Индукционная установка для нагреваМЕТАллОВ Советский патент 1981 года по МПК H05B6/08 

(54) ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к электротермии и может быть применено для на рева и плавки металлов, особенно в случаях широкого изменения сопротивления Нагрузочного контура. Известна установка для индукционного нагрева металлов, содержащая тиристорный преобразова гель частоты, индукционный нагреватель-индунтор и компенсирующий конденсатор, подклю ченный параллельно индуктору. В э.той установке тиристорный преобразовател частоты выполнен со звеном постоян ного тока и состоит из выпрямителя, фильтра и инвертора, к выходным выводам которого присоединен индукцион ный нагреватель. Индукционный нагреватель и подключенный к нему компенсирующий конденсатор образуют нагрузочный колебательный сонтур установкиОднако тиристорные преобразовате-ли частоты надежно работают и отдают номинальную мощность в нагрузку лишь при вполне определенных пределах изменения эквивалентного сопротивления нагрузки. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является индукционная установка для нагрева металлов, содержащая источник питания в виде тиристорного преобразователя частоты со звеном постоянного тока, к выводам которого непосредственно подключен инвертирующий мост, а через фильтровый конденсатор-индуктор, компенсируюощй конденсатор и через, по меньшей мере, один ключ добавочный компенсирующий конденсатор и блок управления, вход которого связан с выходом датчика рассогласования. В этой установке от датчика рассогласования блок управления дает комаиды на подключение добавочной коммутируняцей емкости, причем в качестве источника питания может быть использован любой тиристорный преобразователь частоты 2 J. Недостатком установки является то что при значительных изменениях экви валентного сопротивления нагрузки и частоты возможен срыв инвертирования. Кроме того при подключении неза ряженных конденсаторов происходят большие броски тока, что может вывести из строя тиристоры преобразова теля, снижая надежность работь преоб разователя. Цель изобретения - повышение на Дежности работы установки. Для достижения поставленной цели параллельно ключу и последовательно с добавочным компенсирующим конденсатором-подключена по меньшей мере,одн цепочка из дополнительного ключа и демп фирующего резистора, а датчик ейгнала рассогласования выполнен в виде .цепочки из дросселя, начало и конец которого связаны с указанными вывода ми звена постоянного тока через последовательно включенные секцию первичной обмотки трансформатора тока и конденсатор, начало дросселя допол нительно связано с отрицательным выводом звена постоянного тока через обратно включенный вентиль, а конецс положительным выводом через вентиль, включенный в прямом направлеНИИ, причем выходом датчика рассогла сования служит вторичная обмотка трансформатора тока. Кроме того, сцелью увеличения быстродействия ключи выполнены полупроводниковыми, например, на двух включенных встр1ечно-параллельно управляемых вентилях. С целью упрощения блока управления полупроводниковые ключи выполнены встречно-параллельно управляемом и неуправляемом вентилях. Причем с целью снижения установленной мощности вентилей параллельно полупроводниковым ключам включен коцт.актный ключ. С целью повышения надежности работы -полупроводниковых ключей последовательно с каждым из них включен дроссель насьпцения. На фиг.1 изображена схема установки на фиг.2-4 f различные вариан ты подключения компенсирующей емкости. ,. Установка содержит источник пита ния в виде тиристорного преобразоват ля частоты со звеном постоянного то ка, выполненным на тиристорах 1-6 С фильтровыми дросселями 7. К выводам звена подключен и HIS ер тирующий мост 8 и через фильтровый конде}1сатор 9 индуктор 19 и компенсирующий конденсатор 11. Инвертирующий мост состоит из коммутирующих дросселей 12-15, коммутирующего конденсатора 16 и вентильных блоков 17-20. К выводам звена подключен также датчик рассогласования, содержащий конденсаторы 21 и 22, дроссель 23, секции 24 и 25 первичной обмотки трансформатора тока, вентили 26-27, связывающие конец и начало дросселя с упомянутыми выводами. Вторичная обмотка 28 трансформатора тока является выходом датчика и подключена на вход 29 управления. Добавочный компенсирующий конденсатор 30 подключен к индуктору 10 через электрические контактные ключи 31-33, причем последовательно с контактными ключам 31 и 32 включены дополнительные резисторы 34 и 35 разной величины. Электрические контактные ключи 31-33 могут быть выполнены полупроводниковыми бесконтактными ключами на тиристорах 36-41. Бесконтактные ключи могут быть защуитированы электрическим контактным ключом 42. Последовательно с бесконтактными ключами для облегчения работы тиристоров включены насьпдающиеся дроссели 43-45. В-варианте на фиг.4 полупроводниковые ключи выполнены на тиристорах 36, 38, 40 и неуправляемых вентилях 4648. В общем случае число ключей может быть другим например больше трех. Установка работает следующим образом. Через выпрямитель заряжаются коненсаторы 9,21 и 22, причем конденсаторы 21 и 22 заряжаются до половины питающего напряжения, так как включены последовательно. При отпирании, например, тиристоров вентильных блоков 17 и 20 в контуре инвертора преобразователя и через нагрузку (элементы 10 и 11) протекает высокочастотный импульс тока по цепи 9-12-17-1620-15--10 и 11-19. Через нагрузочный колебательный контур 10 и 11 этот импульс протекает снизу вверх- После прекращения импульса тока через тиристоры отпираются встречно-параплельные вентили этих блоков 17 и 20 и через них в обратную сторону протека ет импульс тока по той же цепи 16-1 12-9-10 и 11-15-20-16, в результате чего конденсатор 16 частично заряжае ся. Через нагрузочный контур 10,11 этот импульс высокочастотного тока протекает сверху вниз, т.е. ток сменяет первоначальное направление. Затем отпираются очередные тиристоры блоков 18 и 19. Очередной импульс тока протекает по цепи 9-13-18-16-19 14-10 и 11-19. После прекращения это го импульса тока отпираются встречно-параллельные вентили этих же блоков 18 и 19 и через них в обратную сторону протекает импульс тока от частичного разряда конденсатора 16 по цепи 16-18-13-9-10 и 11-14-19-16 Таким образом, при поочередном отпирании тиристоров вентильных блоков 17,20-или 18,19 через нагрузочный колебательныйконтур 10,11 проте кает высокочастотный переменный ток При нагревании стальных заготовок существенно.изменяется частота Конту ра нагрузки,, и при частотном регулировании инвертора часто не удается получить удовлетворительных результатов . В ряде технологических режимов вообще недопустимо регулирование выходной частоты, и тогда режим работы преобразователя оказывается нарушенным, а мощность и напряжение на выходе преобразователя весьма малыми. Чтобы поддержать на высоком уровне напряжение и мощность на выходе преобразователя, необходимо в процессе нагрева стальных заготовок изменять частоту нагрузочного контура инвертора, например, подключая к индуктору или отключая от него дополни тельный компенсирующий конденсатор. В предлагаемой установке добавочный компенсирующий конденсатор 30 подключается к уже имеющемуся компен сирующему конденсатору 11 во время работы преобразователя к клеммам q и б . Такое подключение осуществляется через электрические контактные ключи 31-33. Чтобы .не повредить ключи и конденсатор при подключении и .отключении, подключают конденсатор через резисторы 34 и 35 разной величины, включая ключи 31-33 последовательно один за другим. Резистор 34 следует брать более высокоомным. 916 Отключение производится в обратной последовательности. При этом не возникает опасных TOKOJJ в переходных режимах при подключении и отключении дополнительного компенсирующего конденсатора 30, что имеет место при его коммутации без дополнительных резисторов 34 и 35. Последний ключ 33 присоединяет конденсатор 30 непосредственно параллельно к индуктивному нагревателю 10. - Контактные электрические ключи включаются и отключаются сравнительно медленно, поэтому их можно применять лишь при относительно невысоких частотах, например, до 1 кГц. На более высоких частотах(8-ЮкГц и выше используются полупроводйиковые ключи, в которых применены встречно-параллельно включенные тиристоры, причем последовательно с такими ключами также включены резисторы. Так, в случае трех ключей на тиристора 36-41 последовательно с двумя клн. включены резисторы 34 и 35. Тиристорные ключи включаются последовательно: сначала ключ в цепи резистора 34, затем ключ в цепи резистора 35, а затем ключ на тиристорах 40 и 41, непосредственно присоединяющий конденсатор 30 к индукционному нагревателю 10. Сопротивление резистора 34 йакже должно быть больше, чем у резистора 35. Так как через тиристоры 40 и 41 протекает полный ток дополнительного компенсирующего конденсатора 30 : то эти тиристоры следует выбирать на соответствующий рабочий ток. Остальные тиристоры 36-39 следует выбирать на меньший ток, так как они работают лишь кратковременно и, кроме того, их ток ограничен резисторами 34 и 35. Чтобы снизить установленную мощность тиристоров 40 и 41, а следовательно, и стоимость ключа на этих тиристбрах, параллельно всем бесконтактным ключам можно.подсоединить контактный электрический ключ 42, который включался бы не после включения всех бесконтактных ключей, а раньше бесконтактных 1у1ючей. При этом быстродействие процессов подключения или отключения дополнительного компенсирующего конденсатора 30 к индукционному нагревателю О не уменьшается, а во включенном состоянии ос7новной рабочий ток протекает через ключ 42. Чтобы снизить стоимость бесконтактных ключей и упростить их уппавление, можно заманить один из тиристбров в каждом ключе неуправляемым вентилем 46,47 и 48. Т ристоры при включении допускают определенную скорость нарастания тока через них. При чрезмерных скороетях нарастания тока чере тиристоры в них наблюдаются повышенные потери и снижается надежность их работы. Чтобы исключить такой недостаток, последовательно с каждым полупроводниковым ключом включен нелинейный нacьш aющийcя дроссель 43-45, который на пёремагничивания огра1#1чив ет скорость нарастания тока, через тиристоры и тем самым предохраняет их от чрезмерных скоростей нарастани тока. Цепь для формирования команд клю чами, состоящая из конденсаторов 21 и 22, дросселя 23, секций 24 и 25 первичных обмоток и трансформатора тока и вентилей 26 и 27, выполняет в предлагаемом устройстве двойную роль: ограничивает напряжение на вы ходных выводах преобразователя и пр увеличении тока через цепь вьш1е установленной нормы выдает команду на срабатывание блока 29 управления ключами. Как только напряжение на выходных выводах йцв ртора в режиме резо нанса по амплитуде превьш1ает полови ну напряжения источника питания, 5..е. превьш1аёт напряжение на конден саторах 21 или 22, сразу через вентили 26 и 27 и обмотки 24 и 25 протекает импульс тока по цепям 10 и 11-22-25-27-9-10 и 11j 10 и 11-28 24-21-9-10, а их разряд компенсируется током заряда от выпрямителя, хфнчем ток заряда протекает цо упомяну той цепи сверху вниз через элемента 21-24-23-25-22. Если в режиме резонанса токв обмотках 24 и 25 достигает определенной заданной величины, ток вторичной; рбмот1а1 28 оказывается достаточным для срабаты вания блока 29 управления ключагш. При срабатывании блока 29 управления последовательно включаются электрические контактные ключи 31-33 или заменяющие их бесконтактные электри ческие ключи, выполненные на тирист рах или на -щристорах и не5травляе1 8 мых вентилях (фиг.2). Дополнительный компенсирующий конденсатор 30 подключается к индуктору 10 сначала через резистор 34, затем через резистор 35 и затем непосредственно. После подключения добавочного компенсирующего конденсатора 30 напряжение на выходных выводах преобразователя снова понижается, но ключи остаются включенными, если ток через цепь понижает в пределах установленной нормы и остается достаточным для удержания блока управления ключами. Скачок снижения напряжения устанавливается при наладке преобразователя. Если при изменении сопротивления нагрузки выходное напряжение преобразователя снижается ниже установленной нормы, блок управления ключами срабатывает и отключает ключи. При нарушении режима автоподстройки частоты выходное напряжение Преобразователя уменьшается и ключи выключаются. Электрический контактный ключ 62, шунтирующий бесконтактные полупроводниковые ключи, включается и отключается также блоком 29 управления ключами. Применение предлагаемой установки увеличивает надежность работы, улучшается режим работы преобразователя, ограничивается выходное напряжение преобразователя по амплитуде уровня, благоприятном для работы инвертора, кроме того автоматизирован процесс подключения дополнительного компенсирующего конденсатора к индукционному нагревателю. . Формула изобретения ,. Индукционная установка для нагрева металлов содержащая- источник питания в виде тиристорного преобразователя частоты со звеном постоянного тока, к выводам которого непосредственно подключен инвертирующий мост, а через 4я льтровый конденсаториндуктор, компенсирующий конденсатор и через, по меньшей мере, один ключ добавочный компенсирунлций конденсатор и блок управления, вход которого связан с выходом датчика рас-. согласования, отличаю, щаяс я тем, что, с целью повышения надежности работы установки, параллельно ключу и последовательно с добавочным компенсирукяцим конденсатором подключена, по меньшеймере, одна цепочка из дополнительного ключа и демпфирующего резистора, а датчик сигнала рассогласования выполнен в виде цепочки из дросселя, начало и конец которого связаны с указанными выводами через последовательно включенные секцию первичной обмотки трансформатора тока и конденсатор, начало дросселя дополнительно связано с отрицательным выводом звена постоянного тока через обратно вклю ченный вентиль, а конец - с положительным выводом через вентиль, вклю ченный в прямом направлении, причем выходом датчика рассогласования слу жит вторичная обмотка.трансформатор 2. Установка по п.1, отлич ющееся тем, что, с целью увеличения быстродействия, ключи выпол .нены полупроводниковыми, например, на двух включенных встречно-параллельно управляемых вентилях. 3. Установка по п.1, о т л и ч ю ща я с я тем, что, с целью упро 8 ения блока управления, полупроводниковые ключи выполнены на включенных встречно-параллельно управляемом и неуправляемом вентилях. 4.Установка по пп.1-3, отличающаяся тем, что, с целью снижения установленной мощности вентилей, параллельно полупроводниковым ключам включен контактный ключ. 5.Установка по пп.1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы полупроводниковых ключей, последойательно с каждым из нихвключен дроссель насьпдения, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Электротехническая промышленность. Информациоиный науч.-техн. сборник. Сер. Электротермия, вьш. И, М., 1971, с.7-8. 2.1 1тгарц Д.А. и Иоффе Ю.С. Новые источники питания и автоматика индукционных установок для нагрева и плавки. М., Энергия, 197

Фи.г

/ тирис/по/ ан ИМ

lf2

тиристорам

iiAiL

L-

,