Установка для индукционного нагрева металла Советский патент 1988 года по МПК H05B6/06 

СО СО 00 СО

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано при индукционном нагреве и плавке :ферромагнитных металлов в тигельных печах при питании их от статических преобразователей частоты.

Целью изобретения является снижение потери энергии при нагреве и плавке ферромагнитных металлов. ; На фиг. 1 изображена блок-схема :установки; на фиг. 2 - схема второго I блока; на фиг. 3 - схема блока вычи- ;сления удельного сопротивления; на 1ФИГ. 4 - схема блока вычисления маг- Iнитной проницаемости; на фиг. 5 - I схема блока вычисления мощности, ; Установка содержит тиристорный выпрямитель 1 с блоком управления ,; выпрямителем 2, инвертор 3, индуктор ;4, компенсирующий конденсатор.5, дат- I чик фазы 6, датчик нап ряжения 7, дат- Iчик тока 8, интегратор 9, датчик iмощности 10, преобразователь 11, пер- ,вьш .сумматор 12, первый блок компен- ;сирующей обратной связи 13, регулятор частоты задающего генератора 14, блок управления коммутацией тиристоров 15, пропорционгшьный усилитель 16, второй сумматор 17, второй блок компенсирукг щей обратной связи 18, квадратичньй преобразователь 19, первый блок умножения 20, блок извлечения корня 21 второй блок умножения 22, блок вычисления удельного сопротивления металла 23, блок вычисления магнитной проницаемости металла 24, датчик температуры 25, блок вычисления мощно- сти, выдел вощейся в металле 26, третий сумматор 27, задатчик 28.

Устройство работает следующим образом.

Трехфазный переменный ток выпрямляется выпрямителем 1 и далее, поступает на инвертор 3, который пре- образует постоянный ток в переменный однофазный, питающий индуктор 4. Индуктор 4 и компенсирующий конденсатор 5 образуют параллельный колебательный контур. Для вьщелекия на ин™ дукторе максимальной полезной мощности в контуре создается резонанс токов. При этом реактивные сопротивления индуктора 4 и конденсатора 5 дол жны быть равными.

Для обеспечения резонанса токов частота напряжения запитки контура должна быть равна резонансной частоте контура. Это обеспечивается настройкой частоты задающего генератора блока управления коммутацией тиристоров 15.

При работе устройства (при нагреве и плавке металла) изменяется индуктивность индуктора 4. При этом нарушается условие резонанса токов, через индуктор начинает протекать нескомпенсированный реактивный ток и появляется сдвиг фазы между колебаниями напряжения и тока в цепи ин- дуктора, т.е. созС(.

.Ток и напряжение в цепи индуктора 4 контролируются датчиками 7 и 8, преобразуются интегратором 9, таким образом, что на выходе датчика фазы 6 вырабатывается напряжение, пропорциональное углу рассогласования по фазе между напряжением и током индуктора. Это напряжение поступает на вход первого сумматора 12, на другой вход которого поступает сигнал с выхода преобразователя 11 датчика мощности 10 через первый узел ком- пенсирулицей обратной связи 13. Ре- зультируняций сигнал с выхода первого сумматора 12 подается на регулятор частоты задающего генератора 14 далее на блок управления коммутацией тиристоров 15, таким образом вновь обеспечивается резонанс токов в цепи индуктора 4.

Для стабилизации мощности, выделяемой на индукторе 4, напряжение с выхода датчика мощности 10 поступает на первый вход второго сумматора 17, на второй вход которого с выхода датчика фазы 6 поступает сигнал через второй блок компенсирующей обратной связи 18. Суммарный сигнал с выхода второго сумматора 17 через пропорциональный усилитель 16 поступает на второй вход блока управления коммутацией тиристоров 15, который осуп ествляет задержку управлякщих импульсов на тиристоры инвертора 3 н время, пропорциональное изменению мощности, выделяемой на индукторе 4.

Установка заданной мощности осуществляется изменением напряжения задания с задатчика 28, подаваемого на первый вход второго сумматора 17 и второй вход системы управления выпрямителем 2.

Компенсирующая обратная связь от датч:ика в контуре регулирювания мощности и от датчика мощности в контуре регулирования коэффициента мот3i,

ности, позволяет добиться автономности сепаратных систем регулирования связанных величин.

При возрастании коэффициента мощности нагрузки (costp) и отсутствии компенсирующей обратной связи возрастает соответственно мощность нагрузки (Р„ и ц Гцсозсуц) .

При наличии компенсирующей обрат- ной связи с увеличением cos If сигнал датчика фазы уменьшает суммарный сигнал после второго сумматора 17. Таким образом, подбирая соответствукщий коэффициент передачи второго блока компенсирующей обратной связи 18, можно добиться полной независимости

Рц от СОБСрц.

Аналогичные действия происходят

в контуре регулирования costf,, т.е. при наличии первого блока компенсирующей обратной связи 13 осуществля- ется независимость узла регулировани cos с от мощности Р„.

Величина мощности, вьщеляющейся в нагреваемом металле, в процессе нагрева претерпевает изменения. Это обусловлено непостоянством таких параметров металла, как удельное сопротивление р и магнитная проницаемость

В интервале температур 15-800 С

удельд1ое сопротивление возрастает в 6-8 раз (для стали с содержанием углерода 0,4-0,5%), при достижении,

точки Юори величина- магнитной проницаемости скачком изменяется до единицы. Эти факторы определяют характер изменения мощности, выделяющейся в металле. Рост мощности про- исходит до момента появления на поверхности металла слоя с температуро выше критической, далее с ростом толщины слоя, нагретого до темпера- -туры выше точки Кюри, она непрерывно падает и в конце нагрева имеет значение, меньшее, чем в начальный момент.

Значение удельной мощности на поверхности металла определяется выражением:

Р 0,993 . 10-3 Н ,

гДе р - удельное сопротивление металла, Ом/м;

|u - магнитная проницаемость} f - частота, Гц;

89

Л - -:-L - амплитуда напряженности

fne а

магнитного поля на поверхно- сти, А/М;

W ,- число витков индуктора; а - высота садки, м; 1у - ток индуктора, А.

Полезная мощность, выделяющаяся в садке, равна

пол или „

2 0,993-10-3 ±.

РПОЛ К1

, где D диаметр садки, м;

К - постоянный коэффициент, учитывающий геометрические раз- . меры.

Сигнал, пропорциональный текущему значению полезной мощности выделяющейся в нагреваемом металле, образуется следующим образом.

Датчиком тока 8 измеряется величина тока в цепи индуктора 4, с выхода датчика тока 8 сигнал поступает на квадратичньй преобразователь 19, с выхода последнего сигнал, пропорциональный квадрату тока в индукторе, подается на вход второго блока умножения 22.

Контроль температуры металла в цикле нагрева и плавки осуществляется датчиком температуры 25, с выхода которого сигнал, соответствующий текущему значению температуры, поступает на входы 23, 24 и 26. Блок 23 реализует зависимость удельного сопрот1шления металла р от температуры, такга образом значение р корректируется в процессе нагрева и сигнал, соответствующий текущему значению удельного сопротивления, поступает на первый вход первого блока умноже- ния 20, на второй вход которого подается сигнал, соответствующий величине магнитной проницаемости с выхода блока 24, в котором отображается зависимость магнитной проницаемости от- температуры. На третий вход первого блока з ножения-20 поступает сигнал, пропорциональный значению частоты, с выхода регулятора частоты задакнцего генератора 14. С выхода блока умножения 20 сигнал, соответствующий произведению удельного сопротивления, магнитной проницаемости и частоты, пода-.

ется на вход блока 21, в котором выполняется операция извлечения квадратного корня и полученный сигнал поступает на вход блока умножения 20, на выходе которого сигнал соответствует текущему значению полезной мощности, вьщелякщейся в металле,

В блоке 26 смоделирована зависимость мощности, вьщеляющейся в метал ле от температуры,

Поддержание мощности в соответствии с этой зависимостью обеспечивает оптимальность процесса нагрева и Плавки металла за счет снижения по- |герь электроэнергии. На выходе блока |6 образуется сигнал, пропорциональ- ый требуемому значению мощности в Зависимости от температуры нагре- а, которьй поступает на первый вход ретьего сумматора 27. Сигнал о те- ущем значении температуры подается йа вход третьего нелинейного блока 6 с датчика температуры 25. На вто- |)ой инверсный вход третьего суммато- 27 поступает сигнал с выхода перт 4ого блока умножения 20, соответст- укяций текущему значению мощности,; аким образом, на вьгходе третьего сумматора 27 образуется сигнал, 1 ропорциональный разности требуемой и текущей мощности в нагреваемой с садке, которьй подается на первый вход системы управления выпрямите- jjeM 2, на второй вход которой по- йтупает сигнал задания. ; Величина мощности преобразователя Частоты корректируется в процессе н|агрева путем изменения напряжения выпрямителя сигналом, поступаннцим ria тиристоры выпрямителя 1 с блока у;правления выпрямителем 2, которым меняется угол открывания тиристоров Сигнал на выходе блока управления 2 формируется в зависимости от разности значений требуемой и текущей мощности, выделякщейся в нагреваемой садке. Таким образом, обеспечивается регулирование мощности, подводи- Мой к индуктору, в 1щкле нагрева Н1 плавки металла, .которое приводит к экономичному использованию преобразователя частоты и снижению потерь зпектроэнергии,

В процессе нагрева контролируется изменение параметров (р,р) нагреваемого металла); снижаются потери электроэнергии, более экономичный

5

0

5

0

5

0

5

0

5

режим нагрева; увеличивается КПД индукционной установки.

.Фор мула изобретения

Установка для индукционного нагрева металла, содержащая выпрямитель с инвертором мостового типа, к выходу которого подключены индуктор и компенсирующие конденсаторы, датчики тока и напряжения инвертора, выхода которых соединены с интегратором и преобразователем, выход интегратора подключен к первому входу сумматора, второй вход которого через первый блок компенсирующей обратной с вязи соединен с выходом щзеобразователя, а выход через регулятор частоты задающего генератора - с первым входом блока управления коммутацией тиристоров инвертора, второй вход которого через про- порциональньш ус илитель связан с выходом второго сумматора, первый вход которого соединен с задатчиком, а второй - с выходом преобразователя, а третий - через второй блок компен.сирующей обратной связи - с выходом интегратора, отличающая- с я тем, что, с целью снижения потерь энергии при нагреве и плавке ферромагнитных металлов, установка снабжена квадратичным преобразователем, двумя.блоками умножения, блоком извлечения корня., третьим сумматором, и блоками вычисления удельного сопротивления и магнитной проницаемости нагреваемого металла и мощности, выделяемой в металле, под- ключе нньми входами к датчику ret}- пературы, выходы блоков вычисления удельного сопротивления и магнитной проницаемости подключены к первому и второму входам первого блока умножения, третий вход которого соединен с выходом регулятора частоты задающего генератора, а выход - с входом блока извлечения корня, связанного выходом с первым входом второго блока умножения, к второму входу которого через квадратичный преобразователь подключен выход датчика тока, выход второго блока умножения соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого связан с выходом блока вычисления мощности, а выход подключен к первому входу введенного блока управления выпрямителем.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к установкам индукционного нагрева. Цель изобретения - снижение потерь электроэнергии при индукционном нагреве и плавке ферромагнитных материалов. Устройство содержит тириЬторный вьшрямитель 1, блок 2 управления выпрямителем, инвертор 3, индуктор 4, датчик температуры 25, которым контролируется температура нагреваемого металла, нелинейные блоки вычисления 23, 24,: 26, преобразующие сигнал с датчика температуры 25, третий сумматор 27, в котором суммируется сигнал о текущем состоянии объекта с заданием. . Результир тощее значение поступает на блок 2 управления выпрямителем, что приводит к изменению режима работы преобразователя 11, питакяцего .индукционную установку. Подробно описаны блоки вычисления 23, 24, 26. 5 ил. а СЛ С

фс(зЛ