивность рассеяния, Ь2, г2- индуктивность и сопротивление нагреваемого объекта, трансформированные в цепь обмотки индуктора Определены аналитические выражения, характеризующие входной импеданс системы «индуктор - нагреваемый объект» по первой гармонике:

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

г1 г2

К. = г.+г.

хпп

= А,„шп =©01,

НС

Г1 +<ао(Ь1 + /у + Ь1с)2

О '-'¡с

Л,

' *„с , (1)

Энергетические параметры индукционной системы

Т!=1-

сов ф =

К.

И характеристики контура образующегося при введении в цепь индуктора емкости для компенсации реактивной мощности

1

^ = <»<А,

1

Я..

(3)

К, «ОСЯпс ■ У Ксс 4Ьпс1 Параметры нагрузки индукционной установки изменяются по ходу нагрева вследствие изменения удельного сопротивление и магнитных свойств материала нагреваемого объекта. В работе определены предельные изменения параметров системы и изменения с учетом рассеивания электромагнитного поля в зазоре и в цепи обратного замыкания индуктора.

Определены основные особенности применения транзисторных преобразователей в УИН. Показаны преимущества применения инвертора напряжения, ввиду более высокого КПД и лучших массогабаритных показателей.

Для резонансного инвертора напряжения (рис. 2, а) отмечается, что минимальные динамические потери при переключении транзисторов обеспечиваются при индуктивной расстройке контура, когда частота управления инвертора выше собственной резонансной частоты нагрузочного контура (рис. 26). Разработаны схемные решения и алгоритмы управления ключевыми элементами резонансного инвертора, обеспечивающие его надежную работу в установившемся режиме и при переходных процессах.

О,В 1,А Р.кВг

СЮ©

1ине РуП, УТ« ^ УПрУГ2, \|ТЭ

^ V-

1 1У02 УОЗ4^^ \ Рт УТЗ

8501»

ВвОчг

870ю

а)

в)

1инв —1у01 У04 ^иупругГуг?^-^^ \ РуТ2 УТЭ У и

/

850и* 860из 870из 880из

Рисунок 2 - Последовательный инвертор напряжения: а - схема электрическая, б - временная диаграмма работы с индуктивным характер нагрузочного контура, в - с ёмкостным характером нагрузочного контура

Показано, что предпочтительным является включение компенсирующего конденсатора во вторичную обмотку согласующего трансформатора, так как в этом случае трансформатор рассчитывается на габаритную мощность равную активной мощности, выделяемой в нагрузке (Рг=Р„)- В то время, как габаритная мощность трансформатора при включении конденсатора в его первичную обмотку зависит от величины добротности колебательного контура и определяется выражением:

и г

Анализ влиянич <;естабильности сетевого напряжения и изменения параметров индукционной нагрузки в процессе нагрева на эффективность использования ПЧ указывает на необходимость ре|-улировагшя его выходных параметров. Все существующие полупроводниковые источники питания для УИН по способу регулирования выходных параметров классифицированы на три основные группы: с непрерывным регулированием параметров импульсов,

Р =-

(4)

ш

2ч К

& я С

с 5 «

Е о х

II1

Методы регулирования ПЧУИН 4 1 ь

- 1 .

С непрерывным изменением

параметров импульса

I

I ШИМ I

тт

АМ

т

_ § ° ■

8111 I 1 £ I 1 з. е §.

С |л и С

»50«

х

пгд

I'

1 -1

ё I *

" I 5

с 55 I >

а £

С дискретным изменением параметров импульсов

МИМ 1

3

1

2

ёа с о с а & а»

о. а С ■с X

8 ж «

1 Т л * п

а $ и

о

л а4

о С а

э ё 8 & а х

« I £ 3 2 * о £

а й

Комбинированные

| МИМ ♦ Ам"|

МИМ + ШИМ I

»11

в 3 '

: « с *

! I 5 !_

• Ш « О.

' В ' §

а 5 Й

а • с( 2

5 а. «Г а !|

Рисунок 3 - Классификация методов регулирования параметров ПЧ в установках индукционного нагрева

В дискретной системе с релейно-импульсной модуляцией (РИМ) регулирование среднего значения энергии импульсного сигнала достигается за счет изменения числа или амплитуды импульсов, подключаемых к нагрузке за некоторый интервал времени.

В дискретной системе с многозонной импульсной модуляцией (МИМ),

энергия, поступающая в нагружу регулируется дискретно, изменением амплитуды импульсов с шагом, определяемым мощностью младшего разряда. Показано, что МИМ позволяет сократить массогабаритные показатели ПЧ, за счет исключения дополнительных блоков и устройств, применяемых при непрерывных способах регулирования. Рассмотрены ПЧ с МИМ (рис. 4) для установок индукционного низкотемпературного нагрева деталей, сопрягаемых горячей посадкой. Показано, что применение стабилизирующих инверторных ячеек при нестабильности питающего напряжения ± 20 % в, сравнении со структурой рис. 2, а, обеспечивает сокращение суммарной габаритной мощности:

- ключевых элементов на 13,3 % при использовании одной ячейки, и на 20,8 % при использовании двух ячеек;

- трансформаторов при регулировании по первичной стороне на 31,3 % при использовании одной ячейки и на 41,5 % при использовании двух ячеек;

- трансформаторов при регулировании по вторичной стороне на 13,3 % при использовании одной ячейки и на 20,8 % при использовании двух ячеек.

Рисунок 4 - Структуры ПЧ с дискретной стабилизацией выходного напряжения, по вторичной и по первичной стороне согласующего трансформатора

В структурах ПЧ с МИМ выявлено, что ток в первичной обмотке трансформатора инвертора, работающего в режиме неискажающей передачи вследствие наличия индуктивности рассеивания трансформатора и тока перемагничивания сердечника имеет фазовый сдвиг относительно основного тока на 3 - 4°. Сдвиг тока имеет опережающий характер и вносит в работу закороченного инвертора расстройку, эквивалентную емкостной расстройке нагрузочного контура (рис. 5, а), что приводит к большим перегрузкам транзисторов на интервалах включения.

В результате проведения серии модельных экспериментов определены алгоритмы работы ключевых элементов инвертора, обеспечивающие его работоспособность в режиме неискажающей передачи. Отсутствие динамических потерь в транзисторах (рис 5, б) дал режим «статической

закоротки», когда на время закороченного состояния инвертора постоянно включены, например транзисторы УТЗ и УТ4 (рис. 2, а). Положительная полуволна тока протекает через транзистор УТЗ и диод У04, отрицательная -через транзистор УТ4 и диод УБЗ. Р.кВт I, А и,В 204

1,АЦВ Р.кВТ

5oJ 100

о

-50

810113

9251»

Рисунок 5 - Временные диаграммы работы инвертора (рис. 2, а) в режиме неискажаюшей передачи Вторая глава посвящена исследованиям по усовершенствованию конструкции высокочастотного индуктора для нагрева плоских поверхностей, разработке расчетных методик и принципов конструирования индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующего трансформатора.

Существенным недостатком, ограничивающим применение высокочастотных индукторов для нагрева плоских поверхностей, является перегрев внутренних витков спирали. Это обусловлено эффектом близости, который способствует неравномерному распределению тока в шинах индуктора и кольцевым эффектом, концентрирующим магнитное поле во внутренней части индуктора. По результатам проведенных исследований предложено (патент №2193293) располагать ферромагнитный материал между витками плоской спирали (рис.6, а), что значительно уменьшает перегрев внутренних витков индуктора (табл. 1).

Мягнитопровод Индуктор

Силовые мягяитвые линии

магнитопровод

Виток 1

Виток 2

а)

б)

£ 0 с! 2 2

Рисунок 6 - Плоский индуктор с применением магнитопровода между витками обмотки

Таблица 1

Температурный режим работы плоского индуктора

Варианты индуктора Температура витков индуктора, °С Пара инд5 метры «тора

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Лги« 1тока

Без магнитопровода 120 105 85 70 60 60 58 57 55 52 8,4 кВт 9,3 кГц

С магниго-проводом 68 65 63 61 59 58 57 57 55 52 8,2 кВт 9,0 кГц

Получено аналитическое выражения для расчета параметров электромагнитного поля системы «витки - магнитопровод» (рис. 6, б), связывающее величину тока индуктора (/), характеристики магнитопровода (ц, р, Ва) и его геометрические размеры (</, А). Показан характер распределения поля по сечению магнитопровода для различных соотношений глубины

проникновения поля ( А) в магнитопровод и его толщины (4) (рис 7, а).

£ _

= = (5)

¿ к ^Чо 2 V р

2

На рис.7, б представлены кривые зависимости рабочей индукции от толщины магнитопровода из различных материалов для индуктора с током

Рисунок -7 Распределение магнитной индукции по сечению магнитопровода между витками плоского индуктора (а) и его режимы работы (б)

Выявлено, что в большинстве случаев требуется обеспечить заданную конфигурацию электромагнитного излучения плоского индуктора. Этого добиваются путем установки П-образного магнитопровода (рис. 8) в области индуктора, где необходимо сосредоточить нагрев.

Обмотка индусторе Магнитол ровод

Рисунок 8 - Фрагмент плоского индуктора с магнитопроводом для концентрации электромагнитного поля

Проведен математический анализ электромагнитного поля в магнитопроводе и получено расчетное выражение для определения его рабочей индукции:

/-Я'^Ц-Цо -р

^ _ _

ср (г-А+о-л-^Т-ю

(6)

Рассмотрены принцип конструирования индуктора, совмещенного с вторичной обмоткой согласующего трансформатора (рис. 9). Данная конструкция индуктора позволяет получить локальную область нагрева с высокой удельной мощностью нагрева 8-10 кВт/см2 и может использоваться для процесса высокоинтенсивной закалки. В ходе экспериментальных исследований определено, что электрический КПД индуктора составляет 80 - 85 %, что доказывает преимущество данного индуктора по сравнению с другими

типами закалочных индукторов плоских поверхностей.

1

лЗ

/ 4 р

/ X

5 / Ч

АС®

[

Рисунок 10 - Схема многовиткового индуктора, совмещенного с вторичной обмоткой согласующего

Рисунок 9 - Типовая конструкция индуктора, совмещенного с вторичной обмоткой согласующего трансформатора: 1 - первичная обмотка трансформатора; 2 -магнитопровод трансформатора; 3 - индуктирующий провод и вторичная обмотка трансформатора, 4 - магнитопровод концентратора нагрева; 5 - нагреваемая деталь

Показано, что перспективным направлением проектирования индукторов на основе предложенного принципа конструирования является создание разъемных индукторов охватывающий поверхность детали любой сложности.

На уроне изобретения (патент №2214072) разработана конструкция многовиткового разъемного индуктора, с параллельным соединением витков, позволяющая обеспечивать заданное температурное поле на поверхности нагреваемого объекта (рис.10). Поставленная задача решается тем, что каждый

виток индуктора, который соответствует определенной локальной зоне нагрева на обратной ветви, имеет секцию согласующего трансформатора (7У1-7УЗ) с количеством витков первичной обмотки - У^З), определяемым мощностью электромагнитного излучения, необходимой для достижения заданной температуры в данной локальной области нагреваемого объекта.

В третьей главе рассматриваются вопросы согласования параметров индукторов и выходных параметров ПЧ.

Впервые получена аналитическая зависимость потребляемой индуктором мощности в функции частоты питающего тока (/) при изменении числа витков индуктора (и):

Р.

п--

(7)

Графическая интерпретация зависимости приведена на рис. 11. Данная зависимость справедлива для индукторов спроектированных на детали разных размеров при допущениях, что намотка ведется с одинаковым шагом и зазоры между деталью и индуктором равны.

2,8

1,5

Рисунок 11 - Зависимость потребляемой мощности индуктора от

частоты питающего тока при изменением числа витков индуктора

Л

1,5

7,

0,5 1

На основании (7) разработана системно ориентированная методика проектирования УИН для нагрева широкой номенклатуру деталей, сопряженных горячей посадкой, имеющих широкий диапазон конфигураций и массогабаритных параметров и требующих разной мощности для обеспечения требуемого темпа нагрева. Методика заключается в комплексном расчете индукторов и ПЧ при использовании одного ПЧ с набором сменных индукторов, каждый из которых предназначен для нагрева отдельной детали.

Число витков обмотки каждого индуктора рассчитывается из условия их работы в интервале (автоподстройки) частот (/„-/,) при фиксированном значении емкости конденсатора резонансного контура (Ск), с требуемой потребляемой мощностью.

и =

ит1

0*4

, (витков)

(8)

где а и р - коэффициенты аппроксимации зависимости магнитной проницаемости материала нагреваемого объекта от напряженности магнитного поля, р- удельное сопротивление нагреваемого материала, /,5- длина индуктора и перекрываемая им площадь, г| - КПД индуктора.

Вторичная обмотка согласующего трансформатора ПЧ выполняется секционированной, с количеством секций, соответствующим количеству групп индукторов, каждая из которых при фиксированном значении выходного напряжения (С/,, иг, £/3) перекрывает интервалы выходной мощности ПЧ (Рх-Р1,Р2-Ръ,Рг-РА), обеспечивающие заданную скорость нагрева для деталей каждой группы (рис.12).

Рцнд

I группа индукторов |- - К

Сеть ПЧ

с системой

л— ФАПЧ

щ- (/« /.)

группа индукторов]— |||| группа индукторов)—

/« {ПЧ

Рисунок 12 - Функциональная схема УИН с одним ПЧ и набором индукторов

Эффективность предложенного подхода, обусловлена возможностью унифицировать ряд индукторов по потребляемой мощности в зависимости от величины питающего напряжения и возможностью проектирования надежного, нерегулируемого ПЧ с унифицированными выходными параметрами, что весьма важно при серийном производстве УИН такого типа.

В четвертой главе обобщены результаты практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева, в которых использованы основные научные результаты диссертации.

Рассмотрена УИН для нагрева поверхностей деталей железнодорожного вагона перед восстановительной наплавкой (рис. 13). Установка включает в себя четыре индуктора: индуктор 1 (полезная модель № 24612) для нагрева подпятникового места надрессорной балки, индуктор 2 (полезная модель № 25137) для нагрева наклонной плоскости надрессорной балки, индуктор 3 (полезная модель № 15828) для нагрева челюсти боковой рамы тележки и индуктор 4 для нагрева пятникового места надрессорной балки. Все индукторы предназначены для нагрева плоских поверхностей. Они спроектированы с использованием разработанных методик расчета межвиткового магнитопровода

для исключения перегрева внутренних витков плоской обмотки и концентраторов магнитного поля для обеспечения требуемого распределения температуры нагреваемой поверхности.

ИИЩЛП0Р2 _ш ____

Индуктор 1 I ПЧ инаукгар»

Рисунок 13 - УИН для Рисунок 14 - УИН для нагрева

предварительного нагрева деталей сопрягаемых горячей

поверхностей деталей перед посадкой

восстановительной наплавкой

ПЧ спроектирован на базе нерегулируемого инвертора напряжения по методике, предложенной в главе 3. Согласующий трансформатор выполнен на три выходных напряжения (55 В, 110 В, 165 В), каждому из которых соответствуют диапазоны номинальной потребляемой мощности (5-8 кВт, 8 -15 кВт, 15-25 кВт). Для всех выходных напряжений используется один компенсирующий конденсатор емкостью 9.4 мкф, диапазон автоподстройки частоты инвертора составляет 7-12 кГц. Данная модификация ПЧ нашла широкое применение более чем в 30 УИН для нагрева деталей сопрягаемых горячей посадкой (рис 14), и является серийным образцом оборудования выпускаемого научно-производственным комплексом НИИ АЭМ при ТУСУР.

Рассмотрена УИН для

Согласующий _ ..

"трансформатор термообработки сварного стыка железнодорожных рельсов (рис. 15). Её основными техническими характеристиками является:

номинальная мощность 120 кВт; частота преобразования 7-10 кГц; время нагрева стыка рельсов до температуры 850 - 900 °С составляет 180 - 200 сек. ПЧ спроектирован на 4-х транзисторных инверторных ячейках с многозонным импульсным регулированием. Управление инверторами в режимах вольтодобавки и неискажающей передачи осущест-

Индуктор Спрмр

Рисунок 15 - УИН для термообработки сварных стыков железнодорожных рельсов

вляется с использованием разработанных в главе 1 алгоритмов переключения силовых транзисторов.

Разработан гайковерт (полезная модель №28065) (рис. 16), представляющий собой шестигранную головку ключа 1 из немагнитного материала, снабженную индуктором, обмотки 3, 2 которого расположены по двум торцам ключа соосно с ним и жестко с ним связаны. На рукоятке ключа 4 расположен микропереключатель 5 дистанционного включения питания индуктора. Гайковерт предназначен для откручивания «прикипевших» гаек.

Рассмотрена УИН повышенной частоты (66 кГц) для пайки медных трубок в латунные сантехнические смесители 1 (рис. 17). Установка представляет собой двухканальный ПЧ 2 с номинальной мощностью по 5 кВт каждый для питания двумя независимыми индукторами 3, 4. Включение нагрева осуществляется с помощью ножных педалей 5, 6 дистанционного управления. Время нагрева смесителя до температуры 350 °С составляет 15-20 сек.

Рассмотренные УИН и многие другие разработанные при участии автора успешно эксплуатируются более чем на 70 предприятиях в РФ, а также на ряде предприятий Казахстана и Прибалтики на предприятия железнодорожного транспорта, металлургии и энергетики.

В приложениях приведен расчет энергетических характеристик ПЧ с многозонным импульсным регулированием и приведены копии документов, подтверждающих внедрение образцов оборудования в производство.

На основе теоретических исследований, обобщения результатов экспериментальных работ в диссертации решена комплексная научная задача проектирования высокоэффективных ПЧ для УИН на основе транзисторных преобразователей частоты, усовершенствования конструкций плоских индукторов и разработки расчетных методик их проектирования, разработки методики проектирования УИН для нагрева деталей, сопряженных горячей посадкой. Основные научные и практические результаты выполненной работы

Рисунок 16-Гайковерт, совмещенный с индуктором

Рисунок 17 -УИН для пайки медных трубок в сантехнические смесители

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

сводятся к следующим положениям:

1. Определена эквивалентная схема и основные соотношения для расчета параметров системы «индуктор - нагреваемый объект», как нагрузки транзисторных ПЧ. Данные соотношения также позволили определить численные значения изменения параметров индукционной нагрузки в процессе нагрева для различных типов индукторов и различных технологий нагрева.

2. Определены основные особенности применения транзисторных преобразователей частоты в УИН. Для резонансного инвертора напряжения определены алгоритмы работы, обеспечивающие минимальные коммутационные потери при переключении силовых транзисторов.

3. Показана перспективность использования способа многозонного импульсного регулирования выходных параметров ПЧ в УИН.

4. Разработаны схемы ПЧ с МИМ для стабилизации выходного напряжения в УИН для нагрева деталей сопрягаемых горячей посадкой, позволяющие значительно сократить габаритную мощность ключевых элементов и согласующего трансформатора, при этом регулирование по первичной стороне согласующего трансформатора дает еще больший выигрыш в габаритной мощности трансформатора.

5. Разработаны алгоритмы работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи, обеспечивающие их надежную работу в схемах ПЧ с МИМ.

6. Для нагрева плоских поверхностей разработана новая конструкция индуктора, с применением межвиткового магнитопровода, позволяющая уменьшить перегрев внутренних витков спирали индуктора.

7. Получены расчетные соотношения параметров магнитного поля в плоских индукторах с применением магнитопроводов.

8. Разработан принцип конструирования индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующего трансформатора, позволяющий проектировать индукторы для высокоинтенсивной закалки и разъемные индукторы для нагрева деталей со сложным профилем поверхности.

9. Получена аналитическая зависимость потребляемой индуктором мощности в функции частоты питающего тока при изменении числа витков индуктора, позволившая разработать системно ориентированную методику проектирования УИН для нагрева широкой номенклатуру деталей, сопряженных горячей посадкой при использовании одного ПЧ и набора сменных индукторов .Разработан обобщенный алгоритм проектирования УИН для нагрева деталей сопрягаемых горячей посадкой, позволяющий унифицировать ряд ПЧ по мощности и индукторы в зависимости от питающего напряжения.

10. Новизна научных исследований защищена двумя патентами на изобретения и четырьмя авторскими свидетельствами, практическая ценность результатов работы подтверждается многочисленными внедрениями оборудования созданного при участии автора.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бабенко П. Г., Земан С. К., Уваров А. Ф. Вопросы проектирования систем высокочастотного индукционного нагрева // Труды седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.-Томск: Изд. ТПУ, 2001. С. 170-172.

2. Бабенко П. Г. Вопросы коррекции коэффициента мощности в нагревательных установках индукционного типа // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной научно - технической конференции. - Томск: ТПУ, 2001. С. 198.

3. Бабенко П. Г., Земан С. К. Конструкции индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующих трансформаторов, области их применения // Труды восьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд. ТПУ, 2002.

4. Бабенко П.Г., Земан С. К. Определение и классификация параметров нагрузки влияющих на структуру преобразователей частоты в установках индукционного нагрева // Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления: Материалы Всероссийской научно - практической конференции. -Томск: ТУСУР, 2002.

5. Бабенко П.Г., Земан С. Вопросы проектирования систем высокочастотного индукционного нагрева. - Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов.- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. С. 168.

6. Свидетельство на полезную модель РФ № 15828, МКИ 1Н05В6/10. Индукционный нагреватель для плоских вытянутых поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко. - Опубл. 06.05.2000. Бюл. №31.

7. Свидетельство на полезную модель РФ № 25137, А//Ж3Н05В6/44. Индукционный нагреватель плоского основания наклонного выреза в металлической детали, в частости, надрессорной балке железнодорожного вагона. С. К. Земан, П. Г. Бабенко. - Опубл. 28.02.2002. Бюл. №25.

8. Свидетельство на полезную модель РФ № 24612, А/К7/'Н05В6/44. Индуктор для нагрева углублений в металлических деталях, например подпятниковых мест над рессорных балок железнодорожных вагонов. С. К. Земан, П. Г. Бабенко. - Опубл. 26.12.2001. Бюл. №22.

9. Свидетельство на полезную модель РФ № 28065, А/АГЯ3Н05В6/36. Гайковерт. С. К. Земан, П. Г. Бабенко. - Опубл. 10.03.2003. Бюл. №7.

10. Патент РФ № 2193293, МКИ6 Н05В6/36. Индуктор для нагрева плоских поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко. - Опубл. 23.11.2000. Бюл.

11. Патент № 2214072, РФ, МКИ6 Н05В6/08. Устройство индукционного нагрева, обеспечивающее заданный температурный профиль. Земан С. К., Бабенко П. Г. - Опубл. 10.10.2003. Бюл. №28.

№32.

РНБ Русский фонд

2005-4 15361

Заказ 1282. Тираж 100. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники пр. Ленина, 40

1

,1 ы

1? „Ел1ГЛ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ В УСТАНОВКАХ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА.

1.1. Основные сведения о УИН.

1.2. Определение эквивалентной схемы и основных соотношений для расчета параметров системы «индуктор - нагреваемый объект».

1.3. Выбор способа включения компенсирующей емкости в УИН.

1.4. Транзисторные инверторы в преобразователях частоты для УИН

1.5. Способы регулирования параметров ПЧ в УИН.

1.6. Схемы преобразователей частоты с МИМ для установок индукционного нагрева деталей, сопрягаемых горячей посадкой.

1.7. Работа инверторной ячейки в режиме неискажающей передачи в схеме ПЧ с МИМ.

1.4. Выводы по главе.

2. КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИНДУКТОРОВ.

2.1. Общие сведения о сквозном индукционном нагреве.

2.2. Конструкции индукторов для нагрева плоских поверхностей.

2.3. Конструкции индуктора совмещенного с вторичной обмоткой согласующего трансформатора.

2.4 Выводы по главе.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ УИН ДЛЯ МОНТАЖА И ДЕМОНТАЖА УЗЛОВ И МЕХАНИЗМОВ, СОПРЯГАЕМЫХ ГОРЯЧЕЙ ПОСАДКОЙ.

3.1. Общие сведения и критерии проектирования унифицированных УИН

3.2. Определение зависимости потребляемой мощности индуктора от частоты питающего тока при изменении числа витков индуктора.

3.3. Методика проектирования унифицированной системы « ПЧ -индуктор» для монтажа и демонтажа широкой номенклатуры деталей, сопрягаемых горячей посадкой при использовании одного ПЧ и набора сменных индукторов.

3.4. Выводы по главе.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАНОВОК

ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА.

Актуальность проблемы. Высокая потребность в высокочастотной индукционной нагревательной технологии определяется тем, что во многих технологических операциях в тяжелом машиностроении, энергетике, металлургии, транспорте, таких как сборка и разборка узлов машин и механизмов, сопрягаемых посредством горячей посадки, термообработка стальных изделий перед штамповкой, восстановительной наплавкой и т. д., прямоточный нагрев жидкостей, полимеризация антикоррозийных покрытий металлических поверхностей данная технология нагрева является одной из самых эффективных [9, 16, 22, 39, 52, 53]. Малые габариты, малое количество витков высокочастотного индуктора, возможность придания ему любой конфигурации и получения секционированных легкоразъемных конструкций, позволяет проводить нагрев деталей в труднодоступных местах, обеспечивая эффективную реализацию требуемой технологии.

По мере расширения области применения высокочастотного индукционного нагрева существенные перемены происходят и в традиционных областях применения. Повышаются уровни мощностей, требования к механизации, автоматизации и компактности установок, к точности поддержания режима и экономичности процессов. Все это определяет ряд технических задач, стоящих в настоящее время перед разработчиками как в сфере модернизации существующих технологий нагрева, так и в новых ее применениях.

Одной из важных задач, возникающих при проектировании систем промышленного нагрева изделий и сред индукционным способом, является исследование системы «индуктор - нагреваемый объект» как нагрузки преобразователя частоты (ПЧ) [18, 19, 24, 64]. Результаты такого исследования позволяют определить оптимальные с точки зрения минимизации энергопотребления параметры источников высокочастотного электромагнитного поля.

Другая важная задача обусловлена значительной нестабильностью, как параметров нагрузки, так и питающего сетевого напряжения и заключается для большинства технологических процессов в необходимости построения эффективных глубоко регулируемых ПЧ [18, 19, 24, 38, 39]. До настоящего времени для регулирования ПЧ широко применялись амплитудная модуляция (AM), широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и частотно-импульсная модуляция (ЧИМ). Недостатками данных видов регулирования являются завышенные массогабаритные показатели ПЧ из-за наличия дополнительных блоков регуляторов для AM, демпфирующих устройств, обеспечивающих безопасную работу ключевых элементов, для ШИМ и ЧИМ [10, 15, 16, 29, 35, 43, 45, 79]. Одним из перспективных направлений в регулировании ПЧ является принцип многозонной импульсной модуляции (МИМ), позволяющий сократить массогабаритные показатели ПЧ за счет исключения дополнительных блоков и устройств. Применительно к индукционному нагреву данный вид регулирования изучен недостаточно и поэтому требует детального рассмотрения.

Еще одно направление совершенствования преобразователей частоты связано с бурным развитием технологий изготовления мощных полупроводниковых приборов. За последние 10-20 лет разработаны и освоены промышленностью быстродействующие IJBT - транзисторы на токи и напряжения в несколько сотен ампер и тысяч вольт соответственно. Вторжение транзисторов в область силовой преобразовательной техники, где традиционно использовались тиристоры, привело к необходимости разработки новых схемотехнических решений, в том числе надежных алгоритмов работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи в структуре ПЧ с МИМ.

В качестве непосредственного нагревательного устройства в установках индукционного нагрева (УИН) применяются индукторы, в исследование разработку и создание конструкций которых большой вклад внесли А. Е. Слухоцкий, С. Е. Рыскин, В. В. Вологдин В. А Пейсахович, А. Д. Демичев, И. П. Русинковский, А. Н. Шамов, В. А. Бодажков [12, 22, 55, 66, 67, 6В, 54, 80, 72]. Тем не менее поиск новых конструкций индукторов, обладающих лучшей эффективностью нагрева, а значит более высоким КПД, также является одной из актуальных задач, стоящих перед разработчиками, позволяющих совершенствовать индукционную нагревательную технологию и расширить область ее применения.

Одним из перспективных направлений в проектировании УИН является концепция создания «рабочего места оператора» при широкой номенклатуре нагреваемых деталей при использовании одного преобразователя частоты и набора сменных индукторов. Для решения такой задачи требуется разработка методик и алгоритмов согласования индукторов с ПЧ. Используя данный подход в проектировании УИН, можно добиться унификации ряда ПЧ по мощности и индукторов для них и решить проблему занимаемой производственным оборудованием площади, что в современных условиях весьма актуально.

В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных в отделе №16 НИИ АЭМ при ТУ СУР и в ООО «Магнит» при непосредственном участии автора в период 1998 г. по 2003 г., как по заказам предприятий, так и в рамках научно-технических программ: «Ресурсосбережения 2001, 2002, 2003 года» и «Программа дооснащения предприятий 2003 года». Программы осуществляются по договорам с Департаментом вагонного хозяйства МПС России и с ФГУП ПКБ ЦТ МПС России.

По результатам работы в 2003 году автор удостоен именной стипендии

Нефтяной Компании «ЮКОС» за успехи в создании конкурентно-способных образцов новой техники и технологий.

Цель работы - решение задачи проектирования УИН на основе транзисторных преобразователей частоты, имеющей существенное значение для отрасли силовой промышленной электроники.

Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:

- определение схемы замещения и основных расчетных соотношений параметров индукционной системы «индуктор - нагреваемый объект » как нагрузки ГТЧ в УИН;

- исследование основных особенностей применения транзисторных преобразователей частоты в УИН;

- сравнительная характеристика основных схем и моделей ПЧ с МИМ, исследование их энергетических и регулировочных характеристик, определение надежных алгоритмов работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи;

- разработка конструкций высокочастотных индукторов для нагрева плоских поверхностей и индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующего трансформатора;

- разработка методики проектирования унифицированных УИН для монтажа и демонтажа широкой номенклатуры деталей, сопрягаемых горячей посадкой при использовании одного ПЧ и набора сменных индукторов;

- обобщение результатов практической реализации установок высокочастотного индукционного нагрева, в которых использованы основные научные результаты диссертации.

Методы исследования базируются на общих положениях теории проектирования, теории цепей, теории алгебраических и дифференциальных уравнений, численных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования. Проверка основных теоретических положений осуществляются путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- определена эквивалентная схем и основные соотношения для расчета параметров системы «индуктор - нагреваемый объект», как нагрузки транзисторных ПЧ;

- предложен ряд схем транзисторных ПЧ с многозонным импульсным регулированием для УИН;

- определены оптимальные алгоритмы работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи в схемах ПЧ с МИМ;

- разработаны новые конструкции индукторов и методики их расчета, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения;

- получена зависимость потребляемой мощности индуктора от частоты питающего тока при изменении числа витков индуктора и на ее основе разработана методика проектирования унифицированных УИН для монтажа

• и демонтажа широкой номенклатуры деталей, сопрягаемых горячей посадкой при использовании одного ПЧ и набора сменных индукторов.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

В период с 2000 - по 2003 года при непосредственном участии автора было разработано около 20 образцов установок высокочастотного индукционного нагрева. Всё оборудование внедрено и успешно эксплуатируется более чем на 70 предприятиях железнодорожного транспорта, металлургии и энергетики РФ, Казахстана и Прибалтики. В целом объем продаж оборудования за три указанных года составил более 50 млн. рублей. Большинство образцов разработанного оборудования, представлялось на десяти Международных и региональных конкурсах и выставках на лучшую НИР и ОКР, где были отмечены дипломами и медалями: на 3-й и 4-й Всероссийских специализированных выставках & «Энергосбережение в регионах России», в г. Москве, 2001, 2002 года; на

Международной выставке «Промтрансэкспо», в г. Омске, 2002 года; на 7-й

Международной выставке - конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» в г. Санкт-Петербурге, 2002 года.

На защиту автором выносятся следующие результаты и положения исследований.

1. Эквивалентная схема и основные расчетные соотношения параметров системы «индуктор - нагреваемый объект» в УИН.

2. Схемы и модели ПЧ с МИМ.

3. Алгоритмы работы инверторной ячейки, в режиме неискажающей передачи в схемах ПЧ с МИМ.

4. Конструкции высокочастотных индукторов для нагрева плоских поверхностей и индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующего трансформатора.

5. Методика проектирования унифицированной УИН для монтажа и демонтажа широкой номенклатуры деталей, сопрягаемых горячей посадкой

4» на основе полученной зависимости потребляемой мощности индуктора, от частоты питающего тока, при изменении числа витков индуктора.

6. Результаты практической реализации систем индукционного нагрева, созданных при участии автора и защищенных патентами РФ.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- VII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2001 г.;

- Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» Томск, 2001, г.;

- Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы А современной радиоэлектроники и систем управления», г. Томск 2002 г.;

- VIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2002 г.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 11 публикациях, из которых - 4 тезисы докладов, 1 - статья в научно-техническом издании 2 -патента на изобретение, 4 - свидетельства на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы (без приложения) составляет 123 страниц, в том числе 87 страниц машинописного текста, 53 рисунков и 7 таблиц. Список литературы изложен на 9 страницах и содержит 85 наименований.

Вывод.

Успешная практическая реализация основных результатов полученных в диссертационной работе, безусловно, доказывает их научную и практическую ценность.

ПЧ1 ТУ1 Ск 1

Индуктор 1

ТУ2

ПЧ2

Ск 2 Т

Индуктор 2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе теоретических исследований, обобщения результатов экспериментальных работ в диссертации решена комплексная научная задача проектирования высокоэффективных ПЧ для УИН на основе транзисторных преобразователей частоты, усовершенствования конструкций плоских индукторов и разработки расчетных методик их проектирования, разработки методики проектирования УИН для нагрева деталей, сопряженных горячей посадкой. Основные научные и практические результаты выполненной работы сводятся к следующим положениям:

1. Определена эквивалентная схема и основные соотношения для расчета параметров системы «индуктор - нагреваемый объект», как нагрузки транзисторных ПЧ. Данные соотношения также позволили определить численные значения изменения параметров индукционной нагрузки в процессе нагрева для различных типов индукторов и различных технологий нагрева.

2. Определены основные особенности применения транзисторных преобразователей частоты в УИН. Для резонансного инвертора напряжения определены алгоритмы работы, обеспечивающие минимальные коммутационные потери при переключении силовых транзисторов.

3. Показана перспективность использования способа многозонного импульсного регулирования выходных параметров ПЧ в УИН.

4. Разработаны схемы ПЧ с МИМ для стабилизации выходного напряжения в УИН для нагрева деталей сопрягаемых горячей посадкой, позволяющие значительно сократить габаритную мощность ключевых элементов и согласующего трансформатора, при этом регулирование по первичной стороне согласующего трансформатора дает еще больший выигрыш в габаритной мощности трансформатора.

5. Разработаны алгоритмы работы инверторных ячеек в режиме неискажающей передачи, обеспечивающие их надежную работу в схемах ПЧ с МИМ.

6. Для нагрева плоских поверхностей разработана новая конструкция индуктора, с применением межвиткового магнитопровода, позволяющая уменьшить перегрев внутренних витков спирали индуктора.

7. Получены расчетные соотношения параметров магнитного поля в плоских индукторах с применением магнитопроводов.

8. Разработан принцип конструирования индукторов, совмещенных с вторичной обмоткой согласующего трансформатора, позволяющий проектировать индукторы для высокоинтенсивной закалки и разъемные индукторы для нагрева деталей со сложным профилем поверхности.

9. Получена аналитическая зависимость потребляемой индуктором мощности в функции частоты питающего тока при изменении числа витков индуктора, позволившая разработать системно ориентированную методику проектирования УИН для нагрева широкой номенклатуру деталей, сопряженных горячей посадкой при использовании одного ПЧ и набора сменных индукторов. Разработан обобщенный алгоритм проектирования УИН для нагрева деталей сопрягаемых горячей посадкой, позволяющий унифицировать ряд ПЧ по мощности и индукторы в зависимости от питающего напряжения.

10. Новизна научных исследований защищена двумя патентами на изобретения и четырьмя авторскими свидетельствами, практическая ценность результатов работы подтверждается многочисленными внедрениями оборудования созданного при участии автора.

1. Авторское свидетельство №951627 от 14.04.1982. Устройство длярегулирования и стабилизации напряжения. Земан С. К.

2. Авторское свидетельство №1332479 от 7.12.1984.(54).

3. Преобразователь напряжения со звеном повышенной частоты. Кобзев А. В., Земан С. К., Кошевец В. Ф.

4. Бабенко П.Г., Земан С. К. Вопросы проектирования системвысокочастотного индукционного нагрева. Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов,- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.

5. Бабенко П. Г., Земан С. К., Уваров А. Ф. Вопросы проектированиясистем высокочастотного индукционного нагрева // Труды седьмой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск: Изд. ТПУ, 2001. - Т. 1. - 352с.

6. Бабенко П. Г. Вопросы коррекции коэффициента мощности внагревательных установках индукционного типа // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Международной научно технической конференции. - Томск: ТПУ, 2001. - 198 с.

7. Бабенко П.Г., Земан С. К. Определение и классификация параметровнагрузки влияющих на структуру преобразователей частоты в установках индукционного нагрева // Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления: Материалы

8. Всероссийской научно практической конференции. - Томск: ТУ СУР, 2002.

9. Бежелукова Е. Ф. Расчет и выбор посадок с натягом из системы

10. ИСО. М.: Машиностроение, 1975.

11. Берникек Е. И. Посадки с натягом в машиностроении. М.:1. Машиностроение, 1966.

12. Беркович Е.И., Ивенский Г.В., Иоффе Ю.С., Матчак А.Т., Моргун В.В. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983 - 208 е., ил.

13. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей: Пер. с англ. М.: Энергия, 1970. - 376 с.

14. Бодажков В. А. Объемный индукционный нагрев. Санкт-Петербург «Политехника», 1992.

15. Бодажков В. А. Объемный индукционный нагрев. Санкт-Петербург «Политехника», 1992.

16. Брычков Ю. А., Маричев О. И., Прудников А. П. Таблицы неопределенных интегралов: Справочник. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1986. -192 с.

17. Васильев А. С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева. -М.: Энергия, 1974.

18. Васильев А. С., Гуревич С. Г., Иоффе Ю. Ф. Источники питания электротермических установок . -М.: Энергоатомиздат, 1985.

19. Васильев A.C., Царевский В.В. Высокоинтенсивный индукционный нагрев. Электричество № 12, 2001.

20. Владимиров С.Н., Земан С.К., Мещеряков В.А., Мудров А.Е., Шестаков. Экспертная система исследования индукционногоспособа разъединения деталей, сопряженных горячей посадкой. // Сборник под ред. Ю.А. Шурыгина. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.- С.141-148.

21. Владимиров С.Н., Земан С. К., Уваров А.Ф. Аппроксимация полевых зависимостей электрофизических величин, характеризующих процесс индукционного нагрева. // Сборник под ред. Ю.А. Шурыгина. Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2000. - 297с.

22. Владимиров С.Н., Земан С.К. Теоретические основы индукционного способа разъединения деталей, сопряженных термической посадкой. Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов,- Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.

23. Вологдин В. В., Кущ Э. В. Индукционная пайка. Л.: Машиностроение Ленинград, отделение , 1989. - 72 с.

24. Гитгац Д. А.Иоффе Ю. С. Свойства индукционных установок как нагрузки статических преобразователей. Электротермия. 1968. № 75-76 с. 104-106.ш

25. Головин Г. Ф., Замятин М. М. Высокочастотная термическая обработка. Л.: Машиностроение, 1968. - 227 с.

26. Гриднев В. Н., Лиховских М. Н., Мешков Ю. Я. Индукционный нагрев при скоростном электроотпуске // Металловедение и териообработка. 1964. № 1. с 59.

27. Дансис Я. Б., Жилов Г. М. Искусственная компенсация реактивной мощности злектропечных агрегатов. Л.: Энергия, 1971.

28. Демичев А. Д., Сергеева К. И., Якубович И. И. Закалка шестерен среднего модуля. Промышленное применение токов высокой частоты в электротермии. М.: Л.: Машгиз, 1961. -С. 16 - 25.

29. Земан С. К., Миков А. В., Осипов А. В. Методы и средства регулирования мощности в установках высокочастотного индукционного нагрева. // Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов.-Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2002.

30. Иванов В. А. Пути повышения КПД установки индукционного нагрева. -М.: Энергия, 1961.

31. Индуктивные элементы радиоэлектронной аппаратуры: справочник / И. Н. Сидоров, М. Ф. Бинатов, Л. Г. Шведова. радио и связь, 1992. - 288 е.: ил.

32. Инкин А. И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин. Учебное пособие. Новосибирск: ООО «издательство1. ЮКЭА», 2002. 464 с.

33. Кобзев А. В. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии. Новосибирск, «Наука», 1979. 304 с.

34. Кобзев А. В., Михальченко Г. Я., Музыченко Н. М. Модуляционные источники питания РЭА. "Радио связь" Томск 1990г.

35. Кобзев А. В. Михаилченко Г.Я, Тараскин А. В. Преобразование параметров электрической энергии модуляционным методом в системах со звеном повышенной частоты. В кн: Магнитно-вентильные преобразователи напряжения и тока. Томск, Изд-во ТГУ, 1977, с. 78-93.

36. Кобзев А. В. Михаилченко Г.Я , Семенов В. Д., Тараскин А. В. Непосредственные преобразователи частоты в системах импульсно-модуляционного типа- В кн.: Непосредственные преобразователи частоты исскуственной коммутацией. Киев, 1977, с. 30-31.

37. Кувалдин А.Б. Низкотемпературный индукционный нагрев стали. -М.: Энергия, 1976.

38. Кувалдин А. Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: Энергия, 1988.

39. Кувалдин А.Б., Сальникова И. П. Электромагнитная волна в ферромагнитной плите // Электричество. 1980. № 5. С. 71 72.

40. Кувалдин А. Б. Нечаев А. И. Формирование электромагнитного поля внутри соленоидального индуктора. Сборник научных трудов № 93. Москва, 1986.

41. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967. 599 с.

42. Мастяев В. Я. Генераторы на импульсных тиратронах дляиндукционного нагрева. М.: Энергия, 1978.

43. Мощные транзисторные устройства повышенной частоты A.A. Алексанян, Р.Х.Бальян, М.А.Сивере и др.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 176 е.: ил.

44. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. -М.: Энергоатомиздат, 1986 г.

45. Некрасов Е. А. Токи высокой частоты. Пермь 1962.

46. Патент № 2193293, РФ, МКИЬ Н05В6/36. Индуктор для нагрева плоских поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). Опубл. 23.11.2000. Бюл. №32.

47. Патент № 2214072, РФ, МКИ6 Н05В6/08. Устройство индукционного нагрева, обеспечивающее заданный температурный профиль. Земан С. К., Бабенко П. Г. Опубл. 10.10.2003. Бюл. №28.

48. Парселл Э. Электричество и магнетизм (Берклеевский курс физики). М.:Высшая школа, 1989.

49. Пирогов А. И., Шамаев Ю. М. Магнитные сердечники для устройств автоматики и вычислительной техники. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1973.

50. Поливанов К. М. Теория электромагнитного поля- м.: Энергия, 1969.

51. Простяков А. А. Индукционные нагревательные установки. М., «Энергия», 1970.

52. Промышленное применение токов высокой частоты. М-Л.: Машиностроение, 1964.

53. Руссинковский И.П. Специальные индукторы с магнитопроводом из феррита для закалки с нагревом ТВЧ типовых станочных деталей. М.: Отдел научно - технической информации, 1962.

54. Рыскин С. Е. Закалочные станки. Выпуск №11. Л.: Энергия,1974. 264 с.

55. Свидетельство на полезную модель № 14334, РФ, МКИ1 Н05В6/08. Устройство индукционного высокочастотного нагрева деталей. С. К. Земан, (РФ). Опубл. 10.07.2000. Бюл. №19.

56. Свидетельство на полезную модель № 14336, РФ, МКИ1 Н05В6/44. Индуктор для нагрева ободьев железнодорожных колес. С. К. Земан, (РФ). Опубл. 10.07.2000. Бюл. №19.

57. Свидетельство на полезную модель № 15828, РФ, МКИ1 Н05В6/10. Индукционный нагреватель для плоских вытянутых поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). Опубл. 06.05.2000. Бюл. №31.

58. Свидетельство на полезную модель № 25137, РФ, МКИ1 Н05В6/44. Индукционный нагреватель плоского основания наклонного выреза в металлической детали, в частности, надрессорной балке железнодорожного вагона. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ).

59. Опубл. 10.09.2002. Бюл. №25.

60. Свидетельство на полезную модель № 24612, РФ, МКИ1 Н05В6/44. Индуктор для нагрева углублений в металлических деталях, например подпятниковых мест надрессорных балок железнодорожных вагонов. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). -Опубл. 26.12.2001. Бюл. №22.

61. Свидетельство на полезную модель № 28065, РФ, МКИ3 Н05В6/36. Гайковерт. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). -Опубл. 10.03.2003. Бюл. №7.

62. Свидетельство на полезную модель № 15828, РФ, МКИ 3Н05В6/10. Индукционный нагреватель для плоских вытянутых поверхностей. С. К. Земан, П. Г. Бабенко (РФ). -Опубл. 06.05.2000. Бюл. №31.

63. Свидетельство на полезную модель № 15829, РФ, МКИЬ

64. Н05В6/10. Устройство для индукционного нагрева буксового узла колесной пары железнодорожных вагонов. Земан С. К. Опубл. 10.11.2000. Бюл. №31.

65. Скрипников Ю. Ф. Колебательный контур. М.: Энергия, 1970.

66. Слухоцкий А. Е. Индукторы: Библиотечка электротермиста. Выпуск №12 Л.: Машиностроение, 1989.

67. Слухоцкий А. Е. Индукторы: Библиотечка электротермиста. Выпуск №6 Л.: Машиностроение, 1965.

68. Слухоцкий А. Е. Индукторы: Библиотечка электротермиста. Выпуск №9 Л.: Машиностроение, 1979.

69. Слухоцкий А. Е. Индукторы. Л.: Машиностроение, 1984.

70. Слухоцкий А. Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

71. Слухоцкий А. Е. Индукторы: Библиотечка электротермиста. Л.: Машиностроение, 1979.

72. Слухоцкий Немков В. С. Павлов Н. А. Установки индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1981.

73. Справочник по электрических машинам. В 2 т. / под ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1988. - Т. 1.

74. Тарабасов Н. Д. Расчет напряженных посадок в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1961.

75. Татур Т. А. Основы теории электромагнитного поля: Справочн. Пособие для электротехн. Спец. Вузов. М высш. шк., 1989. - 271 е.: ил.

76. Установки индукционного нагрева / Под ред. Слухоцкого А. Е. -Л.: Энергия, 1981.-325 с.

77. Ферсман Б. А. Одиночный колебательный контур под воздействием гармонической ЭДС. Ленинград 1964.

78. Хэг Б. Электромагнитные расчеты. М. Л.: ОНТИ НКТИ СССР, 1934.

79. Чети П. К. Проектирование ключевых источников электропитания. Энергоатомиздат, 1990 г.

80. Шамов А. Н., Бодажков В. А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

81. Электротермическое оборудование: Справочник / Под ред. А. П. Альтгаузена. М.: Энергия, 1980. 416 с.

82. Энергетическая электроника: Справочное пособие : Пер. с нем./ Под ред. В. А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1987 - 464 с.ил.

83. George Е. Т. Maurice А. Н. Induction heat treatment. Steel heat treatment handbook. Marcel Dekker, 1997.

84. Castro Simas M. I., and Costa Freire J. CAD Tools to Optimize Power MOSFET Perform. IEE Proc. Electr. Power Applications. - 1997. -Vol. 144, N3,-P. 207-213.

85. Horoszko E., Pasternak J. induction Heating of Railway Switches/ Rep/ 8 Int. Congr. Electrothemics. Tiege. 1976.