Многозонная индукционная нагревательная установка Советский патент 1985 года по МПК H05B6/06 

Изобретение относится к индукцион ному нагреву, в частности к устройствам для управления электрическим режимом многоэонной индукционной нагревательной установки, и может быть использовано при создании систем управления многоиндукторными технологическими установками.

Известна индукционная установка с N зонами нагрева, содержащая управляемьй задающий генератор, инвертор с N нагрузками в виде резонансных контуров, образованных индукторами и копенсирующими конденсаторами, N датчиков напряжения индукторов, переключающий механизм для подключения к выходу инвертора одного из резонансных контуров, схему запуска и переключающую схему Cl J.

Недостатками этого устройства Я9ЛЯЮТСЯ его сложность, связанная с необходимостью установки силовых полупроводниковых ключей в цепь каждого резонансного контура, а также узкие функциональные возможности, что обусловлено прерывистостью подачи мощности в индукторы и необходимостью начальной осцилляции для запуска каждого канала устройства.

Известна Индукционная установка с двумя зонами нагрева, содержащая управляемьй задающий генератор, инвертор с двумя нагрузками в виде резонансных контуров, образованных индукторами и компенсирующими конден саторами, два регулятора технологического параметра, два датчика напряжения индукторов, четыре компаратора, усилители-ограничители, интеграторы и логическое управляющее устройство 2 ,

В данном устройстве мощность-. .в иНдукТорь подается непрерывно, однако устройство сложно и работоспособно лишь при работе на два индуктора, что сужает его функциональные возможности.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сути является многозонная индукционная нагревательная установка, содержащая снабженный управляемым задающим генератором инвертор, к выходу которого подключены по меньшей мере два резонансных контура, образованных индукторами зон и компенсирующими конденсаторами, регуляторы технологического параметра каждой зоны, датчики электрического параметра каждого контура, входы которых связаны с контурами, а выходы - с входами многоканального коммутатора с числом каналов, равном числу зон З}.

Регулирование мощности, подаваемой в отдельные зоны нагрева, осуществляется путем поочередной настройки управляемого задающего генератора на резонансные частоты каждого из нагрузочных резонансных контуров и изменения длительностей.работы на данной частоте в функции выходного сигнала регулятора технологического параметра (температуры). Поскольку инвертор не допускает резких скачков входного тока, процесс изменения частоты задающего генератора .должен быть плавньм и длится, как правило, несколько десятков миллисекунд при частоте задающего генератора 10 кГц. Чтобы этап перехода с одной частоты на другую не занимал много времени в цикле переключения нагрузок, частота переключений должна составлять единицы герц, что ограничивает точность регулирования температуры и снижает производительность. Кроме того, .известное устройство сложно, так как в каждом канале содержит отдельную систему автоподстройки частоты на резонанс.

Цель изобретения - повышение производительности и увеличение точности регулирс)вания температуры.

Указанная цель достигается тем, что в многозонную индукционную нагревательную установку, содержащую снабженный управляемьм задающим генератором инвертор, к выходу которого подключены по меньшей мере два резонансных контура, образованных индукторами зон и компенсирующими конденсаторами, регуляторы технологического параметра каждой зоны, датчики электрического параметра каждого Контура, входы которых связаны с контурами, а выходы - с входами многоканального коммутатора с числом каналов, равным числу зон, введены второй и третий многоканальные коммутаторы, фазовый детектор, детектор среднего значения с дополнительным входом для подключения фильтрового конденсатора, дифференциальньй усилитель, формирователь импульсов, пересчетная схема в виде двоичного счетчика, фильтровые конденсаторы и задатчики режима по числу зон при этом датчики электрического параметра выполнены в виде трансформаторов тока, включенных в емкостную ветвь контуров, выход первого коммутатора подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен с входом пересчетной схемы через формирователь импульсов и с первым входом дифференциального усилителя чере детектор среднего значения, к дополнительному входу которого подклйчены одни концы фильтровых конденсаторов, другие концы которых соединены с входом второго коммутатора с зазем ленным выходом, выходы регуляторов и задатчиков режимов зон нагрева под ключены к входам третьего коммутатора, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилите ля, связанного выходом с входом зада щего генератора инвертора, причем уп равляющие входы всех коммутаторов объединены и подключены к выходу пересчетной схемы. Кроме того, в установку может быт введен счетчик с предварительной установкой, включенный между формирова телем импульсов и пересчетной схемой Регулятор технологического параметра содержит датчик и задатчик параметра, выходы которых подключены к входам блока сравнения, связанного выходом со входом формирователя закона управления, выход которого слу жит выходом регулятора. На фиг. t приведена структурная схема установки с тремя зонами; на фиг. 2 -графики токов и напряжений, Ш1Л1рстрирующйе его работу, индексы у графиков соответствуют индексам элементов cxehOJ. индукционная установка с тремя зонами нагрева (фиг. 1) содержит уп|равляемый задающий генератор 1, инвертор 2 с нагрузками 3-5 в виде резонансных контуров, образованных индукторами и компенсирующими конденсаторами, пересчетную схему 6, первыА трекканальный коммутатор 7, регуляторы 8-10 технологического параметра (температуры), датчики 11-13 электрического параметра нагрузок в виде трансформаторов тока, включен ных в емкостные ветви резонансных ко туров 3-5, второй и третий канальные коммутаторы 14 и 15, фазовый детектор 16, детектор среднего значения 17 с дополнительным входом для подключения фильтрового конденсатора, фильтровые конденсаторы 18-20, дифференциальный усилитель 21, формирователь импульсов 22 и задатчики 23-25 режима зон нагрева. Пересчетная схема 6 выполнена в виде двоич,ного счетчика, выходы датчиков 11-13 соединены с соответствующими входами первого коммутатора 7, у фазового детектора 16 первьпЧ вход соединен с выходом первого коммутатора 7, второй вход - с выходом управляемого задающего генератора 1, а выход через детектор среднего значения 17 связан с первым входом дифференциального усилителя 21 и через формирователь импульсов 22 - с входом пересчетной схемы, у дифференциального усилителя 21 выход соединен с входом управляемого задающего генератора 1, а второй вход - с выходом второго коммутатора 14, входы которого связаны с соответствукщими задатчиками 23, 24, 25 режима зон нагрева, первые выводы фильтровых конденсаторов соединены между собой и подключены к дополнительному входу детектора среднего значения 17, а вторые вьгооды подключены к входам третьего коммутатора 15, выход которого соединен с точкой нулевого потенциала, управляющие входы коммутаторов 7, 14 и 15 объединены между собой и подключены к выходам пересчетной схемы 6. Каждай из регуляторов 8-10 технологического параметра, например 8, состоит из задатчика 26, датчика 27, связанного с зоной нагрева нагрузки 3, блока 28 сравнения и формирователя 29 закона управления, причем выходы регуляторов 8-10 связаны с соответствующими входами второго коммутатора 14. Выход формирователя импульсов 22 связан с входом пересчетной схемы 6 через счетчик 30 с предварительной установкой. Управляемый задающий Генератор может быть выполнен по схеме мультивибратора на однопереходном транзисторе, частота генераций которого регулируется напряжением между базами. В качестве пересчетной схемы 6 используется двоичный счетчик, коммутаторы 7, 14, 15 представляют собой аналоговые мультиплексоры, у которых путем подачи двоичного кода на управляющий вход можно включить соответствующий коду канал.

В качестве регуляторов технологического параметра 8-10 могут использоваться высокоточные регуляторы температуры ВРТ-3 с выходным сигналом 0-5 мА. Датчиками тока 11-13 могут быть измерительные трансформаторы. Фазовые детекторы, детектор среднего значения, дифференциальные усилители, счетчик с предварительной установкой являются стандартными. Формирователь импульсов выполнен по схеме диффг.ренцир тощей цепочки с селектором отрицательных импульсов и транзисторным ключевым каскадом на выходе.

Установка работает следукяцим образом.

Управляемьй задающий генератор 1 генерирует импульсы управления для тиристоров инвертора 2, частота f следования которых пропорциональна сигналу с выхода дифференциального усилителя 21. Компенсирзпощие конденсаторы нагрузок 3-5 выбраны таким образом, что резонансные частоты контуровэ образованных индукторами с coмпeнcиpyющими конденсаторами, отличаются друг от друга и равны соответственно f, , fg и fj (средняя, верхняя и нижняя). Установка, схема которого изображена на фиг.1, содержит контур фазовой автоподстройки частоты управляемого задающего генератора 1 под собственные частоты резонансных контуров нагрузок 11, 12, 13 ( , fg и „). Подстройка управляемого задающего генератора 1 , а следовательно, и инвертора 2 на эти частоты происходит поочередно благодаря поочередному подключению в контур автоподстройки трансформаторов тока 11-13 посредством первого коммутатора сигналов 7, управляемого счетчиком 6. На выходе фазового детектора 16 формируются прямоугольные импульсы, передний фронт которых синхронизирован с импульсами управляемого задающего генератора 1, а задний - с моментом перехода через ноль сигнала с трансформатора тока, включенного в контур автоподстройки, причем используется инвертированный по фазе сигнал тока емкостной ветви нагрузки (показан на графиках фиг.

сштошньпми, линиями ICP , In, i). Поскольку импульсы управления тиристорами инвертора 2 синфазны с выходным током инвертора, протекающим через все три нагрузки одновременно, скважность упомянутых прямоугольных импулсов пропорциональна сдвигу фаз между выходным током инвертора 2 и напряжением на соответствующей включенному каналу коммутатора 7 нагрузке, поскольку фаза тока емкостной ветви нагрузки равна фазе напряжения на индукторе плюс девяносто электрических градусов (фиг. 2). Измерение имено тока I емкостной ветви нагрузки, а не напряжения U, необходимо для получения однозначной зависимости выходного сигнала фазового детектора 16 от фазового угла нагрузки f , fg, Ч при рас тройках ±90 град.эл. межд током и напряжением нагрузки.

В момент окончания формирования каждого прямоугольного импульса на выходе фазового детектора 16 формирователь импульсов подает импульс на счет1 ый вход счетчика 30 с предварительной установкой. На графиках фиг. 2 счетчик 30 осуществляет счет по модулю два, т.е. выходной импульс на вход двоичного счетчика 6 поступает во время каждого второго импульса управляемого задающего генератора. За счет этого через каждые два импульса счетчик 6 изменяет свое состояние, благодаря чему происходит переключение каналов коммутаторов 7, 14 и 15.

Таким образом, инвертор 2 генерирует Пачки импульсов выходного тока IH (по два импульса в пачке), частота следования которых совпадает с резонансными частотами нагрузок 11, 12, 13 fj,p , fg , f. Как видно из графиков фиг. 2, каждой из пачек импульсов соответствует максимальная амплитуда напряжения на соответств ющем индукторе.

Регулирование мо1чности в индукторах осуществляется изменением сигнала с задатчиков режима 23, 24,25, подключаемых к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 21. При этом на инвертирующий вход усилителя поступает сигнал постоянного

напряжения с детектора среднего значения 17, пропорциональный фазовому углу подключенной нагрузки. При неравенстве сигналов на входах

7

усилителя 21 происходит изменение частоты задающего генератора 1, приводящее к компенсации возникающего отклонения фазового угла нагрузки от заданного значения. Такая, компенсация происходит плавно, .в трчекие нескольких периодов .переключения коммутаторов 7,14,15, причем время переходного процесса определяется инерционностью детектора среднего значения 17, представляклцего собой фильтр нижних частот (инерционное звено первого порядка).

Благодаря введению детектора среднего значения 17 сводится к минимуму действие различных помех на фазу импульсов управляемого задающего генератора 1.

Несмотря на то, что регулирование мощности в каждом индукторе в силу инертности элемента 17 происходит плавно, изменение частоты в каждом такте работы пересчетной схемы 6 происходит скачкообразно за счет подключения к детектору среднего значения фильтровых конденсаторов 18-20 с помощью коммутатора 15 сигналов. На этих конденсаторах происходит заломинание среднего значения сигнала фазового детектора при работе на соответствующей резонансной частоте за все предыдущее время работы устройства.

Регулирование температуры или другого технологического параметра в зонах нагрева каждого индуктора обеспечивается регуляторами 8-10, выходные сигналы которых подаются через коммутатор 14 на неинверти533978

рующий вход усилителя 21 в качестве задающих. В этом случае контур регулирования фазового угла подчинен контуру регулирования температуры в соответствующей зоне нагрева. Дополнительная возможность регулирования заключается в возможности изменять число импульсов в пачке путем изменения предварительной установки 10 счетчика 30.

Использование предлагаемой схемы позволит расширить функ1Ц1ональные возможности устройства для управления режимом индукционной установки с N зонами нагрева.

Введение запоминающих конденсаторов 18-20 позволит осуществлять мгновенную перестройку частоты инвертора 2 с одной нагрузки на другую, 0 что повьшает частоту и снижает амплитуду пульсации регулируемых параметров зон нагрева (мощности и температуры) с долей герц до несколь. сотен и тысяч герц, что резко 5 повышает точность регулирования и позволяет использовать в устройстве вместо релейных регуляторов температуры прециозные регуляторы температуры непрерывного действия. Помимо 0 повышения точности данное устройство по сравнению с известными более надежно, так как в нем устранены электродинамические удары на конструктивные элементы индукционной печи и инвертора, неизбежные в известном устройстве, в котором каждое последующее переключение нагрузки сопровождается сбросом частоты и мощности на минимум.

t1

u1

1. МНОГОЗОННАЯ ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая снабженный управляемым задающго1 генератором инвертор, к выходу которого подключены по меньшей мере два резонансных контура, образованных индукторами зон и компенсирующими конденсаторами, регуляторы тех-. нологического параметра каждой зоны, датчики электрического параметра каждого контура, входы которых связаны с контурами а выходы - с входами многоканального коммутатора с числом каналов, равным числу зон, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности и увеличения точности ре улирования температуры, в установку введены второй и третий многоканальные коммутаторы, фазовый детектор, детектор среднего значения с дополнительным входом для подключения фильтрового конденсатора, дифференциальный усилитель, формирователь импульсов, пересчетная схема в виде двоичного счетчика, фильтровые конденсаторы и задатчики режима по числу зон, при этом датчики электрического параметра выполнены Р виде трансформаторов тока, включенных в емкостную ветвь контуров, выход первого коммутатора подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен с входом пересчетной схемы через формирователь импульсов и с первым входом дифференциального усилителя через детектор среднего значения, к дополнительному входу которого подключены одни концы фильтровых конденсаторов,-другие концы которых соединены с входом второго коммутатора с заземленным выходом, выходы регуляторов и задатчиков режрсмов зон нагрева подключены к входам третьего коммутатора, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя, связанного выходом с входом задающего генеСП ратора инвертора, причем управляющие входы всех коммутаторов объединены со и подключены к выходу пересчетной ОО СО схемы. 2.Установка по п.1, о т л и чающаяся тем, что в. нее введен счетчик с предварительной установкой, включенный между Формирователем импульсов и пересчетиой схемой. 3.Установка по п.1, отличающаяся тем, что регулятор технологического параметра содержит датчик и задатчик параметра, выходы которых подктвочены к входам блока сравнения, связанного выходом с входом формирователя закона управления,выход которого служит выходом регулятора.