Исследование параллельной работы quarter-bridge инверторов для индукционной плавки металлов

УДК 621.365.5

Ю.М. Голембиовский, А.А. Костерев

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ QUARTER-BRIDGE ИНВЕРТОРОВ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ

Приведены результаты расчетов на компьютерной модели токов, напряжений и мощности, отдаваемой одноключевым (quarter-bridge) инвертором в процессе индукционной плавки металлов, позволившие обосновать целесообразность применения многомодульного источника питания индукционной печи. Описана структура трехмодульной системы питания и приведены кривые, поясняющие динамику электромагнитных процессов при изменении режимов работы модулей.

Инвертор, индукционная плавка, система питания

Yu.M. Golembiovsky, A.A. Kosterev

RESEARCH OF PARALLEL OPERATION OF QUARTER-BRIDGE OF INVERTERS FOR INDUCTION MELTING OF METALS

Results of calculations on computer model of currents, tension and the capacity given by one-key (quarter-bridge) by the inverter in the course of induction melting of metals, allowed to justify feasibility of use of the multimodular power supply of the induction furnace are given. The structure of three-building block system of a supply is described and the curves explaining dynamics of electromagnetic processes in case of change of operation modes of modules are given.

Inverter, induction melting, supply system

Введение

Параллельная работа группы вентильных преобразователей частоты на общую нагрузку привлекает внимание специалистов по ряду причин. Во-первых, создаются предпосылки для унификации изделий преобразовательной техники; во-вторых, включение отдельных преобразовательных модулей на параллельную работу позволяет оперативно адаптировать структуру всего преобразовательного комплекса к изменяющимся параметрам нагрузки путем включения-выключения модулей или изменения режимов их работы с целью минимизации потерь электроэнергии и увеличения ресурса работоспособности силовых элементов; в-третьих, повышается

«живучесть» всей системы локального электроснабжения, поскольку выход из строя какого-либо модуля не приводит к аварии всей системы, а лишь к снижению генерируемой мощности; наконец, в-четвертых, существенно снижаются затраты на резервирование, если таковое требуется для обеспечения высокой надежности системы электроснабжения.

Различные аспекты организации параллельной работы преобразовательных модулей неоднократно обсуждались на страницах научных изданий. В [1-12] сформулированы основные проблемы организации параллельной работы автономных инверторов тока (АИТ):

- обеспечение равномерной нагрузки параллельно работающих преобразователей в установившихся и переходных режимах;

- обеспечение адаптации структуры системы электроснабжения к изменяющимся параметрам нагрузки по критерию минимизации потерь электроэнергии и экономии ресурса работоспособности вентилей.

В этих и ряде других работ предложены и рассмотрены схемотехнические решения АИТ, позволяющих оперативно изменять функции параллельно работающих преобразовательных модулей, переводя их из режима генерации активной мощности в режим генерации реактивной мощности и обратно.

В [8-10] задача организации параллельной работы автономных инверторов тока решается применительно к системам индукционного нагрева металлов. Рассмотрены различные способы обеспечения равномерной загрузки АИТ:

- регулирование напряжения звена постоянного тока;

- изменение фазового сдвига выходных напряжений отдельных АИТ.

Не касаясь обсуждения вопросов эффективности применения того или иного способа организации параллельной работы преобразователей частоты, обратим внимание лишь на то, что во всех перечисленных работах преобразовательные модули строятся на основе трехфазных или однофазных мостовых схем. В то же время в последние годы появились высоковольтные мощные однооперационные тиристоры, в связи с чем усилился интерес к одноключевым схемам резонансных АИТ (quarter-bridge) и их использованию в системах индукционного нагрева металлов.

1. Одноключевой преобразователь

На рис. 1 представлена модель quarter-bridge-модуля в системе компьютерного моделирования PSIM 9 demo, которая в общем случае содержит:

- управляемый выпрямитель (УВ);

- индуктивный фильтр (Ьф);

- одноключевой инвертор (И);

- коммутирующие емкости (Ск,Си),

- индуктор (Инд).

HD File Edit View Subcircuit Elements Simulate Options Utilities Window Help

Рис. 1. Одноключевой инверторный модуль

Параметры элементов модуля показаны на самой модели и обеспечивают резонансный режим работы во всем диапазоне изменения параметров индуктора в процессе плавки.

На вход УВ подается переменное трехфазное напряжение 380 В промышленной частоты 50 Гц. На выходе возникает выпрямленное напряжение амплитудой до 515 В, которую можно регулировать, используя систему управления. Емкостной фильтр сглаживает пульсации напряжения. Одноключевой инвертор состоит из полупроводникового элемента или цепочки последовательно соединенных элементов (в данном случае с неполным управлением -тиристора), шунтированных обратными диодами. Для компенсации реактивной составляющей мощности используется конденсаторная батарея. И, наконец, весь инверторный модуль нагружен на индуктор с изменяющимися электрофизическими параметрами.

2. Изменение параметров индукционной печи в процессе плавки

Идея применения многомодульного преобразовательного комплекса с изменяющейся в процессе плавки структурой базируется на [11, 12], в которых впервые представлены теоретические зависимости основных параметров индуктора (резонансной частоты, эквивалентного активного сопротивления и индуктивности, напряжения, тока и мощности, отбираемой индукционной печью) от температуры нагреваемого тела для режимов постоянного тока в индукторе (1инд=СОП$1), постоянного напряжения (иинд=СОП80 и постоянной мощности в индукторе (Ринд=еоп$1). Несмотря на то, что указанные зависимости носят, скорее, качественный, чем количественный характер (поскольку построены в предположении о нагреваемом теле как о сплошном цилиндре), они дают явное представление о характере изменения параметров индуктора в процессе плавки, и могут быть использованы для оценки диапазона изменения требований к паспортным параметрам ключевых элементов источников питания индукционных установок.

Выполненные расчеты показали, что наиболее широко изменяется в процессе индукционного нагрева величина отдаваемого инвертором тока в режиме постоянной мощности, потребляемой индуктором. На рис. 2 представлены зависимости резонансной частоты ш, эквивалентного активного сопротивления Яэ и индуктивности Ьэ в режиме Ринд=сош1 для стандартной печи с параметрами:

- диаметр индуктора (Э) - 0,54 м;

- длина индуктора (1) - 0,56 м;

- число витков ^) - 14;

- удельное сопротивление металла (р) - 0,098* 10-6 Ом-м;

- величина зазора (И) - 0,031 м.

Рис. 2. Зависимости резонансной частоты (шр), активного сопротивления (Яд) и индуктивности (Ьэ) индуктора от температуры нагрева металла

Ток инвертора иинв, В Напряжение инвертора Эинв, кВА Мощность инвертора

Рис. 3. Зависимости 1инв(а), иинв(б), Бинв(в) от температуры нагреваемого тела для режима Ринд=сопв1

Полученные зависимости позволили рассчитать и построить графики (рис. 3) изменения выходного тока инвертора, напряжения и отдаваемой мощности в процессе плавки для модели, показанной на рис. 1.

Анализ полученных кривых рис. 3 позволяет сделать следующие выводы:

1. Полная мощность на выходе quarter-bridge инвертора, которая определяет класс тиристора по току и напряжению, изменяется от начала плавки и до точки Кюри в 2,5-3 раза.

2. Наибольшее амплитудное значение напряжения на тиристоре соответствует температуре 525 ‘С. Именно это значение определяет класс тиристора по напряжению.

3. Поскольку при параллельном соединении модулей инверторные ключи находятся под одним и тем же напряжением, отсутствует возможность управлять данным параметром при оперативном изменении количества параллельно включенных инверторов. Это означает, что оперативная адаптация структуры преобразовательного комплекса к изменяющимся параметрам нагрузки возможна только путем изменения суммарного номинального тока включаемых на параллельную работу инверторных модулей.

4. Величина отдаваемого инверторным модулем тока (рис. 3а) в процессе плавки изменяется в три раза. Поэтому минимальная комплектация quarter-bridge комплекса должна

3

2 р ном

включать три модуля мощностью ——3-----------каждый. Тогда в диапазонах температур 0^Ть

Т2^Т3 должны работать два модуля, в диапазоне Т^Т2 - три модуля, и при Т> Т3 достаточно для питания индуктора мощности одного инвертора.

3. Трехмодульный преобразовательный комплекс

Структурная схема трехмодульного quarter-bridge комплекса представлена на рис. 4. Комплекс включает трансформаторы для гальванической развязки входной цепи и цепи нагрузки, три модуля управляемых выпрямителей УВ1..УВ3 с соответствующими блоками управления БУВ1..БУВ3, индуктивные фильтры, три модуля quarter-bridge инверторов И1..И3, управляемых каждый своим блоком управления, батарею коммутирующих конденсаторов и непосредственно индуктор.

Оперативная перестройка структуры заключается в своевременном отключении/включении одного из модулей в зависимости от величины тока, отдаваемого комплексом в нагрузку. На рис. 5 приведены осциллограммы токов и напряжений на индукторе и на инверторных модулях в момент отключения одного из них.

-330 В,50 Гц

Рис. 4. Структурная схема трехмодульного quarter-bridge инвертора

Как видно из рисунка, в ходе отключения первого модуля (Ппу1) амплитуды тока (I_inductor) и напряжения (V_inductor) после кратковременного спада приняли прежние на-чения, в то время как отдаваемый остальными модулями (Ппу2) ток в индуктор возрос. То есть оставшееся в работе модули распределили между собой нагрузку, тем самым повышая КПД работы устройства. Следует отметить, что в ходе данного процесса критических перегрузок по току и напряжению в силовых элементах не наблюдается.

Рис. 5. Осциллограммы электромагнитных процессов

В связи с вышесказанным справедливо встает вопрос равномерности распределения нагрузки между параллельно работающими инверторами в условиях невозможности создания полностью идентичных модулей. Данная задача возлагается на систему управления, которая должна оперативно решать поставленные задачи.

Вопросы управления комплексом будут освещены в последующих публикациях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Адамия Г.Г. Распределение нагрузок между параллельно работающими инверторами / Г.Г. Адамия, П.Г. Билинкис, В.А. Чванов // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. - 1971. - №17. - С. 15-18.

2. Адамия Г.Г. Принципы построения систем содержащих параллельно работающие автономные инверторы / Г.Г. Адамия, В. А. Чванов // Материалы семинара по кибернетике. -

Ч. 1. Динамика систем управления. - Кишинев: Штинница, 1975. - С. 22-25.

3. Артюхов И.И. Тиристорные преобразователи частоты с перестраиваемой структурой / И.И. Артюхов, Ю.Б. Томашевский, В.А. Серветник // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: межвуз. науч. сб. - Саратов: Сарат. политехн. ин-т, 1985. - С. 47-53.

4. Голембиовский Ю.М. Управление комплексом тиристорных преобразователей частоты на базе автономных инверторов тока с перестраиваемой структурой / Ю.М. Голембиовский, Г.Э. Суманеев, Ю.Б. Томашевский // Силовая электроника в решении проблем ре-сурсо- и энергосбережения: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Крым, Алушта, 1996. - С. 65-66.

5. Кантер И.И. Система централизованного электроснабжения на базе параллельно работающих преобразователей частоты / И.И. Кантер, Ю.Б. Томашевский, Ю.М. Голембиовский // Электричество. - 1991. - №1. - С. 39-47.

6. Резчиков А.Ф. Адаптивные системы электроснабжения - основа электроэнергетики будущего / А.Ф. Резчиков, Ю.М. Голембиовский // Вестник СГТУ. - 2008. - №1(31). - Вып. 2. -С. 9-13.

7. Резчиков А.Ф. Повышение управляемости и компьютеризация систем электроснабжения как важнейшее направление экономии энергии в промышленности / А.Ф. Резчиков, Ю.М. Голембиовский, Ю.А. Аветисян // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. -№4. - С. 32-36.

8. Смородинов В.В. Параллельная работа ТПЧ для индукционного нагрева / В.В. Смо-родинов, В.И. Беркович // Труды УАИ. - Уфа, 1973. - Вып. 48. - Сб. 3.

9. Васильев А.С. Параллельная работа преобразователей в электротермии / А.С. Васильев, С.Г. Гуревич, Ю.П. Качан // Электротехника, 1976. №8. С. 44-48.

10. Климов В. Организация параллельной работы источников питания переменного тока / В. Климов // Силовая электроника. - 2008. - №2. - С. 68-72.

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

12. Земан С.К. Исследование зависимостей характеристик резонансного контура от конструктивных и электрических параметров системы «индуктор-нагреваемый объект» / С.К. Зееман, А.В. Осипов, М.С. Сахаров // Известия Томского политехнического университета. - 2007. - Т.310. - №1. - С. 197-202.

Голембиовский Юрий Мичиславович - Yuri M. Golembiovsky -

доктор технических наук, профессор Dr. Sc., Professor

кафедры «Системотехника» Саратовского Department Systems Engineering,

государственного технического университета Gagarin Saratov State Technical University имени Г агарина Ю.А.

Костерев Андрей Александрович - Andrey A. Kosterov -

аспирант кафедры «Системотехника» Postgraduate

Саратовского государственного технического Department of Systems Engineering,

университета имени Г агарина Ю.А. Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 18.05.12, принята к опубликованию 17.06.12