Преобразователь частоты со встроенной теплообменной станцией типа ПЕТРА-0133 и разработка малогабаритных закалочных трансформаторов ТВЧ

№ 3’2018
PDF версия
В статье представлена новая разработка транзисторного преобразователя частоты ПЕТРА-0133 со встроенной теплообменной станцией. Описано проектирование малогабаритных закалочных трансформаторов различной мощности для преобразователей индукционного нагрева повышенной частоты. Особое внимание уделяется назначению, составу и конструкции установки индукционного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ).

Введение

Особенность нового преобразователя частоты ПЕТРА-0133 заключается в том, что в шкаф преобразователей встроена компактная теплообменная станция для охлаждения силовых транзисторов и других компонентов, при этом габариты шкафа одинаковы с преобразователем ПЕТРА-0501 [10, 12].

Преобразователь частоты ПЕТРА-0133 оснащен малогабаритной теплообменной станцией. Качество воды для охлаждения элементов соответствует требованиям ГОСТ 16323-79.

Применение в составе оборудования для ТВЧ-нагрева индукционных установок ПЕТРА-0501 заменяют ранее использовавшиеся ламповые генераторы.

Условия эксплуатации индукционных установок: высота над уровнем моря не более 1000 м, окружающая среда невзрывоопасная, пожаробезопасная, не содержащая агрессивных газов, паров и пыли в концентрациях, превышающих указанные в ГОСТ 12.1.005-88. Конструкция шкафа установок обеспечивает степень защиты IP54.

Преобразователи ПЕТРА-0501, 0132, 0133 имеют высокий КПД, малые габариты; ламповые установки ЛЗ, ВЧИ, ВЧГ имеют низкий КПД, большие габариты, требуют дополнительного времени перед началом и по окончании работы на разогрев и остывание генераторных ламп.

 

Преобразователь частоты типа ПЕТРА-0133 со встроенной теплообменной станцией

Преобразователь ПЕТРА-0133 выполнен в виде металлического шкафа с двухсторонним обслуживанием, двери снабжены замками и блокировкой силового питания.

На двери шкафа расположена лицевая панель, на которую выведены измерительные приборы, кнопки включения и отключения преобразователя, ручка уровня мощности и индикаторы для защиты и охлаждения преобразователя.

В стандартном исполнении шкафа преобразователя ввод силового питания осуществляется сверху, а подключение нагрузки снизу и справа.

Основные элементы электрической схемы преобразователя:

  • входной автоматический выключатель;
  • выпрямитель и бесконтактный выключатель;
  • резонансный транзисторный инвертор;
  • система управления;
  • устройство электронной защиты;
  • согласующий трансформатор с нагрузкой;
  • нагрузка преобразователя — параллельный колебательный контур индукционной установки с выходным трансформатором.

Регулирование и стабилизация выходных параметров преобразователя осуществляются изменением рабочей частоты импульсов управления транзисторами инвертора. Преобразователи имеют унифицированную систему управления.

Система управления преобразователя обеспечивает защиту от перегрузки по току, перенапряжений, срыва инвертора, коротких замыканий выхода на «землю», снижения давления технической воды, расхода и перегрева воды в каналах системы охлаждения, внутреннюю и внешнюю блокировку.

Выпрямитель — неуправляемый коэффициент мощности потребления от сети автономного инвертора не менее 0,95.

Инвертор обеспечивает системе защиты преобразователя частоты:

  • активное ограничение инвертора перенапряжений;
  • бесконтактное отключение защиты;
  • непосредственный контроль температуры кристаллов силовых транзисторов.

Транзисторные преобразователи частоты предназначены для питания индукторов индукционных электротермических установок.

На рис. 1 показан шкаф преобразователя ПЕТРА-0133 со встроенной малогабаритной теплообменной станцией.

Шкаф преобразователя ПЕТРА-0133 (вид спереди)

Рис. 1. Шкаф преобразователя ПЕТРА-0133 (вид спереди)

Особенность преобразователей ПЕТРА-0133 — встроенная в шкаф преобразователя теплообменная станция, при этом габариты шкафа те же, что и у преобразователя ПЕТРА-0132.

Преобразователи ПЕТРА-0133 разработаны на мощности 60 и 100 кВт в частотном диапазоне 10–44 кГц.

Входная цепь преобразователя — силовой контактор для отключения нагрузки от сети.

Инвертор работоспособен при замыкании или обрыве в индукторе, работает в необходимом диапазоне нагрузок, обеспечивает наибольшую мощность в индукторе.

Система защиты преобразователя поддерживает активное ограничение перенапряжений, бесконтактное отключение, прямой контроль температуры силовых полупровод­ников.

На рис. 2 показан транзисторный преобразователь ПЕТРА-0133.

Преобразователь ПЕТРА-0133 (вид сзади, снизу шкафа)

Рис. 2. Преобразователь ПЕТРА-0133 (вид сзади, снизу шкафа)

Теплообменная станция встроена в шкаф преобразователя частоты. Электрический двигатель однофазного питания для насоса. Теплообменник для охлаждения с циркуляцией воды, применяется цеховая вода, которая подается непосредственно на вход преобразователя.

Встроенная теплообменная станция предназначена для защиты каналов водяного охлаждения установок индукционного нагрева от загрязнения, образования накипи, коррозии под воздействием гальванических процессов.

Срок службы индукционного оборудования определяется температурой охлаждающей воды и термоциклов силовых полупроводников в преобразователях частоты.

Электропроводность технической воды приводит к разрушению штуцеров.

Механические примеси засоряют фильтры системы охлаждения. Для предотвращения влияния перечисленных выше факторов на срок службы индукционного оборудования применяют теплообменные станции.

С помощью теплообменной станции производится двухконтурное охлаждение индукционного оборудования. Во внутреннем контуре, образованном преобразователем частоты, нагревательным постом, насосом и теплообменным аппаратом, циркулирует дистиллированная вода. Проходя через теплообменник, она передает свое тепло во внешний контур — контур технической воды. Таким образом, система водяного охлаждения индукционной установки изолирована от воздействия вредных факторов технической воды. Пластинчатый теплообменник, каналы протока воды коррозионно-стойкие.

На рис. 3 показаны разъемы внешнего управления преобразователя и бокс ПЕТРА-0133.

Разъемы внешнего управления и бокс преобразователя ПЕТРА-0133

Рис. 3. Разъемы внешнего управления и бокс преобразователя ПЕТРА-0133

В боксе преобразователя размещен силовой контактор в промышленной сети. Преобразователи имеют разветвленную систему защит и блокировок.

Конструкция бокса на шкафе преобразователя:

  • подключение преобразователя производится снаружи шкафа;
  • разъемы для подключения пульта дистанционного управления и внешних сигналов размещены на внешней стенке преобразователя частоты;
  • применение промышленных разъемов обеспечивает контакты и защиту при эксплуатации в агрессивных производственных условиях;
  • силовой автоматический выключатель установлен в боксе на боковой стенке преобразователя, закрытом под ключ;
  • подключение силовых сетевых кабелей, а также взведение выключателя после его срабатывания производится только допущенным персоналом преобразователя.

На рис. 4 изображена лицевая панель первого варианта индикации режимов преобразователя ПЕТРА-0133.

Лицевая панель управления преобразователя ПЕТРА-0133 (первый вариант)

Рис. 4. Лицевая панель управления преобразователя ПЕТРА-0133 (первый вариант)

На лицевую панель преобразователя установлены кнопки «Пуск», «Стоп», «Сброс блокировки» и ручка управления мощностью, блокировки и электронная защита.

На лицевой панели показан вариант исполнения ПЕТРА-0133 со стрелочными индикаторами тока выпрямителя и напряжения выпрямителя, что позволяет оперативно получать информацию о работе преобразователя частоты, состоянии системы управления преобразователя.

Таблица 1. Технические характеристики ПЕТРА-0133

Рвых, кВт

Fнагр, кГц

Расход воды на охлаждение, м3

Масса, кг

60

10, 22, 44

0,5–0,6

380–90

100

8, 10, 22, 44

0,8–,1

420–430

Примечание. Uпит (В) — 380×50 Гц; Uнагр (В) — 400, 800, 1600; диапазон регулирования Pвых (%) 5–100; КПД 0,93– 0,95.

На рис. 5 показан блок управления преобразователя частоты:

  • блок управления выполнен в COMBICON housing от Phoenix Contact, обеспечивает удобный доступ к платам при обслуживании;
  • платы управления обеспечивают помехо­защищенность, оптическую развязку по входным и выходным сигналам, а также гальваническую развязку по питанию;
  • панель управления во фронтальном положении, требуется обслуживание приборов при открывании двери, имеет магнитную защелку при обслуживании плат, расположенных за ней.
Блок управления и панели преобразователя ПЕТРА-0133

Рис. 5. Блок управления и панели преобразователя ПЕТРА-0133

Система управления преобразователя ПЕТРА-0133:

  • регулирует и стабилизирует выходную мощность преобразователя в диапазоне 5–100%;
  • обеспечивает связь с внешним оборудованием, в том числе по шине стандарта RS-485;
  • обеспечивает бесконтактное технологическое и аварийное отключение;
  • контролирует состояние нагрузки, поддерживая работу инвертора в области безопасных режимов от обрыва до короткого замыкания индуктора преобразователя.

На рис. 6 представлена лицевая панель управления преобразователя (исполнение второго варианта).

Лицевая панель микропроцессорного управления преобразователем (второй вариант)

Рис. 6. Лицевая панель микропроцессорного управления преобразователем (второй вариант)

Система управления обеспечивает контроль и цифровую индикацию преобразователя:

  • проток контура технической воды;
  • температуру технической воды;
  • температуру дистиллированной воды;
  • контроль уровня дистиллированной воды.

При выходе параметров системы управления за установленные пределы встроенной теплообменной станции отключается индукционное нагревательное оборудование. Канал, по которому произошло отключение оборудования, запоминается и отображается на лицевой панели блока управления.

Транзисторный преобразователь ПЕТРА оснащен цветным графическим дисплеем, его техобслуживание микропроцессорной системой управления преобразователем происходит по заранее введенным параметрам техпроцесса. Новые транзисторный преобразователь и индукционная установка ТВЧ-нагрева обеспечивают экономию электроэнергии
и автоматизацию процесса.

Теплообменная станция оснащена дисплеем, на котором отображается входная и выходная температура воды во всех каналах, наличие протока, уровень и качество дистиллированной воды. Управление мощностью нагрева, включение и выключение установки возможно с выносного пульта управления, установленного непосредственно на рабочем месте. Индикация выносного пульта управления выполнена также на базе дисплея, что обеспечивает удобство в работе.

На рис. 7 представлен габаритный чертеж и основные элементы шкафа преобразователя ПЕТРА-0133:

  • лицевая панель индикации и управления преобразователя;
  • кнопка ПУСК теплообменной станции;
  • кнопка СТОП теплообменной станции;
  • выход ВЧ-преобразователя;
  • сеть питания 3×380 В×50(60) Гц;
  • втулка заземления.
Габаритные размеры шкафа преобразователя ПЕТРА-0133 (для справок)

Рис. 7. Габаритные размеры шкафа преобразователя ПЕТРА-0133 (для справок)

 

Проектирование закалочных трансформаторов для преобразователей индукционного нагрева повышенной частоты

На рис. 8 и 9 показаны закалочные трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты.

Закалочный малогабаритный трансформатор ТЗФ-450

Рис. 8. Закалочный малогабаритный трансформатор ТЗФ-450

Трансформатор типа ТЗА-500

Рис. 9. Трансформатор типа ТЗА-500

Малогабаритные трансформаторы применяются для пайки и поверхностной ТВЧ-закалки, а также сквозного нагрева деталей небольших заготовок.

Технические характеристики закалочных трансформаторов и параметры типа ТЗФ-450 и ТЗА-500 с сердечником из феррита или аморфного железа:

  • рабочие частоты: 8, 10, 18 и 22 кГц;
  • номинальная мощность: 450 кВ·А;
  • номинальное первичное напряжение: 400 В;
  • вторичное напряжение при холостом ходе трансформаторов: 100 В;
  • КПД: 95%;
  • давление охлаждения воды: 0,2 м3/ч;
  • продолжительность включения ПВ: 100%.

На рис. 10 можно видеть малогабаритный согласующий трансформатор для преобразователей частоты. Трансформатор ТС1-200-10 предназначен для согласования выходного напряжения преобразователя частоты с напряжением нагрузки и развязки нагрузки от преобразователя.

Согласующий малогабаритный трансформатор ТС1-200-10

Рис. 10. Согласующий малогабаритный трансформатор ТС1-200-10

Применение: согласование выходного напряжения преобразователей 400 В обеспечивает на индукторе стандартное напряжение 800 В. Выходное напряжение преобразователя частоты необходимо повышать для передачи на удаленную нагрузку.

Изоляция индуктора для обеспечения безопасности персонала: малогабаритный трансформатор ТС1-200-10 может устанавливаться внутри преобразователя частоты.

Таблица 2. Технические параметры трансформатора ТС1-200-10

Номинальная мощность

200 кВ·А

Номинальная частота

10 кГц

Номинальное первичное напряжение

400 В

Вторичное напряжение при холостом ходе

800 В

КПД

97%

Давление охлаждения воды трансформатора

0,2 м3

Продолжительность включения (ПВ)

100%

 

Преобразователь частоты типа ПЕТРА-0133 с трансформатором для закалки

На рис. 11 показана нагревательная установка типа ПЕТРА-0133 с закалочным трансформатором.

Преобразователь ПЕТРА 0133 с индукционным нагревательным блоком ПЕТРА-0393 с закалочным трансформатором

Рис. 11. Преобразователь ПЕТРА 0133 с индукционным нагревательным блоком ПЕТРА-0393 с закалочным трансформатором

Особенности закалочной установки:

  • индуктор изолирован от сети и заземлен;
  • широкий набор индукторов без переключений внутри установки;
  • эффективная работа на пайке и поверхностной закалке без переключений внутри установки.

Система автоматического управления преобразователей позволяет стабилизировать напряжение индуктора или мощность, потребляемую из сети, на заданном уровне.

Охлаждение установки производится технической цеховой водой. Индукционные установки ТВЧ ПЕТРА-0501 с преобразователями ПЕТРА-0132 комплектуются теплообменными станциями ПЕТРА-0395 для двухконтурного охлаждения. В случае комплектации установки преобразователем ПЕТРА-0133 (60–100 кВт, 22 кГц) теплообменная станция встроена в преобразователь, поэтому отдельной теплообменной станции не требуется. По двухконтурной схеме (дистиллированной водой) охлаждается преобразователь частоты и нагревательный блок. Индуктор охлаждается напрямую технической водой. Для подключения охлаждения индуктора на нагревательном блоке предусмотрены отдельные вводы для технической воды.

Преобразователь ПЕТРА-0501 имеет высокий КПД, малые габариты и по сравнению с ламповыми установками не требует времени на разогрев и остывание лампы генератора.

Таблица 3. Параметры станции ПЕТРА-0350

Площадь поверхность теплообмена, м2

Отводимые тепловые потери, кВт

1,92

40

2,56

50

3,04

80

Особенность индукционной установки ПЕТРА-0501 (аналоги типа ПЕТРА-0132 и ПЕТРА-0133) — высокая допустимая полная мощность индуктора и возможность обеспечения нагрева в индукторах с малым cos j.

Установки индукционного ТВЧ-нагрева типа ПЕТРА-0501 используются во многих отраслях промышленности для осуществления эффективных технологических процессов электротермической обработки изделий.

Нагревательный пост совместно встраивается в технологическую линию.

Установки ТВЧ применяются там, где требуется быстрый бесконтактный нагрев металлов и других проводящих материалов. Индукционные ТВЧ-установки ПЕТРА разработаны с учетом номинальной частоты и мощности.

Следующее поколение преобразователей для индукционного нагрева ПЕТРА разработано в таких технологиях, как:

  • ТВЧ-пайка металлорежущего инструмента;
  • индукционная закалка валов и шестерен диаметром до 200–250 мм в кольцевом индукторе при непрерывно-последовательном способе закалки;
  • индукционная закалка одновременного нагрева тел вращения с площадью закалки до 200 см2;
  • индукционная закалка крупномодульных шестерен методом «зуб за зубом» или «впадина за впадиной»;
  • индукционная закалка поверхностей качения крановых колес, поверхностей скольжения направляющих станин;
  • индукционный нагрев под пайку буровых коронок, для термообработки и индукционной пайки резцов горнопроходческих машин;
  • в штамповочном производстве для индукционного нагрева концов заготовок диаметром до 50 мм, например для высадки головок болта, и т. д.

На рис. 12 показан общий вид трансформаторов для нагревательного блока ПЕТРА-0393.

Трансформаторы закалочные для индукторов

Рис. 12. Трансформаторы закалочные для индукторов

Индукционный нагревательный блок ПЕТРА-0393 оснащен высокочастотным закалочным трансформатором с сердечником из феррита или аморфного железа, дополненный станцией теплообмена ПЕТРА-0350.

Технические характеристики ПЕТРА-0350:

  • расход технической воды: не менее 3,74 м3/ч;
  • максимальная температура технической воды: не более +30 °С;
  • максимальная температура дистиллированной воды на входе: не более +50 °С;
  • давление дистиллированной воды на выходе: 0,2 МПа;
  • диаметр условного прохода присоединенных патрубков: 1 дюйм;
  • масса: не более 270 кг.

Индукционный нагревательный блок ПЕТРА-0393 оснащен высокочастотным закалочным трансформатором.

Органы переключения коэффициента трансформации вынесены на внешние панели нагревательного поста. Переключатель первичной обмотки имеет два положения: «Пайка» и «Закалка». Режим «Пайка» применяется, когда необходим плавный, сквозной индукционный нагрев заготовки.

Допускается работа нагревательной установки на заполненный, полупустой и пустой индуктор. Режим «Закалка» применяется, если нужно полную мощность установки выделить в поверхностном слое заготовки, не нагрев при этом сердцевину.

Предусмотрена возможность изменять число используемых витков от 1 до 3 на вторичной обмотке закалочного трансформатора. Благодаря этому, без каких-либо переключений внутри установки, к ней могут подключаться индукторы с индуктивностью 0,2–1,8 мкГн. Индукционная установка способна обеспечивать номинальную мощность или близкую в индукторе.

Питание индукционного нагревательного поста осуществляется от преобразователя частоты ПЕТРА-0132, ПЕТРА-0133 или ПЕТРА-0501. В таблице 4 приведены технические характеристики преобразователей ПЕТРА.

Таблица 4. Технические характеристики преобразователей ПЕТРА

Pпотр, кВт

Полная мощность
в индукторе, кВА

Fинд, кГц

Сквозный нагрев Т > +750 °С

Поверхностная закалка

мин., мм

норм., мм

мин., мм

макс., мм

Глубина, мм

60

400, 500

44

6

20–25

8

120

1–2,2

60, 100, 160

400, 500, 800

22

8

20–30

11

120, 200,250

1,6–4

100, 160, 250, 320

500, 800, 3200

8

15–20

45–60

18–20

200, 250, 300, 500

2,75–5,5

100, 160, 250, 320

800, 3200

2,4

25

60–80

35

200, 250, 300, 500

5–10

Примечание. Параметры могут отличаться от табличных.

На рис. 13 показан габаритный чертеж преобразователя частоты ПЕТРА-0133 и нагревательного блока ПЕТРА-0393.

Габаритные размеры преобразователя ПЕТРА-0133 и нагревательного блока ПЕТРА-0393 (для справок)

Рис. 13. Габаритные размеры преобразователя ПЕТРА-0133 и нагревательного блока ПЕТРА-0393 (для справок)

Специалисты НКВП «Петра» согласовывают план размещения оборудования в производственных условиях, выполняя сопряжение с технологическим оборудованием, подводом коммуникаций, электроэнергией, водой, канализацией и т. д.

Литература
  1. А. С. № 306535 (СССР). Кацнельсон С. М., Зинин Ю. М. Многоячейковый последовательный инвертор // Б. И. 1971. № 19.
  2. Шапиро С. В., Зинин Ю. М., Иванов А. В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. М: Энергоатомиздат, 1989.
  3. Canadian Patent № 1,105,994. Shapiro S. V. and St. SERIES TYPE INDEPENDENT INVERTER. Granted to Ufimsky Aviatsionny Institut im. Ordzhonikidze, USSR. 1981.
  4. nkvp-petra.ru
  5. IJVC to market Russian induction technology in the western world. International joint venture consultans, INC. Number 1. 1992.
  6. Зинин Ю. М., Ройзман Ю. П. Тиристорный преобразователь для индукционного нагрева металлов. Академия наук Республики Башкортостан. НТД. 1995. № 95-4.
  7. Зинин Ю. М., Ройзман Ю. П. Современные тиристорные преобразователи повышенной частоты «Петра». Аэрокосмическая техника и высокие технологии. Всероссийская научно-техническая конференция. Пермь, ПГТУ, 2002.
  8. Патент № 2215361 (РФ). Зинин Ю. М., Ветошкин А. В., Ройзман П. С. Мостовой инвертор // Б. И. 2003. № 30.
  9. Зинин Ю. Моделирование тиристорных преобразователей частоты для электротермии. LAP LAMBERT Academic Publishing. 2014.
  10. Зинин Ю., Мамаева Д., Мухаметов Р. Разработка установки ИНТ-400-1,0 для индукционного нагрева труб большого диаметра перед гибкой // Силовая электроника. 2016. № 5.
  11. Зинин Ю., Мамаева Д., Ройзман Ю., Куземский В. Транзисторный преобразователь частоты типа ПЕТРА-0141 мощностью 250–800 кВт индукционных плавильных установок типа ИСТ для теплообменной станции ПЕТРА-0395 // Силовая электроника. 2018. № 2.
  12. Зинин Ю., Ройзман Ю., Мамаева Д. Разработка транзисторного преобразователя частоты ПЕТРА-0132 для вакуумных установок индукционного нагрева // Силовая электроника. 2018. № 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *