Full Text

Введение. Устройства индукционного нагрева в период бурного развития промышленного производства приобрели значительную популярность для процессов закалки, пайки, плавки, сварки, нагрева перед пластической деформацией или горячей посадкой (съемом) машиностроительных деталей и их соединений, нанесения защитных и декоративных покрытий и др. [1, 2, 3]. Однако питание индукторно-преобразовательных модулей затрудняется ввиду особенностей нагрузки. Эти особенности заключаются в нелинейном характере параметров в процессе нагрева. В этом случае важную роль начинает играть вопрос об электромагнитной совместимости нагрузки с сетью. Рассогласование влечет за собой снижение эффективности устройства индукционного нагрева. Поэтому в процессе перечисленных технологических операций особенно важно обеспечивать электромагнитную совместимость трансформаторно-преобразовательного модуля с сетью [4, 5]. Основная часть. В самом простом случае источники питания для устройств индукционного нагрева включают в себя блок выпрямителей и один из видов автономного инвертора: тока (АИТ), напряжения (АИН) или резонансного инвентора [6, 7]. Но данная структура в последнее время подвергается широкой критике, так как она имеет целый ряд недостатков, среди которых сложность регулирования, высокие коммутационные потери, отсутствие гальванической развязки и трудность согласования с нагрузкой. Одним из способов решения проблемы электромагнитной совместимости является каскадное включение блока выпрямителей, инвертора, специального трансформатора и нагрузки. Такое подключение позволяет не только согласовать параметры, но и осуществить гальваническую развязку элементов. Часто в качестве специального трансформатора используется высокочастотный согласующий трансформатор, также известный как закалочный [2]. Он позволяет не только получать требуемое напряжение в нагрузке путем умножения последнего на величину коэффициента трансформации, но и дополнять нагрузочный контур, учитывая индуктивность трансформатора при выборе индуктивности индуктора [6, 7]. Стоит отметить, что наметилась тенденция на применение данных трансформаторов с сердечниками из аморфных и нанокристаллических сплавов, которые позволяют снизить потери, повысить коэффициент полезного действия (КПД), уменьшить перегрев (рис. 1) [9, 10, 11]. При их использовании возможно повышение частоты выше 10 000 Гц при сохранении индукции насыщения до 1,5 Тл. Рис. 1. Однофазные трансформаторы из аморфного сплава Однако все большую популярность набирает другой вид трансформаторов - многофункциональный трансформатор, также более известный как ферромагнитный умножитель частоты. Он сочетает в себе все преимущества высокочастотного согласующего трансформатора и обладает рядом преимуществ. В их число входят возможности расширения частотного диапазона в 2…9 раз, стабилизации или регулировании выходного напряжения или тока [12, 13, 14]. Простейшая схема ферромагнитного умножителя частоты в 2 раза представлена на рис. 2. Полупроводниковый преобразователь частоты Uс ~ fc U1 ~ f U2 ~ 2f l1 l2 ld Wd W1 W2 Rн Ск Lн F1 F2 Рис. 2. Ферромагнитный умножитель частоты в 2 раза Математическая модель ферромагнитного умножителя частоты в 2 раза [8-9]: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) где r1 и r2 - активные сопротивления числа витков первичной и вторичной обмоток; Ф1 и Ф2 - суммарные потоки в магнитопроводах I и II; wd, w1, w2 - число витков обмотки подмагничивания, первичной и вторичной соответственно; F1, F2 - суммарные МДС магнитопроводов; , а Откуда следует, что в магнитопроводах в один и тот же момент времени происходят разные процессы: в I - МДС магнитопроводов складывается и равняется удвоенной МДС первичной обмотки, а в II - разность МДС в магнитопроводах равняется сумме удвоенных МДС вторичной обмотки и обмотки подмагничивания постоянным током. Из формул (2) и (3) при видно, что ещё одним преимуществом ферромагнитного умножителя частоты является возможность использования его в качестве согласующего трансформатора. В случае использования индукционного нагрева для закалки токами высокой частоты такое конструкционное преобразование позволит изменить глубину закалённого слоя детали, не прибегая к значительным изменениям конструкции преобразователя частоты. В последнее время широкий размах набирает имитационное моделирование различных схемотехнических решений в математических пакетах, среди которых выделяется программный комплекс MatLab [15, 16]. Авторами разработаны имитационные модели преобразователей частоты, с помощью которых возможен полный анализ их работы совместно с ферромагнитными умножителями частоты в 2 (рис. 3) и 4 раза (рис. 4). Модель на рис. 3 содержит трехфазный источник напряжения Three-Phase Source, управляемый выпрямитель Universal Bridge, питающий резонансный инвертор напряжения на базе тиристоров. К выводным концам инвертора подключен ферромагнитный умножитель частоты в 2 раза. Его имитационная модель построена на базе вышеприведенной математической модели с использованием следующих инструментов MatLab Simulink: сумматор Add использован для сложения магнитных потоков в магнитопроводах, блок Look up Table позволяет установить соответствие магнитного потока Ф и МДС в сердечнике. Аналогично построена имитационная модель ферромагнитного учетверителя частоты (см. рис. 4). С помощью этих моделей можно наблюдать параметры установки индукционного нагрева в момент коммутации (переходные режимы), в номинальном режиме работы, включая особенности индукционной нагрузки, в нештатных и аварийных режимах. Рис. 3. Имитационная модель электротехнологической установки, включающей индукционный нагрев По результатам моделирования можно получить все необходимые параметры работы преобразователя с учетом всех изменений нагрузочного контура в процессе индукционного нагрева. Так, например, были получены кривые напряжения на нагрузке при её подключении к ферромагнитному учетверителю частоты (рис. 5). Кривая напряжения имеет выраженный синусоидальный вид и содержит гармонические составляющие. Действующее значение напряжения на нагрузке оказывается равным 400 В при питании установки от трехфазной сети напряжением 380 В, что соответствует параметрам выпускаемых в промышленности электротехнологических установок, включающих индукционный нагрев [6]. Рис. 4. Имитационная модель ферромагнитного умножителя частоты в 4 раза 0,0217 2 0 -2 -4 0,0218 0,0219 0,022 t, c U, В Рис. 5. Кривая напряжения на выводах умножителя частоты в 4 раза Кроме того, моделированием получены регулировочные характеристики преобразователя частоты (рис. 6). Из них видно, что при постоянном напряжении питания 400 В и постоянной нагрузке, изменяя ток подмагничивания с 50 до 420 А, возможно регулирование тока индуктора в диапазоне 0,6-4,1 А. При напряжении питания 500 В, постоянной нагрузке и аналогичном диапазоне тока подмагничивания допускается регулирование в диапазоне 0,9-5,8 А. Столь широкий диапазон регулирования позволит стабилизировать процесс нагрева при изменении параметров нагрузочного контура и создаст условия для равномерного и более точного по глубине прогрева заготовки, что, в свою очередь, отразится на качестве выполняемой технологической операции. Рис. 6. Регулировочная характеристика многофункционального трансформатора Рис. 7. Прототип умножителя частоты в 4 раза на основе аморфного сплава 1-СР С целью подтверждения результатов имитационного моделирования авторами создан экспериментальный образец умножителя частоты в 4 раза, представленный на рис. 7. Образец собран с использованием аморфной стали марки АМЕТ 1-СР с низкими удельными потерями на перемагничивание и высокой индукцией насыщения. Испытание образца будет проведено по завершении сборки полупроводникового преобразователя частоты. Выводы. Таким образом, электромагнитная совместимость наиболее эффективно достигается с помощью многофункциональных трансформаторов, которые позволяют увеличить диапазон частот в 2…9 раз, при этом не перегружая полупроводниковые элементы инвертора, а также регулировать или стабилизировать ток и напряжение на нагрузке. Не менее важным является уменьшение индуктивности индуктора за счет наличия индуктивности обмотки трансформатора. Особую роль играет гальваническая развязка нагрузки и источника питания, позволяющая защитить преобразователь при коротком замыкании в нагрузке. Перспективным для практического применения является имитационная модель, позволяющая анализировать работу устройства индукционного нагрева во всевозможных режимах, вплоть до короткого замыкания.

About the authors

L. E Roginskaya

Ufa State Aviation Technical University

Email: roginskaya36@mail.ru

A. R Latypov

Ufa State Aviation Technical University

Email: aidarlat@gmail.com

A. A Mednov

Ufa State Aviation Technical University

Email: mednov333@rambler.ru

A. Kh Miniyarov

Ufa State Aviation Technical University

Email: zi.zd@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 59

PDF (Russian) - 22

Refbacks

• There are currently no refbacks.