CC BY
39
{ББЫ 1992-6502 (Р п п^_
2016. Т. 20, № 3 (73). С. 107-113
Ъьомт, ^ГЙОп^
!55Ы 2225-2789 (ОпПпе) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.314.5
Высокочастотный источник питания с каскадным соединением полупроводникового и ферромагнитного преобразователей частоты
а. р. лАТЫПОВ1, л. э. рОГИНСКАЯ2
1 aidarlat@gmail.com, 2^тБкауа36@таИ.ш ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 20.06.2016
Аннотация. В статье рассмотрены критерии выбора параметров магнитополупроводникового высокочастотного источника питания. Определено понятие рационального электромагнитного режима работы ферромагнитных учетверителей частоты и назначение имитационных моделей. Построены зависимости устойчивой работы источника питания от параметров схемы.
Ключевые слова: источник питания; имитационные модели; ферромагнитный умножитель; внешние характеристики; преобразователь частоты; коэффициент использования.
Установки индукционного нагрева широко используются в машиностроительной, металлургической, автомобильной и других областях промышленности. Широкое распространение индукционных установок объясняется рядом их достоинств:
1. Высокая скорость нагрева и неограниченный уровень температур;
2. Простота автоматизации технологического процесса;
3. Возможность регулирования ширины и глубины прогрева детали.
Индукционный способ нагрева применяется для плавки и металлов и неметаллов, поверхностной закалки, нагрева изделий для пластической деформации и т.д.
Так как индукционные установки приме -няются для самых различных технологических процессов, то для их работы требуются источники питания, напряжения которых изменяются с различной и в том числе с высокой частотой для обеспечения эффективного нагрева. В настоящее время для питания вышеописанных установок использую транзисторные или тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ). Транзисторные преобразователи обладают рядом преимуществ: повышенная надежность, меньшие габариты и масса, автоматическая подстройка частоты генерации. В настоящее время доступны транзисторные преобразователи частоты
мощностью несколько МВт и имеющие высокий КПД. Тиристорные преобразователи частоты применяются достаточно давно. Традиционно они применяются для питания мощных плавильных печей с весом плавки от 0,1 до 110 т., индукционных закалочных станков.
Стоит отметить, что полупроводниковые преобразователи частоты не допускают повышения частоты из-за больших коммутационных нагрузок в силовых ключах. В связи с этим расширение частотного диапазона индукционных установок является актуальной задачей. Данная задача может быть решена с помощью каскадного соединения
полупроводникового преобразователя и ферромагнитного умножителя частоты, принципиальная схема которого представлена на рис. 1, где ППЧ - полупроводниковый преобразователь частоты [1], УЧФ - однофазный ферромагнитный учетверитель частоты [2].
Источник питания состоит из четырех одинаковых трансформаторов 1, насыщающихся с помощью постоянного тока, то есть из двух одинаковых удвоителей частоты. Каждый трансформатор содержит первичную 2 и вторичную 3 обмотки, обмотки подмагничивания постоянным током 4, самоподмагничивания током второй гармоники 5. Первичные обмотки соединяются встречно. Пары первичных обмоток питаются напряже-
Рис. 1. Схема источника питания
нием со сдвигом 90" от полупроводниковых преобразователей частоты 6.
Плечи полупроводниковых преобразователей образованы ключами К1-К4 и К5-К8 соответственно, имитирующими тиристоры или транзисторы. Вторичные обмотки соединены последовательно и согласно. Последовательно с вторичными обмотками подключен конденсатор продольной емкости 7. Пары обмоток самоподмагничивания током второй гармоники соединены последовательно и встречно, параллельно к ним подключен конденсатор 8. Обмотки подмагничивания соединены аналогично вторичным обмоткам и подключены к источнику постоянного тока через фильтр 9.
Установка работает следующим образом. Вследствие магнитной симметрии сердечников и соединения их с двумя источниками питания, выходные напряжения которых сдвинуты на 90°, магнитные потоки в соседних сердечниках (I, III) и (II, IV) сдвинуты друг относительно друга на полпериода питающего напряжения. Поток в первом сердечнике I опережает на 0,25 Т поток во втором сердечнике II, поток во втором сердечнике опережает на 0,25 Т поток в третьем сердечнике III. Поток в третьем сердечнике опережает в свою очередь поток в IV сердечнике. В результате основные гармоники
магнитных потоков взаимно сдвинуты на 90°, вторые гармоники - на 180°, четвертые - на 360°. При подаче напряжения на первичные обмотки на зажимах цепей вторичных обмоток 3 образуется напряжение частоты 4fi, так как вторые гармоники потоков в соответствующих сердечниках сдвинуты на 180° и наводимые ими электродвижущие силы в цепях обмоток 3 и 1 взаимно уничтожаются, а в цепи обмоток 5 складываются. Электродвижущая сила частоты 4f1 складывается в цепях обмоток 3 и 1 и взаимно уничтожается в цепи обмотки 5. Фильтр 9 в цепи подмагничивания служит для предотвращения замыкания по этой цепи тока учетверенной частоты [3, 4]. При этом напряжения питания Ui и U2 должны быть сдвинуты на угол 90° и иметь одинаковую частоту, амплитуду.
Для исследования характеристик источника питания и влияния ферромагнитного умножителя и полупроводникового преобразователя частоты друг на друга была построена математическая модель в приложении MATLAB-Simulink [4]. Данная модель приведена на рис. 2. Содержимое подсистемы Subsystem, представленной на рис. 3 включает в себя модель ферромагнитного учетверителя частоты, подключенного в качестве нагрузки к полупроводниковому преобразователю
Рис. 2. Математическая модель источника питания
частоты [5]. Необходимый сдвиг фаз питающего напряжения осуществляется с помощью элемента «Transport Delay» [6]. Уравнения, лежащие в
основе математической модели ферромагнитного учетверителя частоты, описываются следующим образом.
Рис. 3. Математическая модель ферроманитного учетверителя частоты
Суммарные МДС магнитопроводов:
Fi = Fi + Fd+Fc + Fa, F,,, = F3 + Fd-Fc + F4,
Fii = -F3 + Fd-Fc + Fa, F,v = -F3 + Fd-Fc + F4, d<i d<u
w1 —-— = U1m sin at + w2 —--hr-t,
dt dt
d^iii d0iv .
w3—— = U-m cos at + w4—--i3r3,
dt dt dOii . 1 f . ,, ^ d0m
Wr-;- = —1СГС — — I lrdt + Wr
d-cc I lcw~ ■ "c j
t L J dt
d<iv d<i
dt dt d<iv 1 Г di4
1С
, = - UrH I Udt - Lh dt LCJ dt
d< d< d<
- 1Л/ - - 1Л/ - -
d н d н d
где Fs, is - МДС первичных обмоток, подключенных к U2; Fi, ii - МДС и ток первичных обмоток, подключенных к Ui; Fd -МДС обмоток подмагничивания постоянным током; Fc, ic - МДС обмоток самоподмагничивания током второй гармоники; F4, i4 - МДС обмоток нагрузки; Fi, Ф1, Fii, Фц Fiii, Фш, Fiv, Фш - МДС и потоки на соответствующих сердечниках. На выходе
* 1 1 d<j сумматора Add получаем значение w1
которое интегрируем и получаем значение Ф-. По зависимости <i = f(Fi) (блок Look up Table) определяем Fi. Аналогичным образом находим Fii. Складывая или вычитая между собой Fi и Fii в итоге, получаем значения токов.
На рис. 4 приведены осциллограммы, где видно, что происходит увеличение частоты в 4 раза. При этом искажение форм не происходит, что говорит о рациональном подборе параметров источника питания. Основной задачей при создании ферромагнитного источника питания является выбор параметров схемы, позволяющих достичь рационального электроманитного режима. Так как схема представляет собой каскадное присоединение полупроводникового преобразователя и ферромагнитного учетверителя частоты, режим работы которой раскрывается с помощью системы нелинейных дифференциальных уравнений, то данный выбор можно производить с помощью математической модели.
Величиной характеризующей электромагнитный режим является коэффициент использования КИ [6, 7]:
wh
0 100 200 300 400 500
Fd А
Рис. 5. Зависимости тока нагрузки (мощности) от намагничивающей силы при различных значениях напряжениях питания
Ки i 2 т
К И - -
Z KIkBmt
где Bmt - амплитуда магнитной индукции в обычном трансформаторе; Bim - амплитуда первой гармоники потока в сердечнике учетверителя;
ku i -
U2 н Wi Ui T W2
- коэффициент трансформации по
МДС между какой-либо к-ой обмоткой и вторичной обмоткой;
Ки х = ^2н- коэффициент трансформации
UiTW2
напряжении между первичными и вторичными обмотками.
Из всего вышесказанного следует, что все значения элементов схемы источника питания должны быть выбраны таким образом, чтобы коэффициент использования имел максимальное значение. С помощью имитационных моделей были проведены машинные эксперименты при изменении параметров источника питания и определены зоны устойчивой работы. В результате были найдены следующие значения коэффициентов: Ки=0,34, Кц=4,2, Ки=0,9, Кс=1,65, Кш=1,15.
Электромагнитный режим источника питания, соответствующий максимальному значению коэффициента использования Ки можно считать оптимальным при условии, что работа источника питания будет устойчивой. Иными словами, при всех условиях необходимо,
7 6 5 А4
i
- 3
2 1 0
0
Fd=200А Fd=100А Fd=300А RH=Const
100
200
400
500
600
300 ипит В
Рис. 6. Зависимости тока нагрузки (мощности) от напряжения питания при различных значениях МДС
чтобы значения номинальных параметров были бы выбраны внутри зоны устойчивой работы на достаточно большом удалении от ее границ. Для исследования влияния параметров
ферромагнитного умножителя частоты на выходную величину с помощью имитационной модели были построены характеристики при отклонении параметров преобразователя частоты от значений, соответствующих максимальному Ки. Эти кривые,
соответствующие диапазону устойчивой работы, приведены на рис. 5, 6.
Из кривой 1и=/ (ипит) видно, что выходная мощность увеличивается практически пропорционально напряжению питания и намагничивающей силе На следующем
рисунке показаны зависимости 1н=/(Еф при значениях напряжения в 400 В и 500 В. При увеличении напряжения питания,
соответствующего максимальному значению коэффициента использования, на 40% выходная мощность увеличивается примерно на 30%. Стоит отметить, что при приближении ^ к пороговому значению уменьшается эффект стабилизации. Поэтому желательно выбрать ^ на участке напряжений в 150 - 350 В.
Таким образом, расширение частотного диапазона источников питания индукционных установок возможно. При этом область устойчивой работы широк, а коэффициент использования довольно высокий. Однако изменение частоты должно сопровождаться изменением ¥а, ис таким образом, чтобы коэффициент использования оставался неизменным.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье представлены результаты разработки схемотехнических и имитационных моделей полупроводникового преобразователя частоты и ферромагнитного учетверителя частоты. Описаны уравнения, лежащие в основе имитационной модели. Приведены условия устойчивой работы источника питания. Определен показатель устойчивой работы, а также его значение. Таким образом, следует, что:
1. Каскадное соединение ферромагнитного учетверителя частоты и полупроводникового преобразователя частоты позволяет расширить частотный диапазон и получить источник питания, выходное напряжение которого может иметь три частоты:/г, 2/г, 4/г.
2. С помощью математической модели ферроманитного учетверителя и схемотехнической модели полупроводникового
преобразователя частоты можеть быть получена имитационная модель индукционной установки.
3. С помощью имитационной модели, возможно, определить, как область устойчивой работы, так и его рациональные параметры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рогинская Л. Э., Латыпов А. Р., Исмагилов Р. Р.
Патент на полезную модель №155285 «Магнитополупроводниковый высокочастотный источник питания» [Электронный ресурс].
http://poleznayamodel.ru/model/15/155285.html.
2. Белкин А. К., Костюкова Т. П., Рогинская Л. Э., Шуляк А. А. . Тиристорные преобразователи частоты. М.: Энергоатомиздат, 2000.- 263 с.: ил.
3. Бамдас А. М., Блинов И. В., Захаров Н. В., Шапиро С. В. Ферромагнитные умножители частоты. М., «Энергия», 1968. 176с, с илл. (Серия «Трансформаторы», вып.18).
4. Рогинская Л. Э., Исмагилов Р. Р., Рахманова Ю. В. Согласование выходных параметров инвертора для индукционного нагрева с параметрами нагрузки с помощью ферромагнитного умножителя частоты // Электротехнические и информационные комплексы и системы - 2013.,УГАТУ, №2, т.9..
5. Рогинская Л. Э., Латыпов А. Р. Расширение частотного диапазона полупроводникового преобразователя на базе многофункциональных трансформаторов // ЗАО «ММП-Ирбис»- 2015.
6. Рогинская Л. Э., Латыпов А. Р. Преобразование однофазной системы в многофазную в приложении Simulink математического пакета Matlab // XIII Студенческая научно-практическая конференция, 2015. г. Кумертау, ISBN 978-5-4221-0729-2 ФГБОУВПО «УГАТУ».
7. Рогинская Л. Э., Латыпов А. Р. Многофункциональный источник питания для электротехнологии на основе полупроводникового преобразователя и ферромагнитного умножителя частоты // XVIII Бенардосовские чтения - 2015. ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».
ОБ АВТОРАХ
ЛАТЫПОВ Айдар Рифович, асп. каф. электромех. дипл. инж.-электромех.(УГАТУ, 2014). Готовит дисс. о высокочастотных источниках питания для электротехнологии.
РОГИНСКАЯ Любовь Эммануиловна, проф. каф. электромех. Инженер-электромех. (Горьковский полит. институт, 1959). Д-р техн. наук (ГПИ, 1966). Исследование в области магнитно-тиристорных устройств.
METADATA
Title: The high-frequency power supply to the cascade connection of a semiconductor and ferromagnetic transformers.
Authors: L. E. Roginskaya1, A. R. Latypov2
Affiliation:
1 Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: 2 aidarlat@gmail.com.
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 3 (73), pp. 107-113, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: The article deals with the criteria for selecting the parameters magnitopoluprovodnikovogo high-frequency power supply. The concept of a rational mode of electromagnetic ferromagnetic quadrupler frequency and purpose of simulation models. The dependences of the stable operation of the power supply from the circuit parameters.
Key words: source of power; simulations; ferromagnetic multiplier; external characteristics; frequency converter; utilization rate.
About authors:
LATYPOV, Aydar Rifovich, a graduate student of Department. Electrician. Dipl. electrical engineering (USATU 2014). Prepares diss. a high-frequency power supplies for electrotechnology.
ROGINSKAYA, Lyubov Emmanuilovna, prof. cafes. Electromechanics. Engineer-electrician (Gorky watered. Institute, 1959). Dr. Sc. Sciences (GPI 1966). Research in the field of magnetic thyristor devices.
