Источник питания для индуктора
POWER SUPPLY FOR INDUCTOR

Изобретение относится к источникам питания индукционных установок для перемешивания жидких металлов, в частности алюминия, в печах и миксерах и направлено на повышение эффективности перемешивания при высоком коэффициенте мощности источника и улучшенном КПД.
Одним из путей повышения эффективности перемешивания жидких металлов является использование источника несинусоидальных токов [1]. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при воздействии несинусоидальным периодическим током (на основании закона Ампера, поле Н линейно связано с током и повторяет его форму) можно увеличить эффективность перемешивания жидкого металла, как за счет более глубокого проникновения электромагнитного поля в его толщу, так и за счет увеличения силы взаимодействия жидкого металла (с наведенными в его толще вихревыми токами) с магнитным полем индуктора.
Известны источники питания с двойным преобразованием напряжения: переменное (АС) - постоянное (DC) - переменное (АС). Структурная схема таких преобразователей и принцип их работы описаны в [2, 3]. Преобразователь включает следующие основные узлы: звено постоянного тока, содержащее неуправляемый выпрямитель (как правило, трехфазный), емкостной фильтр и звено предварительного заряда, мостовой трехфазный инвертор, выполненный на IGBT-модулях, систему управления, датчики тока, включенные в цепь нагрузки, и блок питания. Выпрямитель осуществляет преобразование переменного напряжения сети в постоянное. Инвертор посредством широтно-импульсного модулирования управляет транзисторными ключами и преобразует постоянное напряжение в переменное квазисинусоидальное, требуемой частоты и амплитуды в широком диапазоне.
Этот тип источников с двойным преобразованием обеспечивает высокий коэффициент мощности и применяется, главным образом, в качестве частотного электропривода асинхронных двигателей, для обеспечения всех необходимых режимов работы которых, включая и тормозной режим, в цепи постоянного тока предусмотрены транзисторный ключ и тормозной резистор (на которых в процессе работы источника выделяется дополнительная мощность, что снижает КПД).
Недостатком таких источников можно отметить то, что они работают только на симметричную трехфазную нагрузку, соединенную по схеме "звезда" или "треугольник", в то время как для перемешивания жидких металлов, зачастую, используют двухфазные магнитные системы, как более дешевые, и, кроме того, синусоидальная форма токов в нагрузке не способствует эффективному перемешиванию жидких металлов. Кроме того, на тормозном резисторе в процессе работы источника выделяется дополнительная мощность, что приводит к снижению КПД.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является преобразователь частоты для двухфазного магнитогидродинамического перемешивателя расплавленного металла [4], выполненный также по схеме двойного преобразования и содержащий следующие основные узлы: звено постоянного тока, состоящее из трехфазного выпрямителя и емкостного фильтра; двухфазный инвертор, каждая фаза которого выполнена по мостовой схеме на IGBT-модулях; систему управления; датчики тока, включенные в цепь нагрузки; блок питания. Выход устройства нагружен на двухфазную нагрузку (индуктор), причем фазы нагрузки гальванически не связаны между собой. Формирование синусоидальных токов в нагрузке, равных по величине и сдвинутых относительно друг - друга на 90° (для получения вращающегося магнитного поля в индукторе) осуществляется переключением IGBT-модулей по алгоритмам широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Стабилизация выходных параметров осуществляется с помощью замкнутой автоматической системы регулирования. Для рассеивания энергии, запасенной в магнитной системе индуктора, имеется силовой транзистор торможения и резистор торможения.
Этот преобразователь (далее источник питания для индуктора) имеет достаточно высокий коэффициент мощности и удовлетворяет всем требованиям производства, однако синусоидальная форма токов в обмотках индуктора не позволяет повысить эффективность перемешивания жидкого металла. А поскольку тормозной резистор активно участвует в формировании токов, то на нем выделяется значительная мощность, что влечет снижение КПД.
В основу настоящего изобретения положена задача повышения эффективности перемешивания жидких металлов за счет формирования в источнике, нагруженном на индуктор, несинусоидальных токов при высоком коэффициенте мощности и улучшенном КПД.
Поставленная задача решается тем, что в источнике питания для индуктора, содержащем звено постоянного тока с трехфазным выпрямителем и емкостным фильтром, инвертор с датчиками тока в цепи нагрузки, каждая фаза которого выполнена по мостовой схеме на IGBT-модулях, систему управления, включающую элементы сопряжения с инвертором и микроконроллер, блок питания и тормозные транзистор и резистор, согласно изобретению, в цепи питания каждой фазы инвертора установлен дополнительный датчик тока, а система управления дополнительно содержит блок формирования импульсов, каждый пороговый элемент которого входом соединен с датчиком тока в цепи питания, и одним из выходов через диодную группу - с элементами сопряжения системы управления с одной фазой инвертора, а другим выходом через соответствующую диодную группу соединен с элементами сопряжения системы управления с другой фазой инвертора.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого источника питания, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
А
в
А
В
В
А
А
В
Заявляемый источник питания для индуктора (фиг. 1) выполнен по принципу двойного преобразования и содержит 3-х фазный выпрямитель 1, емкостной фильтр 2, звено предварительного заряда 3, инвертор, например, 2-х фазный 4 (4) с соответствующими для каждой фазы нагрузкой 5 (5) и датчиком 6 (6) тока нагрузки. В цепи питания каждой фазы инвертора (либо в «+», либо в «-») установлены датчики 7 и 7 тока, соответственно. Датчики 6 и 6 тока нагрузки соединены с соответствующими входами системы управления 8, чьи управляющие выходы соединены с соответствующими ключами соответствующих фаз 4 и 4 инвертора. Система управления 8 содержит блок 9 формирования импульсов, в котором каждый пороговый элемент 10 (10) входом соединен с датчиком 7 (7) тока в цепи питания соответствующей фазы. При этом одним выходом каждый пороговый элемент 10 (10) через диодную группу 11 (11) соединен с элементами сопряжения системы управления 8 с соответствующей фазой инвертора, а другим выходом через другую диодную группу 12 (12) он соединен с элементами сопряжения системы управления с другой фазой инвертора и микроконтроллером 13. Параллельно питанию ключей инвертора подсоединен блок защиты, включающий тормозной резистор 14 и тормозной транзистор 15. Источник питания включает в себя также низковольтный блок питания 16, обеспечивающий функционирование (питание) системы управления 8 с микроконтроллером 13 и питание схем управления ключами инвертора 4 (4).
А
В
1
4
3
2
1
4
3
2
1
4
А
3
2
А
В
1
4
В
3
2
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
А
В
В
А
Основная идея, заложенная в данном устройстве, заключается в перераспределении энергии, при воздействии специально сформированных сигналов, из одной фазы индуктора в другую. При включенном питании источника и подаче команды "пуск" система управления 8 формирует сигналы управления силовыми IGBT-модулями. Сигналы управления модулями (ключами) соответствующих фаз 4 и 4 инвертора сдвинуты относительно друг друга на 90°  и обозначены А, А, А, А (фаза А), В, В, В, В (фаза В). В интервале сигналами управления A, А (фиг. 2) открываются соответствующие ключи, и формируется положительная полуволна тока в нагрузке 5. В интервале  сигналами A, А открывается другая пара ключей, и формируется отрицательная полуволна тока в нагрузке 5. Аналогично работают ключи в инверторе 4. В интервале  сигналами В, В формируется положительная полуволна тока в нагрузке 5, в интервале  сигналами В, В формируется отрицательная полуволна тока. Величина тока в нагрузке 5 (5) задается широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) только верхними (по схеме фиг. 1) ключами в обеих фазах. Нижние ключи ШИМ не модулируются и открываются на все время действия полуволны тока. Такое управление обеспечивает неразрывную циркуляцию тока в паузах между импульсами ШИМ через нижний открытый ключ и обратный диод противоположного ему верхнего ключа, что исключает возникновение перенапряжения на нагрузке и силовых модулях (ключах) инвертора. Переключение диагоналей мостовых схем инвертора производится с задержкой Δt (фиг. 2). В промежуток времени Δt все силовые ключи соответствующей фазы заперты, и нагрузка подключается через обратные диоды к конденсаторам емкостного фильтра 2. При этом энергия, накопленная в индуктивной нагрузке 5 (5), будет, преобразовываясь, заряжать конденсаторы фильтра 2. Одновременно с этим на выходе датчиков тока 7, 7 в соответствующие моменты времени появятся сигналы отрицательной полярности (диагр. 5) и 13) фиг. 2). Эти сигналы поступают на соответствующие пороговые элементы 10 (10) блока 9 формирования импульсов, с помощью которых формируются для каждой фазы прямоугольные импульсы (диагр. 6) и 14) фиг. 2). Инвертированные сигналы (диагр. 7) и 15) фиг. 2) подаются на диодные группы 11 и 11 соответствующих фаз, которые подключены к выходным каскадам системы управления 8. Появление на выходах пороговых элементов 10 (10) сигналов низкого уровня приводит к открыванию соответствующих диодных групп 11 (11), и тем самым, блокируется прохождение сигналов управления на силовые модули (ключи) инвертора. В этот момент времени все ключи соответствующей фазы закрываются (режим блокировки), и энергия, накопленная в обмотке индуктора (нагрузке), будет "сбрасываться" в батарею конденсаторов емкостного фильтра 2, заряжая ее. Одновременно с процессом разряда обмотки индуктора (нагрузки) одной фазы реализован процесс заряда обмотки (нагрузки) другой фазы. Для этого прямоугольные импульсы с другого выхода порогового элемента 10 (фазы А) подаются на диодную группу 12 (фазы В), а с другого выхода порогового элемента 10 (фазы В) - на диодную группу 12 (фазы А). Эти сигналы поступают также на входы микроконтроллера 13 схемы управления 8, максимально увеличивая длительность импульсов ШИМ того ключа, на входе которого присутствуют импульсы высокого уровня. При этом скорость нарастания тока резко увеличивается, как за счет полного открывания ключа, так и за счет возрастания напряжения на конденсаторе.
А
В
В
А
А
А
В
А
В
Таким образом, обеспечивается ускоренный процесс "перекачки" энергии из одной фазы в другую через конденсаторы фильтра 2. При этом на нагрузках 5 (5) формируются токи несинусоидальной формы (на диаграммах 8) и 16) фиг. 2 показаны формы токов). На кривых токов можно выделить временные интервалы, соответствующие следующим процессам. Например, для кривой тока в нагрузке 5 фазы А в интервале  с пологим нарастанием тока, идет процесс предварительного накопления энергии. В момент времени  происходит разряд обмотки (нагрузки 5), и ее энергия перераспределяется в нагрузку 5. Ток в нагрузке 5 быстро возрастает и, по окончании процесса заряда формируется плоская вершина в интервале ~  На этом участке скорость изменения тока  близка к нулю и, согласно [1], будет происходить максимальное проникновение электромагнитного поля в толщу металла. В момент  происходит разряд нагрузки 5 и перераспределение ее энергии в нагрузку 5. При разряде скорость изменения тока максимальна. Результирующий вектор электромагнитного поля будет вращаться дискретно через 90° при каждой смене полярности токов в нагрузках 5, 5.
В
Таким образом, в моменты времени, кратные , скорость изменения тока в каждой фазе - максимальна, следовательно, и сила F взаимодействия жидкого металла с электромагнитным полем будет максимальна, т.е. эффективность его перемешивания возрастает [1]. Далее, процесс повторяется при изменении полярности тока. Аналогичные процессы протекают и в нагрузке 5.
Повышение КПД источника заключается в следующем.
А
В
А
В
1. В процессе перераспределения энергии, запасенной в нагрузках 5, 5, напряжение на конденсаторе емкостного фильтра 2 становится больше напряжения питающей сети, диоды выпрямителя 1 запираются и отключают питающую сеть. В эти промежутки времени токи в нагрузках 5, 5 формируются только за счет накопленной в них энергии.
2. Тормозные резистор 14 и транзистор 15 (фиг. 1) не принимают участия в процессе формирования токов и служат исключительно для защиты силовых элементов от перенапряжений, которые могут возникнуть в аварийных режимах, например, при аварийном отключении питающей сети или обрыве только одной ее фазы, обрыве нагрузки и т.п.
Практическая реализация изобретения
Для проверки заявляемого изобретения был изготовлен опытный образец источника питания на IGBT-модулях по структурной схеме (фиг. 1).
С помощью сигналов системы управления, дополнительных датчиков тока и блока формирования импульсов был реализован изложенный выше процесс перераспределения энергии из одной фазы нагрузки в другую.
Испытания источника проводились в лабораторных условиях на двухфазном индукторе. Индуктивность каждой обмотки индуктора составляла L=0,4 Гн, взаимная индуктивность М=0,2 Гн. Рабочие частоты, на которых обычно работают перемешиватели жидких металлов, находятся в диапазоне 0,4-1,0 Гц.
На фиг. 3 представлены осциллограммы токов в нагрузках. Амплитудные значения токов составили 240 А, частота - 0,62 Гц. Как видно из фиг. 3, форма токов имеет плоские вершины, где  и крутые фронты, имеющие максимальную скорость изменения токов.
На фиг. 4 приведена осциллограмма напряжения на одной фазе нагрузки (напряжение снималось с делителя 1:5).
На приведенной осциллограмме напряжение на нагрузке представляет собой последовательность импульсов ШИМ положительной и отрицательной полярности, находящихся в соответствии с полярностью формируемого тока. В начале каждой последовательности есть импульсы напряжения, превышающие по амплитуде импульсы с ШИМ модуляцией. Эти импульсы соответствуют процессу разряда тока в нагрузке этой фазы. На этот момент блокируется управление ШИМ. По окончании разряда начинается процесс предварительного заряда, и через  появляется второй всплеск напряжения. Это обусловлено разрядом другой фазы. В этот момент максимально открывается верхний ключ наблюдаемой фазы и происходит формирование плоской вершины тока. Напряжение на нагрузке вновь превышает амплитуду ШИМ импульсов. По окончании формирования полуволны тока, все ключи этой фазы закрываются, и нагрузка подключается параллельно конденсаторам фильтра 2 через обратные диоды инвертора. Далее процесс повторяется.
Проведенные испытания позволили получить несинусоидальные токи в нагрузке, имеющие плоские вершины и крутые фронты. Токи сдвинуты относительно друг друга на 90°. В индукторе возбуждается магнитное поле, вращающееся дискретно через 90°, что ускоряет процесс гомогенизации расплава.
Измерение cosϕ проводилось с помощью комбинированного прибора для измерения активной, реактивной и полной мощности. Измерялась активная мощность Р и полная S. Коэффициент мощности вычислялся по формуле
и составил cosϕ≥0.9.
Эффективность источника питания по расходу электроэнергии оценивалась путем сопоставления длительности временных отрезков, в течение которых энергия из сети не потреблялась, к периоду тока в нагрузке. По нашим оценкам расход электроэнергии сокращается на 13-15%, что соответствует повышению КПД источника.
Кроме лабораторных испытаний проводились испытания заявляемого источника питания на действующем миксере с жидким алюминием на Красноярском алюминиевом заводе.
Проведенные испытания подтвердили правильность решения поставленной задачи и достижение технического результата, заключающегося в возможности повышения эффективности перемешивания жидких металлов за счет формирования несинусоидальных токов при высоком коэффициенте мощности и улучшенном КПД источника питания для индуктора.
Источники информации
1. Индукционная установка для перемешивания жидких металлов. Патент RU 2524463 С2.
40
2. http://artesk.ru/invertor_Shema.html (дата обращения: 13.11.2016, 10)
40
3. http://ges.ru/raznoe/triol/240.htm (дата обращения: 13.11.2016, 10)
00
4. Преобразователь частоты П4-ТМПТ-250-380-1 для двухфазного магнитогидродинамического перемешивателя расплавленного металла http://www.evas.b.ru/otraslevye-resheniya/metallurgia/elektromagn-peremeshivanie-metallov/ (дата обращения: 09.11.2016, 13)