Индукционная нагревательная установка Советский патент 1983 года по МПК H05B6/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в промышленных установках, где-в процессе производства применяется индук ционный нагрев. Известны устройства Для индукцион ного Нагрева слитков большого диаметра, работающие на промышленной частоте, которые позволяют повысить равномерность нагрева по радиальному сечению заготовки и снизить стоимост установки по сравнению с устройствами повышенной частоты .Cl. Однако, при нагреве слитков диаметром 500 мм и более, глубина проникновения электромагнитной волны на частоте 50 Гц недостаточна для по лучения высокой равномерности нагрева при минимальном времени нагрева. Время нагрева значительно увеличивается, что ведет к снижению производи тельности. Известно устройство, которое позволяет уменьшить время нагрева за счет увеличения глубины проникновения , что достигается питанием индуктора токами пониженной частоты. Нагрев ведется пропорционально увеличению температуры слитка. В период термостатирования нагрев ведется на частоте 50 Гц 23. Н едостатками данного устройства являются наличие двух источников пи.тания, работающих на частоте 10 и 50 Гц, и дополнительной ког-инутационной аппаратуры к ним, отсутствие возможности регулирования частоты во время нагрева, что ведет к снижению энергетических параметров системы ин дуктор-загрузка. Наиболее близкой к изобретению по Технической сущности является индукционная нагревательная установка, со держащая непосредственный преобразователь частоты с блоком иМпульсно-фа эового управления, к трем входам которого подключены выходы соответственно программатора, генератора высо кой частоты и генератора низкой частоты, подключенную к выходу непосред ственного преобразователя частоты об мотки индуктора, с которой связан регулятор НИЗКОЙ частоты, конденсатор и регулятор высокой частоты. I Работа установки состоит из двух этапов. На первом этале происходит глубинный нагрев слитка токами низко частоты, на втором этапе (этап термо статирования) - подогрев поверхност.ного слоя повышенной частоты 3. Недостатками известного устройств являются нагрев слитка в два этапа, что увеличивает время нагрева, сниже ние резонансной частоты при тврмоста тировании, так как увеличивается индуктивное сопротивление сксгемы индуктор - загрузка, что ведет к увеличению глубины проникновения электромагнитной волны в слиток, и как следствие снижается эффект использования повшценной частоты на этапе термостатирования. Цель 41зобретения - повышение равномерности нагрева и увеличение производительности. Для достижения поставленной цели в индукционной нагревательной установке, содержащей непосредственный преобразователь частоты с блоком импульсно-фазового управления, к трем входс1М которого подключены выходы х)ответственно программатора, генератора высокой частоты и генератора низкой частоты, подключенную к выходу непосредственного преобразователя частоты обмотки индуктора, с которой связан регулятор низкой частоты, конденсатор и регулятор высокой частоты, индуктор снабжен дополнительной обмоткой, соединенной выходом непосредственного преобразователя частоты через паргшлельно включенные конденсатор и индуктивно-тиристорный регулятор с блоком управления, вход регулятора высокой частоты связан с дополнительной обмоткой, а выход - с nep-i вым Входом блока управления индуктивно-тиристорного регулятора, второй вход которого подключен к второму выходу генератора высокой частоты, связанному третьим выходом с входом генератора низкой частоты через первый вход регулируемого делителя час-. тоты, к второму входу которого под ключен выход регулятора низкой частоты. На чертеже представлена структурная схема индукционной нагревательной установки. Она содержит непосредственный преобразователь 1 частоты/обмотку 2 низкой частоты индуктора, .дополнитель- ную обмотку 3 высокой частоты индуктора, регулятор 4 низкой частоты, регулятор, 5 высокой частоты, конденсатор 6, индуктивно-тиристорный регулятор 7, блок 8 импульсно-фазового управления индукТивно-тиристорного регулятора, генератор 9 высокой частоты, регулируемый делитель 10 частоты, генератор 11 низкой частоты, блок 12 импульсно-фазового управления непосредственного преобразователя частоты, программатор 13. Питание обмотки 2 от источника 1 пониженной частоты позволяет увеличить глубину проникновения электромагнитной волны, что особенно суоз/вст венно для немагнитных материалов {jU-t) , имеющих большое значение . удельного электрического сопротйвлвмиа (например, титан и его сплавы). Частота тока индуктора определяется диаметром нагреваемого иг делия и его

физическими свойствами. Например, для титановых слитков диаметром 800 мм оптимальное значение частоты составляет 4-6 Гц. Низкая частота тока индуктора задается регулируемым делителем 10 частоты и генератором 11 низкой частоты. В процессе нагрева у большинства материалов изменяются физические свойства, что приводит к ухудшению энергетических параметров индукционной установки. Оптимальный режим работы контролируется регулятором 4 низкой частоты, сигнал с которого об изменении температуры нагреваемого слитка, что ведет к изменению моциости, передаваемой в слиток, и глубины проникновения электромагнитной волны, подается на делитель 10 частоты, который связан через генератор 11 низкой частоты с блоком 12 импульсно-.фазового управления. . Блок изменяет алгоритм переключения тиристоров непосредственного преобразователя 1 частоты. Регулятор 4 изменяет напряжение на обмотке 2 и частоту тока на ней в функции от температуры нагреваемого слитка. Например, в процессе нагрева ти,танового слитка диаметром 800 мм до температуры мощность необходимо изменять на 60-80%, а частоту в 5 раз ( в начале нагрева 5 Гц, в конце 25 Гц), что позволяет поддерживать высокие энергетические характеристики установки. Ввиду высокой добротности обмотки 2 низкой частоты индуктора высшие гармонические, присутствующие в напряжении на ней, не выделяют значительные мощности в нагреваемом слитке. Данная мощность не превышает 1% от мощности выделяемой в слитке

на основной частоте. .

Подогрев поверхностного слоя слитка осуществляется высокочастотной частью схемы, состоящей из дополнительной обмотки 3, конденсатора 6, индуктивно-тиристорного регулятора 7 и его блока 8 импульсно-фазового управления; регулятора 5 высокой частоты и генератора 9 высокой частоты. Непосредственный преобразователь частоты генерирует в нагруэку широкий спектр гармонических в напряжении. Фильтр, составленный из последовательного соединения конденсатора 6 и обмотки 3 индуктора, выделяет одну высшую гармонику. Ток обмотки 3 на резонансной частоте увеличивается, что ведет к увеличению мощности, передаваемой в слиток на данной частоте. Величийа тока обмотки 3 на резонансной частоте определяется величиной напряжения этой гармоники и добротностью обмотки 3; Номер выделяемой высшей гармонической нгшряжения на обмотке 3 и ее гииптлитуда задаются генератором 9 высокой частоты и индуктивно-тнристориым регулятором 7.

Номер выделяемой высшей гармонической превышает частоту основной гармо НИКИ в 10-50 раз, а мощность, зыд&ляемая в слитке на этой гармонике, составляет 5-10% и более от мощности на основной гармонике. Сопротивление резонансной цепи на основной частоте преобразователя 1 превьаиает в 200300 раз сопротивление обмотки 2 низкой частоты индуктора, т.е. в обмотке 3 мощность на основной (-низкойJ частоте не выделяется. Индуктивно-тиристорный регулятор 7 изменяет ноь4ер выделяемой гармоники в функции температуры нагрева поверхностного слоя слитка. В качестве контролируемого параметра могут быть использовать другие параметры, например значение резонансной частоты. Регулятор 5 высокой частоты изменяет угол управления тиристорами регулятора 7 в функции параметров tmcTeNU обмотка индуктора - поверхностный слой слитка t например, температура поверхности или резонансная частота обмотки 3). В период нагрева обмотки 2 и 3 индуктора включены одновременно. Это позволяет совместить этапы нагрева и термостатирования.

Устройство работает следующим образом.

При включении преобразователя

Iнапряжение подается на индуктор, причем через обмотку 2 низкой частоты индуктора протекает ток основной частоты, а через дополнительную обмотку 3 и конденсатор 4 протекает ток высокой частоты, на которую настроен резонансный контур. Основная и высокая частоты задаются генераторами высокой 9 и низкой 11 частоты

и делителем 10 частоты. При увеличении температуры слитка изменяется удельное электрическое сопротивление, что ведет к изменению мощности, передаваемой в слиток, и изменению глубины проникновения. Сигнал об изменении электрических пара1метров подается на регулятор 4 низкой частоты, который выдает команду в блок 12 управления непосредственного преобразователя частоты через блоки 10 и

IIна изменение частоты и значения напряжения на индукторе. Блок 12 импульсно-фазового управления изменяет алгоритм переключения вентилей преобразователя 1. Сигнал, поступающий с генератора 9 высокой частоты на блок 8 импульсно-фазового управления, обеспечивает настройку колебательног контура (конденсатор б и обмотка 3 индуктора) на заданную резонансную частоту путем изменения угла управления тиристоров индуктивно-тиристорного регулятора 7. При увеличении

1температуры поверхностного слоя слитка значение итдуктИвнрго сопротивления увеличивается, что ведет к CHiij )|(ению реэонансйой частоты, и как cne ствие этого увеличивается Глубина пр никновения электромагнитной волны. Регулятор 5 :высокой частоты позволяет стабилизировать значение глубины проникновения. Сигнал на выходе ре гулятора 5 обеспечивает изменение угла управления тиристоров в зависимости от величины входного сигнала. В качестве входного сигнала можно использовать fтемпературу поверхностного слоя Tfj, разность температур поверхностного слоя и,интегрального значения температуры в слитке ,,, значение резонансной частоты {р ,ток индуктора I и другие параметры, т.е регулятор 5 обеспечивает задание зависимости частоты -тока обмотки 3 индуктора от данных параметров. $р чСт„Дт„Ло)иЗ. щхэграмматор 13 производит включение и отключение установки согласно заданной программе, устанавливает уровень напряжения на индукторе. При использовании предлагаемого устройства его технико-экономическая эффективность определяется повышением равнсмерности нагрева по радиальнаму сечению слитка за счет подогрева поверхностного слоя; сокращением, времени нагрева, т.е. увеличением производительности за счет увеличения глубины проникновения электромагнитной волны в слиток на пониженной частоте; сокращением расхода электроэ ергии, что достигается заданием системой управления оптимального, /режима Harp&sa.

ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ {УСТАНОВКА, содержащая непорредственный преобразователь частоты с блоком импульсно-фазового управления, к трем вхойам которого подключены выхода соответственно программатора, генератора высокой частоты и генератора низкой частоты, подключенную к выходу непосредственного преобразователя частоты обмотки индуктора, -с которой связан регулятор низкой частоты, конденсатор и регулятор высокой частоты, отличающаяся тем, что, с целью повышения равномерности нагрева, индуктор снабжен дополнительной обмоткой, соединенной с выходом непосредственного преобразователя частоты через параллельно включенные конденсатор и индуктивно-тиристорный регулятор с блоком управления, вход регулятора высокой частоты связан с дополнительной обмоткой, а выход - с первым входом блока управления индуктивно-тиристорного регуля- тора, второй вход которого подключен щ к второму выходу генератора высокой (Л частоты,связанному третьим рыходом с входом генератора низкой частоо через пер вый вход регулируемого делителя частоты,ко второму входу которого подключен выход регулятора низкой частоты. о jO о з