Теория и разработка полупроводниковых источников питания электротехнологических установок индукционного нагрева с улучшенными энергетическими показателями

Индукционный нагрев, потребляющий высокочастотную электроэнергию, широко используется в автомобильной, машиностроительной, электронной, металлургической и других отраслях промышленности.

Технологические процессы, в основе которых лежит индукционный нагрев, очень разнообразны [1 — 17]. К традиционным технологиям относятся нагрев стальных деталей в кузнечно-прессовом производстве, поверхностная закалка машиностроительных деталей, плавка легированных сталей и цветных металлов, сварка при производстве труб, пайка высокотемпературными припоями инструмента, термообработка сварных соединений, высокочастотная плазменная обработка материалов и др.

Новые индукционные технологии, разработка которых производится в настоящее время, это зонная плавка полупроводниковых монокристаллов большого диаметра, нагрев слябов в сталепрокатном производстве, стальной ленты в процессе нанесения корозионно стойких покрытий типа цинкования и гальванилинга, пайка высокотемпературными припоями медных выводов мощных электрических машин и трансформаторов, пайка трубопроводов, высокоинтенсивная поверхностная закалка стали, нагрев термовалов бумагоделательных и каландровых машин, нагрев медных и алюминиевых проводов перед изолированием при производстве электрических кабелей, термическая правка коробления стальных и алюминиевых настилов после сварки (палубы и переборки кораблей), плавка высокотемпературных материалов (оксидов) [8] с целью получения новых материалов и фундаментальных исследований в области экспериментального моделирования тяжелых аварий на атомных электростанциях и др.

Применение индукционного нагрева во всем мире быстро расширяется благодаря высоким показателям качества по сравнению с другими видами нагрева — большой экономической выгоде, экологической чистоте процессов, возможности концентрированной передачи энергии в вещество и высокой степени автоматизации процессов.

В нашей стране внедрение индукционных технологий в промышленность сдерживается отсутствием конкурентоспособных отечественных источников питания. Использующиеся в настоящее время электромашинные преобразователи частоты и ламповые генераторы морально устарели и имеют низкие энергетические показатели. Промышленные предприятия вынуждены приобретать за рубежом дорогостоящее оборудование.

В связи с этим, в данной работе поставлена очень актуальная и важнейшая для страны цель — создание полупроводниковых источников питания индукционных технологических установок с высокими энергетическими показателями, которые позволят поднять на новый уровень технологическое оснащение многих отраслей отечественной промышленности.

Для достижения этой цели поэтапно решались следующие задачи:

1. Разработка аппарата моделирования ключевых преобразователей электрической энергии, способного обеспечить эффективный анализ их динамических процессов и установившихся режимов с учетом характерных особенностей изменения индукционной нагрузки и алгоритмов управления технологическими процессами.

2. Развитие теории и схемотехники тиристорных инверторов, направленное на повышение предельных частот преобразования электрической энергии при ограниченных частотных свойствах тиристоров, на повышение мощности преобразователей путем применения модульных и многоячейковых структур, а также на повышение надежности их работы на переменную индукционную нагрузку за счет использования диодных цепей ограничения реактивной мощности. Разработка серии тиристорных преобразователей СЧГ на частоты до 10 кГц, способных заменить морально устаревшие электромашинные преобразователи;

3. Развитие теории построения мощных подстанций на тиристорных преобразователях частоты для замены электромашинных генераторов при централизованном питании индукционных нагревателей кузнечных цехов. Разработка систем централизованного питания на преобразователях СЧГ;

4. Развитие теории транзисторных источников питания индукционных технологических установок в диапазоне частот до 440 кГц для замены ламповых генераторов. Разработка и промышленное внедрение серии автоматизированных транзисторных генераторов ТГИ на мощность до 40 кВт и частоту до 250 кГц;

5. Разработка промышленных и экспериментальных технологических установок индукционного нагрева с транзисторными генераторами ТГИ, характеризующихся радикальным повышением энергетических показателей по сравнению с аналогичными установками с ламповыми генераторами.

Таким образом, предложенные в данной работе научно обоснованные решения технических и технологических проблем, связанных с созданием и внедрением конкурентоспособных полупроводниковых преобразователей частоты и установок индукционного нагрева практически для всего частотного диапазона применения индукционного нагрева, вносят значительный вклад в развитие экономики страны.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы структурной организации программы Г1АКЛС, позволяющей программировать на проблемно-ориентированном языке и решать задачи временного анализа схем с ключевыми моделями полупроводниковых приборов с учетом алгоритмов управления и регулирования, а также информационной модели индукционной технологической нагрузки и планируемой процедуры вычислительного эксперимента.

2. Математические модели тиристорных и транзисторных преобразователей частоты с индукционной нагрузкой, отражающие цели моделирования и позволяющие проводить расчеты, необходимые для создания систем питания индукционных технологических установок с улучшенными энергетическими характеристиками.

3. Методы параметрической оптимизации и расчета характеристик, адаптированные для эффективного применения при исследовании динамических моделей полупроводниковых преобразователей частоты (модификация метода деформируемого многогранника, метод экстремального регулятора и метод медленной вариации параметров для сканирования характеристик).

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование схемных и конструктивных решений, алгоритмов управления и защиты, принятых при разработке тиристорных и транзисторных источников питания и установок индукционного нагрева.

5. Теория построения систем централизованного питания кузнечных индукционных нагревателей, включающая математические модели, структурные, схемные и конструктивные решения, алгоритмы управления и защиты мощных высокочастотных подстанций на базе тиристорных преобразователей частоты СЧГ.

6. Рекомендации по выбору оптимальных частот нагрева на основе комплексного рассмотрения требований технологии, параметров индукционной системы и источника питания. Экспериментальное обоснование целесообразности повышения частоты нагрева массивных деталей по сравнению с традиционно принятыми нормами при переходе с ламповых на транзисторные источники питания, а также в технологиях, требующих компенсации поверхностных потерь тепла или сквозного прецизионного нагрева с малым теплоперепадом.

Выражаю искреннюю признательность и благодарность проф. Васильеву А. С. за постоянную поддержку в работе, проф. Конраду Г. за дружескую помощь в решении теоретических и практических задач создания транзисторных источников питания и ст.н.с. Гуревичу С. Г. за доброжелательное и квалифицированное обсуждение мировоззренческих научно-технических проблем и замечания по рукописи работы.

Особая благодарность членам коллектива кафедры Электротехнологической и преобразовательной техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ», непосредственно принимавшим участие в научно-исследовательских работах, результатами которых стали практические разработки полупроводниковых преобразователей и установок индукционного нагрева.

3.5. Выводы.

1. Инвертор с удвоением частоты с обратными диодами позволяет строить тиристорные преобразователи на частоты до 10 кГц, удовлетворяющие основным требованиям к источникам питания установок индукционного нагрева.

2. Системы централизованного питания кузнечных индукционных нагревателей на базе инверторов с удвоением частоты обеспечивают надежное электроснабжение потребителей высокочастотной мощностью при высоких энергетических показателях. Правильность теоретических положений по построению подтверждена разработкой и внедрением высокочастотных подстанций крупных кузнечных цехов Псковского завода зубчатых колес и Дружковского метизного завода, а также обследованием СЦП Кировского завода в Петербурге.