Способ и установка для регулирования электрического режима индукционной плавильной печи

 

Сущность изобретения: способ питания индукционной плавильной печи, содержащей источник питания и подключенный к нему через силовой тиристорный ключ колебательный контур из параллельно включенных индуктора и конденсаторной батареи, при котором осуществляют импульсно-фазовое управление тиристорным ключом, предусматривает преобразование синусоидального режима тока источника в импульсный режим и подачу через тиристорный ключ на колебательный контур импульса с выбранным коэффициентом деления К частоты источника питания. Установка для питания индукционной плавильной печи содержит источник питания и подключенный к нему через тиристорный ключ колебательный контур из индуктора печи и конденсаторной батареи, систему импульсно-фазового управления тиристорным ключом. Система импульсно-фазового управления содержит делитель частоты импульса тока. 2 с.и. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к индукционному нагреву и может найти применение на индукционных тигельных печах большой мощности и промышленной частоты 50 Гц.

Известен способ регулирования электрического режима индукционной плавильной установки (авт. св. СССР N 1198769A, кл. H 05 В 6/06, 15.12.85 г.).

Упомянутый выше известный способ реализован в действующей установке - индукционной тигельной печи типа ИАТ6 промышленной частоты 50 Гц для плавки алюминия.

Эта известная установка ИАТ6 содержит подключенный к источнику питания через тиристорный ключ колебательный контур из параллельно включенных индуктора и конденсаторной батареи.

С целью повышения производительности установки ИАТ6 путем увеличения активной мощности, потребляемой при плавке, выбирают избыточную емкость не более 30% емкости резонансного режима и в каждый полупериод ключом задерживают подачу тока в цепи между источником питания и колебательным контуром до момента перехода напряжения источника питания через ноль.

Способ по упомянутому авт.св. N 1198769A осуществляют следующим образом.

Предварительно по фазометру при полностью открытых тиристорах тиристорного ключа с помощью переключающего блока устанавливают резонансный режим, а затем подключают дополнительную емкость, т.е. перекомпенсируют контур.

Одновременно изменяют управляющий сигнал, поступающий на систему импульсно-фазового управления. Тем самым изменяют угол включения тиристоров так, чтобы получить максимальное напряжение на вольтметре, обеспечивая при этом максимально возможное значение активной мощности.

Без тиристорного устройства печь работает следующим образом.

"Закачку" энергии от силового трансформатора в контур выполняют с частотой 50 Гц. Переменный ток, проходящий через индуктор, создает в нем переменный магнитный поток Ф. Магнитный поток Ф позволит в проводящем теле (алюминий) мгновенное значение ЭДС e dФ/dc.

Под действием ЭДС в проводящем теле возникают вихревые токи i, вызывающие нагрев.

Индуктор и емкость в контуре включаются параллельно на резонанс токов, где I_l=I_c Максимальная мощность печи получается при равенстве, то есть при cosϕ1.

Коэффициент мощности coscosϕ поддерживается равным единице двумя способами: а) в ручном режиме, путем подбора подстроечных емкостей, б) с помощью блока автоматического подбора емкостей типа автоматического регулятора электрического режима плавильной печи.

В процессе плавки индуктивное сопротивление X_L= 2π·fL падает и I_l увеличивается. Поэтому для компенсации необходимо увеличивать I_c снижая подключением добавочных емкостей. В процессе плавки потребляемая мощность увеличивается.

Недостатками известной установки для питания индукционной плавильной печи являются: невозвожность работы в режиме выключателя нагрузки из-за емкостной перекомпенсации около 30% отсутствие возможности преобразовывать частоту не позволяет менять технические параметры печи под данный тип сырья; режим регулирования углом открытия тиристора (в заявке оптимальный угол -45^oC) ведет к динамическим ударам, поэтому нет возможности применить данное устройство в качестве выключателя нагрузки.

Сущностью данного изобретения является применение тиристорного устройства синхронизированного по напряжению питающей сети для преобразования синусоидального режима источника питания в импульсный с возможностью дискретного понижения частоты от 50 Гц и ниже.

Частота (импульсная) питания колебательного контура печи выбирается в зависимости от сырья. Колебательный контур должен быть настроен на 50 Гц и cosϕ=(0,95 1).

При этом достигаем следующих результатов: предлагаемое устройство работает как выключатель нагрузки на любой частоте питания колебательного контура; в сравнении с известным режимом работы печи заявленное устройство позволяет увеличить производительность плавки (измеряемую в т/час), приблизительно на 30% и при этом сократить удельный расход электроэнергии (измеряемую в кВт/ч/т) приблизительно на 30% Достижение первого результата, а именно использование тиристорного устройства в качестве выключателя нагрузки, становится возможным из-за того, что устройство по изобретению синхронизировано с источником питания, т.е. его включение происходит в момент перехода питающего напряжения через U= O(B).

Достижение второго результата, а именно увеличения производительности и снижения удельного расхода электроэнергии, обеспечивается за счет преобразования синусоидального тока питания в импульсный с более высокой амплитудой. При этом фазометр должен показывать cosϕ=0,95 емкостного режима.

На фиг. 1 показана установка для питания индукционной плавильной печи с тиристорным устройством для преобразования синусоидального режима тока в импульсный и возможностью дискретного изменения частоты питания от 50Гц и ниже; на фиг. 2 принципиальная схема системы импульсно-фазового управления тиристорным ключом для преобразования синусоидального режима тока в импульсный и возможностью дискретного изменения частоты питания от 50 гЦ и ниже; на фиг. 3 подробная система импульсно-фазового управления тиристорным ключом в установке для питания индукционной плавильной печи; на фиг. 4,а-г изображены диаграммы токов и напряжений до и после тиристорного устройства.

Установка для регулирования электрического режима индукционной печи показана на фиг. 1 в виде блок-схемы и состоит из силового трансформатора 1 и подключенного к нему через тиристорный ключ 2 колебательного контура, содержащего печь с индуктором 3 и конденсаторную батарею 4, системы 5 импульсно-фазового управления тиристорным ключом 2. Кроме того, установка согласно изобретению содержит измеритель 6 мощности (ваттметр) и измеритель 7 фазы (фазометр), связанные с датчиком 8 тока и датчиком 9 напряжения, а также вольтметр 10 и амперметр 11, подключенные и измерительным трансформаторам 12 и 13.

Система 5 (фиг. 2) импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорным ключом содержит ноль-орган 14, на выходе подключенный к блоку логики и деления 15, выход которого связан со входом формирователя 16 (Ф) импульса. Блоки логики и деления и формирователя импульса (Ф) запитаны на своих входах от блока питания, генерирующего на своем выходе низкое выпрямленное напряжение, которым обычно питают интегральные схемы.

Вход ноль-органа 14 запитан от источника напряжения 100 В частотой 50 Гц.

Блок логики и деления 15 содержит также делитель частоты на 3 и более. Выходы с формирователя 16 (Ф) импульса запитывают управляющие электроды тиристоров V₁ и V₂ тиристорного ключа 2 (показан отдельно в верхней части фиг. 2).

На фиг. 3 приведена подробная схема системы 5 импульсно-фазового управления, в которой структурные блоки ноль-органа 14, блок логики и деления 15, формирователя импульсов 16 показаны пунктирными линиями.

Ноль-орган 14 системы импульсно-фазового управления 5 тиристорным ключом состоит из синхронизирующего трансформатора, T_p1 вторичная обмотка которого выполнена по схеме симметричного моста, в выходные плечи которого включены встречно-параллельно стабилитроны. Выходы со стабилитронов подключены соответственно на входы ноль-органов 17 и 18.

Выходы с ноль-органов 17 и 18 суммируются на входе формирователя короткого импульса 19 ноль-органа 14, генерирующего на своем выходе короткие импульсы частотой 50 Гц. Блок логики и деления 15 содержит делитель частоты импульса 20.

Выход с делителя частоты импульса 20, на котором генерируются импульсы частотой ≅17 Гц (одна из выбранных частот), связан со входом одновибратора 21, формирующем требуемую длительность импульса.

Блок логики и деления 15 также содержит генератор-наполнитель импульса 22, служащий для заполнения импульса. Выход с генератора-наполнителя импульса 22, как и выход одновибратора длительности импульса 21, связанного с выходом делителя частоты импульса 20 и являющегося структурным блоком логики и деления 15, подсоединен ко входу первого 23 и второго 24 сумматоров соответственно, являющихся также структурными элементами блока логики и деления 15. Эти первый 23 и второй 24 сумматоры также на своих входах запитаны выходами с ноль-органов 17 и 18, являющихся структурными блоками ноль-органа 14.

Формирователь импульсов 16 включает блоки выходных формирователей-усилителей 25 и 26, на входе связанных с выходами первого 23 и второго 24 сумматоров, и выходные импульсные трансформаторы Тр₂ и Тр₃, соответственно подключенные к выходам формирователей-усилителей 25 и 26.

Схема системы импульсно-фазового управления 5 работает следующим образом.

При подаче на первичную обмотку трансформатора Тр₁ синхронизирующего напряжения переменного тока 100 В f=50 Гц на выходе этого трансформатора, включенного с общей точкой, мы получаем два напряжения переменного тока 22 В частотой f=50 Гц, которое подаем на входы ноль-органов 17 и 18, выполненных на операционных усилителях. На входе каждого из операционных усилителей стоят ограничительные стабилитроны, выполненные на тиристорах.

На выходе ноль-органов выполненных на операционных усилителях мы получаем импульсы прямоугольной формы. Суммируя эти импульсы на формирователе короткого импульса 19 ноль-органа 14, выполненном на микросхеме И-НЕ, мы получаем тонкие импульсы, по времени совпадающие с нулем переменного напряжения 100 В f=50 Гц, подаваемого на вход трансформатора Тр₁. Далее эти прямоугольные импульсы подаются также на оба плеча сумматоров 23 и 24.

С выхода формирователя короткого импульса 19 ноль-органа 14 импульсы подаются на делитель частоты импульса 20 (выполненный на счетчике с обратной связью), где частота входных импульсов f=50 Гц делится на 3 и более, так чтобы на выходе делителя частоты импульса 20 получить частоту 17 Гц и ниже. С делителя 20 импульсы f≅17 Гц подаются на одновибратор 22, выполненный на логических элементах И-НЕ, который формирует требующуюся длительность импульса.

Управляющий импульс V_упр запускает генератор-наполнитель импульса 22, который своим выходом запускает каждый из сумматоров 23 и 24. На входах сумматоров 23 и 24, кроме запускающего импульса от генератора-наполнителя импульса 22, присутствуют также выходные сигналы от ноль-органов 17, 18 и сигналы с требуемой длительностью импульса от одновибратора 22. Далее выходные импульсы с сумматоров 23 и 24 подаются на выходные формирователи-усилители 25 и 26, где они усиливаются до требуемой величины и подаются на входные обмотки выходных импульсных трансформаторов Тр₂ и Тр₃.

Со вторичных обмоток импульсных трансформаторов сигналы подаются на управляющие электроды тиристоров.

На фиг. 4, а-г приведены диаграммы токов и напряжений, соответствующих сигналам до и после тиристорного ключа. Из этих диаграмм можно видеть, что частота кривых тока и напряжения после тиристорного ключа претерпевает уменьшение в 3 раза и ниже (до 17 Гц и ниже). Фиг. 4,в показывает диаграмму тока в идеальных условиях. Фиг. 4,г показывает диаграмму тока в реальных условиях, когда ввиду большой добротности колебательного контура установки собственная частота контура затухает слабо и диаграмма тока стремится к синусоидальной, частотой f=50 Гц.

Формула изобретения

1. Способ питания индукционной плавильной печи, содержащей источник питания и подключенный к нему через силовой тиристорный ключ колебательный контур из параллельно включенных индукторов и конденсаторной батареи, в котором осуществляют импульсно-фазовое управление тиристорным ключом, предусматривающий преобразование синусоидального режима тока источника в импульсный режим и подачу через тиристорный ключ на колебательный контур импульса с выбранным коэффициентом преобразования частоты источника питания, отличающийся тем, что осуществляют деление частоты источника питания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент деления К составляет 2,3.

3. Установка для питания индукционной плавильной печи, содержащая источник питания и подключенный к нему через тиристорный ключ колебательный контур из индуктора печи и конденсаторной батареи, систему импульсно-фазового управления тиристорным ключом, содержащую преобразователь частоты импульса тока, отличающаяся тем, что система импульсно-фазового управления содержит делитель частоты импульса.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что система импульсно-фазового управления содержит нуль-орган, выход из которого связан с входом делителя частоты импульса.

5. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что нуль-орган содержит синхронизирующий трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена по схеме симметричного моста, в выходные плечи которого включены встречно-параллельно стабилитроны.

6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что выходы со стабилитронов подключены соответственно на входы формирователей прямоугольных импульсов, выходы которых подключены к входам формирователя короткого импульса.

7. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что делитель частоты импульса связан на входе с выходом датчика нуль-органа, а на выходе с одновибратором длительности импульса.

8. Установка по п. 3 или 6, отличающаяся тем, что система импульсно-фазового управления содержит генератор-наполнитель импульса, выход которого, как и выходы одновибратора длительности импульса, подсоединены соответственно к входу первого и второго сумматоров.

9. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что первый и второй сумматоры запитаны на своих входах выходами с формирователей прямоугольных импульсов.

10. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что система импульсно-фазового управления содержит выходной формирователь импульсов, включающий два выходных формирователя-усилителя, на входе связанных соответственно с выходами сумматоров блока логики и деления, а на выходе с выходными импульсными трансформаторами.

11. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что вторичные обмотки выходных импульсных трансформаторов связаны с управляющими электродами тиристоров тиристорного ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4