Быстродействующая обучающаяся система питания установки индукционного нагрева Российский патент 2023 года по МПК H02M7/217 H05B6/04 

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.

Известно также 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.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является 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 [4].

Недостатком данного устройства является наличие статической погрешности и задержки формирования задания на амплитуды потребляемых линейных токов, а также зависимостью уровня гармонических искажений потребляемого тока от типа и размеров нагреваемой заготовки при использовании контура регулирования задания с использованием датчика постоянного тока и ПИ-регулятора тока, что ограничивает максимальный уровень эффективности системы восстановления формы потребляемого тока.

Задачей изобретения является повышение энергоэффективности и электромагнитной совместимости индукционной установки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что быстродействующая обучающаяся 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 дроссель 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 и блоку вычисления среднеквадратической величины фазных токов, блок вычисления среднеквадратической величины фазных токов подключен к блоку интеллектуальной коррекции функций мгновенного потребляемого тока, 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, блок определения величины потребляемого тока подключен к блоку вычисления заданий на потребляемые токи и блоку интеллектуальной коррекции функций мгновенного потребляемого тока.

Система питания поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема устройства и его взаимодействия с индукционной установкой, на фиг.2 - пример системы функций величины потребляемого тока, на фиг.3 - осциллограммы потребляемого 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 - блок вычисления среднеквадратической величины фазных токов; 7 - блок вычисления заданий на потребляемые токи; 8 - блок вычисления отклонений потребляемых токов; 9 - блок гистерезисных регуляторов; 10 - блок выбора коммутационной комбинации; 11 - блок защиты от разрыва источника тока; 12 - управляемый выпрямитель; 13 - сетевой трехфазный дроссель; 14 -конденсаторный блок; 15 - дроссель постоянного тока; 16 - цепь разряда дросселя; 17 - инвертор установки индукционного нагрева; 18 - конденсатор резонансного контура; 19 - индуктор; 20 - система управления установки индукционного нагрева; 21 - блок определения величины потребляемого тока; 22 - блок интеллектуальной коррекции функций мгновенного потребляемого тока.

На фиг.3: 1 - осциллограмма потребляемого фазного тока при работе системы питания установки индукционного нагрева с ПИ-регулятором в контуре регулирования задания на ток; 2 - осциллограмма потребляемого фазного тока при работе быстродействующей обучающейся системы питания установки индукционного нагрева.

Быстродействующая обучающаяся система питания установки индукционного нагрева работает следующим образом.

К измерителю трехфазных токов и напряжений 1 подводится трехфазное напряжение промышленной частоты. Он осуществляет гальванически развязанное 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.

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).

где ƒ - частота фундаментальной гармоники,

Т=ƒ¹ - 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 ƒ_REFAB(t), ƒ_REFBC(t), ƒ_REFCA(t) согласно соотношениям (4).

Блок вычисления среднеквадратической величины фазных токов 6 на основе измеренных значений мгновенный фазных токов i_A(t), i_B(t), i_C(t) определяет согласно уравнению (5) усредненное по фазам среднеквадратическое значение фактического потребляемого тока I_RMS.

Индуктор установки индукционного нагрева 19, включенный параллельно с конденсатором резонансного контура 18, получающий питание от инвертора индуктора 17, выполненного в топологии инвертора тока, передает информацию о ходе технологического процесса в систему управления индукционной установки 20, которая, в свою очередь, формирует управляющие импульсы для инвертора 17 и передает в быстродействующую обучающуюся систему питания установки индукционного нагрева на блок определения величины потребляемого тока 21 значения установленного I_раб* и текущего I_раб рабочего тока индуктора, а также типа b_type и размера b_dim нагреваемой индуктором заготовки. В зависимости от значений параметров b_type и b_dim осуществляется выбор эмпирически установленной системы функций величины потребляемого тока, возможный пример которой представлен на фиг.2. По данной системе, в зависимости от величин I_раб* и I_pаб определяется задание на среднеквадратическое значение потребляемого из сети тока I^*_RMS. Система функций задается несколькими опорными функциями, пример которых приведен в выражениях (6) - для нагрева до точки Кюри и (7) - после точки Кюри. Поверхности, опирающиеся на данные кривые, автоматически аппроксимируются в блоке 21 для нахождения промежуточных функций и значений. Граничными состояниями нагрева являются режим холостого хода и точка Кюри. Следовательно, аппроксимированные поверхности будут ограничиваться функциями потребления в режиме холостого хода и в точке Кюри, пример которых для приведенных опорный функций дан, соответственно, в виде уравнений (8) и (9).

Как видно из выражений (6) и (7), в общем виде функцию потребления можно выразить в форме полиномов первого и второго порядков с изменяемыми коэффициентами, величина которых зависит только от установленного рабочего тока индуктора. Таким образом, система функций величины потребляемого тока для заданных значений b_type и b_dim в общем виде определяется выражением (10).

где - изменяемые коэффициенты функций потребления для заданной величины рабочего тока индуктора I^*_раб.

Первоначально величины данных коэффициентов для опорных функций определяются эмпирически, а для промежуточных - автоматически в блоке 21 методом линейной аппроксимации. Эмпирическое определение сводится к вычислению потребляемого из сети тока следующим образом: в систему управления индукционной установки 20 поступают измеренные значения текущего тока и напряжения на индукторе, из чего выполняется расчет активной мощности, передаваемой инвертором установки индукционного нагрева 17, с учетом мощности потерь в преобразователе, значение потребляемой мощности инвертора делится на входное напряжение системы питания и полученное значение потребляемого тока из системы управления передается в блок 21. В ходе работы устройства опорные функции потребления могут уточняться с целью минимизации отклонения среднеквадратичного тока восстановленной формы от фактического потребляемого среднеквадратичного тока. Данная корректировка осуществляется блоком интеллектуальной коррекции функций мгновенного потребляемого тока 22. Для коррекции блок 22 получает из блока 21 также следующий набор данных: 1) значения типа b_type и размера b_dim нагреваемой индуктором заготовки - для выбора данных корректируемой поверхности, 2) заданную величину рабочего тока индуктора I^*_раб - для выбора данных корректируемой функции, 3) текущее значение I_раб рабочего тока индуктора - для определения функции отклонений, 4) задание на среднеквадратическое значение потребляемого из сети тока I^*_RMS - для вычисления отклонения от фактического потребляемого среднеквадратичного тока Δ₁. Из блока вычисления среднеквадратической величины фазных токов 6 блок 22 получает среднеквадратическое значение фактического потребляемого тока I_RMS. Отклонение Δ₁ рассчитывается в блоке 22 по уравнению (11).

В зависимости от величины отклонения фактического потребляемого среднеквадратичного тока Δ₁ для конкретного значения рабочего тока индуктора I_Раб рассчитывается функция отклонения Δ₁(I_pa6) аппроксимированной функции потребления I^*_RMS(I_раб) и исходя из этих данных корректируются коэффициенты функций потребления Для выполнения корректировки в блоке 22 используется нейронная сеть.

После блока 21 в блоке вычисления заданий на потребляемые токи 7 формируются заданные мгновенные линейные токи по соотношениям (12).

В блоке 8 вычисления отклонений потребляемых токов рассчитывается разница заданных и фактических значений мгновенных потребляемых линейных токов (13).

Блок гистерезисных регуляторов 9 формирует сигналы Q_AB, Q_BC, Q_CA для блока выбора коммутационных комбинаций 10 путем сравнения рассчитанных в блоке 8 отклонений и заданных в регуляторах значений ширины зоны гистерезиса h (14).

Ширина зоны гистерезиса h задается по умолчанию равной 5% от максимального потребляемого линейного тока и может изменяться автоматически в зависимости от требований по точности формирования потребляемого мгновенного тока, частоте коммутации полупроводниковых элементов выпрямителя 12.

Выбранная коммутационная комбинация в блоке 10 проходит через анализ в блоке защиты от разрыва в источнике тока 11 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 12, 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 13 и конденсаторным блоком 14. 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 15. Для предотвращения пробоя изоляции дросселя в случаях аварийного отключения выпрямителя встречно-параллельно дросселю включается цепь разряда дросселя 16.

Таким образом, происходит восстановление формы потребляемого фазного тока по форме соответствующего фазного напряжения. При этом работа быстродействующей обучающейся системы питания установки индукционного нагрева отличается сниженным уровнем гармонических искажений в сравнении с системой питания установки индукционного нагрева с ПИ-регулятором в контуре регулирования задания на ток, ввиду более точной и быстрой корректировки задания на ток в зависимости от типа и размера нагреваемой заготовки что подтверждает сравнение осциллограмм потребляемого фазного тока i_A(t) для обоих типов устройств на фиг.3.

Быстродействующая обучающаяся система питания установки индукционного нагрева обладает сниженными в сравнении с аналогами величинами гармонических искажений потребляемых токов и потребляемой реактивной мощности; более высоким быстродействием и точностью при формировании величины потребляемых токов; повышенным уровнем надежности при обеспечении питания технологических установок постоянным током регулируемой величины; отсутствием зависимости уровня гармонических искажений потребляемых токов и потребляемой реактивной мощности от типа и размеров нагреваемой заготовки, за счет чего и происходит совокупное повышение электромагнитной совместимости и энергоэффективности установки индукционного нагрева.

Список литературы

1. Пат. 2680715 Российская Федерация, МПК Н02М 7/42, Н02М 7/53862, Н02М 7/5395, Н05В 6/04, Н05В 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 Н02М 1/088, Н02М 5/443, Н02М 5/451, Н02М 7/66, Н02М 7/77, Н02М 7/797, Н05В 6/02, Н05В 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, Н05В 6/02, Н05В 6/04, Н05В 6/06, Н05В 6/40, Н02М 5/451, Н02М 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.

4. Пат.745365 Российская Федерация, МПК Н02М 7/217, Н05В 6/04. Энергоэффективная система питания установки индукционного нагрева / Титов С.С., Евсеев A.M., Безденежных Д.В.; заявитель и патентообладатель ООО «НИИ Система 48». №2020125272; заявл. 21.07.2020; опубл. 24.03.2021, Бюл. №9. - 12 с.

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, фазо-линейных преобразований напряжений, блок фазо-линейных преобразований токов, блок вычисления амплитуд напряжений, блок вычисления опорных сигналов токов, блок вычисления заданий 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, инвертор установки индукционного нагрева, конденсатор резонансного контура, индуктор, система управления установки индукционного нагрева. Система питания дополнительно содержит блок вычисления среднеквадратической величины фазных токов, блок определения величины потребляемого тока, блок интеллектуальной коррекции функций мгновенного потребляемого тока. 3 ил.

Быстродействующая обучающаяся 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 дроссель постоянного тока, встречно-параллельно 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, отличающаяся тем, что сигнальные выходы измеренного тока измерителя фазных токов и напряжений также подключены к блоку вычисления среднеквадратической величины фазных токов, блок вычисления среднеквадратической величины фазных токов подключен к блоку интеллектуальной коррекции функций мгновенного потребляемого тока, блок определения величины потребляемого тока подключен к блоку вычисления заданий на потребляемые токи и блоку интеллектуальной коррекции функций мгновенного потребляемого тока.