Энергоэффективная система питания установки индукционного нагрева

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам преобразования переменного тока в постоянный с применением исключительно полупроводниковых компонентов, включенных по мостовой схеме, и может быть использовано в установках индукционного нагрева, а также иных силовых установках, требующих подведения энергии от источников тока, регулируемого в широких диапазонах с малым запаздыванием его формирования. Технический результат - повышение энергоэффективности и электромагнитной совместимости электротехнического комплекса установки индукционного нагрева, повышение быстродействия формирования уровня питающего тока. Система питания содержит измеритель фазных токов и напряжений, блок фазо-линейных преобразований напряжений, блок фазо-линейных преобразований токов, блок вычисления амплитуд напряжений, блок вычисления опорных сигналов токов, датчик постоянного тока, ПИ-регулятор постоянного тока, блок вычисления задания на потребляемые токи, блок вычисления отклонений потребляемых токов, блок гистерезисных регуляторов, блок выбора коммутационной комбинации, блок защиты от разрыва источника тока, управляемый выпрямитель, сетевой трехфазный дроссель, конденсаторный блок, дроссель постоянного тока, цепь разряда дросселя, блок насыщения. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам преобразования переменного тока в постоянный с применением исключительно полупроводниковых компонентов, включенных по мостовой схеме, и может быть использовано в установках индукционного нагрева, а также иных силовых установках, требующих подведения энергии от источников тока, регулируемого в широких диапазонах с малым запаздыванием его формирования.

Известен источник питания для индуктора, содержащий звено постоянного тока с трехфазным выпрямителем и емкостным фильтром, инвертор с датчиками тока в цепи нагрузки, каждая фаза которого выполнена по мостовой схеме на IGBT-модулях, систему управления, включающую элементы сопряжения с инвертором и микроконтроллер, блок питания, тормозные транзистор и резистор, при этом в цепи питания каждой фазы инвертора установлен дополнительный датчик тока, а система управления дополнительно содержит блок формирования импульсов, каждый пороговый элемент которого входом соединен с датчиком тока в цепи питания, одним из выходов через диодную группу соединен с элементами сопряжения системы управления с одной фазой инвертора, а другим выходом через соответствующую диодную группу соединен с элементами сопряжения системы управления с другой фазой инвертора [1].

Недостатком данного устройства является отсутствие элементов управляемого выпрямления питающего напряжения, что обуславливает высокий уровень потребляемой реактивной энергии, а также высших гармоник тока, и приводит к дополнительным потерям энергии и снижению электромагнитной совместимости.

Известен также преобразователь частоты, содержащий трансформатор, к зажимам вторичной обмотки которого подсоединены выпрямитель, дроссели фильтра в анодной и катодной цепях выпрямителя, четыре инвертирующих тиристорных моста с обратными диодами и коммутирующими LC-цепочками в диагоналях, при этом нагрузка выполнена из двух параллельно соединенных секций, которые включены последовательно между инвертирующими мостами двух параллельных цепей [2].

Недостатком данного устройства является использование для выпрямления напряжения однооперационных полупроводниковых ключей вместо двухоперационных, что не позволяет компенсировать высшие гармоники потребляемого тока, а также ограничивает скорость регулирования уровня выходного напряжения / тока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для индукционного нагрева изделия, содержащее: источник питания, имеющий выход переменного тока с управлением на основе широтно-импульсной модуляции; устройство согласования импедансов, имеющее вход, присоединенный к выходу переменного тока источника питания; индуктор, присоединенный к выходу устройства согласования импедансов для создания переменного магнитного поля; средство для перемещения изделия сквозь индуктор для магнитной связи последовательно поступающих поперечных сечений изделия с переменным магнитным полем; средство для измерения указанных последовательно поступающих поперечных сечений, магнитно связанных с переменным магнитным полем; средство для избирательного регулирования частоты выходного переменного тока, когда каждое из последовательно поступающих поперечных сечений магнитно связано с переменным магнитным полем для индукционной термообработки в ответ на изменение размера поперечного сечения указанных последовательно поступающих поперечных сечений, магнитно связанных с переменным магнитным полем; и средство для избирательного регулирования мощности выходного переменного тока путем изменения скважности выходного переменного тока, когда каждое из последовательно поступающих поперечных сечений магнитно связано с переменным магнитным полем для индукционной термообработки, а частота выходного переменного тока отрегулирована в ответ на указанное изменение размера поперечного сечения указанных последовательно поступающих поперечных сечений [3].

Недостатком данного устройства является отсутствие элементов восстановления формы потребляемого тока, в связи с чем формируется завышенное потребление реактивной мощности и образование высших гармоник тока.

Задачей изобретения является повышение энергоэффективности и электромагнитной совместимости индукционной установки.

Решение поставленной задачи достигается тем, энергоэффективная система питания установки индукционного нагрева содержит подключенный к сети переменного трехфазного напряжения измеритель фазных токов и напряжений, силовые выходы которого подключены ко входу сетевого трехфазного дросселя, выходы сетевого трехфазного дросселя подключены к конденсаторному блоку, а также силовым входам управляемого выпрямителя, к выходу постоянного напряжения положительной полярности выпрямителя подключен датчик постоянного тока, выход датчика постоянного тока подключен к дросселю постоянного тока, встречно-параллельного которому подключена цепь разряда дросселя, сигнальные выходы измеренного напряжения измерителя фазных токов и напряжений подключены к блоку фазо-линейных преобразований напряжений, а сигнальные выходы измеренного тока измерителя фазных токов и напряжений - к блоку фазо-линейных преобразований токов, блок фазо-линейных преобразований напряжений подключен к блокам вычисления амплитуд напряжений и вычисления опорных сигналов токов, блок вычисления амплитуд напряжений также подключен к блоку вычисления опорных сигналов токов, блок вычисления опорных сигналов токов подключен к блоку вычисления заданий на потребляемые токи, блоки вычисления заданий на потребляемые токи и фазо-линейных преобразований тока подключены к блоку вычисления отклонений потребляемых токов, блок вычисления отклонений потребляемых токов подключен к блоку гистерезисных регуляторов, блок гистерезисных регуляторов подключен к блоку выбора коммутационной комбинации, блок выбора коммутационной комбинации подключен к блоку защиты от разрыва источника тока, блок защиты от разрыва источника тока подключен к управляемому выпрямителю, выход блока насыщения подключен к первому входу ПИ-регулятора постоянного тока, сигнальный выход датчика постоянного тока подключен ко второму входу ПИ-регулятора постоянного тока, выход ПИ-регулятора постоянного тока подключен к блоку вычисления заданий на постоянные токи.

Система питания поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема устройства и его взаимодействия с индукционной установкой, а на фиг. 2 - осциллограммы напряжения фазы А и потребляемого по ней фазного тока.

На фиг. 1: 1 - измеритель фазных токов и напряжений; 2 - блок фазо-линейных преобразований напряжений; 3 - блок фазо-линейных преобразований токов; 4 - блок вычисления амплитуд напряжений; 5 - блок вычисления опорных сигналов токов; 6 - датчик постоянного тока; 7 - ПИ-регулятор постоянного тока; 8 - блок вычисления заданий на потребляемые токи; 9 - блок вычисления отклонений потребляемых токов; 10 - блок гистерезисных регуляторов; 11 - блок выбора коммутационной комбинации; 12 - блок защиты от разрыва источника тока; 13 - управляемы выпрямитель; 14 - сетевой трехфазный дроссель; 15 - конденсаторный блок; 16 - дроссель постоянного тока; 17 - цепь разряда дросселя; 18 - инвертор установки индукционного нагрева; 19 - конденсатор резонансного контура; 20 - индуктор; 21 - система управления установки индукционного нагрева; 22 - блок насыщения.

На фиг. 2: 1 - напряжение фазы A; 2 - потребляемый по фазе А ток.

Энергоэффективная система питания установки индукционного нагрева работает следующим образом.

К измерителю трехфазных токов и напряжений 1 подводится трехфазное напряжение промышленной частоты. Он осуществляет гальваноразвязанное измерение сетевых фазных напряжений u_A(t), u_B(t), u_C(t) и потребляемых токов i_A(t), i_B(t), i_C(t), с отфильтрованными выходными сигналами на уровне опорного напряжения цифровых вычислительных элементов системы питания. Блоки фазо-линейных преобразований напряжения 2 и тока 3 осуществляют вычисление мгновенных линейных напряжений u_AB(t), u_BC(t), u_CA(t) и токов i_AB(t), i_BC(t), i_CA(t) по соотношениям (1) и (2) соответственно исходя из полученных от измерителя 1 мгновенных значений фазных напряжений и токов.

(1)

(2)

Блок вычисления амплитуд напряжений 4, исходя из мгновенных значений линейных напряжений, возвращает значения амплитуд U_ABamp, U_BCamp, U_CAamp их фундаментальной гармоники, используя анализ Фурье (3).

(3)

где ƒ - частота фундаментальной гармоники,

T = ƒ^-1 - период фундаментальной гармоники.

Блок вычисления опорных сигналов тока 5, исходя из значений амплитуд U_ABamp, U_BCamp, U_CAamp и мгновенных линейных напряжений u_AB(t), u_BC(t), u_CA(t), формирует опорные сигналы тока f_REFAB(t), f_REFBC(t), f_REFCA(t) согласно соотношениям (4).

(4)

Индуктор установки индукционного нагрева 20, включенный параллельно с конденсатором резонансного контура 19, получающий питание от инвертора индуктора 18, выполненного в топологии инвертора тока, передает информацию о ходе технологического процесса в систему управления индукционной установки 22, которая, в свою очередь, формирует управляющие импульсы для инвертора 18 и определяет задание на постоянный ток I_d* для источника питания. В случаях ошибки системы управления индуктора, или превышения максимального значения потребляемого индуктором тока требуется ограничить задание на постоянный ток для источника питания, что достигается посредством блока насыщения 22. После блока ограничения сигнал задания на постоянный ток I_d* сравнивается с фактическим значением постоянного тока I_d, получаемым от датчика постоянного тока 6, и, на основе проведенного сравнения, ПИ-регулятор постоянного тока 7 формирует задание на амплитуды потребляемых линейных токов I_ABamp*, I_BCamp*, I_CAamp*. Затем, в блоке вычисления заданий на потребляемые токи 8 формируются заданные мгновенные линейные токи i_AB*(t), i_BC*(t), i_CA*(t) по соотношениям (5).

(5)

В блоке 9 вычисления отклонений потребляемых токов Δi_AB(t), Δi_BC(t), Δi_CA(t) рассчитывается разница заданных и фактических значений мгновенных потребляемых линейных токов (6).

(6)

Блок гистерезисных регуляторов 10 формирует сигналы Q_AB, Q_BC, Q_CA для блока выбора коммутационных комбинаций 11 путем сравнения рассчитанных в блоке 9 отклонений и заданных в регуляторах значений ширины зоны гистерезиса h (7).

(7)

Ширина зоны гистерезиса h задается по умолчанию равной 5 … 10% от номинального потребляемого линейного тока и может изменяться автоматически в зависимости от требований по точности формирования потребляемого мгновенного тока, частоте коммутации полупроводниковых элементов выпрямителя 13.

Выбранная коммутационная комбинация в блоке 11 проходит через анализ в блоке защиты от разрыва в источнике тока 12 с целью исключения комбинаций, предполагающих размыкание всех пар полупроводниковых ключей, включенных в одну фазу переменного напряжения. Управляющие сигналы в виде коммутационных комбинаций поступают на управляемый выпрямитель 13, построенный по трехфазной мостовой схеме с использованием IGBT с блокирующим быстродействующим диодом.

Импульсы тока и напряжения в цепи переменного тока, которые образуются при высокочастотной коммутации выпрямителя, фильтруются сетевым трехфазным дросселем 14 и конденсаторным блоком 15. В качестве элемента, служащего для запасания электрической энергии и поддержания постоянного тока на требуемой величине, в звене постоянного тока системы питания используется дроссель постоянного тока 16. Для предотвращения пробоя изоляции дросселя в случаях аварийного отключения выпрямителя встречно-параллельно дросселю включается цепь разряда дросселя 17.

Таким образом, происходит восстановление формы потребляемого фазного тока по форме соответствующего фазного напряжения, что подтверждают осциллограммы потребляемого фазного тока i_A(t) и сетевого фазного напряжения u_A(t) на фиг. 2.

Энергоэффективная система питания установки индукционного нагрева характеризуется пренебрежимо малыми величинами гармонических искажений потребляемых токов и потребляемой реактивной мощности, за счет чего и происходит повышение электромагнитной совместимости и энергоэффективности; высоким быстродействием и точностью при формировании величины потребляемых токов; высоким уровнем надежности при обеспечении питания технологических установок постоянным током регулируемой величины.

Список литературы

1. Пат. 2680715 Российская Федерация, МПК H02M 7/42, H02M 7/53862, H02M 7/5395, H05B 6/04, H05B 6/06. Источник питания для индуктора / Лыбзиков Г.Ф., Тимофеев В.Н.; заявитель и патентообладатель Тимофеев Виктор Николаевич. - №2017138175; заявл. 01.11.2017; опубл. 26.02.2019, Бюл. №6. - 13 с.

2. Пат. 2562254 Российская Федерация, МПК H02M 1/088, H02M 5/443, H02M 5/451, H02M 7/66, H02M 7/77, H02M 7/797, H05B 6/02, H05B 6/10. Преобразователь частоты и способ управления им / Аитов И.Л., Мухаметшин Р.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет». - №2014131862; заявл. 31.07.2014; опубл. 10.09.2015, Бюл. №25. - 6 с.

3. Пат. 2501194 Российская Федерация, H05B 6/02, H05B 6/04, H05B 6/06, H05B 6/40, H02M 5/451, H02M 7/527. Индукционная тепловая обработка изделий / Вайс К., Фишман О.С.; заявитель и патентообладатель Индактотерм Корпорейшн. - №2009148494; заявл. 09.06.2008; опубл. 10.12.2013, Бюл. №34. - 23 с.

Энергоэффективная система питания установки индукционного нагрева, содержащая подключенный к сети переменного трехфазного напряжения измеритель фазных токов и напряжений, силовые выходы которого подключены ко входу сетевого трехфазного дросселя, выходы сетевого трехфазного дросселя подключены к конденсаторному блоку, а также силовым входам управляемого выпрямителя, к выходу постоянного напряжения положительной полярности выпрямителя подключен датчик постоянного тока, выход датчика постоянного тока подключен к дросселю постоянного тока, встречно-параллельного которому подключена цепь разряда дросселя, отличающаяся тем, что сигнальные выходы измеренного напряжения измерителя фазных токов и напряжений подключены к блоку фазо-линейных преобразований напряжений, а сигнальные выходы измеренного тока измерителя фазных токов и напряжений - к блоку фазо-линейных преобразований токов, блок фазо-линейных преобразований напряжений подключен к блокам вычисления амплитуд напряжений и вычисления опорных сигналов токов, блок вычисления амплитуд напряжений также подключен к блоку вычисления опорных сигналов токов, блок вычисления опорных сигналов токов подключен к блоку вычисления заданий на потребляемые токи, блоки вычисления заданий на потребляемые токи и фазо-линейных преобразований тока подключены к блоку вычисления отклонений потребляемых токов, блок вычисления отклонений потребляемых токов подключен к блоку гистерезисных регуляторов, блок гистерезисных регуляторов подключен к блоку выбора коммутационной комбинации, блок выбора коммутационной комбинации подключен к блоку защиты от разрыва источника тока, блок защиты от разрыва источника тока подключен к управляемому выпрямителю, выход блока насыщения подключен к первому входу ПИ-регулятора постоянного тока, сигнальный выход датчика постоянного тока подключен ко второму входу ПИ-регулятора постоянного тока, выход ПИ-регулятора постоянного тока подключен к блоку вычисления заданий на постоянные токи.