Збільшення відмовостійкості резонансних установок індукційного нагріву під час аварійного режиму роботи
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2022-3-2Ключові слова:
Установка індукційного нагріву, Резонансний інвертор, Частотне управління, Фазове автопідлаштування частоти, Захист від перенапруги, Передавальна характеристика, Апроксимація за першою гармонікоюАнотація
Мета роботи. Розробити автоматичну систему захисту від виходу з ладу резонансного інвертора установки індукційного нагріву через зникнення навантаження.
Методи дослідження. В даній роботі використовуються такі методи дослідження як аналіз передавальної характеристики навантаження резонансного інвертора з використанням апроксимації за першою гармонікою, розрахунок регулювальних параметрів числовими методами, комп’ютерне моделювання установки індукційного нагріву. Проведення експериментальних досліджень на основі плавильної установки з мікропроцесорним керуванням з метою перевірки адекватності запропонованої моделі та системи захисту.
Отримані результати. Приведена комп’ютерна модель установки індукційного нагріву, що заснована на використанні апроксимації за першою гармонікою, адекватність якої перевірена експериментальними дослідженнями плавильної установки. На основі даної моделі розроблена схема захисту резонансного інвертора від зникнення навантаження, що заснована на зсуві робочої частоти інвертора через введення в ланцюг зворотного зв’язку додаткового зсуву різниці фази струму і напруги. Методика розрахунку даного зсуву фази створена з використанням передавальної характеристики навантаження інвертора (системи «конденсаторна батарея-індуктор-деталь») та числових методів розв’язку рівнянь. Вищезазначена методика розрахунку може бути використана для резонансних інверторів будь-якої конфігурації та топології. Згідно комп’ютерного моделювання аварійної ситуації установки, розроблена схема забезпечує обмеження амплітуди напруги у безпечних межах роботи реактивних елементів інвертора, тоді як в нормальних умовах роботи система захисту не впливає на роботу установки. Система захисту успішно утримує амплітуду струму та напруги у коливальному контурі у безпечних межах у період малого навантаження. Створена схема має достатню простоту для її швидкого впровадження в існуючі установки з цифровим управлінням і має високу швидкодію. Окрім вищезазначених практичних результатів, проведений аналіз попередніх досліджень та надбань, що показали малу вивченість явищ, наявних при роботі резонансних інверторів в аварійному режимі. Це відкриває перспективу проведення подальших наукових розвідок в даній проблематиці.
Наукова новизна. Розроблена методика адаптивного обмеження напруги на виході резонансного інвертора будь-якої конфігурації з частотним управлінням.
Практична цінність. Створена схема захисту дозволяє зменшити фізичне втручання оператора у технологічний процес індукційного нагріву. Разом з цим відбувається збільшення надійності установок індукційного нагріву. Вигляд запропонованої схеми дозволяє спростити модернізацію існуючих установок та розробку нових більш досконалих моделей.
Посилання
Duerbaum, T. First harmonic approximation including design constraints. IEEE INTELEC '98 International Telecommunications Energy Conference. DOI: 10.1109/intlec.1998.793519
A. Bucher, A., Duerbaum, T. (2010). Extended first harmonic approximation in case of LLCC converters with capacitive output filter. Melecon 2010 - 2010 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, 1303-1308. DOI: 10.1109/MELCON.2010.
Borage, M., Tiwari, S. (2013). A 25 kW, 25 kHz Induction Heating Power Supply for MOVPE System Using L-LC Resonant Inverter. Advances in Power Electronics, . DOI: 10.1155/2013/584129
Okuno, A., Hayashi, M., Kawano, H., Nakaoka, M. (1993). Practical evaluations of load-adaptive high-frequency resonant PAM inverter using static induction power transistors for industrial induction-heating plants. Proceedings of IECON '93 - 19th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, 2, 1015-1020. DOI: 10.1109/IECON.1993.339135
Zerouali, S., Allag, A., Mimoune, S.M., Hamida, A.H., Khanniche, S., Feliachi, M. (2006). "An Adaptive Control Applied to Series Resonant Inverter for Induction Heating," Proceedings of the 41st International Universities Power Engineering Conference, 633-636, DOI: 10.1109/UPEC.2006.367555
Nawaz, M. (2017). A power control scheme of a medium frequency induction furnace. [PhD Thesis, University of Engineering and Technology Lahore]. Retrieved from http://prr.hec.gov.pk/jspui/handle/
//8373
Grajales, L., Lee, F.C. (1995). Control system design and small-signal analysis of a phase-shift-controlled series-resonant inverter for induction heating. Proceedings of PESC '95 - Power Electronics Specialist Conference, 1, 450-456. DOI: 10.1109/
pesc.1995.474849
Grajales, L., Sabate, J.A., Wang, K.R., Tabisz, W.A., Lee, F.C. (1993) Design of a 10 kW, 500 kHz phase-shift controlled series-resonant inverter for induction heating. Conference Record of the 1993 IEEE Industry Applications Conference Twenty-Eighth IAS Annual Meeting, 2, 843-849. DOI: 10.1109/IAS.1993.298997
Nagai, S., Nagura, H., Nakaoka, M., Okuno, A. (1993). High-frequency inverter with phase-shifted PWM and load-adaptive PFM control strategy for industrial induction-heating. Conference Record of the 1993 IEEE Industry Applications Conference Twenty-Eighth IAS Annual Meeting, 3, 2165-2172. DOI: 10.1109/IAS.1993.299167
Viriya, P., Yongyuth, N., Matsuse, K. (2008). Analysis of Two Continuous Control Regions of Conventional Phase Shift and Transition Phase Shift for Induction Heating Inverter under ZVS and NON-ZVS Operation. IEEE Transactions on Power Electronics, 23, 6, 2794-2805. DOI: 10.1109/TPEL.2008.2004037
Esteve V. et al. (2014). Improving the Reliability of Series Resonant Inverters for Induction Heating Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61, 5, 2564-2572. DOI: 10.1109/TIE.2013.
Mishima, T., Takami, C., Nakaoka, M. (2014). A New Current Phasor-Controlled ZVS Twin Half-Bridge High-Frequency Resonant Inverter for Induction Heating. IEEE Industrial Electronics Magazine, 61, 5, 2531-2545. DOI: 10.1109/TIE.2013.2274420
Kazimierczuk, M.K., Czarkowski, D. (2011). Resonant power converters (2nd ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
Chudjuarjeen, S., Sangswang, A., Koompai, C. (2009). An improved LLC resonant inverter for induction heating with asymmetrical control. 2009 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1612-1617. DOI: 10.1109/ISIE.2009.
Prodanov, P., Dankov, D. (2017). Reliability of power supplies for induction heating through an analysis of the states in operating modes. 2017 International Symposium on Power Electronics (Ee), 1-5. DOI: 10.1109/PEE.2017.8171671
Young-Sup Kwon, Sang-Bong Yoo, Dong-Seok Hyun. (1999). Half-bridge series resonant inverter for induction heating applications with load-adaptive PFM control strategy. APEC '99. Fourteenth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. 1999 Conference Proceedings, 1, 576-581. DOI: 10.1109/APEC.1999.749738
Kalynichenko, D.V. (2019). Metod avtomatychnogo reguljuvannja parametriv ustanovky indukcijnogo nagrivu [Magisters'ka dyplomna robota, NU «ZP»]. Repozytorij NU «ZP». http://eir.zntu.edu.ua/
handle/123456789/7306
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Denys Kalynichenko
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
