Индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электротермическим устройствам с активно-индуктивной нагрузкой и схемам их включения в трехфазную сеть, в частности может быть использовано в индукционных установках сквозного нагрева мерных заготовок. Предлагаемая индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок, содержащая три расположенные в стык и соединенные в треугольник катушки со сдвинутой на фазу 180° средней катушкой, футеровку и по батарее конденсаторов на каждую катушку, и обеспечивает более равномерное выделение удельной мощности по длине нагреваемых мерных заготовок за счет снижения провала мощности на стыке соседних катушек; уменьшаются взаимная индуктивность катушек и влияние эффекта переноса мощности из одной фазы в другую, что приводит к более равномерной загрузке фаз питающей сети. Указанные преимущества предлагаемой индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок достигаются за счет уменьшения сдвига фазы токов в соседних катушках, что достигается настройкой соседних катушек установки в различные резонансные режимы. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электротермическим устройствам с активно-индуктивной нагрузкой и схемам их включения в трехфазную сеть, в частности может быть использовано в индукционных установках сквозного нагрева мерных заготовок.

Известны электротермические устройства, которые представляют собой мощную однофазную нагрузку и подключаются к трехфазной сети с помощью статических симметрирующих устройств, например, по схеме Штейнмеца, которая описана в кн. Гитгарц Д.А. и Мнухин Л.А. “Симметрирующие устройства для однофазных электротермических установок”, 1974 г. Однако схема Штейнмеца эффективна только при чисто активной нагрузке, поэтому при активно-индуктивной нагрузке необходимо компенсировать реактивную мощность, потребляемую нагрузкой, с помощью батареи конденсаторов. Основным недостатком такой схемы является то, что в процессе нагрева мощность и естественный коэффициент мощности нагрузки меняются, а значит, возникают недокомпенсация реактивной мощности и длительный несимметричный режим, характеризующийся несимметрией токов и, следовательно, несимметрией напряжений. Несимметрия токов увеличивает потери мощности в питающей сети и уменьшает ее пропускную способность. Этого можно избежать, использовав регулируемое симметрирующее устройство, что усложняет конструкцию и снижает надежность устройства. К недостаткам такой схемы относится также то, что при симметрировании необходимы дополнительные затраты на установку симметрирующего устройства и покрытие активных потерь в его элементах.

Наиболее близкой к заявленному устройству является индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок, содержащая три расположенные в стык и соединенные в треугольник катушки, футеровку и батареи конденсаторов (кн. “Установки индукционного нагрева”, под ред. А.Е.Слухоцкого и др., 1981 г.). Вследствие взаимного влияния соседних катушек индуктора, из-за сдвига фаз токов в катушках, ослаблено электромагнитное поле. Поэтому в зоне их стыка на поверхности мерных заготовок образуется провал в распределении удельной мощности. Для обеспечения равномерности выделяющейся в нагреваемых мерных заготовках (загрузке) удельной мощности по их поверхности катушки индуктора располагают друг к другу с возможно малым осевым зазором, что увеличивает их взаимную индуктивность и приводит к неравномерной загрузке фаз питающей сети (эффект переноса мощности из одной фазы в другую). Это вызывает возникновение несимметричного режима в питающей сети. Взаимное влияние соседних катушек индуктора снижается при уменьшении сдвига фаз между ними с ϕ =120° до ϕ =60° путем изменения фазы средней катушки на 180° . Но несмотря на это удельная мощность в поверхности нагреваемых мерных заготовок остается неравномерной и несимметрия токов и напряжений сохраняется.

В основу изобретения положена задача создания индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок, которая позволила бы обеспечить равномерность нагрева загрузки по длине и снижение несимметрии в питающей сети за счет уменьшения сдвига фазы тока в соседних катушках.

Поставленная задача решается тем, что в индукционной установке сквозного нагрева мерных заготовок, содержащей три расположенные в стык и соединенные в треугольник катушки со сдвинутой на фазу 180° средней катушкой, футеровку и по батарее конденсаторов на каждую катушку, согласно изобретению одна из крайних катушек соединена с соответствующей батареей конденсаторов последовательно, другая крайняя катушка соединена с соответствующей батареей конденсаторов параллельно, а средняя катушка соединена с частью соответствующей ей батареи конденсаторов последовательно и параллельно образовавшемуся последовательному контуру подключена другая часть этой батареи конденсаторов, при этом катушка, соединенная с батареей конденсаторов последовательно, имеет большее число витков, чем средняя катушка, которая, в свою очередь, имеет большее число витков, чем катушка, соединенная с батареей конденсаторов параллельно.

На фиг.1 представлен эскиз индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок со схемой подключения катушек к источнику трехфазного напряжения; на фиг.2 - электрическая схема замещения индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок; на фиг.3 - векторная диаграмма токов и напряжений индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок.

Индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок содержит три расположенные в стык катушки 1, 2, 3 со сдвинутой на фазу 180° средней катушкой 2. Одна из крайних катушек, например 1, подключена с последовательно соединенной батареей конденсаторов 4 к линейному напряжению U_АВ. Средняя катушка 2 с последовательно соединенной частью (5’) батареи конденсаторов 5 подключена к линейному напряжению U_ВС, и параллельно этим элементам к линейному напряжению U_ВС подключена другая часть (5’’) батареи конденсаторов 5. Крайняя катушка 3 параллельно с батареей конденсаторов 6 подключена к линейному напряжению U_CA. Емкость С₄ батареи конденсаторов 4 выбрана из условия равенства ее емкостного сопротивления (х_С4) с индуктивным сопротивлением катушки 1 (х₁), то есть C₄=1(x₁ω ), где х₁ - индуктивное сопротивление катушки 1, ω - циклическая частота. Емкость С₆ батареи конденсаторов 6 выбрана из условия равенства ее емкостной проводимости (1/x_С6) с реактивной проводимостью катушки 3 (1/х₃), , где r₃ и х₃ - активное и реактивное сопротивления катушки 3. Емкость С’₅ части (5’) батареи конденсаторов 5 выбрана в соответствии с выражением

где r₂ и х₂ - активное и реактивное сопротивления катушки 2, то есть ее емкостное сопротивление (х’_С5) меньше индуктивного сопротивления катушки 2 (х₂>x’_С5). Емкость С’’₅ - части (5’’) батареи конденсаторов 5 выбрана из условия равенства ее емкостной проводимости (1/х’’_C5) с реактивной проводимостью ветви, содержащей катушку 2 и часть (5’) батареи конденсаторов 5, то есть Как видно, полные сопротивления ветвей, содержащих катушки 1, 2, 3 индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок, различны. Поэтому для обеспечения симметрии нагрузки количество витков (w) и сечения индуктирующих проводов (S) катушек 1, 2, 3 выбраны в соответствии с условиями w₁>w₂>w₃ и S₁<S<S. Между катушками 1, 2, 3 и нагреваемой загрузкой 7 имеется футеровка 8.

При подаче на катушки 1, 2, 3 переменных линейных напряжений U_АВ, U_BC, U_CA соответственно в элементах установки возникают переменные электрические токи. Вектора комплексных напряжений , представлены на векторной диаграмме токов и напряжений (фиг.3) и представляют собой симметричную трехфазную систему напряжений, при этом фаза напряжения принята равной 0° . Вектор комплексного тока совпадает с вектором напряжения , так как реактивное сопротивление этой ветви равно нулю. Таким образом, ток в катушке 1 имеет фазу ϕ₁=30° . Вектор тока также совпадает по фазе с напряжением , при этом ток катушки 3() отстает от напряжения на угол ϕ_ca. Таким образом, фаза тока катушки 3 ϕ₃=150°-ϕ_ca. Вектор тока также совпадает по фазе с напряжением ток катушки 2 () отстает от напряжения на угол кроме того катушка 2 сдвинута по фазе на 180° , поэтому фаза тока катушки 2 ϕ₂=270°-180°-ϕ_bc=90°-ϕ_bc. Таким образом, сдвиг фаз между токами в соседних катушках установки меньше 60° : ϕ_1-2=ϕ₂-ϕ₁=60° -ϕ_bc<60° , ϕ_2-3=ϕ ₃-ϕ₂=60°-ϕ_ca+ϕ _bc=60°-ϕ_bc<60° . Количества витков катушек 1, 2, 3 подобраны такими, чтобы обеспечить симметрию линейных токов источника I_a=I_b=I_c ( ) и равномерность намагничивающей силы по длине установки (w₁>w₂>w₃). Токи в катушках установки индуцирует магнитный поток, который пронизывает нагреваемые мерные заготовки. В заготовках наводятся вихревые токи, под действием которых они нагреваются до заданной температуры. Затем горячая загрузка выталкивается из индукционной заготовки для дальнейшей обработки.

Предлагаемая индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок имеет следующие преимущества перед известными:

1. Она обеспечивает более равномерное выделение удельной мощности по длине нагреваемых мерных заготовок;

2. Уменьшаются взаимная индуктивность катушек и влияние эффекта переноса мощности из одной фазы в другую, что приводит к более равномерной загрузке фаз питающей сети.

Формула изобретения

Индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок, содержащая три расположенные в стык и соединенные в треугольник катушки со сдвинутой на фазу 180° средней катушкой, футеровку и по батарее конденсаторов на каждую катушку, отличающаяся тем, что она из крайних катушек соединена с соответствующей батареей конденсаторов последовательно, другая крайняя катушка соединена с соответствующей батареей конденсаторов параллельно, а средняя катушка соединена с частью соответствующей ей батареи конденсаторов последовательно, и параллельно образовавшемуся последовательному контуру подключена другая часть этой батареи конденсаторов, при этом катушка, соединенная с батареей конденсаторов последовательно, имеет большее число витков, чем средняя катушка, которая имеет большее число витков, чем катушка, соединенная с батареей конденсаторов параллельно.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

QB4A Государственная регистрация договора о распоряжении исключительным правом

Дата и номер государственной регистрации договора: 02.12.2011 № РД0091032

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), предоставляющее(ие) право использования: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования: Общество с ограниченной ответственностью "Резонанс" (RU)

Условия договора: НИЛ, сроком на 3 года на территории РФ.

Дата публикации: 20.01.2012

---