Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
POWER SUPPLY FOR AN INDUCTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/088878
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to power supplies for induction assemblies for stirring molten metals, in particular aluminium, in furnaces and mixers and is intended to improve stirring efficiency while having a high power factor and improved energy efficiency. The technical result is an increase in the efficiency with which molten metals are stirred owing to the generation of non-sinusoidal currents in a power supply which is loaded by an inductor and has a high power factor and improved energy efficiency, thereby allowing energy to be redistributed from one phase of the inductor to another under the effect of specially generated signals. This result is achieved in that a control system in the power supply additionally comprises a pulse generating unit, and a current sensor is additionally installed in the power supply circuit of an inverter. Each threshold element of the pulse generating unit is connected by an input to a current sensor in the power supply circuit, and is connected by one of its outputs, via a diode group, to elements for interfacing the control system to one phase of the inverter, and by a second output, via a corresponding diode group, to elements for interfacing the control system to the other phase of the inverter.

Inventors:
TIMOFEEV, Viktor Nikolaevich (ul. Kirenskogo, 5A-49Krasnoyarsk, 4, 660074, RU)
LYBZIKOV, Gennadij Fedotovich (Akademgorodok, 42-10Krasnoyarsk, 4, 660074, RU)
Application Number:
RU2018/000700
Publication Date:
May 09, 2019
Filing Date:
October 22, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
TIMOFEEV, Viktor Nikolaevich (ul. Kirenskogo, 5A-49Krasnoyarsk, 4, 660074, RU)
International Classes:
H02M7/5387; B22D11/115; H02M1/00; H02M1/08
Foreign References:
CN107093976A2017-08-25
US20170099010A12017-04-06
CN202889211U2013-04-17
CN101170279A2008-04-30
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

Источник питания для индуктора, содержащий звено постоянного тока с трёхфазным 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 и тормозные транзистор и резистор, отличающийся тем, что 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.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

Description:
Источник питания для индуктора

Изобретение относится к источникам питания индукционных установок для перемешивания жидких металлов, в частности алюминия, в печах и миксерах и направлено на повышение эффективности перемешивания при высоком коэффициенте мощности источника и улучшенном КПД.

Одним из путей повышения эффективности перемешивания жидких металлов является использование источника несинусоидальных токов [1]. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что при воздействии несинусоидальным периодическим током (на основании закона Ампера, поле Н линейно связано с током и повторяет его форму) можно увеличить эффективность перемешивания жидкого металла, как за счёт более глубокого проникновения электромагнитного поля в его толщу, так и за счёт увеличения силы взаимодействия жидкого металла (с наведёнными в его толще вихревыми токами) с магнитным полем индуктора.

Известны источники питания с двойным преобразованием напряжения: переменное (АС) - постоянное (DC) - переменное (АС). Структурная схема таких преобразователей и принцип их работы описаны в [2, 3]. Преобразователь включает следующие основные узлы: звено постоянного тока, содержащее неуправляемый выпрямитель (как правило, трёхфазный), ёмкостной фильтр и звено предварительного заряда, мостовой трёхфазный инвертор, выполненный на ЮВТ-модулях, систему управления, датчики тока, включённые в цепь нагрузки, и блок питания. Выпрямитель осуществляет преобразование переменного напряжения сети в постоянное. Инвертор посредством широтно- импульсного модулирования управляет транзисторными ключами и преобразует постоянное напряжение в переменное квазисинусоидальное, требуемой частоты и амплитуды в широком диапазоне.

Этот тип источников с двойным преобразованием обеспечивает высокий коэффициент мощности и применяется, главным образом, в качестве частотного электропривода асинхронных двигателей, для обеспечения всех необходимых режимов работы которых, включая и тормозной режим, в цепи постоянного тока предусмотрены транзисторный ключ и тормозной резистор (на которых в процессе работы источника выделяется дополнительная мощность, что снижает КПД).

Недостатком таких источников можно отметить то, что они работают только на симметричную трёхфазную нагрузку, соединённую по схеме "звезда" или "треугольник", в то время как для перемешивания жидких металлов, зачастую, используют двухфазные магнитные системы, как более дешёвые, и, кроме того, синусоидальная форма токов в нагрузке не способствует эффективному перемешиванию жидких металлов. Кроме того, на тормозном резисторе в процессе работы источника выделяется дополнительная мощность, что приводит к снижению КПД.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является преобразователь частоты для двухфазного магнитогидродинамического перемешивателя расплавленного металла [4], выполненный также по схеме двойного преобразования и содержащий следующие основные узлы: звено постоянного тока, состоящее из трёхфазного выпрямителя и ёмкостного фильтра; двухфазный инвертор, каждая фаза которого выполнена по мостовой схеме на IGBT-модулях; систему управления; датчики тока, включённые в цепь нагрузки; блок питания. Выход устройства нагружен на двухфазную нагрузку (индуктор), причём фазы нагрузки гальванически не связаны между собой. Формирование синусоидальных токов в нагрузке, равных по величине и сдвинутых относительно друг - друга на 90° (для получения вращающегося магнитного поля в индукторе) осуществляется переключением IGBT-модулей по алгоритмам широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Стабилизация выходных параметров осуществляется с помощью замкнутой автоматической системы регулирования. Для рассеивания энергии, запасённой в магнитной системе индуктора, имеется силовой транзистор торможения и резистор торможения.

Этот преобразователь (далее источник питания для индуктора) имеет достаточно высокий коэффициент мощности и удовлетворяет всем требованиям производства, однако синусоидальная форма токов в обмотках индуктора не позволяет повысить эффективность перемешивания жидкого металла. А поскольку тормозной резистор активно участвует в формировании токов, то на нём выделяется значительная мощность, что влечет снижение КПД.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения эффективности перемешивания жидких металлов за счёт формирования в источнике, нагруженном на индуктор, несинусоидальных токов при высоком коэффициенте мощности и улучшенном КПД.

Поставленная задача решается тем, что в источнике питания для индуктора, содержащем звено постоянного тока с трёхфазным 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 микроконроллер, блок питания и тормозные транзистор и резистор, согласно изобретению, 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, и одним из выходов через диодную группу - 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.

На фиг. 1/3 представлена структурная схема заявляемого источника питания, на фиг. 2/3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Заявляемый источник питания для индуктора (фиг. 1/3) выполнен по принципу двойного преобразования и содержит 3-х фазный выпрямитель 1 , емкостной фильтр 2, звено предварительного заряда 3, инвертор, например, 2-х фазный 4 А (4 В ) с соответствующими для каждой фазы нагрузкой 5 А (5 В ) и датчиком 6 А (6 В ) тока нагрузки. В цепи питания каждой фазы инвертора (либо в «+» либо в «-») установлены датчики 7 А и 7 В тока, соответственно. Датчики 6 А и 6 В тока нагрузки соединены с соответствующими входами системы управления 8, чьи управляющие выходы соединены с соответствующими ключами соответствующих фаз 4д И 4В инвертора. Система управления 8 содержит блок 9 формирования импульсов, в котором каждый пороговый элемент 10А ( Юв) входом соединен с датчиком 7 А (7в) тока в цепи питания соответствующей фазы. При этом одним выходом каждый пороговый элемент 10А (Юв) через диодную группу 1 1 А (Пв) соединен с элементами сопряжения системы управления 8 с соответствующей фазой инвертора, а другим выходом через другую диодную группу 12в (12А) он соединен с элементами сопряжения системы управления с другой фазой инвертора и микроконтроллером 13. Параллельно питанию ключей инвертора подсоединен блок защиты, включающий тормозной резистор 14 и тормозной транзистор 15. Источник питания для индуктора включает в себя также низковольтный блок питания 16, обеспечивающий функционирование (питание) системы управления 8 с микроконтроллером 13 и питание схем управления ключами инвертора 4 А (4 В ).

Основная идея, заложенная в данном техническом решении, заключается в перераспределении энергии, при воздействии специально сформированных сигналов, из одной фазы индуктора в другую. При включенном питании источника и подаче команды "пуск" система управления 8 формирует сигналы управления силовыми IGBT- модулями. Сигналы управления модулями (ключами) соответствующих фаз 4 А и 4 В инвертора сдвинуты относительно друг друга на 90° (Т/4) и обозначены А, , А 4 , А 3 , А 2 (фаза А), В ь В 4 , В 3 , В 2 (фаза В). В интервале 0 Т /

/ 2 сигналами управления А ь А 4 (фиг. 2/3) открываются соответствующие ключи, и формируется положительная полуволна тока в нагрузке 5д. В интервале Т /2" Т сигналами А з> А 2 открывается другая пара ключей, и формируется отрицательная полуволна тока. Аналогично работают ключи в инверторе 4 В . В интервале — сигналами В В 4 формируется положительная полуволна тока в нагрузке 5 в, в интервале зт / 4 — сигналами В 3 , В 2 формируется отрицательная полуволна тока. Величина тока в нагрузке 5д (5в) задаётся широтно- импульсной модуляцией (ШИМ) только верхними (по схеме фиг. 1/3) ключами в обеих фазах. Нижние ключи ШИМ не модулируются и открываются на всё время действия полуволны тока. Такое управление обеспечивает неразрывную циркуляцию тока в паузах между импульсами ШИМ через нижний открытый ключ и обратный диод противоположного ему верхнего ключа, что исключает возникновение перенапряжения на нагрузке и силовых модулях (ключах) инвертора. Переключение диагоналей мостовых схем инвертора производится с задержкой At (фиг. 2/3). В промежуток времени At все силовые ключи соответствующей фазы заперты, и нагрузка подключается через обратные диоды к конденсаторам емкостного фильтра 2. При этом энергия, накопленная в индуктивной нагрузке 5д (5 В ), будет, преобразовываясь, заряжать конденсаторы фильтра 2. Одновременно с этим на выходе датчиков тока 7д, 7в в соответствующие моменты времени появятся сигналы отрицательной полярности (диагр. 5) и 13) фиг. 2/3). Эти сигналы поступают на соответствующие пороговые элементы 10 А ( Юв) блока 9 формирования импульсов, с помощью которых формируются для каждой фазы прямоугольные импульсы (диагр. 6) и 14) фиг. 2/3). Инвертированные сигналы (диагр. 7) и 15) фиг. 2/3) подаются на диодные группы Щ и 1 1 в соответствующих фаз, которые подключены к выходным каскадам системы управления 8. Появление на выходах пороговых элементов 10д (Юв) сигналов низкого уровня приводит к открыванию соответствующих диодных групп 1 1 д (1 1 в) и, тем самым, блокируется прохождение сигналов управления на силовые модули (ключи) инвертора. В этот момент времени все ключи соответствующей фазы закрываются (режим блокировки), и энергия, накопленная в обмотке индуктора (нагрузке), будет "сбрасываться" в батарею конденсаторов емкостного фильтра 2, заряжая её. Одновременно с процессом разряда обмотки индуктора (нагрузки) одной фазы реализован процесс заряда обмотки (нагрузки) другой фазы. Для этого прямоугольные импульсы с другого выхода порогового элемента Юд (фазы А) подаются на диодную группу 12в (фазы В), а с другого выхода порогового элемента Юв (фазы В) - на диодную группу 12д (фазы А). Эти сигналы поступают также на входы микроконтроллера 1 3 схемы управления 8, максимально увеличивая длительность импульсов ШИМ того ключа, на входе которого присутствуют импульсы высокого уровня. При этом скорость нарастания тока резко увеличивается, как за счёт полного открывания ключа, так и за счёт возрастания напряжения на конденсаторе.

Таким образом, обеспечивается ускоренный процесс "перекачки" энергии из одной фазы в другую через конденсаторы фильтра 2. При этом на нагрузках 5 А (5 в) формируются токи несинусоидальной формы (на диаграммах 8) и 16) фиг. 2/3 показаны формы токов). На кривых токов можно выделить временные интервалы, соответствующие следующим процессам. Например, для кривой тока в нагрузке 5 фазы А в интервале 0 - /4 с пологим нарастанием тока, идёт процесс предварительного накопления энергии. В момент времени Т / /4 происходит разряд обмотки (нагрузки 5 в), и её энергия перераспределяется в нагрузку 5 д. Ток в нагрузке 5 А быстро возрастает и, по окончании процесса заряда формируется плоская вершина в интервале ~ ^ л — ^ /п - На этом участке скорость изменения тока

происходит разряд нагрузки 5 А И перераспределение её энергии в нагрузку 5в- При разряде скорость изменения тока максимальна. Результирующий вектор электромагнитного поля будет вращаться дискретно через 90° при каждой смене полярности токов в нагрузках 5А,

5 В .

Таким образом, в моменты времени, кратные /л , скорость изменения тока в каждой фазе - максимальна, следовательно и сила F взаимодействия жидкого металла с электромагнитным полем будет максимальна, т.е. эффективность его перемешивания возрастает [1]. Далее, процесс повторяется при изменении полярности тока. Аналогичные процессы протекают и в нагрузке 5в.

Повышение КПД заявляемого источника заключается в следующем. 1. В процессе перераспределения энергии, запасённой в нагрузках 5 А, 5 в, напряжение на конденсаторе емкостного фильтра 2 становится больше напряжения питающей сети, диоды выпрямителя 1 запираются и отключают питающую сеть. В эти промежутки времени токи в нагрузках 5 A, 5B формируются только за счёт накопленной в них энергии.

2. Тормозные резистор 14 и транзистор 15 (фиг. 1/3) не принимают участия в процессе формирования токов и служат исключительно для защиты силовых элементов от перенапряжений, которые могут возникнуть в аварийных режимах, например, при аварийном отключении питающей сети или обрыве только одной её фазы, обрыве нагрузки и т.п.

Практическая реализация изобретения

Для проверки заявляемого изобретения был изготовлен опытный образец источника питания на ЮВТ-модулях по структурной схеме (фиг. 1/3).

С помощью сигналов системы управления, дополнительных датчиков тока и блока формирования импульсов был реализован изложенный выше процесс перераспределения энергии из одной фазы нагрузки в другую.

Испытания источника проводились в лабораторных условиях на двухфазном индукторе. Индуктивность каждой обмотки индуктора составляла L=0,4 Гн, взаимная индуктивность 144=0,2 Гн. Рабочие частоты, на которых обычно работают перемешиватели жидких металлов, находятся в диапазоне 0,4- 1 ,0 Гц.

На фиг. 3/3 представлены осциллограммы токов в нагрузках. Амплитудные значения токов составили 240 А, частота - 0,62 Гц. Как видно из фиг. 3/3, форма токов имеет плоские вершины, где ^~0, и крутые фронты, имеющие максимальную скорость изменения токов. На фиг. 4/3 приведена осциллограмма напряжения на одной фазе нагрузки (напряжение снималось с делителя 1 :5).

На приведённой осциллограмме напряжение на нагрузке представляет собой последовательность импульсов ШИМ положительной и отрицательной полярности, находящихся в соответствии с полярностью формируемого тока. В начале каждой последовательности есть импульсы напряжения, превышающие по амплитуде импульсы с ШИМ модуляцией. Эти импульсы соответствуют процессу разряда тока в нагрузке этой фазы. На этот момент блокируется управление ШИМ. По окончании разряда начинается процесс предварительного заряда, и через появляется второй всплеск напряжения. Это обусловлено разрядом другой фазы. В этот момент максимально открывается верхний ключ наблюдаемой фазы и происходит формирование плоской вершины тока. Напряжение на нагрузке вновь превышает амплитуду ШИМ импульсов. По окончании формирования полуволны тока, все ключи этой фазы закрываются, и нагрузка подключается параллельно конденсаторам фильтра 2 через обратные диоды инвертора. Далее процесс повторяется.

Проведённые испытания позволили получить несинусоидальные токи в нагрузке, имеющие плоские вершины и крутые фронты. Токи сдвинуты относительно друг друга на 90°. В индукторе возбуждается магнитное поле, вращающееся дискретно через 90°, что ускоряет процесс гомогенизации расплава.

Измерение cos < проводилось с помощью комбинированного прибора для измерения активной, реактивной и полной мощности. Измерялась активная (Р) и полная (S) мощность. Коэффициент мощности вычислялся по формуле

cos <p = j ,

и составил cos φ > 0.9.

Эффективность источника питания по расходу электроэнергии оценивалась путём сопоставления длительности временных отрезков, в течение которых энергия из сети не потреблялась, к периоду тока в нагрузке. По этим оценкам расход электроэнергии сокращается на 13 - 15%, что соответствует повышению КПД источника.

Кроме лабораторных испытаний проводились испытания заявляемого источника питания на действующем миксере с жидким алюминием на Красноярском алюминиевом заводе.

Проведённые испытания подтвердили правильность решения поставленной задачи и достижение технического результата, заключающегося в возможности повышения эффективности перемешивания жидких металлов за счёт формирования несинусоидальных токов при высоком коэффициенте мощности и улучшенном КПД источника питания для индуктора.

Источники информации

1. Индукционная установка для перемешивания жидких металлов. Патент RU 2524463С2.

2. http://artesk.ru/invertor Shema.html (дата обращения: 13.1 1.2016, 10 40 )

3. http://ges.ru/raznoe/triol/240.htm (дата обращения: 13.1 1.2016, 10 40 )

4. Преобразователь частоты П4-ТМПТ-250-380-1 для двухфазного магнитогидродинамического перемешивателя расплавленного металла

http :// ww . е У as . b . ru/otras le vye-re sheni у a/metal lurgi a/elektromagn- peremeshivanie-metallov/ (дата обращения: 09.1 1.2016, 13 00 )