Системы высокочастотного индукционного нагрева заготовок перед пластической деформацией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат технических наук Осипов, Александр Владимирович

• Осипов, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Осипов, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕПЛОВЫЕ И ИМПЕДАНСНЫЕ РАСЧЕТЫ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ СТАЛЕЙ ПОД ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ.

1.1. Особенности нагрева заготовок перед пластической деформацией и теплофизические свойства нагреваемых сталей.

1.2. Режимы нагрева заготовок перед пластической деформацией.

1.3. Исследование эквивалентной схемы системы "индуктор -нагреваемый объект".

1.4. Определение зависимости тока индуктора от температуры и расчет глубины регулирования ПЧ.

1.5. Выводы по главе.

2. СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С ПЕРИОДИЧЕСКИМ СПОСОБОМ ЗАГРУЗКИ ИНДУКТОРА.

2.1. Принципы управления и способы регулирования ПЧ для индукционного нагрева.

2.2. Анализ многоячейковых структур ПЧ.

2.3. Многоячейковые структуры ПЧ с регулируемой "скользящей" ячейкой.

2.4. Способы регулирования резонансной инверторной ячейки.

2.5. Многоячейковые структуры ПЧ со "скользящей" ячейкой, регулируемой ФШИМ.

2.6. Выводы по главе.

3. СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С МЕТОДИЧЕСКИМ

СПОСОБОМ ЗАГРУЗКИ ИНДУКТОРА.

3.1. Определение зависимости импеданса системы "индуктор -нагреваемый объект" от количества нагреваемых заготовок и аппроксимация профиля тока индукторной системы.

3.2. Анализ вариантов реализации секционированных индукторных систем

3.3. Исследование характеристик трансформатора при работе с повышенной реактивной составляющей напряжения.

3.4. Выводы по главе.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАНОВОК ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА.

4.1. УИН с периодическим способом загрузки индуктора.

4.2. Экспериментальное исследование многоячейковых резонансных ПЧ со "скользящей" ячейкой регулируемой с помощью ФШИМ.

4.3. УИН с методическим способом загрузки индуктора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системы высокочастотного индукционного нагрева заготовок перед пластической деформацией»

Технологии, в основу которых положен высокочастотный индукционный нагрев материалов и изделий в настоящее время широко используются в промышленности. Большой коэффициент полезного действия, малые масса и габариты установок индукционного нагрева (УИН), а также ряд других не менее важных преимуществ позволяют успешно применять высокочастотный индукционный нагрев в различных технологических операциях, в том числе и для нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой, прокаткой и т.д.).

Теорией и проектированием установок высокочастотного индукционного нагрева заготовок перед пластической деформацией занимаются многие ученые, известны работы Бабата Г.И., Немкова B.C., Слухоцкого А.Е. и др.

При нагреве под пластическую деформацию необходимо создать равномерное температурное поле по сечению заготовки, при этом теплопроводность нагреваемого материала является основным фактором, ограничивающим минимальное время нагрева и максимальную подводимую мощность. Использование при расчете этих параметров усредненных теплофизических характеристик приводит к существенным ошибкам при проектировании.

Высокая температура нагрева, необходимая для пластической деформации стальной заготовки, приводит к существенному изменению ее удельного сопротивления, магнитной проницаемости, а соответственно активной составляющей импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" и передаваемой в заготовку мощности. Для стабилизации мощности необходимо регулирование напряженности магнитного поля индуктора, что чаще всего реализуется путем регулирования его рабочего тока. Учитывая, что точный расчет импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" крайне затруднителен, задача аналитического определения требуемого тока индуктора и диапазона его регулирования в режиме стабилизации мощности актуальна.

Требования, предъявляемые к питающему индуктор резонансному преобразователю частоты (ПЧ) существенно зависят от способа загрузки индуктора. При периодическом способе загрузки заготовка нагревается до требуемой температуры, после чего заменяется следующей. В этом случае регулирование тока индуктора достигается регулированием выходного напряжения ПЧ. Поэтому актуальна задача разработки способов регулирования резонансных ПЧ, обеспечивающих требуемый диапазон и точность регулирования, а также благоприятные режимы коммутации.

При построении транзисторных ПЧ большой мощности, как правило, применяются многоячейковые структуры с дискретным регулированием выходного напряжения, при этом мощности ячеек проектируются пропорционально весовым коэффициентам двоичного кода, а ячейка младшего разряда определяет точность регулирования. Однако увеличение точности регулирования связано с ростом количества ячеек, широким разбросом их динамических параметров и, вследствие этого нарушением синхронной коммутации транзисторов. В связи с этим задача определения многоячейковой структуры ПЧ обеспечивающей минимальную габаритную мощность и высокую точность регулирования при ограниченном количестве ячеек является актуальной.

При непрерывном (методическом) способе загрузки индуктора, нашедшем широкое применение в условиях серийного производства, одновременно нагреваются несколько заготовок, поштучно перемещающихся через индуктор от входа к выходу, что позволяет создать конвейерную линию. Изменение импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект", а соответственно и диапазон регулирования ПЧ, в установившемся режиме зависят от количества находящихся в индукторе заготовок, поэтому определение минимального количества заготовок обеспечивающего ограничение диапазона регулирования актуально. Для стабилизации передаваемой в заготовку мощности необходимо формирование заданного распределения (профиля) тока по длине индукторной системы, что требует точного определения зависимости тока индуктора от температуры. Задача формирования профиля тока часто решается путем разбиения индуктора на несколько секций с различающимися рабочими токами, в этом случае основной проблемой является определение количества секций и проектирование ПЧ обеспечивающего их питание заданным током и компенсацию реактивной мощности. Известные в настоящее время схемотехнические решения секционированных индукторных систем имеют целый ряд недостатков, обуславливающих их дальнейшее совершенствование.

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 с 1999 г. по 2004 г. Эти работы выполнялись по заказам предприятий и в рамках научно-технических программ: "Ресурсосбережение 2001, 2002, 2003 года" и "Дооснащение предприятий 2003 года".

Цель работы - решение задачи создания новых высокоэффективных ПЧ, обеспечивающих требуемый для пластической деформации заготовок режим индукционного нагрева при низкой установленной мощности силового оборудования и минимальных массогабаритных показателях, имеющей существенное значение для отрасли силовой промышленной электроники.

Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:

1. Определение требуемой мощности и диапазона регулирования ПЧ при периодическом способе загрузки индуктора, а также профиля тока индукторной системы с методическим способом загрузки.

2. Анализ и выбор структуры ПЧ и способа ее регулирования при периодической загрузке индуктора. Определение регулировочных и энергетических характеристик многоячейковых ПЧ, анализ вариантов их улучшения.

3. Разработка эффективных схемотехнических решений формирования требуемого профиля тока в системах методического типа загрузки с секционированным индуктором и вариантов компенсации реактивной мощности секций.

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

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

Научная новизна.

1. На основе систематизации сталей по теплопроводящим свойствам и учета температурных зависимостей их теплопроводности определена требуемая для нагрева под пластическую деформацию мощность ПЧ.

2. Полученные расчетные соотношения параметров элементов эквивалентной схемы индуктора позволяют определить требуемый диапазон регулирования ПЧ в системах с периодическим и профиль тока индукторных систем с методическим способом загрузки.

3. Впервые получена аналитическая зависимость габаритной мощности многоячейкового резонансного ПЧ от количества зон регулирования в режиме стабилизации мощности. Предложено введение в структуру ПЧ "скользящей" ячейки1.

1 "скользящая" ячейка - дополнительная непрерывно регулируемая ячейка, переходящая из одной зоны в другую путем изменения комбинации включенных, дискретно регулируемых ячеек.

4. Определена зависимость характеристик "скользящей" ячейки регулируемой с помощью фазосдвигающей широтно-импульсной модуляции (ФШИМ) от номера зоны, в которой она находится.

5. Установлена зависимость относительного изменения импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" от количества заготовок, нагреваемых в индукторной системе с методическим способом загрузки.

6. Предложен новый принцип распределения токов секций в системах индукционного нагрева методического типа загрузки с секционированным индуктором, определены варианты компенсации реактивной энергии секций.

Практическая ценность.

1. Точное определение мощности с учетом нелинейности характеристик теплопроводности стали, позволяет избежать недопустимых термических напряжений в заготовке, приводящих к браку.

2. Учет нелинейности электромагнитных характеристик системы "индуктор - нагреваемый объект" позволяет уточнить требования к структуре ПЧ и способу ее регулирования.

3. Путем введения в многоячейковую структуру ПЧ "скользящей" регулируемой ячейки достигнуто сокращение количества зон регулирования при минимальной габаритной мощности и высокой точности стабилизации.

4. Применение в "скользящей" ячейке ФШИМ позволило существенно снизить коммутационные потери в ключах.

5. Определение минимального количества нагреваемых в индукторной системе с методическим способом загрузки заготовок, обеспечивающего нестабильность изменения импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" не более 10%, позволяет ограничить диапазон регулирования ПЧ.

6. Предложенные устройства с секционированным индуктором позволяют получить необходимый профиль тока индукторной системы, и стабилизировать потребляемую заготовкой мощность на протяжении всего цикла нагрева.

Реализация результатов работы.

В период с 1999 по 2004 год при непосредственном участии автора было внедрено 5 образцов установок высокочастотного индукционного нагрева, которые успешно эксплуатируется на предприятиях РФ.

На защиту автором выносятся следующие положения (тезисы):

1. Проведенная в работе аппроксимация температурных зависимостей теплопроводности позволяет учитывать изменение температурного перепада в нагреваемой заготовке при определении допустимых значений мощности ПЧ.

2. Требуемый диапазон регулирования ПЧ в системах с периодическим и профиль тока индукторных систем с методическим способом загрузки определяются с помощью полученных расчетных соотношений параметров элементов эквивалентной схемы системы "индуктор - нагреваемый объект".

3. Габаритная мощность ключей многоячейковых резонансных ПЧ с дискретным регулированием в режиме стабилизации мощности существенно зависит от количества зон регулирования. Введение в структуру ПЧ "скользящей" ячейки позволяет минимизировать габаритную мощность.

4. Характеристики "скользящей" ячейки регулируемой ФШИМ изменяются при переходе из зоны в зону, при этом с ростом номера зоны уменьшается коммутируемая мощность и угол сдвига первых гармоник тока и напряжения. Соотношение мощностей "скользящей" ячейки и всего ПЧ определяется количеством зон регулирования.

5. В индукторных системах с методическим способом загрузки при нагреве более шести заготовок нестабильность импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" не превышает 10%, при этом для формирования требуемого профиля тока рационально применение секционированного индуктора, состоящего из трех секций, с распределением токов с помощью трансформаторных узлов, первичные обмотки которых включены последовательно.

Личный вклад.

1. Расчет импедансных характеристик системы "индуктор - нагреваемый объект" в режиме стабилизации передаваемой в заготовку мощности.

2. Определение зависимости регулировочных и энергетических характеристик резонансных многоячейковых ПЧ от количества зон регулирования.

3. Разработка рациональных способов компенсации реактивной мощности секций в секционированной индукторной системе.

4. Исследование согласующего трансформатора, питающего секцию индуктора, при работе с реактивной составляющей напряжения, определение ее допустимой величины по условию минимизации рабочей индукции.

Апробация работы.

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

1. Международная научно-техническая конференция "Электромеханические преобразователи энергии", Томск, 2001;

2. Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления", Томск, 2002;

3. VIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2002;

4. IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2003;

5. Международная научно-техническая конференция "Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы", Томск, 2003;

6. Всероссийская научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления", Томск, 2003;

7. X Международная научно-практическая конференция студентов, аспии рантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 2004.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях, в том числе 4 статьи опубликованы в научно-технических изданиях, 7 в трудах и сборниках конференций получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и четырех приложений. Общий объем работы (без приложений) составляет 138 страниц, 84 рисунка и 6 таблиц. Список литературы изложен на 11 страницах и содержит 101 наименование.

Заключение диссертации по теме «Силовая электроника», Осипов, Александр Владимирович

3.4. Выводы по главе

1. Нестабильность импеданса системы "индуктор - нагреваемый объект" с методическим способом загрузки при 6 одновременно нагреваемых заготовках не превышает 10% .

2. Установлено, что эффективным методом создания неравномерного профиля напряженности магнитного поля является секционирование индукторной системы. При этом для реализации условий технологического процесса нагрева достаточно трех индукторных секций.

3. Разработан ПЧ с соотношением рабочих токов секций, заданным с помощью трансформаторных узлов. Установлено, что для компенсации реактивной энергии каждого трансформатора необходимо применение нескольких компенсирующих элементов расположенных в отпайках индукторных секций. Компенсирующий элемент может иметь как емкостной, так и индуктивный характер.

4. Выявлено, что при любом расположении компенсирующих элементов достичь компенсации реактивной энергии трансформаторов можно только если один из имеет индуктивный характер. Предложена схема с неполной компенсацией, в которой исключен индуктивный компенсирующий элемент.

5. Исследован согласующий трансформатор при работе в схеме с неполной компенсацией, и вследствие этого повышенной реактивной составляющей напряжения, определена ее допустимая величина по условию минимизации рабочей индукции трансформатора.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТАНОВОК ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

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

Рис. 4.1. УИН на основе многая чей ко во го ПЧ со "скользящей" ячейкой.

4.1. УИН с периодическим способом загрузки индуктора.

Рассмотрена УИН с многоячейковым 114 (рис. 4.1) со следующими основными техническими характеристиками: выходная мощность 100 кВт, температура нагрева 850 - 900°С, диапазон выходных напряжений 10 - 40В, диапазон рабочих частот 8-20 кГц, к.п.д. 83%, массогабаритный показатель 2 - Зкг/кВт.

Преобразователь частоты

Индуктор с нагреваемой заготовкой

УИН состоит из многоячейкового ПЧ с суммирующим трансформатором и цилиндрического индуктора. ПЧ имеет структуру параллельно-последовательного типа, состоящую из трех ячеек, с суммированием их выходных напряжений общим контуром (рис. 4.2). В ПЧ применяется комбинированный способ регулирования с использованием "скользящей" ячейки (ЯР). Регулирование "скользящей" ячейки осуществляется с помощью амплитудной модуляции, реализованной путем включения в цепь ее питания преобразователя постоянного напряжения.

TV1

Е D ИЯ1 <— ] L R

TV2 L С

ИЯ2 <— Г

TV3 ппн ЯР ■е— ] г

СУ 1

Рис. 4.2. Схема ПЧ со "скользящей" ячейкой

Выходные напряжения нерегулируемых ячеек пропорциональны весовым коэффициентам двоичного кода, и составляют 10В и 20В, "скользящая" ячейка (ЯР) имеет максимальное выходное напряжение 12В, превышающее напряжение младшей ячейки, что позволяет достичь устойчивой работы ПЧ в требуемом диапазоне регулирования. Применение трех указанных ячеек позволяет сформировать четыре зоны регулирования (ЯР, ЯР+1, ЯР+2,

ЯР+2+1), что является достаточным согласно исследованиям, проведенным во второй главе. На рис. 4.3. представлены диаграммы при пуске преобразователя. fUl

10В t U2 20 В

-►

Видно, что введение "скользящей" ячейки в многоячейковый преобразователь позволяет получить плавный выход на режим, при этом дискретное изменение выходного напряжения полностью компенсируется диапазоном регулирования "скользящей" ячейки.

В ПЧ применяется двухконтурное управление, образованное непрерывным и дискретным контурами. Непрерывный контур обеспечивает управление "скользящей" ячейкой и определяет режим работы всего ПЧ. Дискретный контур определяет момент перехода ячейки из зоны в зону по условию достижения "скользящей" ячейкой предельных значений собственного диапазона регулирования напряжения. Для этого выходное напряжение "скользящей" ячейки измеряется дополнительной обмоткой трансформатора TV3 (рис. 4.4). Выпрямленное и сглаженное напряжение поступает на релейный элемент (РЭ) с зоной нечувствительности, непрерывно сравнивающий сигнал датчика с двумя пороговыми уровнями, определяющими момент перехода в следующую зону. РЭ реализован на основе компараторных узлов DAI, DA2 (рис. 4.4), один из которых формирует сигнал на добавку зоны регулирования, другой на вычитание. Значения пороговых уровней устанавливаются резисторами R3, R4.

Рис. 4.4. Узел обратной связи

Инверторные ячейки преобразователя реализованы по мостовой схеме на IGBT транзисторах типа 2MBI200N— 120, достаточно эффективные в частотном диапазоне до 15 кГц. Управление транзисторами производится драйверами ЕХВ844, формирующими уровни +15В на отпирание и -5В на запирание (рис. 4.5)

Рис. 4.5. Схема драйверного устройства.

Управляющий сигнал с схемы управления поступает на входной оп-трон драйвера (выводы 14,15), который осуществляет гальваническую развязку по управлению. По питанию устройством развязки служит ВЧ трансформатор, включенный по схеме обратноходового преобразователя. Выходное напряжение трансформатора выпрямляется и стабилизируется на уровне +15В микросхемой КР142ЕН8В и поступает на 2 вывод ЕХВ 844. Запирающий уровень -5В формируется самой микросхемой ЕХВ 844 с помощью встроенного стабилитрона. Для защиты транзистора от перегрузок микросхема ЕХВ844 снабжена узлом защиты, который основан на измерении напряжения на транзисторе в момент, когда он открыт. При превышении измеренного уровня напряжения заданного, драйвер формирует сигнал на запирание транзистора и подает через вывод 5 дублирующий сигнал через оптрон DV1 на схему управления, которая запирает ключи всех инверторных ячеек. Внешний вид блока инвертора с платой драйверного устройства изображен на рис. 4.6.

Модульная сборки IGBT Плата драй верного устройства транзисторов 2MBI200N - 120 на основе ЕХВ 844

Рис. 4.6. Блок мостового инвертора напряжения

В процессе работы УИН индуктивная составляющая импеданса сис темы "индуктор - нагреваемый объект" изменяется в широких пределах, что приводит к снижению коэффициента мощности преобразователя и нарушению резонансного режима его работы, и вследствие этого росту динамических потерь. Наиболее эффективным способом устранения этого является применение фазовой автоподстройки выходной частоты (ФАПЧ) ПЧ на резонансную. В представленной установке ФАПЧ реализована программно по принципу дискретного приближения. При этом выходная частота изменяется дискретно, критерием подстройки является минимизация фазового сдвига между выходными током и напряжением с заданной точностью. Периодическое сравнение сигналов датчика тока 1дт и сигнала управления (выходного напряжения) позволяет определить знак требуемого приращения рабочей частоты (рис. 4.7).

Для реализации описанного принципа подстройки частоты применяется алгоритм, упрощенный вариант которого показан на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Упрощенный алгоритм работы ФАПЧ

Согласно алгоритму в момент выключения ключей происходит опрос датчика тока при этом, если переход тока через ноль произошел, делается вывод о необходимости увеличения частоты (уменьшения периода), в обратном случае уменьшения частоты (увеличения периода). В практических схемах процесс сравнения происходит несколько сложнее, датчик тока опрашивается несколько раз, при этом, если фазовый сдвиг удовлетворяет заданной точности, частота не изменяется (принцип управления с зоной нечувствительности). Величина дискретного изменения частоты, также может быть различной.

Для определения момента перехода тока через ноль сигнал с трансформатора тока поступает на компаратор К554САЗ, включенный по схеме рис. 4.9. Схема формирует однополярные импульсы равные по длительности положительным полуволнам тока. 15В

Рис. 4.9. Схема формирования сигнала перехода тока через ноль.

Описанный принцип работы ФАПЧ не требует высокого быстродействия контроллера, на частотах до 20 кГц вполне приемлемым оказался АТ89С51.

Таким образом, введение в многоячейковый ПЧ "скользящей" ячейки позволило сократить количество зон регулирования, существенно повысить точность регулирования, снизить габаритную мощность ПЧ.

4.2. Экспериментальное исследование многоячейковых резонансных ПЧ со "скользящей" ячейкой регулируемой с помощью

ФШИМ.

Проведены экспериментальные испытания на физической модели многоячейкового ПЧ со "скользящей" ячейкой, регулируемой с помощью ФШИМ. Спроектирована схема ПЧ параллельно-последовательного типа состоящая из трехфазного мостового выпрямителя, трех инверторов на IGBT ключах типа 2MBI100N - 120 управляемых драйверами ЕХВ844 и суммирующего согласующего трансформатора. Один из инверторов выполняет функции "скользящей" ячейки и непрерывно регулируется с помощью ФШИМ. Динамические потери в ключах регулируемой стойки "скользящей" ячейки существенно снижены путем включения параллельно ключу демпферной емкости, как показано на рис. 2.24.

Для формирования управляющих импульсов инверторов использован современный однокристальный микроконтроллер AT90S8535, обладающий высоким быстродействием и встроенным АЦП, который необходим для ШИМ формирователя. Необходимая при ФШИМ фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) реализована по представленному на рис. 4.8 алгоритму, и позволяет поддерживать резонансный режим работы преобразователя в диапазоне 7-20 кГц.

Полученные на описанной физической модели осциллограммы выходного тока и напряжения во второй зоне регулирования (п=2) при добротности резонансного контура Q=1.5 представлены на рис. 4.10. Отмечена незначительная подстройка частоты, связанная со сдвигом основных гармоник выходного тока и напряжения ПЧ в процессе регулирования.

7=0.4 у=0.3

Рис, 4.10. Осциллограммы выходного тока и напряжения многоячейкового ПЧ со "скользящей" ячейкой, регулируемой с помощью ФШИМ модуляции, при п=2.

Произведенные экспериментальные испытания полностью подтвердили сделанные теоретические выводы и справедливость полученных характеристик ФШИМ ячейки и их зависимостей от номера зоны регулирования.

4.3. УИН с методическим способом загрузки индуктора

Разработана УИН с индукторной системой методического типа загрузки для нагрева цилиндрических заготовок перед объемной штамповкой (рис, 4.1!).

Основные технические характеристики установки: выходная мощность выходное напряжение температура нагрева диапазон рабочих частот к.п.д. массогабаритный показатель

УИН состоит из нескольких конструктивно самостоятельных устройств: блока ПЧ, блока согласующих трансформаторов, индукторной системы, системы подачи заготовок, пульта управления нагревом (ПУН).

100кВт, 40-120В, I150±20°С, 8-20 кГц, 83%,

2 - 3 кг/кВт.

Индуктор

Г1УН

Система подачи заготовок

Трансформатор

Рис. 4. И. УИН с методическим способом загрузки индуктора.

Необходимость нагрева широкого спектра заготовок из различных материалов потребовала создание целого ряда различных индукторов. Спроектировано несколько простейших индукторов с равномерной плотностью намотки витков для нагрева не ферромагнитных материалов. При нагреве ферромагнитных заготовок, импеданс которых существенно зависит от температуры, необходимо формирование требуемого профиля напряженности магнитного поля по длине индуктора, который был получен путем изменения плотности намотки его витков. Соответствующий расчет произведен из условия стабилизации потребляемой заготовкой мощности и при использовании аппроксимаций проведенных в третьей главе. В результате получены требуемые для процесса штамповки температурные поля по сечению заготовки и существенно уменьшена длина индукторной системы.

Необходимая производительность процесса штамповки потребовала выходной мощности равной 100 кВт, поэтому ПЧ рассматриваемой установки построен на основе структуры параллельно-последовательного типа с суммированием выходных напряжений ячеек общим контуром. Инверторные ячейки выполнены по мостовой схеме на основе ЮВТ транзисторов типа 2MBI300N - 120. Для получения заданной мощности оказалось достаточно двух инверторных ячеек. Однако ввиду того, что индуктора имеют разные импедансные характеристики необходимо их питание различными токами. Расчеты показали необходимость регулирования выходного тока ПЧ в 2 раза, наиболее рациональным решением в этом случае является регулирование выходного напряжения одной из равных по мощности ячеек. Регулирование выходного напряжения ячейки реализовано ее питанием от преобразователя постоянного напряжения понижающего типа.

Блок согласующих трансформаторов выполняет функцию согласования параметров индуктора с параметрами ПЧ, а также обеспечения гальванической развязки. Большая выходная мощность требует многоэлементного исполнения, поэтому был принят за основу вариант, предложенный в [46], на базе которого разработана схема (рис. 4.12)

Рис. 4.12. Схема трансформаторного блока

Выходное напряжение инверторной ячейки поступает на три параллельные ветви из двух последовательно соединенных по первичной стороне трансформаторов, при этом вторичные обмотки обоих ячеек включены последовательно и образуют контур суммирования напряжения. Преимущество такого соединения проявляется в том, что в случае разброса технологических параметров ток во всех параллельно работающих обмотках одинаков за счет перераспределения напряжения на трансформаторах.

Трансформатор выполнен по тороидальной конструкции с соосным расположением первичных обмоток на одновитковой вторичной, что позволяет существенно снизить его массу и габариты, а также повысить технологичность изготовления [5,47]. Тороидальная конструкция позволяет максимально закрыть поверхность магнитопровода витками первичной обмотки, за счет чего существенно снижена индуктивность рассеяния, увеличивающая реактивный импеданс нагрузки, а, соответственно и установленную мощность компенсирующей емкости. Проектирование магнитопроводов трансформатора на основе серийно выпускаемого магнитомягкого аморфного сплава 5БДСР с обработкой в поперечном магнитном поле, позволило получить рабочую индукцию до 1 Тл при частотах до 20 кГц и существенно снизить массу и габариты устройства. В блоке трансформаторов расположены резонансные емкости последовательно соединенные с вторичной обмоткой. Трансформатор располагается в непосредственной близости от индуктора, с которым соединяется медными водоохлаждаемыми тоководами (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Блок согласующих трансформаторов

Для перемещения заготовок через индуктор УИН снабжена системой подачи заготовок, которая позволяет изменять темп их выдачи и, таким образом, регулировать требуемую производительность системы. Кроме того, регулируется длина выхода толкателя, так как нагреваемые заготовки могут быть разной длины. Для отладки процесса нагрева предусмотрен ручной режим подачи заготовок.

Пульт управлением нагрева необходим для автоматизированного удаленного управления производительностью процесса нагрева. Управление включает в себя регулирование т емпа выдачи заготовок и их температуры, при этом варьируемым параметром является выходное напряжение ПЧ. Измерение температуры заготовки производится с помощью пирометрического датчика, расположенного в области выходной части индуктора. Высокая точность измерения позволяет адекватно корректировать передаваемую в индуктор мощность в процессе нагрева и получать в заготовке необходимое температурное поле.

Для визуального отображения процесса нагрева ПУН обладает индикатором, расположенным на передней панели. Индикатор позволяет отображать темп выдачи заготовок, их геометрию, текущее время нагрева, температуру заготовок, выходную мощность. Энергонезависимая память позволяет записывать часто встречающиеся параметры заготовок и режимы их нагрева для дальнейшего использования.

Вывод по главе

Успешная эксплуатация образцов оборудования на различных предприятиях РФ показала правильность полученных в диссертации результатов и принятых технических решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты, содержащие научную новизну и практическую ценность.

1. Точность расчета продолжительности нагрева и необходимой мощности ПЧ повышена за счет произведенного учета нелинейности тепло-физических характеристик нагреваемой заготовки.

2. Определено, что для стабилизации мощности в требуемом процессом пластической деформации диапазоне температур необходимо регулирование тока индуктора в 2 - 2,5 раза.

3. Получена зависимость габаритной мощности многоячейкового ПЧ с дискретным регулированием в зависимости от количества зон регулирования. Показано, что эффективным способом минимизации габаритной мощности и повышения точности регулирования многоячейкового ПЧ является введение в структуру "скользящей" ячейки.

4. Исследованы характеристики "скользящей" ячейки с ФШИМ в многоячейковом ПЧ в режиме стабилизации мощности, установлено, что необходимо не менее четырех зон регулирования (Z> 4) при этом подстройка частоты, обусловленная сдвигом первых гармоник тока и напряжения, не превышает Q < 6%, коммутируемая мощность не превышает РВ*ЫКЛ<1,1РН.

5. Установлено, что нестабильность импеданса системы "индуктор -нагреваемый объект" с методическим способом загрузки не превышает 10% при 6 одновременно нагреваемых заготовках. Для формирования требуемого профиля тока индукторной системы достаточно 3 секций.

6. Предложен ряд новых систем индукционного нагрева периодического способа загрузки со "скользящей" ФШИМ ячейкой и методического с распределением токов секций индуктора с помощью трансформаторных узлов, первичные обмотки которых включены последовательно.

Исследован трансформатор при работе с повышенной реактивной составляющей напряжения, определена ее допустимая величина по условию минимизации рабочей индукции трансформатора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Осипов, Александр Владимирович, 2004 год

1. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов, Энергия, Москва, 1965.

2. Бабенко П.Г. Высокочастотные индукционно-нагревательные комплексы на основе транзисторных преобразователей с многозонным регулированием. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук.

3. Безручко И.И. Индукционный нагрев для объемной штамповки. -Д.: Машиностроение 1987. 126с.

4. Бальян Р.Х., Обрусник В.П. Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств. Томск: Изд-во Том. ун-та 1987.- 168с.

5. Башкиров А.Ю., Кощевец В.Ф., Перов Б.Р. Выходной блок многоячейкового преобразователя. Авт. свид. №1387073, 1988г. бюл №13.

6. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа для втузов. М.: Наука, 1965. 664с.

7. Бертинов А.И., Кофман Д.Б. Тороидальные трансформаторы статических преобразователей. М. Энергия, 1970. - 96с

8. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле. М: Высшая школа, 1986. 263с.

9. Богданов В.Н. Нагрев металла под ковку и штамповку и нагревательные устройства. Электронагрев, Машгиз 1961.

10. Ю.Бодажков В. А. Объемный индукционный нагрев. СПб.: Политехника, 1992. 72с.11 .Бондаренко Д.Н., Дзлиев С.В., Патанов Д.А. Коммутационные процессы в транзисторных инверторах для индукционного нагрева // Изв. ТЭТУ. 1996. Вып. 497. - С.98-110.

11. Вейник А.И. Приближенный расчет процессов теплопроводности. М. Л., Госэнергоиздат, 1959.

12. Владимиров С.Н., Земан С.К., Уваров А.Ф. Особенности и результаты расчетов динамики одномерных температурных полей при индукционном нагреве. // Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов. Томск изд-во Том. Унта, 2000

13. П.Владимиров С.Н., Земан С.К., Осипов А.В., Толстов В.П. Особенности индукционного нагрева ферромагнитных сталей при различных режимах работы преобразователя частоты. Изв. вузов. Электромеханика. 2004г№1 С.50-54.

14. Владимиров С.Н., Земан С.К., Осипов А.В. Влияние индуктивности обратного замыкания на эквивалентный активный импеданс индукторной системы // Всероссийская научно-практическаяконференция "Электронные средства и системы управления" Томск 2003г. С.22-25.

15. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. М. Л. Энергия, 1965.-396с.

16. Голубев П.В., Карпенко В.М., Коновалов М.Б. и др. Проектирование статических преобразователей. М.: Энергия, 1974. 408с.

17. Голубева Е.С. Исследование состава, структуры и свойств сталей для горячей штамповки и прессования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата техн. наук.

18. ГОСТ Р 51317.6.4 99 Совместимость технических средств электромагнитная. Помехоэмиссия от технических средств, применяемых в промышленных зонах. Нормы и методы испытаний.

19. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. 647с.

20. Давидзюк Якуб. Преобразователи с резонансными секциями. Электротехника 1996, №7.

21. Дьяконов В.П. Mathcad 2001: специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 832с.

22. Дюджи Л., Пели Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеритики, применение, пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 400с.

23. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 224с.

24. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М.: Энергия, 1977. 280с.29.3еман С.К., Кобзев А.В., Кощевец В.Ф., Музыченко Н.М. Регулируемый многоячейковый преобразователь. Авт. свид. №1081760, 1984г. бюл. №11.

25. Йех Я. Термическая обработка стали. Справочник: Пер. с чешек. И.А. Грязновой. М.: Металлургия, 1979. 264с.

26. Казанцев Ю.М. Прямой синтез управления в преобразовательной технике. Электротехника. 2000, №4 С.31 36.

27. Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф., Тихонов Е.Г. Синтез управления следящими инверторами. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004, №6 С.20 25.

28. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Л: Энергия 1970г. 415с.

29. Кантер И.И. Статические преобразователи частоты. Изд-во Саратовского университета 1966. 406с.

30. Карташов Р.П., Кулиш А.К., Чехет Э.М. Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией. Киев: Техника, 1979. 152с.

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

32. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. Модуляционные источники питания РЭА. Радио и связь, 1990г.

33. Кобзев А.В., Земан С.К., Кощевец В.Ф. Преобразователь напряжения со звеном повышенной частоты. Авт. свид. №1422332, 1988г. бюл №33.

34. Кобзев А.В., Кощевец В.Ф., Перов Б.Р. Преобразовательный сильноточный высокочастотный трансформатор. Авт. свид. №1376813, 1985.

35. Красневский С.М., Макушок Е.М., Щукин В.Я. Разрушение металлов при пластическом деформировании. Мн.: Наука и техника, 1983.- 173с.

36. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: энергоатомиздат, 1988. - 200с.

37. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Расчет режима скоростного индукционного нагрева цилиндрических заготовок с учетом ограничений по термическим напряжениям. Электротехника 2000, №3 48-53с.

38. Кулик В.Д., Юрченко Н.Н. Тиристорные инверторы резонансного типа с широтным регулированием напряжения. Киев: Наук, думка, 1990.-200с.

39. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: пер. с англ. М.: Машиностроение, 1986. - 448с.

40. Ловелесс Д.Л., Кук Р.Л., Руднев В.И. Современные тенденции в технологии индукционной термической обработки в США. Металловедение и термическая обработка металлов. 2001.№6. С.3-8.

41. Марочник сталей и сплавов / Сорокин В.Г. и др. под ред. Сорокина В.Г. М.: Машиностроение 1989. - 638с.

42. Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения. М: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

43. Минин Г.П. Реактивная мощность. М.: Энергия, 1978. - 88с.

44. Михеев Н.М., Морозова В.М. Магнитные и электрические свойства сталей после различных видов термической обработки. Отделение научно-технической информации по приборостроению, средствам автоматизации и системам управления ЦНИИКА.

45. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. -М: Энергоатомиздат, 1986. 376с.

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

47. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск МП "Раско", 1991г. 272с.

48. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л. Энергоатомиздат, 1988. 286с.

49. Огородников В. А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Вища школа. Головное издательство, 1983.- 175с.

50. Патанов Д.А. Общие проблемы снижения коммутационных потерь в инверторах напряжения. Схемотехника №7, 2001. С.17-19.

51. Патент №6078033 США. Многозонная индукционная нагревательная система со схемой переключения.

52. Патент №4506131 США. Устройство и способ управления питанием многозонной индукционной обмотки.

53. Пат. заявка № 2002125297/09 Устройство индукционного нагрева с секционированным индуктором. Земан С.К., Осипов А.В. опубл. 27.03.2004. Бюл. №9, ч.2. С. 584 585.

54. Патент № 94015576 РФ. Автономный резонансный инвертор / Диваева Н.Е., Зинин Ю.М., Ройзман Ю.П.

55. Патент № 2072619 РФ. Резонансный инвертор напряжения / Яшкин В.И.

56. Патент № 2002125711 РФ. Устройство для индукционного нагрева и способ управления устройством для индукционного нагрева / Лузгин В.И., Петров А.Ю., Черных И.В., Шипицин В.В., Якушев К.В.

57. Патент № 2152683 РФ. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М.

58. Патент № 94023813 РФ. Способ управления мостовым инвертором и способ его осуществления / Мещеряков Н.Б.

59. Патент № 2025879 РФ. Способ управления автономным инвертором с широтно-импульсной модуляцией / Пузаков А.В.

60. Поляков В.Д., Чаколья Э. Высокочастотный генератор для индукционного нагрева. Электротехника №12 2000, С.31 35.

61. Разевиг В.Д. Серия систем проектирования OrCad 9.2. М: 2001г.

62. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М: Радио и связь, 1988.-288с.

63. Русин Ю.С. Трансформаторы звуковой и ультразвуковой частоты. Л.: Энергия, 1973г. 152с.

64. Слухоцкий А.Е. Установки индукционного нагрева Л: Энергоиздат, 1981. 325с.

65. Справочник по высшей математике / М.Я. Выгодский. М.: ООО "Издательство Астрель" : ООО "Издательство ACT", 2002. - 992с.

66. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием / А.В. Кобзев, Ю.М. Лебедев, Г.Я. Михальченко и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. -152с.: ил.

67. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. Металлургиздат 1962г.

68. Теория и методы анализа преобразователей частоты и ключевых генераторов / Дмитриков В.Ф., Тонкаль В.Е., Гречко Э.Н., Островский М.Я. Ин-т электродинамики. Киев: Наук. Думка, 1988. -312с.

69. Тир Л.Л. трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты М. Л.: Госэнергоиздат, 1961.

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

71. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики М: Наука, 1977. 512с.

72. Тонкаль В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа. Киев: Наук, думка, 1990. - 200с.

73. Управление нагревом металла / Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. М: Металлургия 1981г.

74. Фридман П.М. Анализ выходного напряжения преобразователей, построенных по принципам одно- и многофазной модуляции. Ч.З Электричество №5 1995 С.46 55.

75. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. М.: Наука, 1974. -575с.

76. Четти П. Проектирование ключевых источников питания М.: Энергоатомиздат, 1990.-240с.

77. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. Справочное пособие. М.: Машгиз, 1957. - 172с.

78. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. JI: Машиностроение 1974г. 280с.

79. Шишковский В.И., Мидуков В.З., Протасевич Е.Т. Физические основы высокочастотного нагрева. Учебное пособие. Томск: STT, 2001.-74с.

80. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства: учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1981. - 335с.

81. Электротехнический справочник: в 3-х т. Т.2. Электротехнические устройства / Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова, П.Г. Грудницкого, JI.A. Жукова и др. 6-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 640 с.

82. Яицков С.А. Ускоренный изотермический индукционный нагрев кузнечных заготовок М.: Машгиз, 1962.

83. Shizumasa Okudaira, Kouki Matsuse. Dual Frequency Output Quasi -Resonant Inverter for Induction Heating. T. IEE Japan, Vol. 121 D, No. 5, 2001, pp. 563-568.

84. Performance of a Series-Parallel Resonant DC/DC Converter Configured Around an Inducror-Transformer Utilizing Transformer Magnetics. Trans. IEEE Japan, Vol. 121 D, No. 5, 2001, pp. 3527 -3529.