К вопросу об адаптации структуры многомодульного источника питания индукционной установки

УДК 621.365.5

Ю. М. Голембиовский, А. А. Костерев, Н. Н. Беспалов

К ВОПРОСУ ОБ АДАПТАЦИИ СТРУКТУРЫ МНОГОМОДУЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Аннотация. Предметом исследования является параллельная работа автономных однофазных инверторов тока на общую индукционную печь. Тема исследования: анализ переходных и установившихся электромагнитных процессов при оперативной адаптации структуры многомодульного источника питания индукционной печи к изменяющимся в процессе плавки параметрам нагрузки. Цель работы: повышение эффективности использования силового оборудования, его надежности и срока службы. Исследования проводились с использованием системы компьютерного моделирования PSIM. Результаты работы:

1) исследован процесс изменения мощности, потребляемой индукционной печью в процессе плавки черных металлов; выделены температурные зоны с отношением потребляемой мощности 2:3:1; 2) разработана компьютерная модель трехмодульной системы электропитания индукционной печи в системе PSIM; 3) исследованы динамические процессы оперативной перестройки состава параллельно работающих инверторных модулей при изменении величины и характера нагрузки; предложены два варианта стратегии адаптации структуры многомодульного источника питания к изменяющимся в процессе плавки параметрам индуктора. Приведенные в статье результаты исследований могут быть использованы проектными организациями и фирмами для создания новых перспективных источников питания индукционных плавильных установок.

Ключевые слова: индукционная установка, инвертор, выпрямитель, перестраиваемая структура, параллельная работа.

Yu. M. Golembiovskiy, A. A. Kosterev, N. N. Bespalov

ON THE ISSUE OF ADAPTATION OF THE STRUCTURE OF A MULTIMODULAR POWER SUPPLY OF AN INDUCTION PLANT

Abstract. The Object of research is parallel operation of independent single-phase inverters of current for the common induction furnace. Research subject is the analysis of the transition and set electromagnetic processes in the course of operational adaptation of structure of the multimodular power supply of the induction furnace to the loading parameters changing in the course of melting. Operation purpose is to increase the efficiency of use of the power equipment, its reliability and service life. The researches were conducted with the use of the PSIM system of computer simulation. Results of work: 1) the authors have researched the change of the power consumed by the induction furnace in the course of melting of ferrous metals; have isolated the temperature zones with power consumption relation 2:3:1; 2) the researchers have developed a computer model of three-module system of power supply of the induction furnace in PSIM system; 3) the researchers have investigated dynamic processes of operational reorganization of the structure of parallel-operating inverter modules in the event of change of value and character of loading; have suggested two options of adaptation strategy of the structure of a multimodular power supply

to the inductor parameters changing in the course of melting. The results of researches given in the article can be used by the project organizations and firms to create new perspective power supplies of induction melting plants.

Key words: induction plant, inverter, rectifier, reconstructed structure, parallel work.

Введение

Одним из перспективных направлений создания высокоэффективных источников питания индукционных установок является организация многомодульных систем, представляющих собой группу автономных инверторов, работающих на общую нагрузку [1-3]. Такие комплексы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными источниками питания индукционных установок [4].

Особенностью процесса плавки черных металлов является существенная зависимость параметров индуктора от температуры, что обусловливает широкий диапазон изменения потребляемого тока и, следовательно, отдаваемой в индуктор мощности. На рис. 1 показаны закономерности изменения в процессе плавки некоторых параметров [5-7] источника питания индукционной установки: выходного тока 1инв и полной выходной мощности ^инв. Анализ приведенных кривых показывает, что требуемая для обеспечения нормального режима плавки мощность изменяется 4 раза в процессе нагрева шихты. Это означает, что и КПД источника питания также будет меняться в широких пределах.

инв, А Т014 инвертора Эинв, кВА Мощность инвертора

а) б)

Рис. 1. Изменение выходного тока инвертора и полной мощности в процессе плавки

На кривых рис. 1 можно выделить три зоны, соответствующие трем уровням выходного тока (или полной мощности 5) источника питания индукционной печи. Максимальные выходные токи каждой из зон соотносятся как

1:2:3. Такое соотношение позволяет ограничиться тремя модулями в составе системы электроснабжения индукционной печи. Если установленные мощности модулей принять одинаковыми, то, ориентируясь на конкретные величины токов, приведенные на рис. 1, следует выбрать такой вентильный комплект для реализации каждого модуля, который обеспечивал бы максимальный выходной ток, равный 680 А (для данного конкретного примера). Что касается класса тиристоров по напряжению, то его целесообразно выбрать одинаковым для всех трех модулей и соответствующим максимальному значению, имеющему место в процессе плавки. В этом случае модули становятся равноценными в смысле адаптации структуры системы электроснабжения к изменяющимся параметрам индукционной печи, что позволяет при надлежащем управлении обеспечить равномерное расходование ресурса работоспособности модулей.

При трехмодульном составе источника электропитания индуктора процесс перестройки его структуры во время плавки должен происходить следующим образом: в диапазоне (0...^) на параллельную работу включаются два модуля, обеспечивающие суммарный выходной ток 1360 А; в интервале (^, ^2) должны работать три модуля с допустимой суммарной токовой нагрузкой 2040 А, что несколько превышает потребность нагрузки, обеспечивая запас по току для обеспечения коммутационной устойчивости на самом тяжелом интервале плавки; на интервале (2, ^) токовую потребность нагрузки вполне покрывают два модуля, а начиная с момента ^3 для поддержания расплавленного состояния шихты достаточно мощности одного модуля.

Таким образом, на каждом из указанных интервалов должны выполняться условия:

£5уст >8Т + ЛБ,

/=1

к

£ Буст = Шп,

/=1

где 5уст - установленная мощность модуля; Бт - текущая мощность нагрузки; Л5 - мощность запаса для обеспечения надежности; п - количество модулей в комплексе; к - число модулей, включенных на параллельную работу.

Формулы (1) и (2) показывают, что на параллельную работу при любой величине и характере нагрузки всегда должно быть включено минимальное количество модулей, но достаточное для питания потребителя с текущими параметрами с учетом некоторого запаса для обеспечения устойчивости инвертора к опрокидыванию.

Интегральной оценкой эффективности применения многомодульных систем может служить отношение полной текущей мощности Бт потребителя (включающего индукционную печь и блок коммутирующих конденсато-

к

ров) к суммарной установленной мощности £ 5уст оборудования, подклю-

г=1

ченного в данный момент к нагрузке:

Бт

& = ~—.

£ 5уст 1=1

На рис. 2 показаны зависимости показателя эффективности 0 = /(Т) от температуры шихты в процессе плавки для одномодульного и трехмодульного варианта исполнения источника питания индукционной установки. Для приведенного примера повышение показателя 0 при переходе к трехмодульной структуре составляет в среднем 28,5 %. Совершенно очевидно, что с увеличением количества модулей в системе будет возрастать и среднее значение 0 .

Рис. 2. Показатель эффективности использования источника питания плавильной установки

Организация параллельной работы преобразовательных модулей в составе системы электропитания индукционной печи выявила ряд новых задач, одной из которых является обеспечение устойчивой работы системы при динамической перестройке ее структуры.

1. Компьютерная модель источника питания

Для исследования и решения данной задачи разработана компьютерная модель трехмодульной системы электропитания индукционной печи в системе имитационного моделирования Р8ТМ9, показанная на рис. 3.

Индуктор

Рис. 3. Модель трехмодульного преобразовательного комплекса в системе РБГМ

Модель включает следующие функциональные блоки преобразовательного комплекса: трехфазная сеть промышленной частоты 50 Гц, трехфазный многообмоточный трансформатор для гальванической развязки инверторных модулей между собой, блок управляемых выпрямителей, блок автономных мостовых инверторов и резонансный контур, включающий индуктор и батарею коммутирующих конденсаторов. Каждый выпрямитель представляет собой тиристорный мост с системой управления, корректирующей напряжение на выходе. В среде РБ1М существует возможность использовать программируемые на языке «С» блоки. В данной модели такое средство используется в блоке управления для снятия импульсов управления тиристорным мостом в определенные моменты времени. Модель инвертора тока, используемая

Ч_/ ЧУ ч_/ чу

в исследовании, представляет собой симметричный однофазный мостовой тиристорный инвертор без диодов обратного тока.

2. Проблемы адаптации структуры источника питания

С помощью разработанной имитационной модели проведены исследования процессов выключения и включения отдельных модулей на параллельную работу. Было установлено, что процесс отключения одного из модулей не приводит к нарушению нормальной работы системы питания индуктора, т.е. не вызывает срыва инвертирования. Происходит лишь перераспределение мощности между оставшимися параллельно работающими модулями.

Что касается включения модуля на параллельную работу, то этот процесс требует определенных условий. Как показали проведенные на модели исследования, процесс ввода преобразовательного модуля в работу связан с тем, что в течение некоторого времени он работает на противоЭДС, генерируемую другими инверторными модулями. Поэтому включаемый модуль не может выйти на номинальный режим функционирования, либо происходит срыв инвертирования и его аварийное отключение.

3. Варианты решения задачи

В процессе исследования был отработан алгоритм перестройки структуры преобразовательного комплекса, отличающийся тем, что при вводе

в работу одного из модулей необходимо повысить выходное напряжение соответствующего управляемого выпрямителя на то время, пока не выровняются входные токи инверторов. После чего следует вернуть прежний уровень напряжения питания инверторов. С учетом инерционности тепловых процессов плавки такое кратковременное рассогласование в функционировании модулей не сказывается на работе индукционной печи.

На рис. 4 показаны временные диаграммы, демонстрирующие процесс перестройки структуры комплекса, при котором сохраняется его устойчивое функционирование. На первых двух диаграммах показаны кривые тока и напряжения на индукторе, представленном в виде изменяющегося активноиндуктивного сопротивления. На трех нижних осях показаны входные токи инверторов.

Ток нагрузки

Рис. 4. Перестройка структуры трехмодульного преобразовательного комплекса

Выделенный на рис. 4 временной промежуток не отражает реального хода плавки во времени, он лишь показывает процесс отключения и включения одного из модулей. Условно данный временной интервал можно разбить на пять составляющих его этапов. Первый этап - это установившийся режим работы комплекса с введенными на параллельную работу тремя модулями. Потребляемая нагрузкой мощность распределяется поровну между работающими модулями. Второй промежуток времени демонстрирует отключение третьего модуля и распределение нагрузки между оставшимися в работе первым и вторым модулем. В этот момент на диаграмме видна кратковременная «просадка» напряжения на индукторе и быстрый процесс перехода к установившемуся режиму работы комплекса с новой структурой. Как мы видим, в результате перехода ток и напряжение на нагрузке не изменились. Третий этап показывает устойчивую работу комплекса в конфигурации: два работающих модуля, один резервный.

Если потребляемая нагрузкой мощность возрастет в процессе плавки, то система управления зафиксирует увеличение выходного тока инверторов и примет решение изменить структуру комплекса, увеличив число работающих модулей. Четвертый этап наглядно демонстрирует этот процесс. Как видно из

диаграмм, в момент перестройки структуры не происходит критических скачков по току и напряжению в элементах схемы.

Другим вариантом решения проблемы подключения резервных модулей, который также исследовался на данной имитационной модели, является кратковременное отключение работающих на нагрузку модулей, в течение которого происходит полное рассеивание энергии, запасенной в реактивных элементах схемы, и выравнивание начальных условий включения модулей. После непродолжительной паузы в работу вступает уже новый состав модулей, необходимый для данного этапа плавки. К примеру, рассмотрим случай, когда нагрузка достигает уровня, требующего подключения к двум уже работающим модулям нового (3-го) модуля, сохраняя при этом равномерное распределение мощности между ними. Момент изменения структуры комплекса зафиксирован на рис. 5.

Рис. 5. Перестройка структуры трехмодульного преобразовательного комплекса

Время отключения, достаточное для нормального запуска комплекса, указано как «Л». С учетом инерционности процесса плавки такое кратковременное отключение не приводит к охлаждению шихты и, как видно из рис. 5, не вызывает появления экстремальных скачков напряжения и тока в элементах схемы.

Данная стратегия может оказаться предпочтительной для тех применений, в которых проблему обеспечения равномерной загрузки модулей можно решить за счет варьирования углов сдвига импульсов управления инверторными мостами. В этом случае оправдано использование неуправляемых выпрямителей в составе преобразовательных модулей, что существенно снизит аппаратные затраты на создание многомодульных источников питания индукционных печей.

Реализацию таких комплексов планируется рассмотреть в последующих публикациях.

Заключение

Обоснована эффективность построения источников питания индукционных установок в виде параллельно работающих на общую нагрузку преобразовательных модулей. Реализация такого многомодульного комплекса

обеспечивает повышение эффективности использования оборудования системы электропитания индукционных печей, экономию расходования ресурсов работоспособности вентильного комплекта и унификацию преобразовательных модулей для проектирования источников любой требуемой мощности.

Разработанная компьютерная модель трехмодульного преобразовательного комплекса позволила исследовать динамику процесса перестройки структуры системы электроснабжения. Были установлены и предложены два варианта включения резервного модуля на параллельную работу: 1) предварительное повышение напряжения питания инверторного моста на время выхода его на режим; 2) кратковременное отключение всех модулей с последующим одновременным запуском комплекса в требуемой конфигурации.

Обе стратегии обеспечивают устойчивость функционирования системы электропитания индукционной печи на всех этапах плавки.

Список литературы

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. Часть 1. Динамика систем управления. - Кишинев : Штин-ница, 1975. - С. 22-25.

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

4. Резчиков, А. Ф. Адаптивные системы электроснабжения - основа электроэнергетики будущего / А. Ф. Резчиков, Ю. М. Голембиовский // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2008. - № 1 (31), № 2. -С. 9-13.

5. 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.

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

7. Голембиовский, Ю. М. Модульность как средство повышения эффективно -сти систем индукционного нагрева / Ю. М. Голембиовский, А. А. Костерев // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. -№ 4 (62). - С. 145-149.

References

1. Adamiya G. G., Bilinkis P. G., Chvanov V. A. Elektrotekhnicheskaya promyshlennost’. Preobrazovatel’naya tekhnika [Electrical industry. Converting technology]. 1971, no. 17, pp. 15-18.

2. Adamiya G. G., Chvanov V. A. Materialy seminara po kibernetike. Chast’ 1. Dinamika sistem upravleniya [Proceedings of the seminar on cybernetics. Part 1. Control system dynamics]. Kishinev: Shtinnitsa, 1975, pp. 22-25.

3. Kanter I. I., Tomashevskiy Yu. B., Golembiovskiy Yu. M. Elektrichestvo [Electricity]. 1991, no. 1, pp. 39-47.

4. Rezchikov A. F., Golembiovskiy Yu. M. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Saratov State Technical University]. 2008, no. 1 (31), no. 2, pp. 9-13.

5. Vladimirov S. N., Zeman S. K., Osipov A. V., Tolstov V. P. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika [University proceedings. Electromechanics]. 2004, no. 1, pp. 50-54.

6. Zeman S. K., Osipov A. V., Sakharov M. S. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Tomsk Polytechnic University]. 2007, vol. 310, no. 1, pp. 197-202.

7. Golembiovskiy Yu. M., Kosterev A. A. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Saratov State Technical University]. 2011, no. 4 (62), pp. 145-149.

Голембиовский Юрий Мичиславович

доктор технических наук, профессор, кафедра системотехники, Саратовский государственный технический университет

E-mail: drew-007@yandex.ru

Костерев Андрей Александрович аспирант, Саратовский государственный технический университет

E-mail: drew-007@yandex.ru

Беспалов Николай Николаевич

кандидат технических наук, заведующий кафедрой автоматики, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: drew-007@yandex.ru

Golembiovskiy Yuriy Michislavovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of systems engineering, Saratov State Technical University

Kosterev Andrey Aleksandrovich Postgraduate student, Saratov State Technical University

Bespalov Nikolay Nikolaevich Candidate of engineering sciences, head of sub-department of automatics, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov (Saransk,

63 Proletarian str.)

УДК 621.365.5 Голембиовский, Ю. М.

К вопросу об адаптации структуры многомодульного источника питания индукционной установки / Ю. М. Голембиовский, А. А. Костерев, Н. Н. Беспалов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 2 (26). - С. 101-109.