Резонансний інвертор напруги з НЧ імпульсною модуляцією для установок індукційного нагріву

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України Інститут електродинаміки

УДК 621.314.57

резонансний інвертор напруги з НЧ імпульсною модуляцією для установок індукційного нагріву

Спеціальність 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Герасименко Павло Юрійович

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі транзисторних перетворювачів Інституту електродинаміки Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник -- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Юрченко Олег Миколайович, зfвідувач відділу транзисторних перетворювачів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Офіційні опоненти -- доктор технічних наук, професор Переверзєв Анатолій Васильович, проректор з наукової роботи Запорізького інституту економіки та інформаційних технологій Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя;

-- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Губаревич Володимир Миколайович, старший науковий співробітник відділу систем стабілізованого струму Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться «__6__» _____жовтня__________ 2010р. о _ 11____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Україна, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розісланий «__1__»___ вересня_____ 2010р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 Ю.М. Гориславець

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Транзисторні перетворювачі для установок високочастотного індукційного нагріву мають низку переваг і успішно витісняють лампові генератори, що донедавна були єдиним типом джерел живлення індукційних установок у частотному діапазоні від 10кГц до 440кГц та вище, де провадиться нагрів, загартування, пайка, зварювання і плавка металів. До таких переваг можна віднести більш тривалий ресурс роботи, високий ККД, малі габарити, зручність в експлуатації.

Силові перетворювачі постійно вдосконалюються з метою підвищення надійності, поліпшення енергетичних характеристик, зниження собівартості. Поліпшення енергетичних характеристик набуває все більшого значення з точки зору вирішення задач енергозбереження. Пріоритетними напрямками вдосконалення транзисторних перетворювачів є розробка нових силових компонентів та поліпшення їх характеристик, розробка нових силових схем, алгоритмів та систем керування.

Висока частота перетворення, що обумовлена в першу чергу вимогами технології, призводить до необхідності дослідження й розробки оптимальних режимів роботи транзисторних перетворювачів. Для забезпечення технологічних режимів, як правило, необхідно здійснювати регулювання і стабілізацію вихідного струму.

Частотний, широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), об'єднаний широтно-частотний на основній частоті (ОЧ) та ШІМ на високій частоті (ВЧ) способи регулювання не дозволяють забезпечити перемикання транзисторів при нульовому струмі. На високих частотах це призводить до значних динамічних втрат потужності, які перевищують статичні.

Зменшити динамічні втрати потужності можна за рахунок викорстання інверторів з низькочастотною (НЧ) імпульсною модуляцією, які досліджуються в роботі. Невеликі втрати потужності досягаються за рахунок перемикання транзисторів при струмі близькому до нуля, що відповідає режиму роботи на частоті, близькій до резонансної. Для забезпечення цього використовується система автоматичного підстроювання частоти (АПЧ).

Від вибору алгоритму НЧ імпульсної модуляції залежить амплітуда струму та амплітуда НЧ пульсації струму на виході інвертора, що впливає на максимальний струм, який протікає через транзистори та напругу на ємності резонансного контуру.

Таким чином, при побудові транзисторних резонансних інверторів напруги з НЧ імпульсною модуляцією, необхідно вирішити такі задачі, як встановлення залежностей параметрів вихідного струму інвертора напруги від параметрів НЧ імпульсної модуляції, визначення оптимальних способів регулювання та стабілізації струму інвертора при змінних параметрах НЧ регулювання, що дозволить покращити характеристику регулювання вихідного струму інвертора при широкому діапазоні зміни параметрів навантаження.

Ця робота присвячена вирішенню цих актуальних задач, їх розв'язок дозволяє суттєво розширити можливості транзисторних перетворювачів для установок індукційного нагріву.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у безпосередньому зв'язку з академічними, галузевими та державними програмами, а саме: за держбюджетними темами НАН України “Розвинути теорію та принципи побудови регульованих високочастотних транзисторних перетворювачів зі спеціальними вихідними характеристиками для перспективного електротехнологічного обладнання наземного та космічного призначення” “Структура-2” (№ ДР 0105U002314), “Розробити енергоефективні електромагнітні системи та напівпровідникові високочастотні перетворювачі з регулюванням динамічних режимів електромагнітної обробки металів” “Елом-П” (№ ДР 00107U001692), “Разработать модели и исследовать динамические режимы в электротехнических системах с высокочастотными полупроводниковыми преобразователями и нелинейной нагрузкой” “Елма-П” (№ ДР 0104U000526), “Розробка принципів побудови та оптимізація режимів роботи потужних напівпровідникових перетворювачів для енергозберігаючих технологічних процесів” (№ ДР 0107U002097), г/д № 1530-07 «Дослідження, розробка та виготовлення установки індукційного нагріву ВЧІ-20», від 3.12.2007р між Інститутом електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України та Інститутом електродинаміки НАН України. При виконанні зазначених НДР та госп. договору автор провів дослідження залежності параметрів вихідного струму транзисторного резонансного інвертора напруги від параметрів НЧ імпульсної модуляції, провів порівняльний аналіз різних способів НЧ імпульсної модуляції та розробив алгоритми керування резонансним інвертором напруги з НЧ імпульсною модуляцією для установок з низькою добротністю резонансного контуру навантаження.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії транзисторних перетворювачів за рахунок вдосконалення методу керування резонансними інверторами напруги з НЧ імпульсною модуляцією для установок індукційного нагріву, що дозволяє поліпшити техніко-економічні показники таких перетворювачів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні основні задачі:

- визначення особливостей технологічного індукційного навантаження;

- огляд силових схем транзисторних резонансних перетворювачів та існуючих способів регулювання, порівняльний аналіз різних алгоритмів керування транзисторними перетворювачами для технологій індукційного нагріву;

- розробка математичної моделі послідовного резонансного інвертора напруги з НЧ імпульсною модуляцією;

- розробка методу визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції, які зменшують втрати потужності в ключових силових елементах перетворювача та забезпечують необхідний технологічний процес;

- розробка і впровадження високоефективних зразків високочастотних транзисторних перетворювачів для технологій індукційного нагріву з НЧ імпульсними принципами регулювання струму навантаження.

Об'єктом дослідження є електромагнітні процеси в транзисторних перетворювачах для установок високочастотного індукційного нагріву.

Предметом дослідження є транзисторні перетворювачах постійної напруги на основі інверторів напруги з НЧ регулюванням, що мають послідовний резонансний контур на виході.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених у дисертації задач використовувалися: теорія електричних кіл, перетворення Карсона-Хевісайда для розрахунку перехідних та усталених процесів, аналітичні методи та методи математичного та комп'ютерного моделювання електромагнітних процесів. інвертор напруга транзисторний перетворювач

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблено математичну модель резонансного транзисторного інвертора напруги установки індукційного нагріву з НЧ імпульсною модуляцією, що на відміну від відомих моделей дозволяє отримати узагальнені вирази в простому аналітичному вигляді та розрахувати основні параметри струму навантаження;

- вперше отримані аналітичні залежності, що встановлюють зв'язок між параметрами НЧ імпульсної модуляції та параметрами струму навантаження та визначають вплив параметрів навантаження і параметрів НЧ імпульсної модуляції на діапазон регулювання струму навантаження;

- на основі аналізу електромагнітних процесів вперше встановлено, що НЧ-ШІМ та НЧ-ЧІМ мають обмежені можливості для застосування в перетворювачах установок індукційного нагріву: застосування НЧ-ШІМ можливе при високій добротності коливального контуру, а застосування НЧ-ЧІМ -- при вузькому діапазоні зміни параметрів навантаження та обмеженому діапазоні регулювання струму навантаження;

- розроблено новий метод визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції для зменшення розмаху пульсації струму навантаження, обмеження мінімальної частоти НЧ пульсації струму навантаження, збільшення мінімальної та зменшення максимальної амплітуд струму навантаження та забезпечення широкого діапазону регулювання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- запропоновано математичну модель транзисторного резонансного інвертора напруги з НЧ імпульсним принципом регулювання, яка дозволила провести дослідження електромагнітних процесів в силовій частині перетворювача для реальних діапазонів зміни параметрів технологічного навантаження;

- створено високочастотні транзисторні перетворювачі для утсновок індукційного нагріву на основі резонансних інверторів напруги з НЧ імпульсною модуляцією, що відрізняються від існуючих суттєво меншими втратами потужності в силових ключових елементах;

- на основі запропонованого методу визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції розроблено алгоритми керування, що дозволили забезпечити оптимальні умови комутації та знизити розмах пульсації струму навантаження при широкому діапазоні зміни параметрів навантаження;

- розроблена мікропроцесорна системи керування, яка забезпечує розв'язок задач керування в режимі реального часу.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці дослідних зразків транзисторних перетворювачів технологічних установок індукційного нагріву ВЧІ-20 та ВЧІ-3, впроваджених в Інституті електрозварювання ім. Патона НАН України (2007р.) та в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (2009р.).

Особистий внесок здобувача. Автору належать обґрунтування завдання, виконання досліджень, їх аналіз та обробка результатів, висновки по результатам роботи, а саме: математична модель послідовного резонансного інвертора напруги з НЧ імпульсною модуляцією; залежність параметрів струму навантаження від зміни параметрів навантаження та параметрів НЧ імпульсної модуляції; методика вибору параметрів НЧ імпульсної модуляції для зменшення амплітуди НЧ пульсації струму навантаження та забезпечення широкого діапазону регулювання; НЧ алгоритми керування, що дозволяють забезпечити оптимальні умови комутації та знизити НЧ пульсацію струму навантаження при зміні параметрів навантаження; комп'ютерне моделювання; розробка дослідно-промислових зразків.

Робота [1] написана автором самостійно. У наукових працях, які опубліковані в співавторстві, здобувачу належать: [2,3] - постановка задачі дослідження та встановлення аналітичних залежностей; [4,5,6] - внесок авторів рівноважний.

Апробація результатів дисертації проводилась на двох міжнародних науково-технічних конференціях: Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка та енергоефективність”, Алушта (Україна), 2007р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки”, Київ (Україна), 2008 р.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 10 публікаціях, з яких 6 статей опубліковано у фахових наукових виданнях, що входять до Переліку ВАК.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 159 сторінок, у тому числі 118 сторінок основного тексту, 47 рисунків, 12 таблиць, список використаних джерел із 103 найменувань та 2 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі орбґрунтовано актуальність теми і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, викладені наукова новизна і практичне значення результатів досліджень, визначено особистий внесок здобувача, наведені дані про зв'язок роботи з науковими програмами, апробацію результатів роботи, публікації та впровадження.

У першому розділі розглянуто особливості індукційного навантаження, силові схеми, структури побудови та способи керування транзисторними резонансними перетворювачами. Важливими особливостями індукційного навантаження є достатньо висока початкова добротність і зміна параметрів його схеми заміщення в процесі виконання технологічної операції. Активний опір навантаження на протязі технологічного циклу може змінюватись у 2-4 рази та більше, а індуктивність у 1,3-1,6 разів.

Показано переваги резонансних перетворювачів перед іншими типами перетворювачів. Обґрунтовано доцільність побудови резонансних перетворювачів напруги на основі резонансної мостової схеми інвертора напруги, що дозволяє досягнути високих енергетичних показників і реалізувати регулювання параметрів у широкому діапазоні.

Для забезпечення технологічних режимів, як правило, необхідно здійснювати регулювання і стабілізацію вихідного струму чи потужності.

Існують різні способи регулювання вихідного струму транзисторного інвертора:

- широтно-імпульсної модуляції (ШІМ);

- частотний;

- об'єднаний широтно-частотний;

- релейний;

- на базі НЧ імпульсної модуляції ті інші.

Частотний, ШІМ та об'єднаний широтно-частотний на ОЧ та ВЧ способи регулювання не дозволяють забезпечити перемикання транзисторів при нульовому струмі. На високих частотах це призводить до значних динамічних втрат потужності, які перевищують статичні.

При НЧ імпульсній модуляції на частоті роботи інвертора, близькій до власної частоти резонансного контуру, перемикання ключів інвертора здійснюється при близькому до нуля струмі, що реалізується системою автопідстроювання частоти. Застосування таких способів дозволить суттєво зменшити динамічні втрати потужності в ключових елементах, що неможливо при інших способах регулювання.

Оскільки при НЧ імпульсній модуляції комутація силових ключів проходить при нульовому струмі, мінімальним кроком регулювання є період вихідної напруги інвертора . Звідки випливає, що, на відміну від розглянутих раніше способів керування, регулювання на основі НЧ імпульсної модуляції є дискретним.

При НЧ модуляції час модуляції та час ввімкненого стану , чи час вимкненого стану доцільно характеризувати цілими числами , що кратні періоду вихідної напруги інвертора (рис. 1):

, , , (1)

де - кількість періодів за час вимкненого стану ;

- кількість періодів за час ввімкненого стану ;

- кількість періодів за час модуляції .

Рис. 1

Коефіцієнт заповнення модульованої напруги визначається:

. (2)

На інтервалі часу енергія з джерела живлення передається до активного навантаження та накопичується в реактивних елементах еквівалентної схеми заміщення (рис. 2).

а б

Рис. 2

На інтервалі , в залежності від алгоритму керування транзисторами, можливі два варіанти розподілу енергії (рис. 3).

а б

Варіант 1

Варіант 1

Рис. 3

При першому варіанті роботи транзисторів на інтервалі струм навантаження буде спадати швидше, оскільки частина енергії з реактивних елементів віддається до джерела живлення, тому використання другого варіанту більш доцільне. В роботі розглядається другий варіант.

Регулювання струму навантаження можливе за рахунок комбінування кількості періодів за час ввімкненого стану з кількістю періодів за час вимкненого стану .

Другий розділ присвячено побудові математичної моделі резонансного інвертора напруги з НЧ імпульсною модуляцією та дослідженню електромагнітних процесів при різних способах регулювання.

Рис. 4

На рис. 4а та рис. 4б представлені схеми заміщення послідовного резонансного інвертора напруги з еквівалентною схемою заміщення технологічного навантаження для інтервалів та відповідно.

При високій добротності , характерній для установок індукційного нагріву, можна знехтувати вищими гармоніками у вихідній напрузі інвертора та представити її винляді синусоїди з амплутідої першої гармоніки напруги інвертора після трансформатора.

Це дозволяє суттєво спростити аналіз та отримати вирази у алгебраїчному вигляді.

Математична модель транзисторного інвертора напруги з послідовним резонансним контуром на виході являє собою систему рівнянь миттєвого значення струму на виході інвертора та напруги на конденсаторі резонансного контуру для двох інтервалів: та і має вигляд:

(3)

на інтервалі , та

(4)

на інтервалі .

Ця математична модель дозволяє проводити аналіз роботи транзисторного інвертора напруги з НЧ імпульсною модуляцією при різних комбінаціях , , . Як слідує з (3), (4) час зростання та спаду амплітуди струму визначається постійною часу

, (5)

яка збільшується при збільшені добротності.

Проінтегрувавши з (3), (4) модуль струмів на інтервалах та визначено середнє за модулем значення струму при НЧ імпульсній модуляції на інтервалі при заданих значеннях параметрів модуляції , , :

, (6)

де - коефіцієнт заповнення модульованої напруги.

Виходячи з (4) та з урахуванням (5) отримано вирази максимального та мінімального значень амплітуди струму у відносних одиницях на інтервалах та :

(7)

(8)

Встановлено, що мінімальну та максимальну амплітуди струму слід визначати на інтервалах ввімкненого чи вимкненого стану в залежності від комбінації та добротності коливального контуру.

З урахуванням залежностей відношень та від параметрів НЧ імпульсної модуляції при різній добротності коливального контуру в подальшому мінімальна амплітуда струму визначалася на інтервалі вимкненого стану , а максимальна - на інтервалі ввімкненого .

Таке припущення справедливе для більшого діапазону зміни , а для діапазону зміни, коли це не справедливо, похибка відношення мінімальних та максимальних амплітуд струму є незначною.

Різниця між та визначає розмах пульсації струму

. (9)

Відносне середнє за модулем значення струму інвертора при НЧ модулюванні

. (10)

Стабілізація вихідного струму є важливою задачею, як для обмеження величини середнього за модулем значення струму, так і для забезпечення технологічних режимів в процесі індукційного нагріву. При зміні параметрів навантаження також необхідно щоб струм не спадав до нуля, що викликано умовами роботи системи АПЧ.

Було розглянуто способи НЧ регулювання вихідного струму інвертора: НЧ-ШІМ з , та НЧ-ЧІМ з та , в режимі регулювання середнього за модулем вихідного струму інвертора та в режимі обмеження максимального середнього за модулем вихідного струму інвертора.

В режимі регулювання середнього за модулем вихідного струму інвертора, в якому параметри навантаження є постійними, при НЧ-ШІМ регулюванні дискретність зміни струму майже рівномірна. Однак виникає великий розмах пульсації струму та режими роботи інвертора коли струм спадає до нуля. Це обмежує діапазон можливого регулювання та викликає складності при практичній реалізації системи керування. Для НЧ-ЧІМ характеристика регулювання нерівномірна та не дає змоги регулювати струм менше половини його максимального значення для n=1 та менше 1/3 для n=2.

В режимі обмеження максимального середнього за модулем значення вихідного струму інвертора для НЧ-ЧІМ при збільшується до 1,18, а при досягає 1,31 при початковій добротності . Перевагою НЧ-ЧІМ перед НЧ-ШІМ є те, що розмах пульсації струму є незначним. Але для НЧ-ЧІМ характеристика регулювання нерівномірна та не дає змоги стабілізувати струм при зменшені більше ніж у 2 рази для та більше ніж у 3 рази для .

Встановлено, що застосування НЧ-ШІМ можливе при високій добротність коливального контуру, а застосування НЧ-ЧІМ -- при неширокому діапазоні зміни параметрів навантаження та обмеженому діапазоні регулювання струму навантаження

Можливо використання одночасно n=1 та n=2, що покращить характеристику, але ускладнить систему керування. НЧ-ЧІМ забезпечує обмежений розмах пульсації струму, збільшення призводить до збільшення розмаху пульсації струму.

Для зменшення дискретності характеристики регулювання необхідно збільшити .

Для перевірки справедливості припущень відносно аналізу за методом першої гармоніки та точності отриманих результатів було проведено комп'ютерне моделювання роботи послідовного резонансного транзисторного інвертора напруги з НЧ імпульсною модуляцією при НЧ-ШІМ та НЧ-ЧІМ.

Моделювання було проведемо за допомогою програмного забезпечення PSpice - Orcad Family Release 9.2. При моделюванні транзистори мостового інвертора були представлені як ключі близькі до ідеальних.

а

б

В

Рис. 5

На рис. 5 наведено залежність максимальної відносної похибки математичної моделі послідовного резонансного інвертора напруги при визначені та , на інтервалах та при НЧ-ШІМ (рис. 5а) та НЧ-ЧІМ ( (рис. 5б) та (рис. 5в)) від добротності коливального контуру .

Як видно з рис. 5, відносна похибка та , на інтервалах та при збільшенні добротності вихідного коливального контуру зменшується. Така залежність відносної похибки від добротності обумовленна прийнятими спрощеннями при визначені математичної моделі. Для добротності максимальна відносна похибка для на інтервалі дорівнює 1,238%, а для , на інтервалі , на інтервалі та не перевищує 1%. Така точність цілком задовольняє використання розробленої математичної моделі для проведення аналізу та розрахунків. При добротності похибка математичної моделі може бути суттєвою, що обмежує застосування при низькій добротності вихідного коливального контуру.

Третій розділ присвячено розробці оптимальних способів та алгоритмів НЧ регулювання.

НЧ-ШІМ та НЧ-ЧІМ мають свої переваги та недоліки, тому була поставлена задача розробки алгоритмів керування на базі комбінування параметрів НЧ імпульсної модуляції.

Рис. 6

Точки можливих комбінацій і на площині Клейна представлено на рис. 6. Цілі числа по осі абсцис відповідають , а по осі ординат - . Таким точкам будуть відповідати “дозволені” значення .

Якщо раціональне число, що виражається деяким співвідношенням , тоді пряма буде перетинати точки площини, а якщо ірраціональне - пряма ніколи не перетне жодної з точок. Для прикладу проведені прямі для та (рис. 6). Процес НЧ імпульсної модуляції на площині Клейна має вигляд неперервної ламаної лінії, що складається з відрізків прямих з одиничним та нульовим нахилом та найкращим чином наближається до прямої , проходячи через найбільш близько розташовані до неї точки Клейна. Чим більша різниця , тим більше розмах пульсації струму. Тому на ламаній лінії точки слід вибирати, задавшись значенням та похибкою .

При розімкнутій системі регулювання струм навантаження можливо змінювати дискретно. Введення від'ємного зворотного зв'язку за регулюючим параметром дозволяє регулювати струм навантаження плавно у всьому діапазоні. Якщо потрібна величина не відповідає можливому кроку характеристики регулювання, тоді зворотній зв'язок буде завжди змінювати сигнал на модулятор, котрий буде коливатися між двома прилеглими .

Для забезпечення більш рівномірного кроку дискретизації деякі комбінації можна виключити, а комбінуванням двох сусідніх отримати нові точки характеристики регулювання.

Запропоновано метод визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції для зменшення амплітуди та збільшення частоти НЧ пульсації струму навантаження, збільшення мінімальної та зменшення максимальної амплітуд вихідного струму інвертора та забезпечення широкого діапазону регулювання.

Суть методу полягає в тому, що 1) задаються вхідні дані: параметри еквівалентної схеми заміщення навантаження, відносні мінімальна та максимальна амплітуди струму на виході інвертора, наявність чи відсутність необхідності регулювання вихідного струму; 2) визначаються основні параметри НЧ імпульсної модуляції: мінімальна добротність коливального контуру, частота роботи інвертора, максимальне допустиме значення кількості періодів за час модуляції , будується таблиця значень , які визначаються співвідношеннями та , коли для одного можливо декілька різних комбінацій та , із побудованої таблиці виключаються такі комбінації при яких буде більше; 3) проводиться перевірка визначених параметрів НЧ імпульсної модуляції на відповідність прийнятим обмеженням: використовуючи вирази отримані з мат. моделі проводиться перевірка параметрів НЧ імпульсної модуляції з побудованої таблиці на відповідність прийнятим обмеженням, для отримання більш рівномірного кроку дискретизації деякі комбінації виключаються, а комбінуванням двох сусідніх - отримуються нові точки характеристики регулювання.

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень практичних розробок транзисторних перетворювачів установок індукційного нагріву.

Рис. 7

Використання мікроконтроллера (МК) дозволяє виконувати ряд математичних обчислень, що обумовлені алгоритмом керування. Функціональна схема системи керування (рис. 7) транзисторним перетворювачем складається з МК, генератора імпульсів з автоматичним підстроюванням частоти (ГІ), підсилювача сигналу помилки (ПСП), логічного блоку (&), датчика струму (ДС) та блоку керування транзисторами (БКТ).

Для МК на основі методу визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції розроблено відповідний алгоритм роботи, написано код програми.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці дослідних зразків транзисторних перетворювачів технологічних установок індукційного нагріву ВЧІ-20 та ВЧІ-3, впроваджених в Інституті електрозварювання ім. Патона НАН України (2007р.) та у Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (2009р.).

Схема керування ВЧІ-20 з НЧ-ШІМ забезпечувала регулювання та обмеження середнього за модулем значення вихідного струму інвертора. Деякі осцилограми вихідного струму при різних коефіцієнтах заповнення модульованої напруги на протязі циклу нагріву приведені на рис. 8.

Рис. 8

Під час нагріву технологічного навантаження коефіцієнт заповнення змінювався від початкового значення до кінцевого . При цьому максимальне та мінімальне значення амплітуди струму по відношенню до початкової амплітуди струму досягали 1,46 та 0,71 відповідно, що підтверджує правомочність отриманих в роботі виразів. Експериментальні дослідження показали можливість використання НЧ-ШІМ для виконання даної технологічної задачі. Наявність пульсації струму необхідно враховувати при виборі елементів схеми.

Розроблено зразок установки індукційного нагріву «ВЧІ-3» потужністю 3 кВт частотою 66кГц для індукційного нагріву ділянок сталевих труб для забезпечення технології пайки. Установка має контур водяного охолодження та систему подачі води в індуктор. Вона є переносною і потребує тільки наявності однофазної мережі живлення ~220В. Індуктор з погоджувальним пристроєм з'єднаний з перетворювачем гнучким кабелем та може бути застосований в важко доступних місцях.

В алгоритм керування було закладено наступні комбінації параметрів НЧ імпульсної модуляції, котрі визначають коефіцієнт заповнення модульовано напруги

.

Для зменшення кроку дискретизації використовувались комбінації двох сусідніх .

Рис. 9

На рис. 9 представлено залежність відносної величини середнього за модулем струму навантаження від для вибраних комбінацій . Жирними точками позначені , які отримані в результаті комбінації двох сусідніх . З графіку видно, що при заданих параметрах можливо забезпечити достатньо невеликий крок зміни коефіцієнта заповнення модульованої напруги , однак крок дискретизації є нерівномірний.

На рис. 10 наведені осцилограми вихідного струму інвертора та керуючих імпульсів мікропроцесорної (МП) системи керування на базі НЧ імпульсної модуляції на протязі технологічного циклу при різних , для двох режимів: 1) режиму регулювання середнього за модулем вихідного струму інвертора; та 2) режиму обмеження максимального середнього за модулем вихідного струму інвертора.

а)	б)	в)	г) комбінування та
а)	б)	в)	г) комбінування та

Рис. 10

Результати експериментальних досліджень підтвердили розрахункові дані, при цьому похибка між даними, отриманими експериментальним шляхом та аналітичними розрахунками не перевищила 5%.

В додатках наведено код програми роботи МК ATmega16 системи керування, що реалізує НЧ імпульсну модуляцію, та акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

В результаті виконання роботи вирішене важливе наукове завдання -- розвиток теорії транзисторних перетворювачів за рахунок вдосконалення методу керування резонансними інверторами напруги з НЧ імпульсною модуляцією для установок індукційного нагріву, що дозволило поліпшити техніко-економічні показники таких перетворювачів.

Проведені в роботі наукові дослідження дозволяють зробити наступні узагальнені висновки:

1. Важливими особливостями індукційного навантаження є достатньо висока початкова добротність і зміна параметрів його схеми заміщення в процесі виконання технологічної операції. Активний опір навантаження на протязі технологічного циклу може змінюватись у 2-4 рази та більше, а індуктивність у 1,3-1,6 разів.

2. Розроблено математичну модель резонансного транзисторного інвертора напруги з НЧ імпульсною модуляцією, яка дозволила визначити узагальнені вирази в простому аналітичному вигляді та розрахувати основні параметри струму навантаження.

3. Отримано аналітичні залежності, що встановлюють зв'язок між параметрами НЧ імпульсної модуляції та параметрами струму навантаження та визначають вплив параметрів навантаження і параметрів НЧ імпульсної модуляції на діапазон регулювання струму навантаження.

4. Проведено комп'ютерне моделювання електромагнітних процесів у силовій частині резонансного транзисторного інвертора напруги та отримано залежність відносної похибки математичної моделі від добротності коливального контуру.

5. Комп'ютерне моделювання та експериментальні дослідження підтвердили справедливість отриманої математичної моделі резонансного транзисторного інвертора напруги та аналітичних виразів для реальних добротностей коливального контуру індукційних установок. Похибка між даними, отриманими експериментальним шляхом, аналітичними розрахунками та шляхом комп'ютерного моделювання не перевищила 5%.

6. Встановлено, що НЧ-ШІМ та НЧ-ЧІМ мають обмежені можливості для застосування в перетворювачах установок індукційного нагріву: застосування НЧ-ШІМ можливе при високій добротність коливального контуру, а застосування НЧ-ЧІМ -- при неширокому діапазоні зміни параметрів технологічного навантаження.

7. Сформовано принципи вибору параметрів НЧ імпульсної модуляції для забезпечення необхідного технологічного процесу та мінімального розмаху пульсації струму навантаження.

8. Запропоновано метод визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції для зменшення амплітуди та збільшення частоти НЧ пульсації струму навантаження, мінімальної та максимальної амплітуд вихідного струму інвертора та забезпечення широкого діапазону регулювання.

9. Розроблено алгоритми роботи мікропроцесорної системи керування резонансним транзисторним інвертором напруги з НЧ імпульсною модуляцією. Створено МП систему керування резонансним транзисторним інвертором напруги з НЧ імпульсною модуляцією, яка дозволяє реалізовувати складні алгоритми регулювання вихідного струму інвертора напруги та змінювати їх без зміни схеми.

10. Результати теоретичних досліджень дозволили зменшити втрати потужності в силовій частині перетворювача на 30%, збільшити надійність та покращити масогабаритні показники, зменшити вартість силової частини перетворювача на 35% у порівнянні з структурною схемою перетворювача з імпульсним регулятором.

11. Результати дисертаційної роботи використані при розробці дослідних зразків транзисторних перетворювачів технологічних установок індукційного нагріву ВЧІ-20 та ВЧІ-3, впроваджених в Інституті електрозварювання ім. Патона НАН України (2007р.) та в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України (2009р.).

Основні публікації за темою дисертації

1. Герасименко П. Ю. Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагріву з НЧ імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування / П. Ю. Герасименко // Праці ІЕД НАН України. Збірник наукових праць. 2009. №. 24. С. 105--110.

2. Юрченко М. М. Низькочастотні способи регулювання струму транзисторних інверторів напруги установок індукційного нагріву / М. М. Юрченко, В. Я. Гуцалюк, П. М. Шевченко, П. Ю. Герасименко, І. О. Слєсаревський // Праці ІЕД НАНУ. Зб. наук. праць. 2007. № 18. С. 108--111.

3. Юрченко М. М. Транзисторні інвертори напруги установок індукційного нагріву з НЧ імпульсною в режимі стабілізації струму навантаження / М. М. Юрченко, В. Я. Гуцалюк, П. М. Шевченко, О. М. Юрченко, П. Ю. Герасименко // Технічна електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми сучасної електротехніки ”. 2008. Ч. 2. С. 109--112.

4. Юрченко Н. Н. Режимы коммутации транзисторов высокочастотных инверторов при работе на резонансный контур с малой добротностью / Н. Н. Юрченко, П. Н. Шевченко, В. Я. Гуцалюк, О. Н. Юрченко, П. Ю. Герасименко // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. 2007. Ч. 4. С. 3--4.

5. Гуцалюк В. Я. Частотный и широтно-частотный способы регулирования транзисторным инвертором напряжения с последовательным резонансным контуром на выходе / В. Я. Гуцалюк, П. Н. Шевченко, И. О. Слесаревский, П. Ю. Герасименко // Технічна електродинаміка. 2006. №. 6. С. 25--29.

6. Юрченко М. М. Високочастотні транзисторні перетворювачі у системах електроживлення технологічних установок / М. М. Юрченко, О. М. Юрченко, В. Я. Гуцалюк, Ю.О. Твердохліб, В.О. Павловський, П. Ю. Герасименко // Праці ІЕД НАНУ. Збір. наук. праць. 2009. № 23. С. 118--127.

АнотаціЯ

Герасименко Павло Юрійович. Резонансний інвертор напруги з НЧ імпульсною модуляцією для установок індукційного нагріву. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Інститут електродинаміки Національної академії наук України, Київ, 2010.

Дисертація присвячена розвитку теорії транзисторних перетворювачів для установок індукційного нагріву за рахунок вдосконалення методу керування резонансними інверторами напруги з НЧ імпульсною модуляцією, що дозволяє поліпшити техніко-економічні показники таких перетворювачів. Розроблено математичну модель резонансного транзисторного інвертора напруги з НЧ імпульсною модуляцією. Визначено аналітичні залежності, що встановлюють зв'язок між параметрами НЧ імпульсної модуляції та параметрами струму навантаження та визначають вплив параметрів навантаження і параметрів НЧ імпульсної модуляції на діапазон регулювання струму навантаження. Встановлено, що НЧ-ШІМ та НЧ-ЧІМ мають обмежені можливості для застосування в перетворювачах установок індукційного нагріву: застосування НЧ-ШІМ можливе при високій добротність коливального контуру, а застосування НЧ-ЧІМ - при неширокому діапазоні зміни параметрів технологічного навантаження. Проведено комп'ютерне моделювання електромагнітних процесів у силовій частині резонансного транзисторного інвертора напруги та отримано залежність відносної похибки математичної моделі від добротності коливального контуру. Запропоновано метод визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції для зменшення амплітуди та збільшення частоти НЧ пульсації струму навантаження, мінімальної та максимальної амплітуд вихідного струму інвертора та забезпечення широкого діапазону регулювання. Розроблено алгоритми роботи мікропроцесорної системи керування резонансним транзисторним інвертором напруги з НЧ імпульсною модуляцією. Створено мікропроцесорну систему керування резонансним транзисторним інвертором напруги з НЧ імпульсною модуляцією, яка дозволяє реалізовувати складні алгоритми регулювання вихідного струму інвертора напруги та змінювати їх без зміни схеми.

Ключові слова: транзисторний перетворювач, резонансний інвертор напруги, низькочастотна імпульсна модуляція.

АННОТАЦИЯ

Герасименко Павел Юрьевич. Резонансный инвертор напряжения с НЧ импульсной модуляцией для установок индукционного нагрева. - Рукопись.

Диссертаця на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Институт электродинамики Национальной академии наук Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена развитию теории транзисторных преобразователей для установок индукционного нагрева за счет усовершенствования метода управления резонансными инверторами напряжения с НЧ импульсной модуляцией, что позволяет улучсшить технико-экономические показатели таких преобразователей.

Разработана математическая модель резонансного транзисторного инвертора напряжения с НЧ импульсной модуляцией, которая позволяет проводить анализ работы такого инвертора при различных комбинациях параметров НЧ импульсной модуляции.

Определены аналитические зависимости, которые устанавливают связь между параметрами НЧ импульсной модуляции и параметрами тока нагрузки, а также определют влияние параметров нагрузки и параметров НЧ импульсной модуляции на диапазон регулирования тока нагрузки.

Особенностью технологической нагрузки является достаточно широкий диапазон изменения его электрических параметров, в том числе и в процессе выполнения технологической операции. Для обеспечения технологических режимов, как правило, необходимо выполнять регулирование и стабилизацию выходного тока или мощности.

В роботе рассматриваются два режима работы последовательного резонансного транзисторного инвертора напряжения с НЧ импульсной модуляцией: 1) режим регулирования выходного тока инвертора при постоянных параметрах нагрузки; и 2) режим ограничения максимального среднего по модулю выходного тока инвертора.

Определено, что параметры НЧ импульсной модуляции влияют на дискретность регулирования тока, стабильность и величину размаха пульсации амплитуды тока. При больших значения дискретность регулирования уменьшается, однако становятся возможными режимы прерывистого тока, что усложняет работу системы управления с автоматической подстройкой частоты и увеличивает требования к выходному фильтру.

Установлено, что максимальная амплитуда тока будет в режиме ограничения максимального среднего по модулю выходного тока инвертора, минимальная амплитуда тока - в режиме регулирования выходного тока инвертора, а при отсутствии необходимости в регулировании тока нагрузки - в режиме ограничения максимального среднего по модулю значения выходного тока инвертора.

Определено, что НЧ-ШИМ и НЧ-ЧИМ имеют ограниченные возможности применения в преобразователях установок индукционного нагрева: применение НЧ-ШИМ возможно при высокой добротности колебательного контура, а применение НЧ-ЧИМ - при нешироком диапазоне изменения параметров технологической нагрузки.

Проведено компьютерное моделирование электромагнитных процессов в силовой части резонансного транзисторного инвертора напряжения и получена зависимость относительной погрешности математической модели от добротности колебательного контура.

Сформированы принципы выбора параметров НЧ импульсной модуляции для обеспечения необходимого технологического процесса и обеспечения минимальной НЧ пульсации тока нагрузки. Предложен метод определения параметров НЧ импульсной модуляции для уменьшения амплитуды и увеличения частоты НЧ пульсации тока нагрузки, увеличения минимальной и уменьшения максимальной амплитуд выходного тока инвертора, а также обеспечения широкого диапазона регулирования.

Суть метода состоит в том, что 1) задаются входные данные: параметры эквивалентной схемы замещения нагрузки, относительные минимальная и максимальная амплитуды тока на выходе инвертора, наличие или отсутствие необходимости регулирования выходного тока -- 2) определяются основные параметры НЧ импульсной модуляции: минимальная добротность колебательного контура, частота роботы инвертора, максимальное допустимое значение количества периодов за время модуляции , строится таблица значений , которые определятся соотношением и , когда для одного возможны несколько разных комбинаций и , из построенной таблицы исключаются такие комбинации при которых будет больше -- 3) проводится проверка определенных параметров НЧ импульсной модуляции на соответствие принятым ограничениям: используя выражения, полученные с помощью математической модели проводиться проверка параметров НЧ импульсной модуляции из построенной таблицы на соответствие принятым ограничениям, для получения более равномерного шага дискретизации некоторые комбинации исключаются, а комбинированием двух соседних - получаются новые точки характеристики регулирования.

Разработаны алгоритмы работы микропроцессорной системы управления резонансным транзисторным инвертором напряжения с НЧ импульсной модуляцией. Создана микропроцессорная система управления резонансным транзисторным инвертором напряжения с НЧ импульсной модуляцией, которая позволяет реализовывать сложные алгоритмы регулирования выходного тока инвертора и менять их без изменения схемы.

Ключевые слова: транзисторный преобразователь, резонансный инвертор напряжения, низкочастотная импульсная модуляция.

SUMMARY

Herasymenko Pavlo. Resonant voltage inverter with low frequency modulation for induction heating equipment. - Manuscript.

Dissertation thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.09.12 - semiconductor converters of electrical energy. - Institute of electrodinamics of National Sientific of Acadamy of Ukraine, Kyiv, 2010.

Dissertation thesis is devoted to development of transistor converter's theory by improving the method of control resonant voltage inverter with low pulse modulation for induction heating installations, which helps to improve technical and economic parameters of such converters. The mathematical model of the resonant inverter voltage transistor with low frequency pulse modulation is worked out. It is determined analytical expressions that establish the link between low frequency pulse modulation parameters and the parameters of current workload and determine the influence of load parameters and low pulse modulation parameters for adjustment of load current. Established that low frequency and low frequency PWM itself has limited possibilities for use in induction heating converters settings: the use of low frequency PWM possible with high quality factor circuit, and use of low-wherein - in narrow parameter range of technological loads. A computer simulation of electromagnetic processes of resonant inverter transistor voltage fullfiled and dependence of relative error of the mathematical model on quality factor of resonant circuit is obtained. It is sugsested a method for determining low frequency pulse modulation parameters to reduce the amplitude and low frequency ripple current load, minimum and maximum amplitudes of the inverter output current and providing a wide range of adjustment. It is worked out the algorithms of the microprocessor control system resonant transistor voltage inverter with low frequency pulse modulation. A MP control system resonant inverter transistor with low voltage pulse modulation is dezigned which allows to implement sophisticated control algorithms for voltage inverter output current and change them without changing the scheme.

Key words: transistor converter, resonant voltage inverter, low frequency modulation, puls density modulation.

Размещено на Allbest.ru

...