WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Пусть момент времени t1 является оптимальным для выключения проводящих транзисторов, т.е. ампер-секундная площадь закрашенной фигуры (SABC) равна заряду Qopt, необходимому для полного перезаряда собственных емкостей транзисторов. Фигура ABC близка к треугольнику, поэтому iref (opt) t AB AC SABC Qopt. (1) 2 Решая выражение (1) относительно t, получим 2Qopt t. (2) iref (opt) Рис. 5. Определение оптимального момента начала коммутации силовых транзисторов в инверторе напряжения Тангенс угла можно определить следующими способами:

1. из треугольника ABC iref (opt) AB tg ; (3) AC t 2 T 2. как производную функции i(Li) = Im sin t в точке C= T di(Li) Im 2 2 T 2Im = tg 180 - ) -tg = cos = - = ( T dt T T 2Im т. е. tg =. (4) T Приравнивая выражения (3) и (4) получим iref (opt) 2Im. (5) T t Подставим вместо t выражение (2), тогда iref (opt )2Im. (6) T 2Qopt Решая полученное уравнение относительно iref (opt) получим 4ImQopt iref (opt). (7) T Значение Qopt определяется не только типом транзистора, но зависит также от температуры полупроводниковой структуры, тока и напряжения, т.е. может изменяться в некотором диапазоне. Ориентировочное значение данного параметра можно определить следующим образом:

ImT 2 T 4(Coss - Crss )U Qopt = cos arccos -1 - td (off ) (8) 2 T 2 ImT, где Coss, Crss, td(off) – паспортные данные силового ключа.

Для надежной работы инверторного моста с минимальными коммутационными потерями при изменяющихся параметрах нагрузки, характерных для технологий индукционного нагрева, необходимо учитывать изменение параметра Qopt в процессе работы инвертора.

В предлагаемом адаптивном алгоритме самовозбуждения коммутация начинается с выключения проводящей пары транзисторов в момент снижения тока до уровня iref(opt), который определяется по формуле (7).

Включение другой пары транзисторов происходит после полного перезаряда собственных емкостей до или в момент перехода выходного тока инверторного моста через ноль. Определение оптимального тока коммутации iref(opt) осуществляется на каждом полупериоде выходного тока инвертора.

Для учета изменяющихся условий работы силовых ключей в алгоритм управления введен блок адаптации, изменяющий параметр Qopt. в зависимости от качества коммутации транзисторов.

При работе инвертора на индукционную нагрузку система управления постоянно подстраивает частоту работы инвертора к частоте нагрузочного контура, обеспечивая оптимальное индуктивное рассогласование. При этом частота работы инвертора меняется в соответствии с изменением резонансной частоты нагрузочного контура, которое, в свою очередь обусловлено изменением параметров индукционной системы в ходе технологического процесса. Структурная схема блока согласующего управления на основе самовозбуждения, реализующий описанный принцип, представлен на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема блока согласующего управления Адаптивный алгоритм согласующего управления на основе самовозбуждения Сигнал с датчика тока iДТ поступает на блок выключения транзисторов и на формирователь уставки. Амплитуда Im1 и период T1 тока, протекающего через транзисторы X1, X4 фиксируются блоком измерения амплитуды 1 и блоком измерения периода 1 соответственно. Значения Im1 и T1 передаются на блок вычисления уставки 1. С момента перехода тока транзисторов через амплитудное значение на блок выключения транзисторов подается уставка iуст X1,X4, вычисленная по формуле (7). При достижении током транзисторов значения iуст X1,X4 блок выключения транзисторов отключает управляющий триггер 1, тем самым отключая силовые транзисторы X1, X4. С этого момента начинаются процессы закрытия полупроводниковой структуры силовых транзисторов и перезаряда их внутренних емкостей. Как только напряжение на транзисторах другой диагонали X2, X3 достигнет значения uуст X2,X3 блок включения транзисторов включает управляющий триггер 2, тем самым включая силовые транзисторы X2, X3. Амплитуда Im2 и период Tтока, протекающего через транзисторы X2, X3 фиксируются блоком измерения амплитуды 2 и блоком измерения периода 2 соответственно.

Значения Im2 и T2 передаются на блок вычисления уставки 2. С момента перехода тока транзисторов через амплитудное значение на блок выключения транзисторов подается уставка iуст X2,X3, вычисленная по формуле (7). При достижении током транзисторов значения iуст X2,X3, блок выключения транзисторов отключает управляющий триггер 2, тем самым отключая силовые транзисторы X2, X3. С этого момента начинаются процессы закрытия полупроводниковой структуры силовых транзисторов и перезаряда их внутренних емкостей. Как только напряжение на транзисторах другой диагонали X1, X4 достигает значения uуст X1,X4 блок включения транзисторов включает управляющий триггер 1, тем самым включая силовые транзисторы X1, X4 эти процессы повторяются каждый последующий период. Для реализации адаптивного блока введен дополнительный блок, который включает силовые транзисторы в момент перехода тока через ноль, в случае если процесс перезаряда емкостей незавершился и напряжение на включаемых транзисторах не достигло уставки.

Блок оценки качества коммутации определяет, как прошло включение транзисторов, по импульсу 1(2) или по импульсу 1(2). Если включение осуществилось по импульсу 1(2), то значит, процесс перезаряда емкостей полностью завершился до перехода тока нагрузки через ноль и, следовательно, можно еще приблизиться к резонансу, чтобы снизить потери выключения транзисторов. Для этого блок оценки качества коммутации увеличивает ширину импульса снижающего коэффициента К, что приводит к уменьшению уставки тока выключения и обеспечивает следующее выключение этих транзисторов с меньшими потерями. Если же включение транзисторов осуществилось по импульсу 1(2), значит, процесс перезаряда емкостей не завершился до перехода тока нагрузки через ноль, следовательно, необходимо отойти от резонанса, чтобы снизить потери включения транзисторов. При этом блок оценки качества коммутации выдает только сигнал на увеличение коэффициента К, что приводит к увеличению уставки тока отключения и обеспечивает снижение потерь включения этих транзисторов при следующей коммутации.

В третьей главе описана разработанная компьютерная модель комплекса индукционного нагрева с согласующим управлением на основе адаптивного алгоритма самовозбуждения. Расчетная схема показана на рис.

7.

Рис. 7. Компьютерная модель комплекса индукционного нагрева При разработке модели выпрямитель был заменен идеальным источником постоянного напряжения. Блок согласования и индукционная система заменены последовательным резонансным контуром, электрические параметры которого рассчитаны соответствующим образом. В модели предусмотрена возможность изменять параметры нагрузки в процессе расчета. Это позволяет моделировать режимы характерные для индукционного нагрева. Расчетная схема системы управления комплексом индукционного нагрева показана на рис. 8. Она включает в себя блок управления ШИМ регулятором с возможностью стабилизации выходной мощности, блоки измерения амплитуды и периода выходного тока инвертора, блок вычисления уставки тока выключения транзисторов, блок адаптации и формирователь импульсов согласующего управления на основе самовозбуждения.

На этой модели были исследованы следующие режимы работы комплекса: регулирование выходной мощности при постоянных параметрах нагрузки, стабилизация выходной мощности при изменении параметров нагрузки, характерных для технологий индукционного нагрева, изменение емкости компенсирующего конденсатора, которая может иметь место при необходимости вернуть работу нагревательного комплекса в допустимый частотный диапазон.

На рис.9 приведены временные диаграммы работы комплекса с частотным регулированием выходной мощности в режиме стабилизации при изменении активного и индуктивного сопротивления индукционной системы (а) и такие же диаграммы комплекса с согласующим управлением на основе самовозбуждения (б). При выходной мощности равной примерно 20 кВт в номинальном режиме КПД комплекса с частотным регулированием составляет 97,5%, а с согласующим управлением 98%. После изменения параметров нагрузки в момент времени t1 КПД комплекса с частотным регулированием снизился до 92%, КПД комплекса с согласующим управлением до 96,5%.

Рис. 8. Компьютерная модель СУ комплексом индукционного нагрева Рис. 9. Временные диаграммы выходной мощности и КПД комплекса с частотным регулированием (а) и комплекса с согласующим управлением (б) Моделирование показало, что при частотном регулировании выходной мощности инвертора происходит увеличению коммутационных потерь в силовых транзисторах при отклонении от резонансного режима. Рост коммутационных потерь связан с увеличением тока, коммутируемого транзисторами. Это приводит к снижению КПД комплекса. Наиболее рациональной является структура с согласующим управлением и ШИМ регулированием выходной мощности. В такой структуре коммутационные потери всегда поддерживаются на минимальном уровне, ключи нагружены только активным током, так как вся реактивная мощность локализована в колебательном контуре, образованном индукционной системой и компенсирующим конденсатором.

В этой главе приведен также сравнительный анализ двух способов согласующего управления инвертором напряжения – предложенный адаптивный алгоритм самовозбуждения и фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). Моделирование показало, что предложенный адаптивный алгоритм самовозбуждения обеспечивает большее быстродействие и меньший уровень коммутационных потерь в более широком частотном диапазоне, чем ФАПЧ.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию эффективности предложного алгоритма управления инвертором, работающим в составе нагревательного комплекса. Исследования проводились на разработанном макете комплекса индукционного нагрева мощностью 100 кВт и частотой 44 кГц.

Плата системы управления, реализующая адаптивный алгоритм самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения, приведена на рис.10. Блок формирования импульсов автоматической подстройки частоты реализован с помощью аналоговых микросхем AD790 и программируемой интегральной логической схемы ALTERA EPM7064SLC84; блок вычислителя уставки собран на аналоговых микросхемах AD826 и AD633;

блок адаптации выполнен на микросхемах AD826 и ADG411. На рис. приведена осциллограмма, иллюстрирующая работу транзисторного инвертора напряжения.

Рис. 10. Плата системы управления Рис. 11. Осциллограммы выходного тока и выходного напряжения при включении комплекса индукционного нагрева Разработанная система управления обеспечивает быстрый выход на оптимальный режим при пуске и стабильную работу с минимальными потерями в режимах, характерных для индукционного нагрева.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Разработана структура комплекса индукционного нагрева с блоком оптимального согласующего управления, который минимизирует обмен реактивной мощностью между элементами комплекса и поддерживает оптимальный режим высокочастотного преобразования при изменении параметров индукционной системы. Это позволяет существенно снизить себестоимость термообработки токами высокой частоты машиностроительных деталей за счет экономии электроэнергии и снижения установленной мощности оборудования.

2. Разработан адаптивный алгоритм оптимального согласующего управления комплексом индукционного нагрева, обеспечивающий повышение КПД при переменных параметрах индукционной системы.

Алгоритм построен на основе самовозбуждения с адаптацией параметров к изменению режима работы нагревательного комплекса. Внедрение алгоритма позволит поднять предельную для современных транзисторов верхнюю границу частотного диапазона преобразователей, применяемых в составе комплексов индукционного нагрева, что даст большой экономический эффект при замене ламповых генераторов в промышленности.

3. Разработана компьютерная модель комплекса индукционного нагрева, учитывающая взаимосвязи всех элементов комплекса и влияние управляющих воздействий на энергетические показатели в различных динамических и установившихся режимах, характерных для индукционного нагрева. Выполнена настройка параметров нового алгоритма управления с учетом характерных особенностей конкретных технологий индукционного нагрева.

4. Разработана физическая модель комплекса индукционного нагрева мощностью 100 кВт, на котором выполнена экспериментальная оценка эффективности нового адаптивного алгоритма управления.

Установлено, что потери в силовых транзисторах инвертора при реализации предложенного алгоритма снижаются в 1,8…2,3 раза. Физическая модель послужила прототипом разработанного фирмой «ИНТЕРМ» промышленного комплекса термообработки машиностроительных деталей токами высокой частоты.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации, входящие в перечень ВАК:

1. Тихомиров, И.С., Патанов, Д.А., Определение оптимального тока коммутации транзисторов инвертора напряжения в установках индукционного нагрева [Текст]/ И.С. Тихомиров, Д.А. Патанов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – 2008 – №3 С. 188 – 192.

2. Тихомиров, И.С., Васильев, А.С., Патанов, Д.А., Адаптивный алгоритм самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения для установок индукционного нагрева [Текст]/ И.С. Тихомиров, А.С. Васильев, Д.А. Патанов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – 2008 – №8 С. 262 – 267.

Другие публикации:

3. Тихомиров, И.С., Дзлиев, С.В., Бондаренко, Д.Н., Патанов, Д.А., Чернецов, П.О., Автоподстройка частоты в транзисторных инверторах напряжения для индукционного нагрева [Текст]/ И.С. Тихомиров, С.В.

Дзлиев, Д.Н. Бондаренко, Д.А. Патанов, П.О. Чернецов // Труды Всероссийской научно – технической конференции с международным участием, Екатеринбург 2006. – С. 337 – 341.

4. Tihomirov, I., Dzliev, S., Patanov, D., Bondarenko, D., Chernetsov, P., Ershov, D., High-frequency transistor converters for induction heating (Высокочастотные транзисторные преобразователи для индукционного нагрева) [Текст]/ I. Tihomirov, S. Dzliev, D. Patanov, D. Bondarenko, P.

Chernetsov, D. Ershov // Proceedings of the International Seminar on Heating by Internal Sources, Padua, 2004. – P. 655 – 659.

5. Тихомиров, И.С., Чернецов, П.О., Транзисторные источники питания для плазменных установок [Текст]/ И.С. Тихомиров, П.О. Чернецов // Политехнический симпозиум 2004. СПб., 2004. – С. 61 – 62.

6. Тихомиров, И.С., Чернецов, П.О., Современный источник питания для электротехнологии с улучшенными энергетическими показателями [Текст]/ И.С. Тихомиров, П.О. Чернецов // Политехнический симпозиум 2004. СПб., 2004. – С. 54 – 55.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»