Индукционная установка повышенной частоты для непрерывной варки оптического стекла Советский патент 1982 года по МПК H05B6/06 

Изобретение относится к электротермии и может быть применено в оптическом производстве при варке стекла.

Известна индукционная установка, содержащая несколько резонансных колебательных контуров, переключающий механизм для последовательного выбора одной или нескольких нагрузок, схему синхронизации включения, схему запуска для выбранной нагрузки, подключающую схему для подсоединения выбранной нагрузки к выходным-зажимам инвертора Щ .

Недостатками известного устройства являются дискретная подача мощности и связанные с этим отрицательные явления.

Наиболее близкая к предлагаемой индукцирнная установка повышенной частоты для непрерывной варки оптического стекла содержит загрузочный, осветляющий и раздаточный тигли, индукторы которых включены во входной и выходной параллельные колебательные контуры с добротностью равной 5-10 и собственными резонансными частотами, различающимися на 5-10%, статический преобразователь частоты, выполненный в виде последовательно

соединенных выпрямителя и блока управления и подключенный выходом к обоим( контурам инвертора, снабженного задающим генератором с управляющим и корректирующим входами и блоком стабилизации угла запирания инвертора, и, по меньщей мере, два регулятора температуры расплава в тиглях с датчиками и задатчиками тем10пературы.

Установка работает в режиме широтно-импульсной модуляции тока нагрузок таким образом, что часть периода модуляции напряжение подается на

15 один индуктор, а остальную часть на другой. Регулирование мощности производится путем изменения продолжительности включения инвертора на данную нагрузку 2 .

20

Недостатки указанного устройства обусловлены сложностью конструкции преобразователя частоты, невозможностью применения серийно выпус25каемых преобразователей для питания нескольких нагрузок с независимым регулированием мощности. Кроме того, дискретная подача мощности в каждую нагрузку снижает точ30ность регулирования температуры расплаеа, так как при отключении мощности расплав остывает,. а при включении - нагревается и даже, при весьма точном поддержании среднего значения температуры максимальные отклонения мгновенных значений достигают значительной величины. Это снижаег качество продукции, в частности при варке стекла ухудшается его качество, и стойкость тигля за счет повышенного растворения платины прй повышенных значениях температуры. Динамические механические нагрузки, возникающие при коммутации мощности в индукторе, деформируют тигель и также снимают его стойкость

Цель изобретения - повышение качества выплавляемого оптического стекла и увеличение стойкости тиглей

Для достижения указанной цели установка снабжена корректирующей цепочкой из последовательно соединенных датчика напряжения, преобразователя постоянного напряжения.в переменное, усилителя и фильтра, начало которой подключено между выпрямителем и инвертором, а конец - к корректирующему входу задающего Генератора, цепочкой из последовательно соединенных первого двухвходового суммирующего элемента, подключенного одним из входов к задатчику напряжения , и ограничителей верхнего уровня напряжения и нижнего уровня напряжения, начало которой соединено с выходом регулятора температуры загрузочного тигля, а конец - с входом блока управления выпрямителя, цепоч сой из последовательного соединенныз второго двухвходового суммирующего элемента, подключенного одним из входов к задатчику частоты, и ограничителей верхнего уровня частоты и нижнего уровня частоты, начало которой подключено к выходу регулятора температуры раздаточного тигля, а конец - к первому входу дискриминатора, к выходу которого подключен управляющий вход.задающего генера-. тора, а к второму входу - выход блоjKa стабилизации угла, подк люченного входом параллельно выходному колебательному контуру, при-этом в выходной колебательный контур включены последовательно- соединенные через управляемый двухканальный двухдиапазонный коммутатор индукторы осветляющего и разда.точного тигля, во входной контур - индуктор загрузочного тигля, оба колебательных конту ра соединены последовательно, а параллельно им включен коммутирующий конденсатор.

На чертеже изображена блок-схема установки.

Установка содержит выпрямитель 1 с блоком 2 управления, инвертор 3,

Управляемый задающий генератор 4 с управляющим и корректирующим входами 5 и б, коммутирующий.конденсатор 7, загруэочнвй тигель 8, снабженный входным колебательным контуром 910, осветляющий .11.и раздаточный

12 тигли, снабженные.выходным колебательным контуром 1-3-14-15, двухпозиционный коммутатор, состоящий из двух каналов 16 и 17 коммутации с

О блоком 18 управления датчиками 19

и 20 температуры расплава, регулирующий прибор 21, регуляторы 22 и

23 температуры, задатчики 24 и 25

температуры, суммирующие э.пементы

5 26 и 27 задатчики напряжения 28 и начальной частоты 29, ограничители верхнего 30 и нижнего 31 уровней напряжения и верхнего 32 и нижнего 33 уровней частоты, дискриминатор

0 34 уровня сигнала.с двумя входами 35 и 36, блок 37 стабилизации угла запирания инв.ертора, датчик 38 напряжения, преобразователь 39 постоянного напряжения в переменное, усилитель 40 и фильтр 41.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное, модулированное по амплитуде напряжением датчика 38, может быть выполнен по схеме типового транзисторного мультивибратора, генератора Ройера и других электрон-, ных автогенераторов. Фильтр 41 представляет собой RC-фильтр высоких частот и предназначен для фильтрации

;; высокочастотных полей от инвертора 3 на входе задающего генератора 4.

Блок 37: стабилизации угла запирания инвертора может быть выполнен по различным схемам измерения и компенсации фазового угла нагрузки за счет изменения рабочей частоты инвертора. В качестве регуляторов 22 и 23 могут быть использованы любые электронные регуляторы температуры, например ВРТ-2. Задающий генератор 4

представляет собой генератор релаксационных колебаний с двумя входами, например мультивибратор .

Технологический процесс непрерывной варки, стекла состоит их трех

0 этапов: выводки, осветления и выработки.

На первом этапе (выводка) во все три платиновых тигля загружается шихта и нагревается благ Ъдаря теплопередаче от стенок тигля до расплавления. При этом мощность, подаваемая в каждый тигель,-должна бцть м.акс1шальн9й/ а точность подэдержанйя Темрературы не регламене тируется. Продолжительность выводки составляет ,5-8 ч в зависимости от объема тиглей, :ортамента и других факторов.

На втором этапе (осветление) рас5.;плав выдерживается при заданной температуре и интенсивно перемешива ется специальными мешалками, погружаемыми в. нег.о. Продолжительность осветления, составляет 15-20 ч. На. этом этапе необходимо поддерживатьодинаковую .и постоянную температуру во всех .тиглях с высокой точностью путем изменения мощности в каждом . индукторе. . . . На третьем этапе (выработка) начинается слив стекла в специальные формы. Слив производится непрерывно из раздаточного тигля, при температура расплава в тигле должна быть предварительно понижена по технологическим соображениям путем снижения, мощности в индукторе и под держиваться с высокой точностью. Пр .слйве из раздаточного тигля расплав перетекает из осветляющего в ра даточный -и из загрузочного- в осветляющий тигли, а в загрузоч ный тигель добавляется шихта, что представляет собой стационар ный процесс непрерывной варки, кото рый протекает круглосуточно в течен 30-60 сут. Температура расплава во всех тиглях на этом этапе должна по держиваться постоянной, но различной . Заданные значения температур в тиглях определяются технологическим соображениями Необходимая точность поддержания температуры в раздаточном тигле выше, чем , в загрузочном .и осветляющем тиглях. МощносЬ ь в индукторе при малых отклонениях температуры зависит от величины напряжения, частоты токаУ подводимого к индуктору, и конструк тивных napatvieTpoB индуктора, например от числа его витков. Большинство промышленных индукционных установок, в том числе и. установки для варки стекла, имеют добротность нагрузочного колебательного контура в пределах . Q.. 5-10, где - о5 - рабочая частота; R,. L -.эквивалентные параметры - нагрузки. При таких значениях добротности -параллельный колебательный контур имеет крутые резонансные частотные характеристики и при изменении рабочей частоты на 2-5% от резонансной мощности в контуре изменяется в 5-10 раз.. Мощность, потребляемая индуктором при нагреве немагнитных материалов , например платины, пропор.циональна квадрату напряжения на индукторе.(при постоянной частоте) Таким образом, при -одновременном изменении рабочей частоты инвертора и его выходного напряжения, а также изменении соотношения числа витков в индукторах, подключенных к выходу преобразователя, необходимо обеспечить устойчивость его работы как в статических, так и в переходных режимах. Для реализации перечисленных требований необходимо соответствующее подключение емкостей 7, 10 к 15 и индукторов 9., 13 и 14. Емкость 10 компенсирует индуктивную составляющую тока в индукторе 9 и образует с ним входной параллельный колебательный контур 9-10, Емкость 15 компенсирует индуктивную составляющую тока в двух последовательно, включенных индукторах 13 и 14 и образует с ними выходной параллельный колебательный контур 13-14-15. Резонансные частоты контуров определяются величиной:емкостей 10 и 15, которые выбирают таким образом, чтобы резонансные частоты обоих контуров отличались на.5-10%, причем резонансная частота входного контура должна быть выше частоты выходного. Емкость 7 предназначена для обеспечения устойчивости инвертора при изменении частоты и подбирается при настройке инвертора. Устойчивая работа параллельного инвертора может быть обеспечена только в указанном выше диапазоне параметров нагрузки,. так как при меньших добротностях контура нельзя обеспечить достаточный диапазон регулирования мощности, а при большем -различии резонансных частот при любых значениях емкости 1 невозможно обеспечить устойчивость инвертора при регулирован 1И частоты При первоначальном включении пре- . образователя регуляторы 22 и 23 тем-, пературы и корректирующая цепь 3839-40-41 отключены и выходное напряжение выпрямителя, 1 через блок 2 управления определяется задатчиком 28 напряжения. Необходимый диапазон изменения напряжения выпря1 теля устанавливается ограничителями верхнего 30 и нижнего. 31 Дровней напряжения. Рабочая частота инвертора в начальный момент пуска определяется задатчиком .тоты а в конце пускового процесса -.блоком 37 стабилизации угла запирания инвертора, так как в момент пуска напряжение на нагрузочном контуре 13-14-15 мало и дискриминатор пропускает на выход сигнал с входа 35, а при возрастании напряжения «а контуре на выход дискриминатора проходит напряжение с входа 36. Блок 37 автоматически устанавливает частоту инвертора несколько выше резонансной частоты выходного контура 13-14-15. Начальная частота, задаваемая блоком 29, всегда ниже конечной пусковой частоты, определяемой блоком 37.

Установка работает следующим образом.

После запуска инвертора автоматически включаются регуляторы 22. и 23 и цепь коррекции 38-39-40-41.. После включения регуляторы 22 и 23 выдают максимальные рассогласования, так как температура шихты в тиглях 8 и 12 максимально отличается от заданной задатчиками 24 и 25. При этом напряжение с выхода регулятора 22 суммируется с напряжениями задатчика 28 и блока 2 управления, обеспечивая максимальное напряжение на выходе выпрямителя 1. Аналогично регулятор 23 воздействует на задагав ий генератор 4 через дискриминатор 34, так как напряжение на входе 35 после включения регулятора 23 становится больше, чем на входе 36, Рабочая частота инвертора при этом повышается до значения, обеспечивающего максимальную мощностьв контуре 13-14-15, а в контуре 9-10 мощность при. этом понижается.

Коммутаторы 16 и 17 посредством блока 18 управления устанавливаются в положение, соответствующее одинаковому количеству витков в индукторах 13 и 14, и мощность между ними распределяется равномерно,

В тиглях 8, 11 и 12 начинается первый этап технологического процесса (выводка), причем-температура в тиглях 11 и 12 поднимается быстрее., чем в тигле 8, так как контур 13--14-15 работает на максимальной мощности, а контур 9-10 - на пониженной. После расплавления шихты и достижения температурой расплава в тиглях 11 и 12 заданного значения рассогласование на выходе регулятора 23 уменьшается, рабочая частота инвертора при этом сниясается и уменьшается мощность, потребляемая контуром 13-14-15, а мощность в контуре 9-10 увеличивается ,и температура расплава в тигле 8 достигает заданного значения.

На втором этапе технологического процесса (осветление) регуляторы 22 и 23 поддерживают заданную температуру расплава во всех трех тиглях. Вследствие того, что конструктивные параметры тиглей .12 и индукторов 13 и 14 одинаковы, то температуры расплавов в них отличаются незначительно. Температура в тигле 11 контролируется регистрирующим прибором 21.. .

Керректирующая цепь 38-39-40-41 предназначена для улучшения динамики регулирования и повышения точности системы регулирования температуры При изменении напряжения выпрямителя путем воздействия на задающий генератор 4 через корректирующий вхо

6 изменяется рабочая частота инверл тора, причем увеличение напряжения выпрямителя 1 приводит к уменьшению рабочей частоты инвертора 3 и наоборот. Это компенсирует влияние контура 9-10 на контур 13-14-15 в процессе регулирования, обеспечивает положительную- обратную связь для входного контура и отрицательную для выходного и позволяет уменьшить динамические отклонения температуры и колебательность переходных процессов.

На третьем этапе технологического процесса (выработка),посредством блока 18 управления коммутаторы 16 и 17 переключаются и изменяют соотношение витков в индукторах 13 и 14 таким образом, что в индукторе 13 витков становится больше, чем в индукторе 14. Мощность между индукторами при этом распределяется и в индукто1ре 13 выделяется большая, мощность, чем в индукторе 14, Одновременно снижается уставка задатчика -25 температуры, расплав в тигле 12 при этом остывает до заданной- температуры, а в тигле 11 остается на прежнем уровне.

В период выработки температура расплава в тиглях 8 и 12 поддерживается регуляторами с высокой точность (tl-2°C), а в тигле11 точность поддержания температуры .t3C, что удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Предлагаемое устройство позводяет на всех этапах технологического процесса уме.ньшить перерегулирование температуры, так как регуляторы работают в непрерывном режиме и мощность источника питания изменяется плавно в небольшом диапазоне. Это улучшает качество стекла вследствие уменьшения растворения платины, потому что при повышенных температурах прсцес.с растворения платины в стекле усиливается. Кроме того, снижается расход платины и ,увеличивается хзтойкость тигля.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения изобретения составляет 50000 руб.

Формула изобретения

Индукционная установка повышенной частоты для непрерывной варки оптического стекла, содержаиГая загрузочный, осветляющий и раздаточный тигли, индукторы которых включены во входной и выходной параллельные колебательные контуры с добротностью равной 5-10 и ссбственными резонансными частотами, различающимися на 5-10%, статический преобразователь частоты, выполненный в

виде последовательно соединенных выпрямителя и блока управления и подключенный выходом к обоим контурам инвертора, снабженного задающим генератором .с управляющим и корректирующим входами и блоком стабилиаации угла запирания инвертора, и, по меньшей мере, два регулятора температуры расплава в тиглях с датчиками и задатчиками температуры,.о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения качества оптического стекла и стойкрсти тигля, она снабжена корректирующей цепочкой из последовательно соединенных датчика напряжения, ni eобразователя постоянного напряжения в переменное, усилителя и фильтра, начало которой подключено между выпрямителем и инвертором, а конец к корректирующему входу задающего генератора, цепочкой из последовательно соединенных первого двухвходового суммирующего элемента, подключенного одним из йходов к задатчику напряжения, и ограничителей верхнего уровня напряжения и нижнего уровня напряжения, начало которой соединено с выходом регулятора температуры загрузочного тигля, а конец - с входом блока управления выпр мителя, цепочкой из последовательно ..соединенных второго двухвходового суммирующего элемента, подключенного одним из входов к задатчику частоты, и ограничителей верхнего уровня частоты и нижнего уровня частоты начало которой подключено к выходу регулятора температуры раздаточного тигля, а конец - к первому входу дискриминатора, выход которого соединен с управляющим входом задающего генератора, а второй вход - с выходом блока стабилизации угла инвертора, вход которого подключен параллельно выходному колебательному контуру, при зтом в выходной колебательный контур включены последовательно соединенные через управляемый двухканальный двухдиапазонный коммутатор индукторы осветляющего и раздаточного тигля, во входной колебательный контур - индуктор загрузочного тигля, оба колебательных контура соединены последовательно, а параллельно им включен коммутрующий конденсатор.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Японии № 51-28134, кл. Н 02 М 7/515, 1976.

2.Агеев В.И., Барашев В.в. Преобразователь частоты для питания индукционных установок направленной

Iкристаллизации. Тезисы докладов (М Всесоюзной научно-технической конференции Применение в технологических процессах машиностроительного производства полупроводниковых преобразователей частоты . М., 1980.. .