ЦИФРОВАЯ МОДУЛЬНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Цифровая модульная универсальная электротехнологическая установка - изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике и может быть использовано в промышленности, для обеспечения требуемыми электрическими параметрами (частота, напряжение, ток, фаза и т.п.) различных электротехнологических процессов, а на транспорте для управления одно- и многофазными электродвигателями.
Известен инвертор напряжения (см. патент US 005432694, 1994.28.02, МПК Н02М 7/537) работающий в квазирезонансе, включает мостовой инвертор с управляемыми компонентами, работающими в насыщаемом режиме, и колебательный контур, устроенный на стороне питания инвертора и состоящий из катушки индуктивности последовательно с мостовым инвертором, и конденсатора, связанного параллельно с мостовым инвертором, регулированием выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Указанный инвертор работает в квазирезонансном режиме. Это означает, что ток через нагрузку имеет синусоидальный характер, только на отдельных участках. Поэтому в нагрузке возникают токи и высших гармоник, что ухудшает электромагнитную совместимость таких устройств. А метод создания ШИМ лишает данное устройство универсальности. Примером этого может служить то, что его невозможно использовать в технологиях индукционного нагрева.
Наиболее близкий технический результат к заявляемому решению отражен в источнике питания нелинейной нагрузки (см. патент RU №2199814, 2000.10.30, МПК Н02М 7/537) содержащий последовательно соединенные задающий генератор и формирователь импульсов, управляющий силовыми ключами последовательного резонансного инвертора напряжения или тока, в диагональ переменного тока которого включена первичная обмотка повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических серий импульсов, причем частота следования импульсов в серии постоянна, а число импульсов в каждой серии определяется кодом числа на входе задающего генератора.
Однако, данное устройство имеет невысокие массогабаритные характеристики, т.к. не происходит непрерывное преобразование энергии. Ввиду того, что формирование периодических серий импульсов происходит с временными интервалами между смежными импульсами в этих сериях, которые превышают время завершения переходных процессов. А также, отсутствие логического элемента в цепи обратной связи, который представляет режимы рассогласования резонанса, инвертора и нагрузочного контура, в двоичном коде. Это снижает помехоустойчивость схемы настройки в резонанс, инвертора с нагрузочным контуром.
Известна полезная модель (см патент RU №14479, 2000.05.05, МПК Н03В 1/02) среднечастотный тиристорный генератор выполненный с водяным и принудительно воздушным охлаждением в виде настольного устройства весом не более 65 кг и габаритами не более 0,405×0,555x0,480 м, с рабочей частотой от 4 до 10 кГц и регулируемой выходной мощностью до 25 кВт, состоящим из двух блоков, соединенных между собой. Недостатком данного устройства - низкая частота преобразования, что снижает его массогабаритные характеристики.
Наиболее близкий технический результат к заявляемому решению отражен в полезной модели (см. патент RU №12756, 1999.07.29, МПК Н03В 1/02) высокочастотный малогабаритный транзисторный генератор, выполненный в виде каркасных конструкций, собранных из элементов блочных унифицированных конструкций (БУК), имеющих габариты, не превышающие 450×230×350, и вес не более 12,5 кг, причем монтаж генератора выполняют поблочно, включая блок системы управления, блок силового выпрямителя и источника питания системы управления, высокочастотный генераторный блок, блок драйверов силовых транзисторов, а также возможно подключение блока батареи конденсаторов и дополнительных блоков в свободные ячейки конструктива, при этом все блоки в необходимом порядке вставляют по направляющим в корпус и подключают с помощью разъемов, распаянных в соответствии со схемой соединений блоков и расположенных в задней части конструктива, при этом применяют воздушную систему охлаждения. Недостаток конструкции этого устройства - она не является цифровой и модульной, что не дает ей быть универсальной. Отдельные блоки этой конструкции устанавливаются в едином корпусе.
В основу настоящего изобретения положена задача создания надежной цифровой модульной универсальной электротехнологической установки (далее по тексту - установка), которая может использоваться в любых электротехнологических процессах путем выбора соответствующего программного обеспечения и смены согласующего устройства. Эта электротехнологическая установка позволяет сделать производство предприятия весьма гибким.
Указанная задача решается тем, что в известном источнике питания нелинейной нагрузки, содержащим последовательно соединенные задающий генератор выполненный по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических циклов генерации (серий), причем частота следования импульсов постоянна, а число импульсов в сериях определяется кодом числа на входе задающего генератора, последовательный резонансный инвертор напряжения (тока) и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, согласно изобретению вместо задающего генератора выполненного по цифровой схеме используется микроконтроллер, который имеет порты ввода-вывода данных, обратной связи и управления элементами инвертора Формирование периодических циклов генерации (серий) с постоянной или переменной частотой следования происходит путем амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) частоты преобразования инвертора, причем число импульсов в сериях записано в программе и определяется требованиями, к выходной характеристики инвертора Поддержание в резонансе инвертора и нагрузочного контура, осуществляется посредством цепи цифровой обратной связи, которая содержит программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) или просто логическую схему, для связи инвертора с портом обратной связи микроконтроллера Выполнена виде последовательно соединенных модулей, модуля питания от сети переменного тока, если питание инвертора осуществляется от сети переменного тока, модуля цифрового резонансного инвертора и согласующего модуля Согласующий модуль соединяется с цифровым резонансным инвертором, при помощи соединительной линии с разъемами Согласующий модуль имеет разъем для присоединения сменного рабочего инструмента
Путем поддержания в резонансе инвертора и нагрузочного контура, обеспечивается стабильность заданных выходных характеристик инвертора. Это осуществляется посредством цепи цифровой обратной связи, которая может содержать программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) или просто логическую схему, для связи инвертора с портом обратной связи микроконтроллера. Это еще одно отличие настоящего изобретения, которое определяет инвертор, как истинно цифровой.
Наличие блоков в виде отдельных модулей таких, как преобразователя энергии переменного в энергию постоянного тока, если питание инвертора осуществляется от сети переменного тока, цифрового резонансного инвертора и модуля согласования выходных электрических параметров инвертора с требуемыми параметрами обрабатываемой среды, делает установку универсальной, а ее конструкцию модульной.
Указанные выше и другие преимущества, а также особенности настоящего изобретения будут более понятными после рассмотрения приведенного ниже подробного описания, сопровождаемого чертежами, на которых:
Фиг.1 приведены временные диаграммы, поясняющие создание ШИМ с помощью АИМ.
Фиг.2 представлена структурная схема заявляемой установки согласно настоящему изобретению, где вместо задающего генератора выполненного по цифровой схеме используется микроконтроллер, а в цепи обратной связи цифровая.
Фиг.3 изображает установку в виде отдельных модулей. Фиг.4 показан алгоритм подпрограммы поддержания в резонансе инвертора и нагрузочного контура.
Установка содержит последовательно соединенные модули. Модуль питания от сети переменного тока 1 (фиг.3), представляющего из себя преобразователь энергии переменного в энергию постоянного тока 1 (фнг.2), если питание инвертора осуществляется от сети переменного тока. Модуль цифрового резонансного инвертора 2 (фиг.3) представляющего последовательно соединенные микроконтроллер 3 (фиг.2) с портом ввода-вывода данных А на внешнюю шину 4 и дисплей 2, инвертор 5 с управляемыми элементами 6, 8, 11 и 12 через порт управления В микроконтроллера 3, согласующего трансформатора 16, являющегося частью нагрузочного контура 15 согласующего модуля 14 с обрабатываемой средой 13, соединенного посредством линий 70 и 80, цепи Цифровой обратной связи 7 соединенной посредством линии 30 с портом обратной связи С микроконтроллера 3, а посредством линий 50 и 60 через согласующие элементы 9 и 10 с управляемыми элементами 6 и 8 инвертора 5. Согласующий модуль 4, (фиг.3) соединенный при помощи соединительной линии 3, имеющий устройство крепления 5 для сменного рабочего инструмента и служащий для согласования выходных параметров инвертора 5 (фиг.2) с параметрами обрабатываемой среды 13.
вых
вых
Установка, представленная фиг.2 работает следующим образом. При переводе выключателя (на чертеже не показано) в положение «Включено» на инвертор 5 и микроконтроллер 3 подается напряжение питания, происходит инициализация микроконтроллера 3, а управляемые элементы 6, 8, 11 и 12 закрыты, установка находится в режиме «Ожидания». Путем интерактивного взаимодействия оператора и установки через дисплей 2 и шину 4 выбирается требуемое программное обеспечения, которое создает На выходе инвертора 3 необходимую выходную характеристику для выбранного электротехнологического процесса. При нажатии кнопки «Пуск» (на чертеже не показано) микроконтроллер 3 начинает попарно и поочередно открывать и закрывать управляемые элементы 6, 8, 11 и 12. Например, управляемые элементы 8 и 11 закрыты, а 6 и 12 открыты» через некоторое время, равное половине периода резонансной частоте нагрузочного контура 15, управляемые элементы 8 и 11 открыты, а 6 и 12 закрыты. Отсчитав целое число полупериодов тока I в нагрузочном контуре 15, равное половине числа N (фиг.1а) микроконтроллер 3 дает команду на закрытие управляемых элементов 6, 8, 11 и 12. Затем микроконтроллер 3 отсчитав, которое Могло быть, целое число полупериодов тока I в нагрузочном контуре 15, равное половине числа К(фиг.1в) микроконтроллер 3 начинает попарно и поочередно открывать и закрывать управляемые элементы 6, 8,11 И 12. Весь этот цикл может повторяться при К=const с постоянной (фиг.1а) частотой, при К=const с переменной частотой (фиг.1в). Числа N и К записанные в программу изменяются по закону выбранной выходной характеристики инвертора 5. Таким образом, мы получили АИМ частоты Преобразования инвертора 5. Для получения ШИМ нам необходимо произвести детектирование АИМ, т.е. выпрямить и отфильтровать его. В результате получаем ШИМ с постоянной частотой (фиг.16) или переменной частотой (фиг.1 г). При использовании ШИМ для получения различной выходной характеристики на нагрузке, применяется известная формула U=U×t/T=U×N/(K+N)=U×1/[(K/N)+1] (фиг.1a, 1в), где U - напряжение на нагрузке. В некоторых электротехнологических процессах выпрямления и фильтрации АИМ не требуется, а интегрирование происходит в самой обрабатываемой среде, например индукционный нагрев. Инвертор может быть полумостовым, тогда управляемые элементы 11 и 12 заменяются на конденсаторы, а порядок работы установки при этом не меняется. Также инвертор может быть и многофазным.
В электротехнологических процессах нагрузка имеет меняющийся характер, что делает нагрузочный контур 15 (фиг.2) не стабильным по резонансной частоте. Для того чтобы работа инвертора 5 всегда осуществлялась в резонансе с нагрузочным контуром 15 введена цепь цифровой обратной связи 7. Поддержание работы инвертора 5 в резонансе с нагрузочным контуром 15 осуществляется следующим образом. При работе инвертора 5 в из управляемых элементов 8 и 9 через согласующие элементы 9 и 10 в цепь цифровой обратной связи 7 поступает цифровой код в то время когда, открыт управляемый элемент 8 или 9. Полученный цифровой код от управляемых элементов 8 и 9 объединяется в логическом элементе D цепи цифровой обратной связи 7 и по линии 30 передается в порт обратной связи С микроконтроллера 3. Сам цифровой код условный и выбирается разработчиком программного обеспечения. Например, при отклонение частоты инвертора 5 право от резонансной частоты нагрузочного контура 15 представлено 0 (В'00'), а влево 2 (B'10'), отсутствие отклонения 1 (В'01'). Получив цифровой код микроконтроллер действует в соответствии с алгоритмом (фиг.4), передает его на блок входа 100 далее На блок ветвления 200, где сравнивается с кодом резонанса, записанного в программу, если отклонения нет, то управление передается блоку выхода 700, который выводит управление из подпрограммы. В случае отклонения, управление передается блоку ветвления 300, если отклонение в право управление передается/блоку шаг в лево 400. Блок шаг влево сдвигает частоту инвертора влево, и управление передается блоку 200 для повторения цикла. Если отклонения вправо нет, то управление передается блоку ветвления влево 500. При отклонении влево, управление передается блоку шаг вправо 600. Далее цикл повторяется» что приводит инвертор 5 (фиг.2) в резонанс с нагрузочным Контуром 15. Управление логическим элементом D цепи цифровой обратной связи 7 осуществляется. Микроконтроллером 3 через порт управления В посредством линии 40. Логический элемент D цепи цифровой обратной связи 7 может быть ПЛИС. Логический элемент D цепи цифровой обратной связи 7 может отсутствовать, но тогда линия 30 должна быть многолинейной, а это снижает помехоустойчивость обратной связи.
При использовании установки в различных электротехнологических процессах необходимо заменить согласующий модуль 4 (фиг.3) на соответствующий выбранному электротехнологическому процессу. Отсоединив соединительную линию 3 с помощью быстроразъемного соединения (на чертеже не показано) и подсоединив ее к выбранному. Согласующие модули для различных электротехногогических процессов отличаются по конструкции И схемотехники и являются предметом множества будущих изобретений.
В промышленности можно выделить пять основных групп электротехнологических процессов:
В электротермических процессах используется превращение электрической энергии в тепловую для нагрева Материала изделий с целью изменения их агрегатного состояния, формы или свойств.
Электросварка.
В электросварочных процессах получаемая из электрической энергии тепловая энергия Используется для создания неразъемного соединения деталей.
Электрохимические методы.
В электрохимических процессах с помощью электрической энергии осуществляется разложение химических соединений И их разделение в жидкой среде под действием электрического поля (электролиз, гальванотехника, анодная электрохимическая обработка).
Электрофизические методы.
Электрофизические методы используют специальные физические эффекты для превращения электрической энергии как в тепловую, так И в механическую (электроэрозионные, ультразвуковые, магнитоимпульсные, электровзрывные, плазменные, электронно-лучевые, лазерные технологии).
В аэрозольных технологиях (электронно-ионных) энергия электрического поля используется для сообщения электрического заряда взвешенным в газовом потоке частицам и для перемещения их в заданном направлении.
Наряду с перечисленными Методами в различных отраслях промышленности нашли применение технологические процессы и установки, в которых основные и вспомогательные операции реализуются за счет непосредственного механического (силового) воздействия электрического и магнитного полей на обрабатываемые изделия и материалы. Такие методы и установки можно классифицировать по виду полей, воздействующих на объекты технологической обработки: стационарные, пульсирующие, вращающиеся, бегущие. Например, стационарные электрические поля применяются в аэрозольных технологиях (пылегазоочистка, электроокраска, электрография, нанесение порошковых покрытий), в электрических сепараторах для разделения твердых сыпучих смесей, в устройствах водоочистки.
Стационарные магнитные поля используются в магнитных сепараторах для извлечения ферромагнитных предметов и частиц из сырья и отходов, для разделения минеральных смесей в обогатительном производстве, при водоочистке, а также для захвата или фиксации стальных заготовок и Удаления металлоотходов из рабочей зоны при металлообработке. С использованием пульсирующих Магнитных полей работает ряд электродинамических устройств и некоторые виды Магнитных или электродинамических сепараторов.
Воздействие импульсных электромагнитных полей применяется в устройствах для магнитоимпульсной обработки материалов давлением и при электродинамической сепарации. Вращающиеся и бегущие магнитные поля используются в МГД-технологиях, обработке жидких металлов (перемешивание, транспортировка и т.д.), при электродинамической сепарации и водоочистке. Перечисленные процессы и установки, использующие Механическое действие электрического и магнитных полей, нашли достойное применение в самых различных отраслях промышленности (металлургия, металлообработка, машиностроение, горнообогатительное производство, природоохранные технологии).
Такая схема приближается к схеме идеальной классификации электротехнологических методов (электротермические, электрохимические, электромеханические), соответствующие трем видам преобразования энергии: тепловая, химическая, механическая.
Предварительные расчеты и эксперименты показали, что при использовании описанных изобретений, современных электронных приборов и магнитомягких материалов установка мощностью 100 кВт.66 кГц. должна иметь вес 30-40 кг. и к.п.д. 98%. На сегодняшний день, аналогичные установки весят 300-2000 кг. при к.п.д. не выше 80%. А истинно цифровых (т.е. не используют аналого-цифровых преобразователей и аналоговых величин при поддержании резонанса и управлении управляемыми элементами инвертора) установок в мире нет. Модульность этой установки позволяет использовать ее в различных электротехнологических процессах, т.е. необходимо выбрать соответствующее программное обеспечение и заменить согласующий модуль на требуемый для данного процесса. Например: выбрав программное обеспечение, которое делает выходную характеристику инвертора крутопадающую, необходимую для дуговой сварки, а выход инвертора соединить с согласующим модулем для сварки. После этого можно вести сварочные работы. При необходимости выполнения индукционного нагрева, надо выбрать для этого процесса программу и согласующий модуль. Поэтому данная установка универсальная и позволяет сделать производство весьма гибким и не дорогим. Если на производстве используется несколько электротехнологических процессов, то нет необходимости приобретать установки для каждого процесса, достаточно приобрести только согласующий модуль. Стоимость согласующего модуля 5-30% от стоимости всей установки. Нами построен макет такой установки. Он подтверждает реализуемость идеи, только необходимо провести НИОКР для того, чтобы она стала полноценной и-надежной, а также разработать согласующие модули для различных электротехнологических процессов.