Индукционная нагревательная установка

 

Союз Советских

Соцкалистнческих

Респубянк

ОПИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ к лвтоРСКОм СВИДетеЛЬСтВУ ол974606 (6I) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 30.12.80 (21) 3225422/24 — 07 (51) М. Кл. с присоединением заявки J9

Н 05 В 6/08

1еаудврствеииый комитет (28) Приоритет по делам иэобретеиий и открытий

Опубликовано 15 11.82. Бюллетень № 42 (53) УДК 621.365..52 (088.8) Дата опубликования описания 15.11.82

Ю. H. Бойков, Н. В. Дилигенский, Л. Г. Дымова, Г. А. Шеркнн, И. Л. Шитарев н О. H. Турпак (72) Авторы изобретения

Куйбышевский политехнический институт им. В. В. Куйбыртева и Всесоюзный научно — исследовательский, проектно — конструктарскии и технологический институт электротермпческого оборудования (71 ) Заявители (54) ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано при нагреве перед пластической деформацией, плавке, термообработке изделий и т. д.

Известны индукционные нагревательные установки, в которых для поддержания в силовом контуре режима резонанса токов используют управляемые индуктивности, либо дискретно коммутируемые силовые конденсаторы, причем поиск параметров настройки силового о контура ведется непосредственно в самом контуре (1).

Наиболее близкой по технической сущности является индукционная нагревательная установка, содержащая источник. питания и соединенный с ним индуктор, параллельно которому подключены по меньшей мере две цепочки для ступенчатого регулирования из компенсирующего конденсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка для плавкого регулирования, выполненная в виде последовательно соединенных конденсатора и регулируемой индуктивности, датчики тока и напряжения источника питания, выходы которых соединены

2 с входами датчика рассогласования фазы напряжения и тока источника питания, выход которого подк:почел к входу интегрального переключателя, соединенного выходом с первым входом первого компаратора, второй вход которого связан с выходом исто щика опорного «апряжения, а выход с первым входом синхронизатора, второй вход которого подключен к выходу конечного выключателя, его первый выход соединен с управляющим входом источника литания, а второй выход с управляющим входом интегрального переключателя, злектрическую модель установки, выполненную в виде модели источника питания и соединенной с ней модели индуктора, параллельно которой подключены цепочки для ступенчатого регулирования из последовательно соединенных моделей компенсирующих конденсаторов и интегральных ключей, причем число цепочек равно числу цепочек для ступенчатого регулирования установки, дат щки тока и напряжения источника питания модели, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования тока и напряжения источника питания модели, согласующий

974606 элемент, выходы которого соединены с управляющим входом каждого иэ указанных коммутирующих элементов, а его входы связаны с управляющими входами интегральных ключей и выходами двоично — десятичного счетчика, и первый конденсатор памяти (2) .

8 режиме малых отклонений сов <ай(не более 5%) процесс его стабилизации осуществляется в замкнутой системе — силовой резонансный контур индукционной установки — датчик 1<Э фазового рассогласования напряжения и тока источника питания — регулируемая индуктивность, При больших возмущениях (более 5%) устройство автоматически настраивает силовой резонансный контур в токовый. резонанс путем >5 изменения величицы суммарной емкости компенсирующих конденсаторов, которая предварительно отыскивается на электрической модели индукционной установки.

При индукционном нагреве ферромагнитных 2п материалов величина эквивалентной магнитной проницаемости загрузки <А. претерпевает значительные изменения в зависимости от температуры нагрсваемого металла, например при нагреве стали эквивалентная величина магнитной 25 проННВВсМосТН изменяется В пр<".яслях Р- 3

1 — 80. Кроме того, в процессе индукционного нагрева изменяется удельное сопротивление нагреваемого металла 4 . Соответственно изменяются и значения индуктивного Х,и активного г сопротивлений системы индуктоп — металл, которые зависят от 1<- н р

Электрическая модель в известной индукционной установке является этало1гной, и активное„з также индуктивное сопротивление модели

35 ицдукторз остаются постоянными в течение всего процесса нагрева. Отсутствие перенастройки параметров модели индукторз при изменении в процессе нагрева параметров системы индуктор — металл приводит к нето щости в оп- 4 рсдслснии нз модели суммарной компенсирующей емкости силового резонансного контура индукционной установки и соответственно неточной его цзстройкс в токовый резонанс.

В режимах, связанных с переходом темпера45 туры нзгрсвзсмого метзллз через точку Кюри, вели шнз коэффициента мощности индукционной печи изменяется приблизительно на 40%.

Поэтому при выборе усредненных значений акTHI3HOI 0 г H Hn lgKTIIBHO10 Х > сопротивлений модели ннлукторз в указанных режимах в результате ошибки определения на модели суммзрной компенсирующей емкости после включения исто ишка питания отклонение коэффициента мощности от эзлзнного уровня (oos P — l) составит нс менее 10% и поиск к<гмпспслруиицей емкости пз и1ется заново, причем JIocT3Toчцзя точность стабилизации коэффициента мощности (r. с. < 5%) может быть не достигнУта и вторично. Таким образом затягивается время регулирования, а также увеличивается количество коммутаций в силовом резонансном контуре.

Цель изобретения — повышение точности стабилизации коэффициента мощности установки, Поставленная цель достигается тем, что модель индуктора выполнена в Виде последовательно соединенных регулируемой и нерегулируемой индуктивностей и переменного резистора, а в цепь индуктора и модели индуктора включены датчики тока, выход датчика тока индуктора подключен к первом входу двухполюсного управляемого ключа и первому входу датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения индуктора, к второму входу которого подключен выход датчика напряжения источника питания, выход датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения индуктора соединен с вторым входом двухполюсного ключа, подключенного управляющим входом к третьему выходу синхронизатора, первым выходом — к первому конденсатору памяти, к первому входу второго компаратора . и первому входу формирователя экстремальной кривой, вторым выходом — к второму конденсатору памяти, второму входу формирователя и первому входу третьего компаратора, выход датчика тока модели индуктора подключен к первому входу датчика рассогласования фазы тока и напряжения модели индуктора, к третьему входу формирователя и к второму входу второго компаратора, второй вход датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения модели индуктора соединен с датчиком напряжения модели источника питания, à его выход — с четвертым входом формирователя и вторым входом третьего компаратора, выходы второго и третьего компараторов через элемент И соединены с первым входом генератора тактовых импульсов, второй вход которого связан с выходом датчика рассогласования фазы тока и напряжения источника питания модели, а выход — с первым входом двоично — десятичного счетчика, второй вход которого соединен с четвертым выходом синхронизатора, между выходом счетчика и входом согласующего элемента включен блок памяти, управляющий вход которого соединен с мятым выходом синхронизатора, шестой выход которого подключен к первому входу оптимизатора, соединенного вторым вхрдом с выходом формирователя, а выходами с управляющими входами регулируемой индуктивности и переменного резистора модели индуктора.

5, 974

На фиг. 1 изображена блок — схема установки; на фиг. 2 — вариант исполнения синхронизатора.

Силовой резонансный контур 1 индукционной установки состоит из индуктора 2, компенсирующих конденсаторов 3 — б, цели последовательно соединенных конденсатора 7 и регулируемой индуктивности 8, взаимно скомпенснрованных для статического режима работы установки, и соединен с источником питания 9 и датчиком!;

10 фазового рассогласования тока и напряжения источника питания через трансфарматор напряжения 11 и трансформатор тока 12. Выход датчика 10 в замкнутом состоянии интеврально- . го переключателя 1 3, например тина 70 IМЛЗЗА,!5 соединен с первым входом первого компаратора 14, например типа 521Са2, и регулируемой индуктивностью 8, которая представляет собой, например, магнитный усилитель, работаю.щий в режиме дросселя наеьпцения. Второй 20 вход компаратора 14 соединен с выходом источника опорного напряжения 15, выполненного, например, на стабилизаторе накряжения типа

701МП22. Выход компаратора 14 соедицен с первым входом синхронизатора !6, второй 25 вход которого соединен с выходом конечного выключателя 17. Первый выход синхронизатора 16 соединен с входом источника питания

9, второй выход — с управляющим входом интеграл ь но го переключателя 13. 30

Входы датчика 18 фазового рассогласования тока и напряжения индуктора 2 соединены с выходом трансформатора напряжения 11 и трансформатора тока 19 индуктора 2. Выход датчика 18 в замкнутом состоянии коммути35 рующего элемента 20, выполненного, например, на интегральном ключе типа 701МЛЗЗА, соединен с первым входом формирователя экстремальной кривой 21. Формирователь экстремальной кривой 21 выполнен на операционных уси40 лителях, например, типа. К14ОУД6 аналогично формирователю системы управления процессом нагрева с использованием моделирующего устройства. Первый вход блока 21 соединен также с первым конденсатором намяти 22 и первым

45 входом второго компаратора 23, например типа 52ICA2. Второй вход блока 21 соединен с вторым конденсатором памяти 24 и первым входом третьего компаратора .25, например типа 52ICA2, а также в замкнутом состоянии коммутирующего элемента 20 с выхо50 дом трансформатора тока 19. Третий вход блока

21 соединен с датчиком 26 тока модели 27 индуктора 2 электрической модели 28, а также с вторым входом компаратора 25.

Четвертый вход блока 21 соединен со вторым входом компаратора 23 и выходом датчика 29 фазового рассогласования тока и напряжения модели 27 индуктора 2. Входы датчика, 606 б

29 соединены с выходом трансформатора 30 напряжения источника питания модели, которое является также напряжением модели 27 индуктора 2,и выходом датчика 26 тока мо5 дели 27

Выход блока 21 соединен с первым входом автоматического оптимизатора 31, Второй вход блока 31 соединен с третьим выходом синхронизатора 1.6, четвертый выход которого

0 соединен с управляющим входом коммутирующего элемента 20. Иервый и второй выходы блока 31 соединены соответственно с входами регулируемых индуктивности 32 резистора 33 модели 27 индуктора 2. Регулируемая индуктивность 32 представляет собой маломощный магнитный усилитель, работающий в режиме дросселя насыщения. Иеременный резистор 33 плавно изменяет величину своего сопротивления в зависимости от уровня управляющего сигнала и может быть реализован, например,. на полевом транзисторе. Модель 27 индуктора

2 содержит также нерегулируемую индуктивность 34, представляющую собой дроссель, активное и индуктивное сопротивление котсрого соответствуют минимальным значениям этих сопротивлений для индуктора 2, Выходы компараторов 23 и 25 соединены с входами элемента

И 35, например типа К155ЛАЗ, выход которого соединен с первым входом генератора тактовых импульсов 36, второй вход которого соединен с выходом датчика 37 фазового рассогласования тока и напряжения источника 38 питания модели 28. Входы датчика 37 соединены с выходами датчика 39 тока и датчика 30 напряжения источника 38 питания модели 28.

Выход генератора 36 соединен с первым входом нереверсивного двоично — десятичного счетчика 40, например, типа К!55ИЕ2, выходы которого соединены с управляющими входами интегральных ключей 41 — 44, например, типа

701МЛЗЗА, установленных последовательно с конденсаторами 45 — 48 модели 28. Выходы счетчика 40 соединены также с входами блока памяти 49. Например, цифрового блока. Выходы блока 49 через согласующее устройство 50, содержащее четыре усилителя мощности, выполненные, например, на транзисторах, соединены с коммутирующими элементами 51 — 54, контакты которых 55 — 58 расположены в цепях. компенсирующих конденсаторов 3 — 6 силового контура установки . Второй вход счетчика 40 соединен с пятым выходом синхронизатора 16, шестой выход которого соединен с разрешающим входом блока памяти 49.

Синхронизатор 16 представляет собой блок, определяющий логику работы устройства, и содержит иеточники питания 59-62, коммутирующий элемент 63 с контактами 64 — 69 в реле времени 70, 71 соответственно с контактами

7 97460

72 и 73 — 79. Источник питания 62 соединен с реле 70 через контакт 80 конечного выключателя 17, Устройство работает следующим образом.

При поступлении очередной заготовки в нндуктор 2 конечный выключатель 17 замыкает свой контакт 80, подавая напряжение на реле

70, которое замыкает свой контакт 72, подавая напряжение источника 59 на переключатель 13, В результате чего он срабатывает. При зтом 10 стабилизация коэффициента мощности печи при малых возмущениях происходит в контуре силовой резонансный контур 1 индукционной установки — датчик 10 фазового рассогласова-. ния тока и напряжения источника питания 9 — 15

1 регулируемая . индуктивность 8, если выходной сигнал датчика 10 не больше опорного напряжения на выходе 15, если же эти сигналы равны или выходной сигнал 10 больше опорного напряжения, срабатывает компаратор 14, ко-20 тарый подает напряжение на коммутирующий элемент 63, который размыкает свой контакт

64, размыкая тем самым контакт переключателя 13 и разрывая контур регулирования в малом. Одновременно 63 замыкает свой контакт- 25

65 и с выдержкой времени перекоммутирует контакты 66 и 67, в результате чего на счетчик 50 подается сбрасывающий импульс, устанавливая его выходы в нулевое состояние.

Индуктивное сопротивление управляемой ин- 30 дуктивности 8, представляющей собой амагнитный усилитель, за счет заранее выбранного сигнала .

Иа обмотке смещения принимает значение равное по абсолютной величине реактивному сопротивлению конденсатора 7, что равнозначно отсутствию этих элементов в резонансном кон.туре 1, поэтому в модели 28 они не учитываются.

Далее синхронизатор устанавливает контакты двухполюсного коммутирующего элемента 20 в замкнутое состояние, замыкая контакт 68 и с выдержкой времени, необходимой для запоминания выходных сигналов датчика 18 и трансформатора 19 на конденсаторах памяти, соответственно 22 и 24, размыкает контакты элемента 20, размыкая контакт 73. При этом . происходит запоминание сигналов действующего значения тока индуктора и его фазы относительно питающего напряжения источника 9.

После чего синхронизатор 16, размыкая контакт

73, выключает источник питания 9 для осуществления разряда конденсаторов 3 — 6. Синхронизатор 16, замыкая контакт 75 (рис. 3), подает запускающий сигнал на автоматический оптимизатор 31, который начинает осуществлять

55 автоматический поиск экстремума кривой, сформированной блоком 21. Формирователь экстремальной кривой 21, на входы которого подаются сигналы датчиками 18 и 29 фазового рассогласования напряжения и тока соответственно индуктора 2 и его модели 27, а также сигналы с датчика 19 тока индуктора 2 и датчика,.26 тока модели 27, формирует характеристику awa F l м l(„3< + м гн имеющую глобальный экстремум в точке 2

=K 3н, é -— с и где Зм и Зн — деиствУ щие значения токов соответственно индуктора

2 модели 27, Чн и .м соответственно фазы . этих токов относительно питающих напряжений силового контура 1 и модели 28, K коэффициент пропорциональности. Поиск экстремума кривой, формируемой блоком 21, ведется путем соответствующей вариации индуктивного

32 и активного 33 сопротивлений модели 27.

После того, как экстремум характеристики, формируемой блоком 21, найден, параметры модели 27 индуктора 2 оказываются настроены в соответствии с параметрами самого индуктора, т, е. активное и индуктивное сопротивление 27 пропорциональны соответствующим сопротивлениям 2, так как пропорциональны токи, протекающие через них, и равны фазы этих токов относительно соответствующих напряжений, т. е, как было указано выше м и м н

Напряжения исто шиков питания модели и силового резонансного контура должны . быть пропорциональны с коэффициентом к а частоты равны.

Таким образом, экстремум кривой блока 21 соответствует равенству сигналов датчиков 18 и 29, а также 19 и 26, которые подаются на компараторы соответственно 23 и 25, на выходах которых появляются сигналы, в результате чего возникает сигнал на выходе элемента И 35, который запускает генератор тактовых импульсов 36. Блок 36 выдает тактовые импульсы па счетный вход счетчика 40. В результате. изменения состояния выхода 40 при помощи электронных ключей 41 — 44 производится перекоммутация конденсаторов 45—

48 до тех пор, пока модель 28 настроена в состояние токового резонанса (cos Ч вЂ” 1) . При достижении этого состояния сигнал датчика 37 фазового рассогласования тока и напряжения источника питания 38 равен нулю, что является сигналом прекращения работы генератора 36, в результате счет прекращается, Состояние выхода счетчика описывается некоторым двоичным числом А. Так как конденсаторы 45 — 48 подобраны так, что каждые два соседние состояния выхода счетчика 40 соответствуют приращению и С суммарной емкости, то величина суммарной емкости модели определяется выражением

Ах Ь С, Следовательно, для настройки силового контура 1 в токовый резонанс необходимо, чтобы суммарная емкость конденсаторов 3—

6 была равна величине АхЛС х К1 . Емкость

974606

10 конденсаторов 3 †пропорциональна величине емкости конденсаторов 45 — 48, коэффициент пропорциональности К . Следовательно достаточно перевести контакты 55 — 58 в состояние А., чтобы выполнить поставленную задачу. После 5 выдержки времени, необходимой для разрядки конденсаторов 3 — 6, синхронизатор 16, перекоммутируя контакты 76-78, выдает импульс на цифровой блок памяти 49, который сбрасывает записанное ранее число и запоминает новое 0 состояние выхода счетчика А, соответственно происходит переключение коммутирующих элементов 51 — 54, которые перекоммутируют свои контакты 55-58. После того, в результате срабатывания контакта 79 выключается источник питания 9, а переключатель 13 устанавливается в замкнутое состояние, вновь замыкая контур регулирования в" малом" - При новом превышении выходным сигналом датчика 10 величины опорного напряжения устройство осу- 20 щеставляет перечисленные операции в той же последовательности.

Применение установки позволит экономить злектроэнерп1ю за счет повышения точности определения суммарной компенсирующей емкости конденсаторов силового резонансного контура, а также за счет исключения режимов вторичного поиска суммарной компенсирующей емкости, что позволяет избежать излишних коммутаций в силовом резонансном контуре и 30 тем самым повысить качество нагрева заготовок и продлить срок службы нагревательной установки.

Формула изо бретения

Индукционная нагревательная установка, содержащая исто шик питания и соединенный с ним индуктор, параллельно которому под- щ ключены, по меньшей мере две цепочки, для ступенчатого регулирования из компенсирующего конденсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка для плавного регулирования, выполненная в виде последовательно соединенных конденсатора и регулируемой индуктивности, датчики тока и напряжения источника питания, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования фазы напряжения и тока источника питания, выход которого подключен к входу интегрального переключателя, соединенного выходом с первым входом первого комларатора, второй; вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, а выход — с первым

55 входом синхронизатора, второй вход которого подключен к выходу конечного выключателя, его первый выход соединен с управляющим входом источника питания, а второй выход— с управляющим входом интегрального пере. ключателя, электрическую модель установки, выполненную в виде модели источника питания и соединенной с ней модели индуктора, парал. лельно которой подключены цепочки для ступенчатого регулирования из последовательно соединенных моделей компенсирующих конденсаторов и интегральных ключей, причем число цепочек равно числу цепочек для ступенчатого регулирования установки, датчики тока и напряжения источника питания модели, выходы которых соединены с входами датчика рассог. ласования тока и напряжения источника lIHTRtfHH модели, согласующий элемент, выходы которогО соединены с управляющим входом каждого из указанных коммутирующих элементов, а его входы связаны с управляющими входами ин. тегральиых ключей и выходами двоично — деся. тичного счетчика, и первый конденсатор памяти,отли чающаяся тем,что, с целью повышения точности стабилизации. коэффициента мощности установки, модель индуктора выполнена в виде последовательно соединенных регулируемой и нсрегулируемой индуктивностей и переменного резистора, а в цепь индуктора и модели индуктора вклю. челы датчики тока, выход датчика тока индуктора подключен к первому входу двухполюсного управляемого ключа и первому входу датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения иидуктора, к второму входу которого подключен выход датчика напряжения. источника питания, выход датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения иидуктора соединен с вторым vхолом двухполюсного ключа, полключенпо1о управчяющим входом к третьему выходу синхронизатора, первым выходом — к верному конденсатору памяти, к первому вхо;1у второго компаратора и первому входу формирователя экстремальной кривой, вторым выходом — к второму конденсатору памяти. BTopoìó входу формирователя и первому входу трс1ьсго комиаратора, выход датчика тока модели пндуктора подключен к первому входу датчика рассогласова. ния фазы тока и напряжения модели индуктора к третьему входу формирователя и к второму . входу второго компаратора, второй вход датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения модели иидуктора соединен с датчиком напряжения модели источника питания, а его выход — с четвертым входом формирователя и вторым входом третьего компаратора, выход1я второго и третьего компараторов через элемент И соединены с первым входом генератора тактовых импульсов, второй вход которого связан с выходом датчика рассогласования фазы тока и напряжения источника питания модели, а выход —. с первым входом

12

11

974606 двоично — десятичного счетчика, второй вход которого соединен с четвертым выходом синхрониэатора, между выходом счетчика и входом согласующего элемента включен блок памяти, управляющий вход которого соединен 5 с пятым выходом синхронизатора, шестой выход которого подключен к первому входу оптимизатора, соединенного вторым входом с выходом формирователя, а выходами — с управляющиМи входами регулируемой индуктивности и переменного резистора модели индуктора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке

У 2800358/07; кл. Н 05 В 6/06, 1979.

2, Авторское свидетельство СССР по заявке

Н 2814545/07, кл. Н 05 В 6/06, 19.03.80.

974606

Вх.1. бюх2, 70

Вх2

Техред С.Мигунова Корректор М. Демчик

Редактор О. Колесникова

Тираж 862

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 8737/79

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4