ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
POWER SUPPLY SOURCE FOR ELECTRIC INSTALLATIONS

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания электротехнологических установок, например индукционного нагрева.
Известен источник питания на базе преобразователя частоты, выбранный в качестве аналога (см., например, книгу Болотова А.В., Шепеля Г.А. Электротехнологические установки. 1988, с.97, рис.4.20), содержащий трехфазный управляемый выпрямитель, нагруженный через сглаживающий дроссель и блок реакторов на тиристорный двухтактный инвертор с индуктором, в котором одна группа тиристоров работает в режиме выпрямления, а другая - в режиме инвертирования. Для ввода инвертора в работу предусмотрен блок пуска на тиристорах с принудительной коммутацией и схема управления преобразователем частоты.
Недостатками этого источника питания электротехнологической установки, например, индуктора являются: применение трехфазного управляемого выпрямителя и сглаживающего токоограничивающего дросселя большой индуктивности, наличие блока пуска, большие масса и габариты дросселя и реакторов, вследствие чего наличие в них больших потерь энергии, низкие энергетические показатели, в том числе и коэффициент полезного действия (КПД), сложность системы управления, невысокая надежность работы всего преобразователя.
Известен источник тока для электротехнологических установок, выбранный в качестве аналога (см., например, авторское свидетельство №490112, кл. G05F 3/06, БИ №40, 1975), содержащий источник (звено) постоянного напряжения, к которому последовательно подключены инвертор, индуктивно-емкостной преобразователь (ИЕП) и согласующий трансформатор с основной вторичной обмоткой, нагруженной на электротехнологическую нагрузку, и с дополнительной вторичной обмоткой, подключенной, через мостовой выпрямитель, к источнику постоянного напряжения.
Недостатками этого аналога являются: большая установленная мощность, большая масса и габариты ИЕП, ограниченный диапазон регулирования тока.
Известен источник питания электротехнологичной установки - параллельного индуктора, выбранный в качестве прототипа (см. учебное пособие Шадрина Г.А., Петровича В.П. «Транзисторные инверторы». - Томск: изд-во ТПУ, 2012, с.74, рис.30), содержащий трехфазный мостовой выпрямитель с С-фильтром и импульсным стабилизатором, который нагружен через сглаживающий дроссель на параллельный инвертор с нагрузкой - параллельным индуктором, блок управления инвертором с датчиком опорного напряжения, датчики тока, напряжения и температуры.
Недостатками прототипа являются наличие импульсного стабилизатора (ИСН) и сглаживающего дросселя с большими габаритами и массой, низкие энергетические показатели и сложность схемы управления ИСН, невысокая надежность работы преобразователя.
Задачей изобретения является: снижение массы и габаритов источника тока, повышение КПД и надежности.
Поставленная задача достигается тем, что в источник питания для электротехнологических установок, содержащий трехфазный мостовой выпрямитель с С-фильтром, который нагружен на инвертор напряжения с нагрузкой, например, в виде параллельного LC-контура, блок управления инвертором, связанный с задатчиком опорного напряжения и датчиком напряжения, датчик тока, датчик температуры и широтно-импульсный модулятор, введены согласующий трансформатор, дополнительный источник постоянного напряжения и мостовой дроссель насыщения, причем вторичная обмотка согласующего трансформатора подключена к нагрузке, а первичная обмотка связана с указанным инвертором через последовательно включенные первую диагональ мостового дросселя насыщения и датчик тока, вторая диагональ указанного дросселя насыщения зашунтирована последовательно соединенными дросселем и диодом, и подсоединена через ключ к источнику постоянного напряжения, причем ключ установлен параллельно диоду и по входу связан со схемой управления на базе широтно-импульсного модулятора, входы которой соединены с датчиком тока, датчиком температуры и задатчиком напряжения, а датчик напряжения подключен параллельно первой диагонали дросселя насыщения.
Сущность изобретения заключается в том, что к высокочастотному инвертору напряжения подключен дроссель насыщения с совмещенными рабочими и управляющими обмотками с импульсным подмагничиванием в режиме вынужденного намагничивания, преобразуя источник напряжения в источник прямоугольного тока. Этот режим характеризуется наличием большого сопротивления линейного дросселя в цепи управления для высших гармонических составляющих, при этом сопротивление цепи управления много больше сопротивления нагрузки.
Схема импульсного подмагничивания включает в себя транзисторный ключ и отрицательную обратную связь по току, действующую по принципу «отсечки». Цепь обратной связи состоит из задатчика напряжения, датчика температуры и порогового элемента - диода, соединенного последовательно с линейным дросселем и установленными на второй диагонали мостового дросселя насыщения.
На фиг.1 показана структурная схема источника питания для электротехнологических установок, в частности для индукционного нагрева, а на фиг.2 - временные диаграммы токов в элементах дросселя насыщения.
Источник питания содержит трехфазный неуправляемый выпрямительный мост 1 с емкостным фильтром 2, транзисторный инвертор напряжения 3 и согласующий трансформатор 4, вторичная обмотка 5 которого нагружена на параллельный LC-контур индуктора 6. Между выходом инвертора 3 и входом согласующего трансформатора 4 через датчик тока 7 подключен одной диагональю мостовой дроссель насыщения 8 с совмещенными (рабочими и управляющими) обмотками с импульсным подмагничиванием (ДНСИ). Вторая диагональ последнего зашунтирована линейным дросселем 9 и диодом 10. Через импульсный транзисторный ключ 11, параллельно диоду 10, подключен источник 12 постоянного напряжения. Ключ 11 подключен к схеме 13 управления на базе широтно-импульсного модулятора, входы которого связаны с датчиком тока 7, датчиком температуры 14 и задатчиком 15 напряжения. Блок 16 управления инвертором напряжения 3 соединен с задатчиком 17 опорного напряжения и датчиком 18 напряжения, установленным параллельно первой диагонали дросселя насыщения 8.
<mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow>
Принцип работы источника питания для индукционного нагрева заключается в следующем: с инвертора 3 на вход дросселя насыщения 8 и согласующего трансформатора 4 поступает высокочастотное напряжение прямоугольной формы. По обмоткам 8-1, 8-2 мостового дросселя насыщения протекают токи удвоенной частоты и величиной, в
меньшей, чем ток по первичной обмотке согласующего трансформатора 4. Дроссель насыщения 8, работающий в режиме вынужденного намагничивания за счет линейного дросселя 9 в цепи управления, преобразует выходное напряжение инвертора в ток прямоугольной формы, который передается через согласующий трансформатор 4 в нагрузку - индуктор 6, при этом внешняя характеристика (ВНХ) соответствует таковой источника тока с естественными свойствами стабилизации.
У
р
У
При наличии постоянного тока I управления индукция в сердечниках дросселя 8 насыщения изменяется циклично, то в одном сердечнике 8-1 с обмотками, то в другом сердечнике 8-2 с обмотками, и каждый раз в том сердечнике, у которого переменное магнитное поле, создаваемое рабочим током i, направлено навстречу постоянному полю, обусловленному током I управления.
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>Р</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>w</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>У</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>w</mi><mi>У</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>M</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
p
m
Mi
Mi
В установившемся режиме через полпериода выходного напряжения инвертора состояния сердечников 8-1 и 8-2 дросселя насыщения поменяются, поскольку по закону управляемого дросселя соблюдается равенство рабочих и управляющих ампер-витков
. При таких условиях один из сердечников обязательно насыщен, а во втором происходит перемагничивание, и наоборот. Скачкообразный переход рабочего тока I происходит в момент, когда оба сердечника насыщены (индуктивность цепи равна нулю). Диод должен иметь малый обратный ток и номинальный ток цепи подмагничивания в проводящем состоянии. Необходимо заметить, что при импульсном подмагничивании диод не выполняет функций обеспечения обратной связи, как это имеет место при непрерывном подмагничивании, что позволяет дросселю насыщения 8 выполнять функции регулятора тока. Если сердечники 8-1 и 8-2 работают в режиме поочередного насыщения, амплитуда переменного тока I в обмотках, размещенных на сердечниках 8-1, 8-2, в установившемся режиме близка к среднему значению тока цепи подмагничивания. Сложная взаимосвязь между переменной и постоянной составляющими подмагничивающего тока дросселя насыщения 8 характеризуется коэффициентом модуляции тока K. Каждой точке ВНХ соответствует свой коэффициент модуляции тока
. Он имеет высокие значения K=0,8-1,0 лишь на крутопадающих участках ВНХ и его можно принимать постоянным для каждого конкретного случая. Рассмотрим процесс импульсного подмагничивания.
Из теории магнитных усилителей известно, что по обмоткам сердечников 8-1, 8-2 дросселя 8 насыщения протекают токи с максимальной амплитудой в цепи управления удвоенной частоты.
0
d
d
d
d
В установившемся режиме при подключении источника U ток i 20 несколько пульсирует (фиг.2, а, б). Для больших значений индуктивности 9 L малых сопротивлениях R ток i незаметно пульсирует относительно среднего значения и определяется по уравнению:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><msub><mrow><mtext> t</mtext></mrow><mtext>u</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub><msub><mrow><mtext> T</mtext></mrow><mtext>u</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac><mi>γ</mi><mo>,</mo><mtext>                                   (1)</mtext></mrow>
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>u</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>u</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
у
где
- относительная длительность импульсов управляющего напряжения E;
u
u
0
T, t, U - период повторения, длительность и амплитуда импульсов;
d
R - сопротивление рабочей обмотки дросселя насыщения.
d
0
d
Среднее значение тока i управления, потребляемого от источника постоянного тока U, определяется площадкой 22, и будет примерно в γ раз меньше тока I
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>y</mi><mi>c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac><msup><mi>γ</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>d</mi></msub><mi>γ</mi><mtext>.                             (2)</mtext></mrow>
d
d
yc
При отсутствии модуляции тока i частота следования управляющих импульсов и фазовое их расположение не влияют на значения I и I.
d
d
VD
В схеме по фиг.1 ток i всегда имеет две составляющие, одна из которых протекает по цепи подмагничивания при замкнутом ключе 11 и определяет ток 22 (i) источника постоянного напряжения 12, а другая соответствует разомкнутому состоянию ключа 11 и равна току 23 i диода 10 (см. фиг.2, б, в).
Средняя входная мощность импульсного подмагничивания дросселя 8 насыщения при расположении импульса 22 в области минимума определяется из формулы:
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mo>.</mo><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>E</mi><mi>y</mi></msub><msub><mrow><mtext> I</mtext></mrow><mrow><mtext>yc</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>E</mi><mrow><mi>y</mi><mi>c</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac><mi>γ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>M</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                  (3)</mtext></mrow>
yc
где E - среднее значение управляющего импульса 22 напряжения.
Средняя входная мощность дросселя 8 насыщения при непрерывном подмагничивании равна
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mtext> непр</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>y</mi></msub><msub><mi>I</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>E</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mi>γ</mi><mtext>)</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow><mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>d</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                      (4)</mtext></mrow>
Определим кратность уменьшения мощности при импульсном подмагничивании (коэффициент усиления по мощности):
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>р</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mtext> непр</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>y</mi><mtext> имп</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>γ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>M</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                  (5)</mtext></mrow>
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mn>0,1</mn><mo>…</mo><mn>0,4</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>M</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,9</mn><mo>…</mo><mn>0,095</mn></mrow>
Из уравнения (5) при реальных значениях
и
эта мощность уменьшается в 20-25 раз.
Напряжение инвертора 3 и его регулирование обеспечивается обратной связью, за счет сравнения напряжений задатчика 17 опорного напряжения и напряжения с датчика 18, следящего за изменением напряжения на дросселе 8 насыщения. Схема 13 управления ключом 11 выполнена на основе широтно-импульсного модулятора с обратными связями по току датчика 7 тока и датчика 14 температуры, сигналы которых сравниваются с напряжением задатчика 15.
При исполнении дросселя насыщения по мостовой схеме можно увеличить индукцию на 20-30% по сравнению с индукцией согласующего трансформатора. Импульсное подмагничивание дросселей насыщения согласно (1)…(5) повышает КПД, снижает массу и габариты и упрощает исполнение таких устройств.
Стабилизация фиксированного значения напряжения на силовых зажимах дросселя насыщения позволяет снизить при регулировании рабочего тока дросселя напряжение, прикладываемое к его обмоткам, и, соответственно, напряжение, трансформируемое в цепь управления, снижая тем самым установленную мощность, как самого дросселя насыщения, так и линейного дросселя в цепи управления.
0
Общая масса дросселя насыщения и линейного дросселя снижается по сравнению с прототипом за счет устранения сглаживающего дросселя L и импульсного стабилизатора напряжения с радиаторами, практически, не менее чем в 1,5 раза.
КПД предлагаемого источника питания и высокочастотного ИЕП аналога одинаков и равен η≈0,8-0,85.
PO
PO
Диапазон регулирования дросселя насыщения Д≥1:10, в то время как у аналога с ИЕП Д 1:4. Масса регулирующего органа - мостового дросселя насыщения (в относительных единицах) M=0,7-0,75, то же у ИЕП M=2,5.
Известно, что инверторы напряжения проще и имеют выше КПД, чем инверторы тока. В частности, предлагаемый источник питания для индуктора мощностью 60 кВт на частоте 2000 Гц имеет массу дросселя насыщения 4,2 кг, а массу линейного дросселя 12,7 кг, т.е. всего около 17 кг.
Мощность источника напряжения при идентичном источнике непрерывного подмагничивания в 11 раз меньше и составляет 217 Вт.
За счет уменьшенного числа элементов силовой схемы в предложенном источнике питания повышена его надежность.
Таким образом, по всем поставленным задачам изобретения предлагаемый источник питания (тока) удовлетворяет и может применяться для питания других электротехнологических установок мощностью в сотни и тысячи киловатт: для плавки металлов и сплавов, горячей деформации металла, термообработки, закалки и ряда других.