ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Источники питания нового поколения для индукционных установок обработки материалов токами высокой частоты (ТВЧ).

Рекомендуемая область пременения

ТЭК, теплоэнергетика, машиностроительное производство. Модернизация оборудования, вырабатывающего тепловую и электрическую энергию с уменьшенным удельным КПД энергетических установок. Повышение эффективности оборудования.

Назначение, цели и задачи проекта

Автоматическая корректировка величины  выходного напряжения и частоты в зависимости от изменения параметров индуктора и отклонения его резонансной характеристики в процессе плавки металлов. Множество быстродействующих защит, высокий КПД, возможность подключения к персональному компьютеру, оптимизация по тем или иным параметрам режимов плавки металлов, контроль качества индуктора и других цепей рабочего контура.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Большие времена переключения тиристоров, ограничивают их применение на частотах свыше 10 кГц. Кроме этого тиристор является плохо управляемым полупроводниковым прибором и нуждается в построении дополнительных электронных схем принудительной коммутации, что значительно усложняет источник питания в целом. Вероятные нечастые случаи самопроизвольного открывания тиристора приводят к опрокидыванию силового инвертора и как следствие аварийной остановке всего источника. В этом случае необходим повторный запуск установки, хотя существуют и схемотехнические решения автоматического повторного запуска.

Высокочастотные ламповые генераторы не имеют ограничений в необходимых частотах, однако срок службы мощных ламп ограничивается пределами 5000-6000 часов работы при одновременно низком КПД (на практике не выше 65%). Кроме этого ламповые генераторы большими геометрическими размерами.

Электромеханические системы преобразования – Мотор–генератор обладают выходными частотами до 4 кГц. И представляют собой  электромеханическую установку с двигателем и генератором размещенном в одном корпусе на одной станине. Габариты этих установок пропорциональны требуемой мощности. Кроме этого запуск таких установок большой мощности сопровождается сильными переходными процессами в сети промышленного напряжения в период разгона ведущего двигателя.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Сравнительно недавно на рынке появился новый класс силовых приборов, которые обладают необходимыми характеристиками для силовых преобразовательных установок. Это транзисторы и транзисторные модули, выполненные по МОП – технологии (MOSFET и IGBT), которые могут работать на частотах до 150 кГц. По сравнению с ламповыми генераторами, у транзисторных более высокий КПД и срок службы, уменьшенная масса и габариты, а по сравнению с тиристорными – гораздо более высокие частоты и хорошая управляемость выходного инвертора.

Разрабатываемый в рамках проекта источник для индукционных установок ТВЧ содержит в себе IGBT – транзисторный силовой генератор с возможностью работы в широком диапазоне частот. В результате проведенных предварительных исследований различных схемотехнических решений силовой части генератора и алгоритмов управления разработаны методики расчета и проектирования источников мощностью 50, 100 кВт и более. Использование современной элементной базы силовой и управляющей электроники, специализированных процессоров высокого быстродействия  предполагается создание нового источника для индукционных установок ТВЧ различного назначения. Математические алгоритмы  системы управления обеспечивают автоматическую настройку на резонанс и подстройку рабочей частоты в процессе работы. Обеспечивают полное компьютерное самотестирование и тепловой контроль, проводят анализ внешних цепей  на предмет определения резонансной частоты и добротности контура.

Программное обеспечение выполняет функции предпускового контроля  с последовательной диагностикой всех узлов и отображением необходимых сообщений на графическом дисплее. Возможность программирования выходных параметров генератора дает возможность использования разрабатываемого источника в составе самых разнообразных установок и оборудования, практически не меняя аппаратной части. Это значительно облегчает задачу модернизации существующих индукционных систем. Источник не будет работать с неисправным контуром индуктора и других вспомогательных цепей. Обработка более 20 параметров позволяет реализовать мощную систему защиты и диагностики с формированием инструкций по устранению неполадок и выдачей их на графический дисплей системы.

Применение промышленного компьютера в составе источника позволяет производить хронологию работы индукционной установки с отображением всех аварийных ситуаций за тот или иной промежуток времени. Так же, анализ графических данных технологических параметров за некоторый интервал времени позволяет говорить о таких факторах как старение изоляции и конденсаторов, возможных утечках и потерях. Предполагается возможность удаленного управления источником через интерфейс RS485. В этом случае возможна организация работы нескольких источников в составе индукционных установок ТВЧ с управлением от одного персонального компьютера верхнего уровня удаленного на расстояние до 1500 метров.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Производство источников питания для высокочастотных индукционных установок на IGBT – модулях новое направление не только в Российской федерации, но и в мировой практике. Особенности транзисторных ключей позволяют строить установки ТВЧ с большим КПД при небольших геометрических габаритах. Новизна направления объясняется сравнительно недавним появлением на рынке IGBT – транзистора. Патентный поиск показал наличие ряда патентов на источники с небольшими мощностями и фиксированными выходными рабочими частотами. Разработанные собственные схемы коммутации мощных транзисторов, системы автоподстройки частоты, возможность изменения частот для разных режимов закалки и плавки металлов являются особенностями создаваемого источника. В результате выполнения работ по данному проекту предполагается создание нового универсального источника для индукционных установок ТВЧ различного назначения с гибкой системой компьютерного управления. Только на машиностроительных предприятиях г. Благовещенска уже необходимо произвести модернизацию четырех индукционных установок. Трех – мотор-генераторных индукционных печей и одну ламповую для поверхностной закалки металлических изделии. Эти организации уже являются потенциальными заказчиками, с которыми будут заключены договора после выполнения данного проекта и создания единственного действующего источника. Предварительный анализ только по Дальневосточному региону дает результат о необходимости срочной модернизации более 120 индукционных установок лампового и электромеханического преобразования. Благовещенский судостроительный завод готов профинансировать проект по модернизации собственной ламповой индукционной установки ТВЧ. После разработки данного источника предполагается проведение рекламно-информационных работ по продвижению продукта на западные и экспортные рынки Российской федерации. В дальнейшем предполагается наладить производство законченных индукционных установок для различных отраслевых приложений. Малогабаритные установки будут востребованы небольшими производственными компаниями. Сравнительно невысокая стоимость конечного продукта наряду с широкими возможностями и высоком качестве, предполагает наличие значительного спроса и высокую конкурентоспособность на рынке. Кроме этого источник и законченная индукционная установка ТВЧ являются импортозамещающим продуктами в области высоких технологий.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Наименьшие трудозатраты. На сегодняшний день в предприятиях машиностроения Российской Федерации распространены тиристорные, электрогенераторные и ламповые установки ТВЧ с низким КПД и надежностью. Данным проектом предусматривается разработка источника питания как для модернизации существующих  установок ТВЧ, так и изготовления принципиально новых. Невозможность работы на высоких частотах, низкая управляемость и непредсказуемая возможность опрокидывания выходного инвертора – недостатки тиристорных преобразователей. Проблема компенсации реактивной мощности индуктора возникающей в процессе плавки металлов при помощи переключаемых конденсаторов является основной в установках электрогенераторного типа. Высокие напряжения, потери на нагреве, быстрое старение ламп и сокращение их производства заставляют предприятия исключать или минимизировать использование ламповых установок в технологическом цикле, что ведет к неизбежному  снижению качества выпускаемой продукции. Предварительные эксперименты с полупроводниковыми преобразователями частоты на IGBT – модулях показали реальную возможность разработки и изготовления нового типа источника питания. Современная быстродействующая электроника и надежные микропроцессоры позволяют построить скоростную систему управления с одновременным анализом множества параметров состояния инвертора совместно с подключенным индуктором установки ТВЧ. Особенностью разрабатываемого устройства является возможность автоматической корректировки величины  выходного напряжения и частоты в зависимости от изменения параметров индуктора и отклонения его резонансной характеристики в процессе плавки металлов. Множество быстродействующих защит, высокий КПД, возможность подключения к персональному компьютеру, оптимизация по тем или иным параметрам режимов плавки металлов, контроль качества индуктора и других цепей рабочего контура.

Энергосбережение. Источник питания вырабатывает тепловую и электрическую энергию с уменьшенным удельным КПД энергетических установок.

Энергопотребление. Источник для индукционных установок ТВЧ мощностью 50 кВт, индукционная печь мощностью источника 100 кВт.

Новые потребительские свойства продукции

Уменьшены габариты. Разработаны собственные схемы коммутации мощных транзисторов, системы автоподстройки частоты, возможность изменения частот для разных режимов закалки и плавки металлов.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Конечным результатом работ по проекту планируется разработка и построение источника дли индукционных установок ТВЧ мощностью 50 кВт. и законченной индукционной печи с мощностью источника 100 кВт. Предполагается разработка законченного комплекта всей технологической документации для организации мелкосерийного производства, как источников питания, так и законченных установок в целом. Планируется проведение дополнительных экспериментальных и теоретических исследований в области силовой преобразовательной технике с использованием новых IGBT – транзисторов существующего класса с целью возможной дальнейшей оптимизации схемотехнических решений силового инвертора. Планируется издание ряда научных статей. Создание малого предприятия с функциями технического сопровождения выпускаемого на рынок продукта.
Общий план выполнения работ следующий:
1год.1квартал.
1. Предварительное исследование ламповой индукционной установки ТВЧ (ОАО «Благовещенский судостроительный завод имени Октябрьской революции) на предмет возможной модернизации по замене источника питания. Разработка лабораторного индуктора установки ТВЧ с выполнением всех расчетов и созданием технологической документации для его изготовления. Приобретение дополнительного оборудования для организации экспериментальной базы.
2. Разработка основных технических решений. Предварительный выбор принципиальной схемы реализации мостового инвертора с использованием современных IGBT – транзисторов или законченных модулей. Проведение моделирования работы выбранной схемы мостового инвертора на персональном компьютере. Приобретение необходимых компонентов для создания силовой части инвертора.
3. Разработка чертежей и технологических документов для изготовления опытно-экспериментальной установки с узлами крепления индуктора, системы охлаждения и силовых кабельных вводов. Определение исполнителя работ для выполнения монтажа металлических частей конструкции.
Ориентировочная стоимость этапа – 400 тыс. рублей.
2 квартал.
1. Разработка принципиальных электронных схем. Проектирование и изготовление печатных плат для электронной части системы. Приобретение необходимых электронных компонентов (Промэлектроника, Екатеринбург). Изготовление опытных образцов контроллера и системы управления силовым мостовым инвертором. Разработка программного обеспечения контроллера.
2. Изготовление первого образца источника питания. Отладка программного обеспечения управляющего контроллера. Экспериментальное включение источника без подключения индуктора установки. Проверка всех временных параметров и диаграмм в различных режимах коммутации мостового транзисторного инвертора. Проверка работы источника при минимальных нагрузках.
3. Подключение индуктора экспериментальной установки ТВЧ к источнику и проведение работ по его согласованию на минимальных и средних режимах мощности. В случае обнаружения недостатков в работе электронной системы проведение дополнительного комплексного исследования с фиксацией наблюдаемых сбоев и неполадок.
Ориентировочная стоимость этапа – 2000 тыс. рублей
3 квартал.
1. Проведение необходимых (по результатам комплексного исследования) изменений в программном обеспечении и принципиальных электрических схемах источника ТВЧ. Изготовление «вторых» образцов электронных блоков системы с исправлениями и доработками. Подготовка и организация монтажа индукционной установки на экспериментальном участке.
2. Монтаж всей установки ТВЧ, включая источник. Прокладка силовых кабелей высокой мощности с установкой автоматических выключателей. Включение установки и вывод ее на рабочие режимы с одновременным контролем, как технологических параметров, так и всех параметров системы защиты. Проверка соответствия КПД расчетному при загрузке индуктора.
3. Проведение нескольких циклов плавки металлов. Непрерывная фиксация значений всех важных технологических и электрических параметров в журнале испытаний. Изготовление индуктора для проведения работ по поверхностной закалке металлов.
Ориентировочная стоимость – 500 тыс. рублей.
4 квартал.
1. Проведение работ по поверхностной закалке металлов с изменением рабочей частоты и величин мощности. Разработка законченного полноценного варианта технической документации для мелкосерийного производства источников разной мощности и диапазонами частот. Проведение работ по модернизации ламповой установки на территории Благовещенского судостроительного завода имени Октябрьской революции. Создание малого предприятия для организации производства источников индукционных установок ТВЧ.
2. Проведение дополнительных теоретических расчетов (на основании использования предыдущего опыта) и разработка технической (технологической) документации для производства законченных индукционных установок ТВЧ. Разработка варианта предложения по модернизации существующих ламповых и генераторных установок с минимальными капиталовложениями.
3. Формирование полного финансового отчета и отчета по НИОКР.
Ориентировочная стоимость этапа – 789 тыс. рублей.

Предлагаемые инвестиции

3 млн. руб.

Рынки сбыта

В результате выполнения работ по данному проекту предполагается создание нового универсального источника для индукционных установок ТВЧ различного назначения с гибкой системой компьютерного управления. Только на машиностроительных предприятиях г. Благовещенска уже необходимо произвести модернизацию четырех индукционных установок. Трех – мотор-генераторных индукционных печей и одну ламповую для поверхностной закалки металлических изделии. Эти организации уже являются потенциальными заказчиками, с которыми будут заключены договора после выполнения данного проекта и создания единственного действующего источника. Предварительный анализ только по Дальневосточному региону дает результат о необходимости срочной модернизации более 120 индукционных установок лампового и электромеханического преобразования. Благовещенский судостроительный завод готов профинансировать проект по модернизации собственной ламповой индукционной установки ТВЧ. После разработки данного источника предполагается проведение рекламно-информационных работ по продвижению продукта на западные и экспортные рынки Российской федерации. В дальнейшем предполагается наладить производство законченных индукционных установок для различных отраслевых приложений. Малогабаритные установки будут востребованы небольшими производственными компаниями. Сравнительно невысокая стоимость конечного продукта наряду с широкими возможностями и высоком качестве, предполагает наличие значительного спроса и высокую конкурентоспособность на рынке. Кроме этого источник и законченная индукционная установка ТВЧ являются импортозамещающим продуктами в области высоких технологий.

Возможность и эффективность импортозамещения

Особенностью разрабатываемого устройства является возможность автоматической корректировки величины выходного напряжения и частоты в зависимости от изменения параметров индуктора и отклонения его резонансной характеристики в процессе плавки металлов. Множество быстродействующих защит, высокий КПД, возможность подключения к персональному компьютеру, оптимизация по тем или иным параметрам режимов плавки металлов, контроль качества индуктора и других цепей рабочего контура делают разрабатываемый источник конкурентоспособным и импортозамещающим

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

21.11.2006