Результат интеллектуальной деятельности: ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

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.

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.

При наличии постоянного тока I_У 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_р, направлено навстречу постоянному полю, обусловленному током I_У управления.

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_p 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_m 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_Mi. Каждой точке ВНХ соответствует свой коэффициент модуляции тока . Он имеет высокие значения K_Mi=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.

В установившемся режиме при подключении источника U₀ ток i_d 20 несколько пульсирует (фиг.2, а, б). Для больших значений индуктивности 9 L_d малых сопротивлениях R_d ток i_d незаметно пульсирует относительно среднего значения и определяется по уравнению:

где - относительная длительность импульсов управляющего напряжения E_у;

T_u, t_u, U₀ - период повторения, длительность и амплитуда импульсов;

R_d - сопротивление рабочей обмотки дросселя насыщения.

Среднее значение тока i_d управления, потребляемого от источника постоянного тока U₀, определяется площадкой 22, и будет примерно в γ раз меньше тока I_d

При отсутствии модуляции тока i_d частота следования управляющих импульсов и фазовое их расположение не влияют на значения I_d и I_yc.

В схеме по фиг.1 ток i_d всегда имеет две составляющие, одна из которых протекает по цепи подмагничивания при замкнутом ключе 11 и определяет ток 22 (i_d) источника постоянного напряжения 12, а другая соответствует разомкнутому состоянию ключа 11 и равна току 23 i_VD 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:

где E_yc - среднее значение управляющего импульса 22 напряжения.

Средняя входная мощность дросселя 8 насыщения при непрерывном подмагничивании равна

Определим кратность уменьшения мощности при импульсном подмагничивании (коэффициент усиления по мощности):

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.

Общая масса дросселя насыщения и линейного дросселя снижается по сравнению с прототипом за счет устранения сглаживающего дросселя L₀ 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.

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_PO=0,7-0,75, то же у ИЕП M_PO=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.