ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА СКВОЗНОГО НАГРЕВА МЕРНЫХ ЗАГОТОВОК Российский патент 2004 года по МПК H05B6/06 

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/xС6) 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<S₂<S₃. Между катушками 1, 2, 3 и нагреваемой загрузкой 7 имеется футеровка 8.

При подаче на катушки 1, 2, 3 переменных линейных напряжений U_АВ,_{UBC, UCA 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 ϕca. Таким образом, фаза тока катушки 3 ϕ3=150°-ϕca. 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°-ϕbc=90°-ϕbc. Таким образом, сдвиг фаз между токами в соседних катушках установки меньше 60° : ϕ1-2=ϕ2-ϕ1=60° -ϕbc<60° , ϕ2-3=ϕ 3-ϕ2=60°-ϕca+ϕ bc=60°-ϕbc<60° . Количества витков катушек 1, 2, 3 подобраны такими, чтобы обеспечить симметрию линейных токов источника Ia=Ib=Ic () 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.

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.

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.