НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

САРАТОВСЬКИЙ Руслан Миколайович

УДК 621.314.58

Узгодження тиристорного перетворювача частоти

на основі резонансного інвертора

з індукційною плавильною установкою

Спеціальність 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого управління технологічними процесами паливно-енергетичного комплексу Донбаського державного технічного університету МОН України, м. Алчевськ. |

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Баранов Олександр Миколайович,

Донбаський державний технічний університет

МОН України (м. Алчевськ),

доцент кафедри автоматизованого

управління технологічними процесами

паливно-енергетичного комплексу.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор

Пентегов Ігор Володимирович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України (м. Київ),

провідний науковий співробітник відділу електротермії;–

кандидат технічних наук, доцент

Будьонний Олександр Володимирович,

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

МОН України (м. Київ),

доцент кафедри промислової електроніки.

Захист відбудеться ” 07 ” листопада 2007 р. об 11 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 при Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Київ – 57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано 04 ” жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.М. Гориславець

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час для електротермічних установок широко використовуються тиристорні перетворювачі частоти (ТПЧ). Серед всіх електротермічних установок, де використовуються ТПЧ, найбільш енергоємними є установки для індукційної плавки металів. Енергетичний режим роботи ТПЧ і величини, які визначають його комутаційну стійкість, істотно залежать від зміни параметрів індукційної плавильної установки, в якості якої використовується індукційна плавильна тигельна піч. Неправильне узгодження ТПЧ з плавильною установкою призводить до недовикористання ТПЧ за потужністю, збільшення часу плавки, погіршення енергетичних показників і дорожчання технологічного процесу в цілому. В зв'язку з цим особливого значення набувають задачі вдосконалення вживаного електротермічного устаткування, спрямовані на автоматизацію, поліпшення енергетичних показників, підвищення ефективності використання та надійності роботи ТПЧ з індукційним навантаженням.

Маючи певні переваги перед іншими типами джерел живлення, ТПЧ часто використовуються недостатньо ефективно. Досвід експлуатації ТПЧ на підприємствах показує, що коефіцієнт використання їх встановленої потужності невисокий і складає в межах 0,4  ,7. Неабиякою мірою існуванню вищезгаданої проблеми сприяє з одного боку низький рівень автоматизації технологічних процесів і недоліки в організації праці, а з іншого боку – технічна недосконалість самих електротермічних установок, в яких не закладені можливості якісного узгодження ТПЧ з індукційним навантаженням впродовж всього технологічного циклу. Отже виникає необхідність розробки і побудови таких ТПЧ, які могли б реалізувати всі свої потенційні можливості та переваги і адаптуватися до можливих змін параметрів індукційного навантаження. Одним з шляхів вирішення даної задачі є розробка ефективних методів узгодження ТПЧ з індукційним навантаженням.

Попри те, що питаннями розробки ТПЧ для індукційних навантажень займалися відомі фахівці, такі як Бєркович Є.І., Івенський Г.В., Васильєв О.С. Гусєв Ю.М., Сілкін Є.М., Бєлкін А.К. та ін., задача узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою, як і раніше, залишається актуальною і вимагає ретельного аналізу та прийняття необхідних ефективних рішень.

Тому проблема поліпшення використання встановленої потужності ТПЧ та підвищення продуктивності електротермічної установки за рахунок технічного вдосконалення ТПЧ новими пристроями узгодження та ефективними методами узгодження з плавильною установкою піднята і вирішується в даній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі “Автоматизованого управління технологічними процесами паливно-енергетичного комплексу” Донбаського державного технічного університету в рамках державних науково-дослідних робіт науково-дослідного проектно-конструкторського інституту “Параметр”: “Розробка теоретичних основ побудови і створення потужних статичних перетворювачів частоти та електричних приводів для індукційних технологічних комплексів” (№ ДР 0101U003080), де здобувачем запропоновано принципи побудови однієї з силових схем статичного перетворювача частоти, на основі резонансного інвертора, розроблено його математична модель для дослідження електромагнітних процесів та досліджено макет цього перетворювача частоти і “Дослідження і розробка статичних перетворювачів частоти, що мають пристрої автоматичного узгодження з навантаженням” (№ ДР 0104U002171), в якій здобувач розробив алгоритми та принципи побудови схем систем управління пристроєм узгодження та ТПЧ, розробив та дослідив математичні моделі резонансного інвертора з пристроєм узгодження та зі змінними параметрами індукційного навантаження та розробив фізичну модель ТПЧ з пристроєм узгодження і дослідив його електромагнітні процеси.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток ефективних методів узгодження тиристорного перетворювача частоти на основі резонансного інвертора з індукційною плавильною установкою за рахунок розробки нових алгоритмів управління резонансним інвертором та пристроями узгодження з функціями адаптації до зміни параметрів індукційного навантаження для поліпшення використання встановленої потужності перетворювача та підвищення продуктивності електротермічної установки.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

- визначення особливостей технологічного індукційного навантаження ТПЧ;

- визначення критеріїв оцінки ефективності узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою;

- розробка ефективних методів узгодження, які забезпечують найкраще узгодження ТПЧ на основі резонансного інвертора з індукційною плавильною установкою, параметри якої змінюються в широких межах;

- дослідження і аналіз на математичних моделях енергетичних характеристик процесу плавки і режимів роботи резонансного інвертора з розробленими методами узгодження;

- порівняльний аналіз якості узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою за розробленими методами узгодження;

- розробка алгоритмів управління резонансним інвертором та пристроями узгодження, що містять функції адаптації до зміни параметрів індукційної плавильної установки;

- експериментальні дослідження фізичної моделі резонансного інвертора з пристроями узгодження та імітатором індукційної плавильної установки.

Об’єктом дослідження є тиристорний перетворювач частоти на основі резонансного інвертора.

Предметом дослідження є електромагнітні процеси в резонансному інверторі з пристроєм узгодження, енергетичні характеристики і режими роботи інвертора при зміні параметрів індукційної плавильної установки.

Методи дослідження: теорія електричних кіл, аналітичні методи і методи математичного моделювання електромагнітних процесів в схемах з ключовими елементами з використанням програмного комплексу ПАКЛС, сучасні методи експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблено метод автоматизованого узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою за екстремально-стабілізуючим законом регулювання вихідної частоти резонансного інвертора з автоматичною зміною швидкості пошуку необхідної частоти управління, в залежності від наближення до екстремуму вхідного струму інвертора, що призводить до скорочення часу пошуку екстремуму;

- розроблено новий компенсаційно-параметричний метод узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою шляхом введення в схему резонансного інвертора пристрою узгодження з автоматизованим управлінням за розробленим алгоритмом, який має функцію адаптації до зміни параметрів індукційного навантаження;

- розроблено метод стабілізації заданого енергетичного режиму роботи ТПЧ або його максимальної потужності з постійною вихідною частотою впродовж всього періоду плавки шляхом стабілізації параметрів навантажувального контуру резонансного інвертора на необхідному рівні за рахунок автоматизованого регулювання елементів компенсаційно-параметричного пристрою узгодження;

- вперше отримано аналітичні залежності параметрів пристрою узгодження, які дозволяють визначити діапазон значень регульованих елементів цього пристрою від зміни параметрів індукційного навантаження та резонансного інвертора;

- розроблено новий частотно-параметричний метод узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою шляхом введення в схему резонансного інвертора узгоджувальної секційної індуктивності з комутуючим елементом та розробленого алгоритму двохступеневої зміни цієї індуктивності з функцією адаптації до зміни параметрів індукційного навантаження та автоматизованого управління інвертором за резонансним та екстремальним законами регулювання;

- вперше визначено умови застосування компенсаційно-параметричного пристрою узгодження та частотно-параметричного методу узгодження, виконання яких дозволяє ефективно використовувати розроблені пристрої узгодження в резонансному інверторі.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено математичні моделі з використанням програмного комплексу ПАКЛС для аналізу електромагнітних процесів в схемі резонансного інвертора з пристроями узгодження;

- шляхом моделювання визначено, що найвищий коефіцієнт використання максимальної потужності ТПЧ забезпечується компенсаційно-параметричним методом узгодження, найменший час плавки і найбільша продуктивність - частотно-параметричним методом узгодження;

- розроблено систему автоматизованого управління ТПЧ з алгоритмом екстремально-стабілізуючого регулювання вихідної частоти резонансного інвертора, який забезпечує безперервний автоматичний пошук максимальної потужності ТПЧ за період плавки металу та її стабілізацію на заданому рівні, нижче за максимальний;

- розроблено систему автоматизованого управління компенсаційно-параметричним пристроєм узгодження з алгоритмом, який забезпечує стабілізацію заданої або максимальної потужності ТПЧ впродовж всього періоду плавки;

- розроблено систему автоматизованого управління ТПЧ з алгоритмом регулювання вихідної частоти резонансного інвертора на першому етапі плавки за резонансним законом, який забезпечує значне підвищення потужності ТПЧ, та з алгоритмом автоматичного переходу на другий етап з екстремальним законом регулювання, який забезпечує безперервний автоматичний пошук максимальної потужності ТПЧ впродовж другого етапу плавки металу;

- результати досліджень методів узгодження використано при створенні ТПЧ-250/2,4 для індукційного плавильного комплексу ІПК-0.4/0.25 в ливарний цех ВАТ “Донецьккокс” (м. Донецьк) та впроваджено на ливарну ділянку ТОВ “Аргентум” (м. Київ) при створенні ТПЧ-20/8 для ІПК-0.032/0.02 та в ливарне виробництво ТОВ “УкрЛат” (м. Луганськ) при створенні ТПЧ-160/2,4 для ІПК-0.16/0.16 та використано при підготовці фахівців за електротехнічним напрямком в інституті автоматизації та електротехнічних систем Донбаського державного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, які викладені в дисертації, отримані автором особисто.

Робота [5] написана автором самостійно. У друкованих виданнях, опублікованих в співавторстві, здобувачеві особисто належить: у [5, , 3, 4] – розробка методів узгодження, в [1-3, 8] – результати аналізу електромагнітних процесів в ТПЧ з пристроями узгодження на математичних моделях, в [2, ] – теоретичний розрахунок і отримання аналітичних залежностей для визначення параметрів пристроїв узгодження, в [5-7] – порівняльний аналіз роботи ТПЧ з пристроями узгодження, в [1, , 4, 9, 11, 2] – розробка схем і алгоритмів роботи ТПЧ з пристроями узгодження, в [10] – експериментальна перевірка результатів розрахунку на фізичній моделі інвертора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати і висновки дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися: на першій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Проблеми автоматики і електрообладнання транспортних засобів” (Миколаїв, 2004 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Електротехніка і електромеханіка” (Миколаїв, 2004 р.); на науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “ТЕХНОЛОГІЯ-2005” (Сєвєродонецьк, 2005 р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка і енергоефективність” (Алушта, 2005 - 2006 р. р.); на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки” (Київ, 2006 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 14 друкованих працях, з них: 10 статей в фахових наукових виданнях (з них 1 стаття без співавторів), 2 деклараційних патенти та 2 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 214 сторінок, в тому числі 130 сторінок основного тексту, 71 рисунок, 6 таблиць, список використаних джерел зі 101 найменування та 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність проведення роботи, наведено зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету та задачі досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення і реалізацію результатів дисертаційних досліджень, зазначено особистий внесок здобувача у друкованих працях зі співавторами, вказано на апробацію отриманих результатів і публікацій.

У першому розділі розглянуто властивості та характеристики технологічного індукційного навантаження та особливості ТПЧ для індукційної плавки металів. Проаналізовані відомі способи узгодження ТПЧ з індукційним навантаженням за розробленою класифікацією способів узгодження.

В більшості випадків індукційна плавильна установка являє собою активно-індуктивне навантаження з параметрами, що змінюються в широких межах. Ці обставини суттєво ускладнюють вирішення задач узгодження ТПЧ з індукційним навантаженням під час плавки металу, оскільки енергетичний режим роботу ТПЧ і величини, які визначають його комутаційну стійкість, істотно залежать від зміни параметрів індукційної плавильної установки.

Під узгодженням розуміють виконання комплексу заходів, що включають як узгодження за рівнем напруги і частоти, так і розробку оптимальних структур силової частини і високоефективних алгоритмів регулювання ТПЧ з метою передачі до індукційного навантаження необхідної потужності при номінальній напрузі та проведення технологічного процесу в заданий час.

Виявлено, що для забезпечення працездатності та стійкої роботи електротермічної установки, необхідних вихідної потужності і частоти, нормального економічного нагрівання в заданий технологічний час, найбільшої раціональної і економічної експлуатації установки та оптимального узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою, починаючи з “холодного” стану шихти і закінчуючи розплавом металу, необхідно і доцільно ТПЧ будувати на основі резонансного інвертора з подвоєнням частоти і діодами зустрічного струму (рис.1) та забезпечити його спеціальним пристроєм узгодження з відповідним алгоритмом управління.

Рис. 

Якість узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою може бути оцінена декількома функціоналами, такими як питомі витрати електроенергії, час нагріву tц, продуктивність електротермічної установки П, середня потужність Рсер за час нагріву або коефіцієнт Км використання максимальної потужності Рм ТПЧ. Нехтуючи потужністю електричних Ре і теплових Рт втрат в ТПЧ і потужністю втрат передачі (шинопровід) Рш, час нагріву і середню потужність, а значить і коефіцієнт використання максимальної потужності ТПЧ можна визначати за потужністю Рd =d ·Id, що споживається інвертором від джерела постійного струму, а саме за зміною постійної складової вхідного струму інвертора Id..

,

,

,

,

де - маса металу; - коефіцієнт теплоємності;

- температура початкова і перегріву.

Основним завданням для ТПЧ є забезпечення найбільш швидкого і економічного нагріву метала до заданої температури. Отже, завданням оптимального узгодження є зниження часу нагріву, питомих витрат електроенергії і збільшення середньої потужності за цикл нагріву, а отже підвищення термічного ККД, продуктивності електротермічної установки і збільшення коефіцієнта використання максимальної потужності ТПЧ.

Розроблено класифікацію способів узгодження ТПЧ з індукційним навантаженням і встановлено, що одним з найбільш простих способів є частотне регулювання ТПЧ. Найбільш раціональним є таке узгодження, яке не вимагає помітного збільшення встановленої потужності елементів електротермічної установки, а забезпечується за рахунок проектних і схемних рішень з застосуванням різних способів і пристроїв узгодження з алгоритмами управління.

У другому розділі розроблено і проаналізовано нові методи узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою – екстремально-стабілізуючий, компенсаційно-параметричний і частотно-параметричний. Проведено дослідження цих методів на математичних моделях в системі відносних одиниць з використанням програмного комплексу “ПАКЛС”.

При створенні математичних моделей виділено основні складові частини об'єкта моделювання: силову частину інвертора, його систему управління та індукційне навантаження, макромоделі яких розроблені із застосуванням найбільш підходящого математичного опису відповідно на схемотехнічному, функціональному та інформаційному рівнях. При розробці схемотехнічної моделі силової частини інвертора використаний базис змінних станів, у якому виробляється формування й чисельне рішення початкової задачі Коші для систем звичайних диференціальних рівнянь методом припасування. При цьому, аналіз стаціонарних режимів здійснювався методом установлення, а розрахунок технологічного процесу - методом повільної варіації параметрів. Формування систем диференціальних рівнянь в математичних моделях виробляється автоматично з використанням апарата топологічних графів і матриць. Для підвищення ефективності аналізу електромагнітних процесів і надання йому універсальності при дослідженні математичних моделей використовувалася система відносних одиниць, яка дозволила спростити проведення аналізу та розповсюдити отримані результати на установки різної потужності та частоти. Моделювання систем управління здійснювалося на функціональному рівні і не розглядалася реалізація схемотехніки їх моделей, а моделювалося лише реалізація їх алгоритмів управління на основі математичного опису відповідних регулювальних законів. Модель індукційного навантаження була побудована на інформаційному рівні, яка достатньо повно описує характерні зміни електричних параметрів індукційної плавильної установки, як об’єкта з параметрами, що найбільш сильно змінюються і що пред’являє найбільш жорсткі вимоги до узгодження з ТПЧ.

Проведено аналіз частотних властивостей резонансного інвертора, навантаженням якого є типовий коливальний навантажувальний контур, що складається з плавильної установки та конденсатора, що компенсує. При цьому досліджувалися два можливі способи частотного регулювання: резонансне і екстремальне регулювання.

Резонансне регулювання здійснюється зміною частоти управління fу до резонансної частоти навантажувального контуру fр з дотриманням закону fу =0,5fр. Виконання закону резонансного регулювання забезпечується за рахунок постійного встановлення фазового зсуву, що дорівнює нулю, між першими гармоніками складових напруги на навантажувальному контурі та вихідного струму інвертора.

Екстремальне регулювання здійснюється безперервним пошуком частоти управління, яка відповідає максимально можливому вхідному струму інвертора за період плавки за спеціальним алгоритмом. Математичний опис закону екстремального регулювання представлено наступним виразом:

,

де - значення приросту частоти в n–ому періоді;

- приріст вхідного струму інвертора в n–ому періоді;

- фіксоване значення приросту робочої частоти ТПЧ;

- сталий коефіцієнт, що підбирається в процесі настроювання.

Проведений аналіз частотних властивостей інвертора для різних параметрів індукційного навантаження показав, що при зміні частоти управління з'являється екстремальне значення вхідного струму Id.мах, при цьому частота екстремуму і відповідне йому максимальне значення вхідного струму змінюються за цикл плавки.

Таким чином, виникає необхідність в екстремальному регулюванні, що дозволяє безперервно відстежувати зміну параметрів плавильної установки і здійснювати автоматичний пошук значення вихідної частоти резонансного інвертора, що відповідає екстремальному значенню його вхідного струму, а значить максимально можливій потужності ТПЧ за цикл плавки. В результаті чого збільшується середня вихідна потужність ТПЧ по відношенню до резонансного регулювання.

Однак під час технологічного циклу виникають потреби стабілізувати потужність ТПЧ на заданому рівні, нижчому за максимальний. Для цього до функції екстремального регулювання було розроблено та добавлено додаткову функцію стабілізуючого регулювання вихідної частоти інвертора, яка дає можливість стабілізувати вхідний струм інвертора на заданому рівні, нижчому за екстремальний, отже і його потужність. В результаті розроблено екстремально-стабілізуючий метод узгодження, за алгоритмом якого додатково формується штучний інформаційний сигнал F, залежний від сигналу вхідного струму інвертора Id та сигналу заданого струму Idзад, який використовується для пошуку частоти інвертора, яка відповідає заданому струму. Нижче представлено закон формування штучного інформаційного сигналу F, а на рис.2 показано формування кривої цього сигналу з штучним екстремумом.

Рис. 

Таким чином, якщо значення Idзад залишається меншим, ніж максимальне можливе значення вхідного струму Idmax, сигнал F характеризується екстремумом F Idзад та відповідною частотою інвертора fe, відхід від якої призводить до зменшення сигналу F. Якщо при зміні параметрів індукційного навантаження відбудеться зміна струму інвертора в будь-який бік від значення Idзад, екстремальний регулятор знову знайде значення частоти інвертора, при якій виконується умова F = Idзад, тобто виконується стабілізація струму Idзад.

При встановленні значення Idзад більше за значення Idmax, екстремальний регулятор буде встановлювати частоту інвертора fm відповідну природному екстремуму вхідного струму Idmax, при цьому буде виконуватись тільки екстремальне регулювання вихідної частоти інвертора.

Таким чином для вирішення головної задачі – покращення використання встановленої потужності ТПЧ та підвищення продуктивності електротермічної установки доцільно використовувати екстремально-стабілізуюче регулювання частотою інвертора, яке забезпечує безперервний автоматичний пошук максимальної потужності ТПЧ за період плавки металу або її стабілізацію на заданому рівні нижчому за максимальний. Проте екстремально-стабілізуюче регулювання не забезпечує такі параметри навантажувального контуру, при яких інвертор міг би генерувати номінальну потужність на початку плавки і не дає можливості повністю використовувати встановлену потужність за цикл плавки.

В зв’язку з цим проведено аналіз навантажувальних характеристик резонансного інвертора при різних частотах управління, в результаті якого встановлено, що для підтримання максимальної потужності ТПЧ протягом плавки з оптимальною комутаційною стійкістю, необхідно забезпечити за цей час незмінну номінальну частоту управління інвертором fуном та резонансу частоту навантажувального контуру fр •fуном зі стабілізацією його оптимального еквівалентного активного опору Rеопт.

Тому для вирішення головної задачі було вирішено ввести в схему резонансного інвертора в коло навантажувального контуру пристрій узгодження у вигляді двох регульованих індуктивностей, зміна значень яких за спеціальним алгоритмом управління з функцією адаптації до зміни параметрів індукційного навантаження дозволяє контролювати основні параметри навантажувального контуру Rе і fр.

В результаті розроблено та проаналізовано компенсаційно-параметричний метод узгодження, сутність якого полягає в почерговій автоматичній зміні значень регульованих індуктивностей для стабілізації резонансної частоти навантажувального контуру fр та підтримки його еквівалентного активного опору на оптимальному рівні Rеопт протягом всього процесу плавки tц. Для цього розроблено два варіанта схемотехнічного рішення побудови навантажувального контуру з пристроєм узгодження, рис. , що являють собою послідовну (а) або паралельну (б) схеми компенсації індукційного навантаження.

Рис. 

Проведено аналіз розроблених навантажувальних контурів за схемою заміщення рис. в), представленою у вигляді комплексного еквівалентного опору, , в результаті якого отримано аналітичні залежності для визначення значень регульованих індуктивностей L1(t) і L2(t) на резонансній частоті щр=2рfр при зміні параметрів індукційного навантаження Lн(t) и rн(t): для навантажувального контуру з послідовною компенсацією, рис. а)

; ,

для навантажувального контуру з паралельною компенсацією, рис. б)

;

,

і визначені умови, виконання яких дозволяє застосовувати схеми узгодження:

для навантажувального контуру з послідовною компенсацією, рис. а)

; ; ;

,

для навантажувального контуру з паралельною компенсацією, рис. б)

; ; ,

де - номінальна робоча напруга на конденсаторі С1, С2 і С;

- вихідна напруга резонансного інвертора;

Р - встановлена потужність ТПЧ.

Проаналізовано умови, які накладають обмеження на вибір значень ємностей конденсаторів навантажувального контуру при заданій зміні параметрів плавильної установки та її добротності для двох схем узгодження і отримано діапазон зміни припустимих значень ємностей конденсаторів за період плавки. Встановлено, що для схеми з паралельною компенсацією значення конденсатора С повинно вибиратись вище значення відповідного “гарячому” режиму плавки, а для схеми з послідовною компенсацією значення конденсаторів С1 = С2 повинно вибиратись нижче значення відповідного “холодному” режиму плавки. Таким чином отримано зону вибору можливих значень конденсаторів для двох схем, при чому зі зростанням добротності Qн збільшується ширина цієї зони. Проте поза цією зони можливе застосування тільки одній з схем узгодження, для якої існує своя область значень конденсаторів.

Для оцінки ефективного використання даного методу узгодження проведено аналіз роботи резонансного інвертора з новими схемами навантажувального контуру з пристроєм узгодження при зміні параметрів індукційного навантаження за відносний час плавки та аналіз роботи інвертора наприкінці плавки з врахуванням зміни величини конденсаторів. На рис. і 5 для двох схем приведено криві зміни відносних значень параметрів навантаження, регульованих індуктивностей, струмів через них, напруги на конденсаторах і навантаженні та вхідного стуму інвертора за відносний час плавки.

Рис.  Рис. 

За результатами аналізу роботи резонансного інвертора встановлено, що для узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою для певного діапазону значень конденсаторів можливо використання обох схем, але при різних величинах електричного струму (напруги, потужності) в реактивних елементах схеми навантажувального контуру. Тому застосування тієї або іншої схеми узгодження вимагає як врахування параметрів плавильної установки, так і номінальних параметрів вживаних конденсаторів.

Таким чином, розроблено компенсаційно-параметричний метод узгодження, який дозволяє повністю компенсувати зміну параметрів індукційного навантаження, а отже реалізувати оптимальне узгодження ТПЧ з індукційною плавильною установкою і стабілізувати максимальну потужність ТПЧ протягом всього часу плавки за будь-якою схемою узгодження, а значить повністю використовувати встановлену потужність ТПЧ та збільшити продуктивність електротермічної установки.

Однак для реалізації цього методу узгодження необхідно складний пристрій узгодження з системою управління. Тому розроблено і проаналізовано інший метод узгодження - частотно-параметричний. Цей метод засновано на тому, що період плавки розбивається на два етапи нагріву, а узгодження здійснюється безперервним регулюванням частоти управління інвертора на першому етапі за резонансним законом регулювання, а на другому - за екстремальним.

Тому для вирішення головної задачі було вирішено ввести в схему резонансного інвертора в коло навантажувального контуру пристрій узгодження у вигляді двох індуктивностей, причому одна з них виконується двосекційною з врахуванням коефіцієнта розподілу n (для L1) або k (для L2). Перехід з одного етапу на другий здійснюється комутуючим пристроєм за спеціальним алгоритмом двохступеневої зміни секційною індуктивності з функцією адаптації до зміни параметрів індукційного навантаження.

Для оцінки ефективного використання даного методу узгодження проведено аналіз роботи резонансного інвертора з використанням двохступеневої зміни індуктивності та регулювання його частоти управління за відносний час плавки. В результаті аналізу встановлено, що достатньо ефективним і прийнятним варіантом даного методу є узгодження за схемами, приведеними на рис. або 7.

Рис.  Рис. 

При цьому для забезпечення необхідної потужності ТПЧ для такого узгодження загальне значення секційної індуктивності і значення іншої індуктивності (L2 або L1) повинні розраховуватися для параметрів плавильної установки наприкінці плавки з параметрами навантажувального контуру Rе =е опт и fр •fу ном, а оптимальне значення коефіцієнта розподілу повинно складати n = 0.6 – .7 або k = 0.7 – .8. В цьому випадку на першому етапі нагріву використовується одна секція nL1 або kL2 (n або k < 1), а індуктивності (1-n)L1 або (1-k)L2 зашунтовані комутуючим пристроєм К, а інша індуктивність, відповідно L2 або L1, залишається без зміни. В момент переходу на другий етап нагріву здійснюється розмикання комутуючим пристроєм індуктивності (1-n)L1 або (1-k)L2, внаслідок чого k = 1 або n = 1.

На рис. і 9 приведено криві зміни частоти управління по відношенню до номінальної і криві зміни відносного значення вхідного струму інвертора.

Рис.  Рис. 

Аналіз показав, що при резонансному регулюванні на початку першого етапу нагріву відбувається збільшення вхідного струму інвертора до деякого максимального значення, а після цього максимуму і до кінця першого етапу наступає повторне вмиканням діодів, що викликає різке зниження амплітуди зворотних діодів та вхідного струму інвертора. Тому після проходження цього максимуму і подальшого зниження вхідного струму на величину 5  % від цього максимуму, що відповідає приблизно 80-85% від струму наприкінці плавки, комутуючим пристроєм здійснюється розмикання другої секції і починається другий етап нагріву за екстремальним законом регулювання частоти інвертора. В результаті робота інвертора на другому етапі нагріву починається з потужності, близької до номінальної.

Таким чином, частотно-параметричний метод узгодження забезпечує збільшення коефіцієнта використання максимальної потужності ТПЧ, найменший час плавки і найбільшу продуктивність електротермічної установки.

Для порівняльної оцінки ефективності якості узгодження тим або іншим методом узгодження на рис. представлено криві зміни вхідного струму інвертора для трьох методів. Крива 1  резонансне регулювання, крива 2  екстремальне регулювання, крива 3  частотно-параметричний метод узгодження з екстремальним регулюванням, крива 4  частотно-параметричний метод узгодження з двохступеневою зміною індуктивності, крива 5  компенсаційно-параметричний метод узгодження. За графіками було проведено порівняльний аналіз розроблених методів за кількісними показниками: максимального Id max і середнього значення Id cеp вхідного струму інвертора; коефіцієнта використання максимальної потужності Км; часу нагріву tц і продуктивності П. Результати аналізу наведено в таблиці .

Рис.  Таблиця 1

Таким чином, використання того або іншого методу узгодження, в порівнянні зі звичайним резонансним регулюванням, призводить до збільшення середньої потужності, а отже і до підвищення коефіцієнта використання максимальної потужності ТПЧ, а за рахунок збільшення передачі енергії до навантаження скорочується час плавки і підвищується продуктивність електротермічної установки.

У третьому розділі сформульовано принципи побудови систем управління резонансним інвертором і пристроєм узгодження та розроблено алгоритми їх управління.

Розроблено схему системи автоматизованого управління резонансним інвертором на основі розробленого алгоритму регулювання вихідної частоти інвертора за екстремально-стабілізуючим законом, за яким здійснюється безперервний автоматичний пошук екстремального значення вхідного струму інвертора за період плавки металу, а отже і максимальної потужності ТПЧ та її стабілізація на заданому рівні, нижче за максимальний. За розробленим алгоритмом автоматично регулюється швидкість зміни частоти управління залежно від наближення до екстремуму струму і зменшується час пошуку екстремуму, особливо в пускових режимах.

Розроблено схему системи автоматизованого управління компенсаційно-параметричним пристроєм узгодження ТПЧ на основі запропонованого алгоритму почергового управління регульованими індуктивностями. За розробленим алгоритмом здійснюється автоматична стабілізація резонансної частоти навантажувального контуру інвертора та його еквівалентного активного опору на оптимальному рівні протягом плавки, що призводить до стабілізації максимального значення вхідного струму інвертора, а отже і максимальної потужності ТПЧ, з постійною вихідною частотою впродовж всього періоду плавки.

Розроблено схему системи автоматизованого управління резонансним інвертором та комутуючим елементом пристрою узгодження. Розроблено алгоритм, за яким здійснюється регулювання вихідної частоти інвертора на першому етапі плавки металу за резонансним законом і забезпечується значне підвищення його вхідного струму, а отже і потужності ТПЧ, контроль амплітуди струму діода, та алгоритм автоматичного переходу на другий етап плавки з екстремальним законом регулювання вихідної частоти інвертора, який забезпечує безперервний автоматичний пошук екстремального значення його вхідного струму, а отже і максимальної потужності ТПЧ, впродовж другого етапу плавки металу.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень на фізичній моделі резонансного інвертора з пристроєм узгодження та імітатором індукційної плавильної установки, які підтверджують адекватність отриманих результатів на математичній моделі.

Розроблено і реалізовано фізичну модель ТПЧ на основі резонансного інвертору потужністю 0,5 кВт, робочою частотою 8 кГц, напругою живлення інвертора 50 В. Досліджено регулювальні характеристики. Проведено порівняння результатів моделювання і експериментальних досліджень і встановлено їх відповідність. Результати моделювання і експерименту кількісно відрізняються не більше, ніж на 12%. Виявлено причини кількісних розбіжностей. Вони мають регулярний характер. Доведено адекватність отриманих результатів на математичній моделі резонансного інвертора.

У додатках приведено вихідні дані математичних моделей інвертора, акти впровадження результатів роботи, фотографії фізичної моделі резонансного інвертора з пристроєм узгодження і діючих зразків, на яких було впроваджено результати роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу розвитку методів узгодження ТПЧ на основі резонансного інвертора з індукційною плавильною установкою за рахунок розробки нових алгоритмів управління резонансним інвертором та пристроями узгодження з функціями адаптації до зміни параметрів індукційного навантаження для поліпшення використання встановленої потужності перетворювача та підвищення продуктивності електротермічної установки.

Основні наукові та практичні результати полягають в наступному.

1. Встановлено, що зміна параметрів індукційної плавильної установки під час технологічного процесу призводить до недовикористання ТПЧ за номінальною (встановленою) потужністю. В зв’язку з цим актуальними є розробка та дослідження ефективних методів узгодження з алгоритмами регулювання режиму роботи ТПЧ, які забезпечують покращення використання встановленої потужності ТПЧ і збільшення продуктивності електротермічної установки.

2. Розроблено математичні моделі резонансного інвертора з пристроями узгодження, які дозволяють проводити дослідження і аналіз електромагнітних процесів при зміні частоти управління та параметрів індукційного навантаження і визначати оптимальні режимні параметри інвертора за критерієм передачі максимальної потужності до навантаження.

3. Розроблено екстремально-стабілізуючий, компенсаційно-параметричний і частотно-параметричний методи узгодження ТПЧ з плавильною установкою, які забезпечують ефективне узгодження та значне покращення використання встановленої потужності ТПЧ в електротермічній установці в порівнянні з резонансним регулюванням частоти інвертора.

4. Отримано математичний опис закону екстремально-стабілізуючого регулювання вихідної частоти резонансного інвертора, згідно з яким розроблено алгоритм регулювання, що забезпечує безперервний автоматичний пошук максимальної потужності ТПЧ за період плавки металу та її стабілізацію на заданому рівні, нижчому за максимальний.

5. Встановлено, що екстремальне регулювання вихідної частоти резонансного інвертора забезпечує збільшення середньої вихідної потужності ТПЧ на 14.5% та покращує коефіцієнт використання максимальної потужності на 4.6% у порівнянні з резонансним регулюванням, а за рахунок цього зменшується час плавки на 11.9% і збільшується продуктивність електротермічної установки на 13.5%.

6. Встановлено, що для стабілізації максимальної потужності ТПЧ впродовж всього періоду плавки необхідно забезпечити незмінну частоту управління інвертором та стабілізацію резонансної частоти навантажувального контуру та його активного еквівалентного опору на необхідного рівні.

7. Розроблено схемотехнічні рішення побудови навантажувального контуру з компенсаційно-параметричним пристроєм узгодження на базі двох регульованих індуктивностей, зміна значень яких за розробленим алгоритмом автоматизованого управління забезпечує стабілізацію параметрів навантажувального контуру на необхідному рівні за час плавки, що дозволяє стабілізувати енергетичний режим роботи ТПЧ.

8. Отримано аналітичні та графічні залежності, які дозволяють визначати діапазон значень регульованих індуктивностей в залежності від зміни параметрів індукційного навантаження та параметрів резонансного інвертора та визначено умови ефективного застосування компенсаційно-параметричного пристрою узгодження, виконання яких дозволяє застосувати розроблені схеми навантажувального контуру.

9. Встановлено, що компенсаційно-параметричний метод узгодження забезпечує збільшення середньої вихідної потужності ТПЧ на 27.5% та підвищення коефіцієнта використання максимальної потужності на 22.0% у порівнянні з резонансним регулюванням, а за рахунок цього зменшується час плавки на 22.1% і збільшується продуктивність електротермічної установки на 28.4%.

10. Розроблено схемотехнічні рішення побудови навантажувального контуру з пристроєм узгодження на базі двохсекційної індуктивності з комутуючим елементом та алгоритм автоматизованого управління резонансним інвертором і комутуючим елементом, який за резонансним законом регулювання вихідної частоти інвертора забезпечує підвищення потужності ТПЧ на першому етапі плавки, автоматичний перехід на другий етап, а за екстремальним законом забезпечує безперервний автоматичний пошук максимальної потужності ТПЧ впродовж другого етапу плавки.

11. Встановлено, що частотно-параметричний метод узгодження забезпечує збільшення середньої вихідної потужності ТПЧ на 29.0% та підвищує коефіцієнт використання максимальної потужності на 14.3% у порівнянні з резонансним регулюванням, а за рахунок цього зменшується час плавки на 25.2% і збільшується продуктивність електротермічної установки на 33.6%.

12. Обґрунтована доцільність використання методів узгодження, при цьому встановлено, що компенсаційно-параметричний метод забезпечує найвищий коефіцієнт використання максимальної потужності, проте потребує достатньо складного пристрою узгодження, а частотно-параметричний метод узгодження забезпечує найменший час плавки і найбільшу продуктивність та потребує менш складного пристрою узгодження. Самий простий і достатньо легко реалізується - це екстремально-стабілізуючий метод узгодження.

13. Результати досліджень методів узгодження ТПЧ було використано при створенні ТПЧ-250/2,4 для індукційного плавильного комплексу ІПК-0.4/0.25 в ливарний цех ВАТ “Донецьккокс” (м. Донецьк) та впроваджено на ливарну ділянку ТОВ “Аргентум” (м. Київ) при створенні ТПЧ-20/8 для ІПК-0.032/0.02 та в ливарне виробництво ТОВ “УкрЛат” (м. Луганськ) при створенні ТПЧ-160/2,4 для ІПК-0.16/0.16. Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи знайшли застосування в учбовому процесі при підготовці фахівців за електротехнічним напрямком в інституті автоматизації та електротехнічних систем Донбаського державного технічного університету.

14. Вірогідність та обґрунтованість наукових досліджень, висновків та рекомендацій підтверджується узгодженням теоретичних результатів з експериментальними даними та результатами математичного моделювання.

15. Наукові та практичні результати роботи можуть бути рекомендовані для використання науковим та промисловим організаціям, що займаються розробкою та впровадженням високоефективних електротермічних установок для індукційної плавки металів: Українському НДІ силової електроніки “Перетворювач”(м. Запоріжжя), технопарку Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, а також Дослідному виробництву Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, Українському державному інституту по проектуванню металургійних заводів, ВАТ „Первомайський електромеханічний завод” (м. Первомайськ).

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Саратовский Р.Н., Глебин А.Г., Ушаков В.И. Экстремальный регулятор для управления тиристорным преобразователем частоты при плавке металлов в индукционной печи // Електротехніка та електроенергетика. - 2004. - №2. - С. 55 - 60.

2. Саратовский Р.Н., Глебин А.Г., Ушаков В.И. Устройство согласования тиристорных преобразователей частоты с индукционной плавильной печью // Технічна електродинаміка. - 2005. - №3. - С. 34 - 37.

3. Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Баранов А.Н., Глебин А.Г. Согласование тиристорного преобразователя частоты с индукционной нагрузкой // Технічна електродинаміка. Тем. вип.Силова електроніка та енергоефективність. - 2005. - Ч.4. - С. 20 - 23.

4. Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Баранов А.Н., Глебин А.Г. / Система управления устройством согласования тиристорного преобразователя частоты с индукционной плавильной печью // Технічна електродинаміка. - 2006. - №4. - С. 51 - 58.

5. Саратовский Р.Н. Комбинированный способ согласования тиристорного преобразователя частоты с индукционной плавильной печью // Технічна електродинаміка. Тем. вип. Силова електроніка та енергоефективність. - 2006. - Ч.4. - С. 39 - 44.

6. Щерба А.А., Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Глебин А.Г. Анализ схем согласования тиристорных преобразователей частоты с индукционной нагрузкой // Технічна електродинаміка. Тем. вип. Проблеми сучасної електротехніки. - 2006. - Ч.6. - С. 84 - 89.

7. Ушаков В.И., Саратовский Р.Н., Глебин А.Г. Сравнительный анализ эффективности введения экстремального регулятора в индукционную плавильную установку с тиристорным преобразователем частоты // Зб. наук. пр. Нац. ун-ту кораблебудування. - 2004. - №3. - С. 155 - 160.

8. Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Глебин А.Г. Согласование тиристорных преобразователей частоты с установками индукционного нагрева металлов // Сб. науч. тр. Донбасского гос. техн. ун-та. - 2005. - Вып. 20. - С. 368 - 378.

9. Мотченко А.И., Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Глебин А.Г. Устройство автоматического согласования тиристорного преобразователя частоты с нагрузкой // Сб. науч. тр. Донбасского гос. техн. ун-та. - 2006. - Вып. 22. - С. 211 - 220.

10. Саратовский Р.Н., Ушаков В.И., Глебин А.Г. Результаты экспериментальных исследований резонансного инвертора удвоения частоты с устройством согласования с нагрузкой // Сб. науч. тр. Донбасского гос. техн. ун-та. - 2007. - Вып. 23. - С. 379 - 388.

11. Декл. пат. №10798 Україна, МПК7 Н02М7/515. Послідовний резонансний інвертор / Саратовський Р.М., Глєбін А.Г., Ушаков В.І. (Україна). - № u200506350; Заявл. 29.06.2005; Опубл. 15.11.2005.; Бюл. №11. - 4 с.

12. Декл. пат. №11233 Україна, МПК7 Н02М7/515. Спосіб екстремального регулювання вихідної частоти перетворювача / Саратовський Р.М., Глєбін А.Г. (Україна). - № u200505728; Заявл. 13.06.2005; Опубл. 15.12.2005.; Бюл. №12. - 4 с.

13.Саратовский Р.Н, Баранов А.Н., Ушаков В.И., Глебин А.Г. Способ согласования тиристорного преобразователя частоты с индукционной нагрузкой // Матеріали Міжнар. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих наукових робітників “Електротехніка і електромеханіка - 2004”. - Миколаїв: НУК. - 2004. - С. 110-113.

14. Саратовский Р.Н., Баранов А.Н. Согласование тиристорного преобразователя частоты с индукционной плавильной установкой // Зб. тез доп. VIII Всеукр. наук.-прак. конф.