ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2008 года по МПК H05B6/06 

Изобретение относится к индукционному нагреву и может найти применение в установках для плавки металла и термообработки деталей под закалку или пластическую деформацию.

Известна индукционная плавильная установка [1], содержащая подключенный к печному трансформатору колебательный контур с блоком переключения компенсирующих конденсаторов, силовые выходы которых соединены с контакторами, коммутирующими конденсаторы, а управляющий вход - с выходом датчика фазового угла тока в индукторе. Эта установка, с целью ускорения настройки колебательного контура, снабжена импульсным возбудителем, подключенным к колебательному контуру и блоку автоматического регулирования, управляющему контакторами. Недостатком индукционной плавильной установки [1] является ступенчатая коммутация компенсирующих конденсаторов, ограничивающая точность стабилизации коэффициента мощности установки на максимальном уровне.

Известна индукционная установка [2], содержащая источник питания и подключенный к нему индуктор, параллельно которому подключена, по меньшей мере, одна цепочка из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка из дополнительного компенсирующего конденсатора с регулируемой индуктивностью, датчики тока и напряжения источника питания, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования фазы напряжения и тока источника питания, в которой возможна плавная настройка силового колебательного контура на рабочую частоту, путем изменения величины регулируемой индуктивности. Эта установка с целью повышения быстродействия и точности стабилизации коэффициента мощности на максимальном уровне снабжена электрической моделью, содержащей все упомянутые элементы силовой цепи и работающей по сигналам с датчиков напряжения и тока источника питания. Соединенные источник питания, индуктор и компенсирующий конденсатор образуют в индукционной установке силовой резонансный контур. Величины емкости компенсирующего конденсатора и регулируемой индуктивности, необходимые для настройки установки на максимальный коэффициент мощности, определяют с помощью модели и при кратковременном выключении источника питания устанавливают в силовом резонансном контуре индукционной установки.

Индукционная установка [2] взята заявителем в качестве прототипа.

Недостатком известной индукционной установки [2] является относительно узкий диапазон рабочих частот, ограничивающий функциональные возможности ее применения в различных технологических процессах. Другим недостатком известной индукционной установки является сложность настройки на максимальный коэффициент мощности коммутацией компенсирующих конденсаторов в процессе работы. Даже кратковременное выключение источника питания для коммутации компенсирующих конденсаторов ухудшает качество нагрева заготовок. Кроме того, недостатком известной индукционной установки является отсутствие стабилизации выходной мощности источника питания в условиях непрерывно меняющейся нагрузки, определяемой меняющимися в процессе нагрева детали параметрами индуктора. Недостаток установки [2] состоит и в том, что с понижением рабочей частоты установки (при ее использовании, например, для так называемого «глубокого прогрева заготовки») резко возрастает величина емкости компенсирующих конденсаторов, что приводит к резкому увеличению ее массогабаритных характеристик. В ряде случаев создание установки на низких частотах становится вообще невозможным.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих частот и функциональных возможностей установки при упрощении настройки на максимальный коэффициент мощности и стабилизации выходной мощности источника питания в условиях непрерывно меняющейся нагрузки.

Поставленная цель в предлагаемой индукционной установке, содержащей источник питания, индуктор, компенсирующие конденсаторы с коммутирующими элементами и датчик тока, установленный на выходе источника питания, достигается тем, что она снабжена согласующим трансформатором с регулируемым коэффициентом трансформации (далее по тексту - согласующий трансформатор), токовым трансформатором и дополнительными компенсирующими конденсаторами с дополнительными коммутирующими элементами, при этом первичной обмоткой согласующий трансформатор подключен к выходу источника питания, а вторичной обмоткой, через соединенные параллельно между собой дополнительные компенсирующие конденсаторы и контакты дополнительных коммутирующих элементов, подключен к первичной обмотке токового трансформатора, к вторичной обмотке которого, через соединенные параллельно между собой компенсирующие конденсаторы и контакты коммутирующих элементов, подключен индуктор, а датчик тока подключен к первому входу вновь введенного блока автоподстройки частоты источника питания и к сигнальному входу вновь введенного блока стабилизации выходной мощности, выходом подключенного к управляющему входу указанного согласующего трансформатора. Другая особенность предлагаемой установки заключаются в том, что источник питания выполнен в виде изменяемого по частоте ключевого транзисторного генератора, содержащего изменяемый по частоте задающий генератор и подключенный к нему широкополосный транзисторный, ключевой усилитель мощности, выход которого является выходом источника питания, а к выходу задающего генератора параллельно подключен второй сигнальный вход указанного блока автоподстройки частоты, выход которого подключен к управляющему входу указанного задающего генератора. Кроме того, в предлагаемой индукционной установке управляющий вход согласующего трансформатора выполнен в виде подключенной к выходу блока стабилизации выходной мощности, группы реле, контакты которых подключены к отводам от первичной обмотки согласующего трансформатора, а вторичная обмотка токового трансформатора выполнена в виде объемного витка, разделенного на секции, соединенные компенсирующими конденсаторами и контактами коммутирующих элементов.

На фиг.1 показана блок-схема, на фиг.2 - токовый трансформатор предлагаемой индукционной установки.

Индукционная установка (фиг.1) состоит из источника 1 питания, подключенного к первичной обмотке согласующего трансформатора 2, с регулируемым коэффициентом трансформации. Вторичная обмотка трансформатора 2, через соединенные параллельно между собой дополнительные компенсирующие конденсаторы 3-1...3-m и контакты 4-1...4-m дополнительных коммутирующих элементов, подключена к первичной обмотке токового трансформатора 5. К вторичной обмотке трансформатора 5, через соединенные параллельно между собой компенсирующие конденсаторы 6-1...6-n и контакты 7-1...7-n коммутирующих элементов, подключен индуктор 8. Источник 1 питания, в частном случае, выполнен в виде ключевого транзисторного генератора и содержит непосредственно изменяемый по частоте задающий генератор 9 и подключенный к нему усилитель 10 мощности. Выход усилителя 10 является выходом источника 1 питания. В частном случае выполнения, усилитель 10 является транзисторным, с ключевым режимом работы, с формой выходного сигнала типа «меандр». Управляющим входом задающий генератор 9 подключен к выходу блока 11 автоподстройки частоты по изменению фазы тока на выходе усилителя 10 относительно фазы напряжения на выходе задающего генератора. К одному из входов (к первому входу) блока 11 автоподстройки частоты подключен своим выходом датчик 12 тока, установленный на выходе источника 1 питания, а другим (вторым) своим входом блок 11 автоподстройки частоты связан с выходом задающего генератора 9. Датчик 12 тока своим выходом параллельно подключен к управляющему входу блока 13 стабилизации выходной мощности. В свою очередь, блок 13 стабилизации мощности подключен к управляющему входу согласующего трансформатора 2. Управляющий вход трансформатора 2 выполнен в виде группы реле 14-1...14-k, к контактам 15-1...15-k которых подключены переключаемые отводы от первичной обмотки согласующего трансформатора 2. Индуктор 8 подключен к вторичной обмотке токового трансформатора 5, выполненной в виде объемного витка 16. Объемный виток 16 (фиг.2) выполнен в виде изолированных друг от друга секций 17-1...17-n с фланцами, к смежным из которых подключены равномерно размещенные по периметру фланца компенсирующие конденсаторы 6-1...6-n и контакты 7-1...7-n коммутирующих элементов.

Работа предлагаемой индукционной установки происходит следующим образом.

Перед началом работы индукционную установку с нагреваемой деталью в индукторе 8 настраивают на максимальный коэффициент мощности на заданной для данного технологического процесса частоте тока источника 1 питания. Для этого отключают блок 11 автоподстройки частоты и устанавливают на задающем генераторе 9 требуемую частоту, а на блоке 13 стабилизации выходной мощности - минимальную величину рабочего тока. В случае настройки в верхней части диапазона рабочих частот установки замыкают контакты 4-1...4-m дополнительных коммутирующих элементов, закорачивая дополнительные компенсирующие конденсаторы 3-1...3-m. Включают источник 1 питания и настраивают индукционную установку (грубо) на максимальный коэффициент мощности с помощью компенсирующих конденсаторов 6-1...6-n и контактов 7-1...7-n коммутирующих элементов. Затем, плавно меняя частоту задающего генератора 9, выполняют точную настройку. В случае настройки установки на частоту в нижней части диапазона ее рабочих частот замыкают контакты 7-1...7-n коммутирующих элементов, закорачивая компенсирующие конденсаторы 6-1...6-n, и грубо настраивают индукционную установку на максимальный коэффициент мощности с помощью дополнительных компенсирующих конденсаторов 3-1...3-m и контактов 4-1...4-m дополнительных коммутирующих элементов. Для перевода настроенной индукционной установки в рабочий режим включают блок 11 автоподстройки частоты и на блоке 13 стабилизации выходной мощности устанавливают требуемую по технологии нагрева величину рабочего тока. В процессе работы параметры индуктора 8 с нагреваемой заготовкой непрерывно меняются, обуславливая необходимость поддержания постоянства максимального коэффициента мощности и заданной величины тока источника 1 питания. В случае изменения условий резонанса, по рассогласованию фаз сигнала с датчика тока 12 и сигнала с выхода задающего генератора 9, блок 11 автоподстройки частоты изменяет частоту задающего генератора 9 в сторону восстановления условий по достижении максимального коэффициента мощности. В случае изменения величины тока на выходе источника 1 питания по амплитуде от величины тока, установленной на блоке 13 стабилизации выходной мощности, блок 13 выдает управляющий сигнал на одно из реле 14-1...14-k, переключая контакты 15-1...15-k, и соответствующий отвод от первичной обмотки согласующего трансформатора 2, меняющий коэффициент трансформации согласующего трансформатора 2 в сторону приведения величины тока через источник 1 питания к величине, установленной на блоке 13 стабилизации выходной мощности.

Предлагаемое изобретение реализовано в изготовленном и испытанном макете индукционной установки, предназначенной для термической обработки деталей из черных и цветных металлов путем индукционного нагрева токами высокой частоты. Мощность генератора 25 кВт; диапазон рабочих частот непрерывный 10...70 кГц; диапазон индуктивностей применяемых индукторов 0,2...25 мкГн.

Выполнение источника питания в виде изменяемого по частоте ключевого транзисторного генератора и введение в состав установки согласующего трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации и токового трансформатора, дополнительных компенсирующих конденсаторов с контактами коммутирующих элементов, блока автоподстройки по частоте и блока стабилизации выходной мощности обеспечивают универсальность применения, высокую экономичность и надежность в работе предлагаемой индукционной установки.

Источники информации

1. А.с.№1103364, 1984.

2. А.с. №849557, 1981 (прототип).

Предлагается индукционная многофункциональная установка для тигельной плавки металлов, термической обработки деталей под закалку и пластическую деформацию. Установка снабжена изменяемым по частоте ключевым транзисторным генератором, подключенным к первичной обмотке согласующего трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации, вторичная обмотка которого, через соединенные параллельно между собой дополнительные компенсирующие конденсаторы и контакты дополнительных коммутирующих элементов, подключена к первичной обмотке токового трансформатора, вторичная обмотка которого, через соединенные параллельно между собой компенсирующие конденсаторы и контакты коммутирующих элементов, подключена к индуктору. Установка снабжена еще блоком автоподстройки частоты и блоком стабилизации выходной мощности. Другой особенностью установки является выполнение вторичной обмотки токового трансформатора в виде объемного витка, разделенного на секции, соединенные компенсирующими конденсаторами и контактами коммутирующих элементов. Установка универсальна, энергетически экономична и может найти применение в различных технологических процессах при закалке и нагреве деталей, плавке металлов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Индукционная установка, содержащая источник питания, индуктор, компенсирующие конденсаторы с коммутирующими элементами и датчик тока, установленный на выходе источника питания, отличающаяся тем, что снабжена согласующим трансформатором с регулируемым коэффициентом трансформации, токовым трансформатором и дополнительными компенсирующими конденсаторами с дополнительными коммутирующими элементами, при этом первичной обмоткой указанный согласующий трансформатор подключен к выходу источника питания, а вторичной обмоткой через соединенные параллельно между собой дополнительные компенсирующие конденсаторы и контакты дополнительных коммутирующих элементов он подключен к первичной обмотке токового трансформатора, к вторичной обмотке которого через соединенные параллельно между собой компенсирующие конденсаторы и контакты коммутирующих элементов подключен индуктор, а датчик тока подключен к первому сигнальному входу вновь введенного блока автоподстройки частоты источника питания и к сигнальному входу вновь введенного блока стабилизации выходной мощности, выходом подключенного к управляющему входу указанного согласующего трансформатора, причем источник питания содержит изменяемый по частоте задающий генератор и подключенный к нему усилитель мощности, выход которого является выходом источника питания, а вторым сигнальным входом блок автоподстройки частоты связан с выходом задающего генератора, а выход блока автоподстройки частоты подключен к управляющему входу задающего генератора.2. Индукционная установка по п.1, отличающаяся тем, что источник питания выполнен в виде изменяемого по частоте ключевого транзисторного генератора, содержащего изменяемый по частоте задающий генератор и подключенный к нему широкополосный, транзисторный, ключевой усилитель мощности.3. Индукционная установка по п.2, отличающаяся тем, что управляющий вход согласующего трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации выполнен в виде подключенной к выходу блока стабилизации выходной мощности группы реле, контакты которых подключены к отводам от первичной обмотки согласующего трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации.4. Индукционная установка по п.3, отличающаяся тем, что вторичная обмотка токового трансформатора выполнена в виде объемного витка, разделенного на секции, соединенные компенсирующими конденсаторами и контактами коммутирующих элементов.