Двухзонная установка для индукционного нагрева Советский патент 1984 года по МПК H05B6/06 

Изобретение относится к индукционному нагреву, в частности к систе мам управления температурой или мощностью индукционных установок. Известны двухзонные индукционные установки, содержащие инвертор, нагруженный на две резонансные нагруз ки, предварительно настроенные на различные частоты, и два канала управления, каждый из которых содержит датчик электрического параметра нагрузки и регулирующее устройство, причем выход регулирующего устройства через ключевую схему связан со входом управления частотой задающего генератора инвертора, а управ ляющие входы ключевой схемы соединены с выходами датчика технологиче кого параметра и пересчетной схемы См. Однако область применения таких си тем ограничена индукционными установк ми с большой тепловой инерцией нагрев мых зон или невысокими требованиями к точности поддержания выходных параметров, поскольку частота переключений нагрузок не превьшает 1 Гц, что приводит, во-первых, к пульсациям электрических и технол гических параметров (температур) нагрузок, во-вторых, к электродинамическим ударным нагрузкам на конструктивные элементы индукционны нагревателей, что снижает их надежность. Известны также индукционные уста новки, содержащие инвертор, нагруженный на две резонансные нагрузки, предварительно настроенные на различ ные частоты и два канала управления каждый из которых содержит датчик и задатчик регулируемого параметра, выходы которых соединены с элементом сравнения, выход которого связан С регулирующим устройством, причем выход первого канала соединен со вхо дЬм блока управления выпрямителем, а выход второго канала - со входом управления частотой задающего генера тора инвертора С ЗОднако область применения такой системы ог раничена индукционными установками, параметры резонансных нагрузок которых малом 1зменяк тся в ходе технологического процесса, что является необходи1Ф1м условием инверсной зависимости от частоты мощностей в резонансных нагрузках. Наличие управляемого выпрямителя снижает надежность таких систем. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является двухпозиционная установка для индукционного нагрева, содержащая снабженный задающим генератором инвертор, подключенный к колебательным контурам каждой зоны, настроенным на различные частоты, и два канала управления, каждый из которых содержит датчик и задатчик электрического параметра своего контура, подключенные к входам блока сравнения, выход которого соединен со входом регулятора режима 3 J, В известном устройстве первый канал выполняет функции регулятора выходного тока инвертора, а во втором - функции изменения выходной частоты инвертора. Критичность к изменению резонансных частот нагрузок и необходимость в регуляторе выходного тока - недостатки известной системы, ограничивающие ее область применения и надежность. Цель изобретения - повышение надежности и расширение области применения системы. Цель достигается тем, что в двухзонйой установке для индукционного нагрева, содержащей снабженный задающим генератором инвертор, подключенный к колебательным контурам каждой зоны, настроенным на различные частоты, и два канала управления, каждый из которых содержит датчик и задатчик электрического параметра своего контура, подключенные к входам блока сравнения, выход которого соединен со входом регулятора режима, который через управляющий вход фазосдвигающего блока, усилитель-ограничитель и ключ связан со входом логического элемента ИЛИ, выход которого через дифференцирующий элемент подключен к управлякщему входу задающего.генератора инвертора, входу счетчика и входу интегратора, сбрасывающий вход которого соединен с вькодом счетчика, а выход - с первым входом компаратора с релейной передаточной характеристикой, выход которого подключен к управляющим входам ключей обоих каналов, одного - непосредственно, а другого через элемент НЕ, второй

вход упомянутого компаратора соединен с выходом первого компаратора с пропорциональной передаточной характеристикой, к первому входу которого подключен задатчик соотношения временных интервалов,, а к второму - выход второго компаратора с пропорциональной передаточной характеристикой, входы которого через пороговые элементы соединены с выходами регуляторов режима каждого канала, при этом входы фазосдвигающих блоков соединены с выходами контуров.

Кроме того, в каждый канал управления введен автоматический регулятор технологического параметра, выход которого связан с элементом сравнения.

В каждом канале управления фазосдвигающий блок выполнен с нелинейной передаточной характеристикой типа насыщение, а пороговое устройство имеет зону нечувствительности, равную участку линейности фазосдвигающего блока.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемой системы, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие ее работу, на фиг. 3 - передаточные (статические) характеристики фазосдвигающего устройства, порогового устройства и инвертора для одной из резонансных нагрузок.

Установка содержит инвертор 1, нагруженньй на два резонансных колебательных контура, являющихся нагрузками 2 и 3, предварит(ельно настроенные на различные частоты, и два канала 4 и 5 управления, каждый из которых содержит датчик 6 и задатчик 7 электрического параметра, выходы которых соединены со входами блока 8 сравнения, выход которого связан с регулятором 9 режима. Кроме того, в нее входят задатчик 10 соотношения временных интервалов работы канала, компараторы 11 и 12 с пропорциональной передаточной характеристикой, компаратор 13 с релейной передаточной характеристикой, логические элементы НЕ 14 и ИЛИ 15, дифференцирующий элемент 16, интегратор 1-7, счетчик 18, а в каждом канале управления имеется пороговый элемент 19, фазосдвигающий блок 20, усилительограничитель 21, ключ 22. Выход диференцирующего элемента 16 подключен

к синхронизирующему входу задающего генератора 23. Резонансные контуры 2 и 3 представляют собой колебательные контуры, образованные индукторами и компенсирующими конденсаторами, и могут быть подключены к выходу инвертора 1 последовательно или параллельно. В первом случае используется инвертор тока и параллельная компенсация индукторов. Во втором случае - инвертор напряжения и последовательная компенсация. Датчики 6 электрического параметра нагрузки служат для преобразования сигнала напряжения нагрузки в пропорциональный сигнал постоянного тока. В. общем случае датчики 6 могут измерять и другие электрические параметры нагрузок: ток индуктора, активную мощность, фазовый угол нагрузки. Индексы I и II относятся к элементам первого и второго каналов 4 и 5. (Jg и - напряжения регуляторов 9 и 10.

Установка работает следующим образом.

При запуске задающий генератор начинает работать в автоколебательном режиме, при этом частота его импульсов заведомо ниже резонансных частот контуров. Под действием импульсов выходного тока инвертора в резонансных контурах 2 и 3 возбуждаются синусоидальные колебания напряжения и тока. Сигнал напряжения подается на вход фазосдвигающего блока 20, а через датчик 6 - на блок

8 сравнения, где сравнивается с сигналом задатчика 7. Разностньй сигнал после преобразования в соответствии с принятым законом управления в регулирующем устройстве действует на управляющий вход фазосдигающего блока 20. Сдвинутый по фазе на угол

f- ,

где М - фаза выходного тока,

Чк - фаза напряжения нагрузки, сигнал напряжения преобразуется в прямоугольные импульсы в усилителеограничителе 21, проходит через ключ 22 канала 4, элемент ИЛИ 15, диффе. ренцирующий элемент на синхронизируюшлй вход задающего генератора 23. . Благодаря этому обеспечивается генерация инвертором волн выходного тока, синхронных с волнами напряжения контура 2, с некоторым сдвигом по фазе, пропорциональным сигналу регу лятора 9. На фиг. 2 оси ординат вре менных диаграмм помечены номерами блоков, на выходах которых присутст ют соответствующие сигналы. Для простоты на фиг, 2 для обоих каналов управления принято ЛЧ О, Одновременно с подачей выходных импульсов дифференцирующим элементо 16на вход задающего генератора 23, эти импульсы также поступают на вхо ды интегратора 17 и счетчика 18, коэффициент счета которого на фиг, принят равным десяти; Это вызывает формирование на выходе интегратора 17ступенчато-нарастающего напряжения с числом ступеней десять. Если сигналы с пороговых элементов 19 не поступают, на выходе компаратора 11 сигнал также равен нулю и на вход компаратора 13 через компаратор 12 поступает лишь сигнал, пропорциональный напряжению задатчи ка интервалов работы каналов управления. В момент t., (фиг, 2) равенства сигналов на входах компаратора 13 с релейной характеристикой последний скачком изменяет свой выходной сигнал с уровня единицы на уровень нуля, вследствие чего ключ 22 в канале 4 закрывается, а в канале 5 открывается под действием выходного сигнала элемента НЕ 14 На интервале аналогичным образом происходит синхронизация задающего генератора 23 с моментами перехода через нуль напряжения нагр ки 3 , В момент ±2 разность входных си налов компаратора 13 меняет знак и вновь вступает в работу канал 4 управления. Далее указанные процесс циклически повторяются через десять и myльcoв задающего генератора 23, В течение каждого цикла фаза выходного тока инвертора дважды скачком меняется, уравниваясь с фазами напряжений на нагрузках, Таким образом, в течение пяти периодов выходного тока максимальна мощность выделяется в нагрузке 2, и в течение остагтьных пяти периодов в нагрузке 3 (известно, что при нулевом сдвиге фаз ЛЧ О мощность, вьщеляемая в резонансный нагрузке, напряжение на ней максимальны, фиг, 3), В общем случае в установке, изоб женной на фиг, 1, происходит поддер 1 8 жание не максимальных значений напряжения нагрузок, а их регулирование по сигналу регулятора 9, изменяющему в соответствии с передаточной характеристикой фазосдвигающего устройства 20 (фиг, 3), Кроме того, если необходимо регулировать температуру нагреваемого объекта, выход регулятора температуры подключают к входу блока 8 сравнения вместо задатчика 7 или вместе с ним (пунктирная стрелка на фиг, 1), В том случае, когда изменение фазовых сдвигов в каналах управления не обеспечивает требуемого соотношения параметров нагрузок, вступают в работу элемент 19, компараторы 11 и 12, задатчик 10, благодаря чему достигается изменение соотношения числа периодов работы каналов в течение цикла, вплоть до непрерывной работы одного канала. Предположим, сигнал задатчика 7 канала управления 4 много больше сигнала задания в канале 5, При этом сигнал на входе порогового элемента 19 канала 4 больше зоны нечувствительности (фиг, 3) и сигнал, пропорциональный сигналу блока 9, поступает на инвертирующий вход компаратора 11, что приводит к увеличению сигнала на инвертирующем входе компаратора 13 и, следовательно, к сдвигу вправо момента t выключения первого канала. Если сигнал с выхода компаратора 12 превьшает амплитуду ступенчато-нарастающего напряжения, система будет постоянно работать на нагрузку 2, . Точность поддержания параметров нагрузок в предлагаемой установке, несмотря на циклические переключения каналов управления, не уступают точности в известной установке, что обусловлено тем, что благодаря мнговеннрй подстройке фазы тока под фазу напряжения соответствующей нагрузки частота переключений весьма высока, благодаря чему во время паузы работы канала напряжение на соответствующей нагрузке затухает незначительно, а температура нагреваемого объекта практически не изменяется. Так, например, при испытаниях предлагаемой установки с инвертором частотой 10 кГц частота циклов составляла 1000 Гц и какие-либо пульсации температур металлических образцов, нагреваемых в индукторах, не были зафиксированы, точность регулирования температура составила 0,1%, Кроме того, точность регулирования дополнительно повышается при увеличении частоты переключений, которая может быть доведена при коэффициента счета два до 5000 Гц.

В отличие от прототипа установка малокритична к изменению параметров нагрузок, так как резонансные частоты нагрузок могут быть достаточно широко разнесены. Надежность установки повышена благодаря исключению из нее наиболее нагруженного и малонадежного элемента - силового регулятора выходного тока инвертора (управляемого выпрямителя или широтно- или фазоимпульсного регулятора).

Таким образом, использование изобретения позволяет при сохранении высокой точности регулирования расширить диапазон регулирования, повысить надежность и расширить область применения двухзонной индукционной установки.

1. ДВУХЗОННАЯ УСТАНОВКА . ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА, содержащая снабженный задающим генератором инвертор, подключенный к резонансным колебательным контурам каждой зоны, настроенным на различные частоты, и два канала управления, каждый из которых содержит датчик и задатчик электрического параметра своего контура, подключенные к входам блока сравнения, выход которого соединен с входом регулятора режима, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения и повышения надежности, регулятор режима каждого канала управления через управляющий вход фазосдвигающего блока, усилитель-ограничитель и ключ связан с входом логического элемента ИЛИ, выход которого через дифференцирующий элемент подключен к управляющему входу задающего генератора инвертора, входу счетчика и входу интегратора, сбрасывающий вход которого соединен с выходом счетчика, а выход - с первым входом компаратора с релейной передаточной характеристикой, выход которого подключен к управляющим входам ключей обоих каналов управления, одного - непосредственно, а другого через элемент НЕ, второй вход упомянутого компаратора соединен с выходом первого компаратора с пропорционадьной передаточной характеристикой, к первому входу которого подключен задатчик соотношений врег менных интервалов, а к второму - выход второго компаратора с пропорциональной передаточной характерис(Л тикой, входы которого через порого- . вые элементы соединены с выходами регуляторов режима каждого канала, при этом входы фазосдвигающих блоков соединены с выходами контуров. 2.Установка по п. 1, о т л и- , чающаяся тем, что каждый i канал снабжен регулятором технологического параметра, выход которого подключен к дополнительному входу блока сравнения. 3.Установка по п. 1, отличающаяся тем, что фазосдигающий блок каждого канала выполнен с нелинейной передаточной характеристикой типа насыщение, а пороговый элемент имеет зону нечувствительности, равную участку линейности фазосдвигающего блока.

12

fl

LJl

л

Г1

n

bi

t2

Фиг.З