Индукционная нагревательная установка Советский патент 1982 года по МПК H05B6/08 

(54) ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Изобретение относится к электротермии и может быть использовано при нагреве перед пластотеской деформацией, плавке, термообработке изделий и т. д. Известим иидукдионпуле нагревательные установки, в которых для поддержания в силовом контуре режима резонанса токов используют управляемые индуктивности, либо дискре но коммутируемые силовые конденсаторы, причем поиск параметров настройки силового контура ведется непосредственно в самом контуре 1 . Наиболее близкой по технической сущности является индукционная нагревательная установка, содержащая источник .питания и соединенный с ним индуктор, параллельно которому подключены по меньшой мере две цепочки для ступенчатого регулирования из компенсирующег конденсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка для плавкого рагулирования, выполненная в виде последовательно соединенных ковденсатора и регулируемой индуктивности, датчики тока и напряжения источника питания, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования фазы напряжения и тока источника питания, выход которого подключен к входу интегрального переключателя, соединенного выходом с первым входом первого компаратора, второй вход которого связан с выходом истошика опорного напряжения, а выход с первым входом синхро1шзатора, второй вход которого подключен к выходу конечного выключателя, его первый выход соединен с управляющим входом истошсика питания, а второй выход с управляющим входом интегрального переключателя, электрическую модель установки, выполне П ую в виде модели источника питания и соединенной с ней модели индуктора, параллельно которой подключены цепочки для ст)шенчатого регулирования из последовательно соединенных моделей компенсирующих конденсаторов и интегральных ключей, причем число цепочек равно числу цепочек для ступенчатого регулирования установки, тока и напряжения источ1шка питания, модели, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования тока и напряжения источника питания модели., согласующий 3974 элемент, выходы которого соединены с управляющим входом каждого из указанных коммутирующих элементов, а его входы связаны с управляющими входами шггегральных ключей и выходами двоично-десятичного счетчика, и первый конденсатор памяти 2. В режиме малых отклонений cos Ч (не более 5%) процесс его стабилизащ1и осуществляется в замкнутой системе - силовой резонансный контур индукилонной установки - датчик фазового рассогласования напряжения и тока источника питания - регулируемая индуктивность. При больших возмущениях (более 5%) устройство автоматически настраивает силовой резонансный контур в токовый резонанс путем изменения величины суммарной емкости компенсирующих конденсаторов, которая предварительно отыскивается на электрической модели индукщюнной установки. При индукционном нагреве ферромагнитных материалов величина эквивалентной магнитной проницаемости загрузки jji претерпевает значетельные изменения в зависимости от температуры нагреваемого металла, например при нагреве стали эквивалентная величина магнитной проницаемости изменяется в пределах JJ1-80. Кроме того, в процессе индукиионного нагрева изменяется удельное сопротивление нагреваемого металла . Соответственно изменяются и значения индуктивного Х,и активного г сопротивлений системы ивдуктоп - металл, которые зависят от /i., и р . Электрическая модель в известной индукциошшн установке является эталоттой, и активное., а также индуктивное conpoTHBHefme модел И1щуктора остаются постоянными в течение всего процесса нагрева. Отсутствие перенастрой кн параметров модели индуктора при измене)ии в процессе нагрева параметров системы индуктор - металл приводит к нетошости в определении на модели суммарной компенсирующ емкости силового резонансного контура индукционной установки и соответственно неточной его настройке в токовьгй резонагю. В режимах , связанных с переходом темпера тур1 нагреваемого металла через точку Кюри, велигнна коэффициента, мощности индукционной печи изменяется приблизителыго на 40%. Поэтому при выборе усредненных значений активного г и индуктивного X сопротивлений модели HHjt KTopa в указан1гых реншмах в результате ошибки определения на мелели суммарной компснсирую1цей емкости после включения источника питания отклонение коэффищ1еита мощности от заяа1гного уровня (cos Ч - ) составит ие менее 10% и поиск компенсирующей емкости наП1ется заново, причем достаточная точность стабшшзацин коэффиЩ1ента мощности (т. е. 5%) может быть не достигнута и вторично. Таким образом затягивается время регулирования, а также увеличивается количество коммутаций в силовом резонансном контуре. Цель изобретения - повышение точности стабилизации коэффициента мощности установки. Поставленная цель достигается тем, что модель индуктора выполнена в виде последовательно соединенных регулируемой и нерегулируемой индуктивностей и переменного резистора, а в цепь индуктора и модели индуктора включены датчики тока, выход датчика тока индуктора подключен к первом входу двухполюсного управляемого ключа и первому входу датчика угла рассо,гласования фазы тока и напряжения индуктора, к второму входу которого нодключен выход датчика напряжения источника питания, выход датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения индуктора соединен с вторым входом двухполюсного ключа, подключенного управляющим входом к третьему выходу синхронизатора, первым выходом - к первому конденсатору памяти, к первому входу второго компаратора . и первому входу формирователя экстремальной кривой, вторым выходом - к второму конденсатору памяти, второму входу формирователя и первому входу третьего компаратора, выход датчика тока модели индуктора подключен к первому входу датчика рассогласования фазы тока и напряжения модели индуктора, к третьему входу формирователя и к второму входу второго компаратора, второй вход датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения модели индуктора соединен с датчиком напряжения модели источника питания, а его выход - с четвертым входом формирователя и вторым входом третьего компаратора , выходы второго и третьего компараторов через элемент И соединены с первым входом генератора- тактовых импульсов, второй вход которого связан с выходом датчика рассогласования фазы тока и напряжения источника питания модели, а выход - с первым входом двоично-десятичного счетчика, второй вход которого соединен с четвертым выходом синхронизатора, между выходом счетчика и входом согласующего элемента включен блок памяти, управляющий вход которого соединен с мятым выходом синхронизатора, шестой выход которого нодключен к первому входу оптимизатора, сое.диненного вторым входом с выходом формирователя, а выходами с управляющими входами регулируемой индуктивности и переменного резистора модели индуктора. На фиг. 1 изображена блок-схема установки; на фиг. 2 - вариант исполнения синхрони затора. Силовой резонансный контур 1 индукционной установки состоит из индуктора 2, компен снрующих конденсаторов 3-6, цели носледовательно соединенных конденсатора 7 и регулиру емой индуктивности 8, взаимно скомпенеирова ных для статического режима работы усхановк и соединен с источником питания 9 и датчиком 10 фазового рассогласования т0к-а и напряжения источника питания через трансформатор на пряжения 11 и трансформатор тока 12. Выход датчика Ю в замкнутом состоянии интеврально го переключателя 13, например типа 70 1МЛЗЗА соединен с первым входом первого компаратора 14, например типа 521Са2, и регулируемой индуктивностью 8, которая представзмет собой, например, магнитный усилиягель, работаю щий в режиме дросселя насыщения. Второй вход компаратора 14 соединен с выходом источника опорного напряжения 15, выяэлненного например , на стабилизаторе навряжения типа 701МП22. Выход компаратора-14 соедин,ен с первым входом синхронизато-ра 16, второй вход которого соединен с выходом конечного выключателя 17. Первый выход синхронизатора 16 соединен с входом источника питания 9, второй выход - с управляющим входом интегрального переключателя 13. Входы датчика 18 фазового рассогласования тока и напряжения индуктора 2 соединены с выходом трансформатора напряже1 ия 11 и трансформатора тока 19 индуктора 2. Выход датчика 18 в замкнутом состоянии коммутирующего элемента 20, выполненного , например на интегральном ключе типа 701МЛЗЗА, соединен с первым входом формирователя экстремальной кривой 21. Формирователь экстремальной кривой 21 выполнен на операвдонных усилителях, например, типа.К140УД6 аналогично формирователю системы управления процессом нагрева с использованием моделирующего устройства. Первый вход блока 21 соедшген также с первым конденсатором памяти 22 и первым входом второго компаратора 23, например типа 521СА2. Второй вход блока 21 соединен с вторым конденсатором памяти 24 и первым входом третьего компаратора .25, например типа 52ICA2, а также в замкнутом состоЯ1ШИ коммутирующего элемента 20 с выходом трансформатора тока 19. Третий вход блок 21 соединен с датчиком 26 тока модели 27 индуктора 2 электрической модели 28, а такж с вторым входом компаратора 25. Четвертый вход блока 21 соединен со вторым входом компаратора 23 и выходом датчика 29 фазового рассогласоваьшя тока и напряжения модели 27 индуктора 2. Входы датшка 29 соединены с выходом трансформатора 30 напряжения источника питания модели, которое является также напряжением модели 27 индуктора 2,и выходом датчика 26 тока модели 27. Выход блока 21 соединен с первым входом автоматического оптимизатора 31. Второй вход блока 3 соединен с третьим выходом синхронизатора ,четвертый выход которого соединен с управляющим входом коммутирующего элемента 20. Первый и второй выходы блока 31 соединены соответственно с входами регулируемых индуктивности 32 резистора 33 модели 27 индуктора 2. Регулируемая ивдукТ.ИВНОСТБ 32 представляет собой маломощный магнитный усилитель, работающий в режиме дросселя насыщения. Шеременный резистор 33 плавНО изменяет величину своего сопротивления в зависимости от уровня управляющего сигнала и может быть реализован, например,. на полевом транзисторе. Модель 27 индуктора 2 содержит также нерегулируемую индуктивность 34, представляющую собой дроссель, активное и индуктивнее сопротивление кот : рого соответствуют ми1шмальным значениям этих сопротивлений для индуктора 2. Выходы компараторов 23 и 25 соединены с входами элемента И 35, например типа К155ЛАЗ, выход которого соединен с первым входом генератора тактовых импульсов 36, второй вход которого соединен с выходом датчика 37 фазового рассогласования тока и напряжения источника 38 питания модели 28. Входы датчика 37 соединены с выходами датчика 39 тока и датчика 30 напряжения источника 38 питания модели 28. Выход генератора 36 соединен с первым входом нереверсивного двоично -десятичного счетчика 40, например, типа К155ИЕ2, выходы которого соединены с управляющими входами интегральных ключей , например, типа 70ШЛЗЗА, установленных последовательно с конденсаторами 45-48 модели 28. Выходы счетчика 40 соединены также с входами блока памяти 49.- Например, цифрового блока. Выходы блока 49 через согласующее устройство 50, содержащее четыре усилителя мощности, выполненные, например, на транзисторах, соединены с коммутирующими элементами 51-54, контакты которых 55-58 расположены в цепях компенсирующих конденсаторов 3-6 силового кот-ура установки , Второй вход счетчика 40 соединен с пятым выходом синхронизатора 16, естой выход которого соединен с разрещающим входом блока памяти 49. Синхронизатор 16 представляет собой блок, определяющий логику работы устройства, и содержит источники питания 59-62., коммутирующий элемент 63 с контактами 64-69 в реле времени 70, 71 соответственно с контактами 72 и 73-79. Источник питания 62 соединен с реле 70 через контакт 80 конечного выключаг теля 17. Устройство работает следующим образом. При поступлении очередной заготовки в индуктор 2 конечный выключатель 17 замыкает свой контакт 80, подавая напряжение на реле 70, которое замыкает свой контакт 72, подавая напряжение источника 59 на переключатель 13, В результате чего он срабатывает. При Зтом стабилизация коэффициента мощности печи при малых возмущениях происходит в контуре силовой резонансный контур 1 индукционной установки - датчик 10 фазового рассогласовав НИН тока и напряжения источника питания 9- регулируемая : индуктивность 8, если выходной сигнал датчика 10 не больще опорного напряжения на выходе 15, если же эти сигналы равны или выходной сигнал 10 больше опорного напряжения, срабатывает компаратор 14, ко торый подает напряжение на коммутирующий элемент 63, который размыкает свой контакт 64, размыкая тем самым контакт переключателя 13 и разрывая контур регулирования в малом. Одновременно 63 замыкает свой контакт 65 и с выдержкой времени перекоммутирует контакты 66 и 67, в результате чего на счетчик 50 подается сбрасывающий импульс, устанавливая его выходы в нулевое состояние. Индуктивное сопротивление управляемой индуктивности 8, представляющей собой |Магнитны усилитель, за счет заранее выбранного сигнала На обмотке смещения принимает значение равное по абсолютной величине реактивному сопротивлению конденсатора 7,. что равнозначно отсутствию этих элементов в резонансном кон. туре 1, поэтому в модели 28 они не учитыва ются. Далее синхронизатор устанавливает контакты двухполюсного коммутирующего элемента 20 в замкнутое состояние, замыкая контакт 68 и с выдержкой времени, необходимой для запоминания выходных сигналов датчика 18 и трансформатора 19 на конденсаторах памяти, соответственно 22 и 24, размыкает контакты элемента 20, размыкая контакт 73. При этом .происходат запоминание сигналов действующего значения тока индуктора и его фазы отно сительно питающего напряжения источника 9. После чего синхронизатор 16, размыкая контак 73, выключает источник лита{шя 9 для осуществления разряда конденсаторов 3-6. Синхронизатор 16, замыкая контакт 75 (рис. 3), подает запускающий сигнал на автоматический оптимизатор 31, который начинает осуществлят автоматический поиск экстремума кривой, сформированной блоком 21. Формирователь экстремальной кривой 21, на входы которого подаются сиг-налы датчиками 18 и 29 фазового рассогласования напряжения и тока соответственно ивдуктора 2 и его модели 27, а также сигналы с датчика 19 тока индуктора 2 и датчика,.26 тока модели 27, формирует характеристику вида F к н- имеющую глобальный экстремум в точке 3 К 3 1 . м - -м н действующйе значения токов соответственно индуктора 2 модели 27, Ч и 4, соответственно фазы . зтих токов относительно питающих напряжений силового контура 1 и модели 28, К - коэффициент пропорциональности. Поиск экстремума кривой, формируемой блоком 21, ведется путем соответствующей вариации индуктивного 32 и активного 33 сопротивлений модели 27. После того, как экстремум характеристики, формируемой блоком 21, найден, параметры модели 27 индуктора 2 оказываются настроены в соответствии с параметрами самого индуктора, т. е. активное и индуктивное сопротивление 27 пропорциональны соответствующим сопротивлениям 2, так как пропорциональны токи, протекающие через них, и равиы фазы этих токов относительно соответствующих напряжений, т. е. как было указано выше м -н. м Напряжения исто шиков питания модели и силового резонансного контура должны , быть пропорциональны с коэффициентом к , а частоты равиы. Таким образом, экстремум кривой блока 21 соответствует равенству сигналов датчиков 18 VI 29, а. также 19 и 26, которые подаются на компараторы соответственно 23 и 25, на выходах которых появляются сигналы, в результате чего возникает сигнал на выходе элемента И 35, который запускает генератор тактовых импульсов 36. Блок 36 выдает тактовые . импульсы на счетный вход счетчика 40. В результате, изменения состояния выхода 40 при помощи электронных ключей 41-44 производится перекоммутация конденсаторов 45 - 48 до тех пор, пока модель 28 настроена в состояние токового резонанса (cos ). При достижении этого состояния сигнал датчика 37 фазового рассогласования тока и напряжения источника питания 38 равен нулю, что является сигналом прекращения работы генератора 36, в результате счет прекращается. Состояние выхода счетчика 1эписывается некоторым двоичным числом А. Так как конденсаторы 45-48 подобраны так, что каждые два соседние состояния выхода счетчика 40 соответствуют приращению и С суммарной емкости, то величина суммарной емкости модели определяется выражением АхДС. Следовательно, для настройки силового контура 1 в токовый резонанс необходимо, чтобы суммарная емкость конденсаторов 3 6 была равна величине Ах А С х К . Емкость ко1щепсаторов 3-6 пропородональиа величине емкости конденсаторов 45-48, коэффициент пропорциональности К. Следовательно достатошо перевести контакты 55-58 в состоя ше чтобы выполт1ть поставленную задачу. После выдержки времени, необходимой для разрядки конденсаторов 3-6, синхрошзатор 16, нереком мутируя контакты 76-78, выдает импульс на цифровой блок памяти 49, которь1й сбрасы вает записанное ранее число и запомшгает ново состояние выхода счетчика А, соответственно происходит переключение коммутирующих элементов 51-54, которые перекоммутиругат свои контакты 55-58. После того, в результате срабатывания контакта 79 выключается исТОЧ1ШК питания 9, а переключатель 13 устанав ливается в замкнутое состояние, вновь замыка контур регулирования в малом - При новом превышении выходным сигналом датчика 10 величины опорного напряжения устройство осу щеставляет перечисленные операции в тон же последовательности. Применеггае установки позволит экономить электроэнергаю за счет повышения точности определения суммарной компетширующсй емкости конденсаторов силового резонанс1сого контура, а также за счет исключешш режимов вторичного поиска суммарной компенсирующей емкости, что позволяет избежать излишних коммутаций в силовом резонансном контуре и тем самым повысить качество нагрева заготово и продлить срок службы нагревательной установки. Формула изобретения Индукционная нагревательная установка, содержащая истощшк питания и соединенный о ним индуктор, параллельно которому подключены, по меньшей мере две цепочки, для ступенчатого регулирования из компенсирующего ко}щенсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка для плавного регулирования, выполненная в виде последовательно соединенных конденсатора и регулируемой индуктивности, датчики тока и напряжения источника питания, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования фазы напряжения и тока источника питания, выход которого нодключен к входу интегрального переключателя, соединенного выходом с первым входом первого компаратора, второй вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, а выход - с первым входом синхронизатора, второй вход которого подключен к выходу конечного выключателя, его первый выход соединен с управляющим входом источника питания, а второй выход - с управляющим входом интегрального переключателя, электрическую модель установки, вьшолненную в виде модели источника питания и соединенной с ней модели индуктора, параллельно которой подключены цепочки для ступенчатого регулирова1шя из последовательно соединенных моделей компенсирующих конденсаторов и интегральных ключей, причем число цепочек равно таслу цепочек для cryneiPiaToro регулирования установки, датшки тока и напряжения источника питания модели, выходы которых соединены с входами даттака рассогласования тока и напряжения источника питания модели, согласующий элемент, выходы которого соединены с управляющим входом каждого из указанпьгх коммутирующих элементов, а его входы связаны с управляющими входами интегральных ключей и выходами двоично-дрсятичного счетчика, и первый конденсатор памяти, отли чающаяся тем, что, с целью повышения точности стабнпизации . коэффицие)1та мощности установки, модель ирздуктора выполнена в виде последовательно соединенных регулируемой и нерегулируемой индуктивностей и переменного резистора, а в цепь индуктора и модели индуктора включены датчики тока, выход датчика тока нндуктора подключен к первому входу дпухнолюсного управляемого ключа ц первому входу датчика угла рассогласования фазы тока и напряже1гия индуктора, к второму входу которого подключен выход датчика напряжения. источника питания, выход дапика угла рассогласования фазы тока и напряжения индуктора соединен с вторым входом двухполюсного ключа, подключенного упраиляющим входом к третьему синхронизатора, первым выходом - к nepBONiv конденсатору памяти, к первому вхолу iiioporo компаратора и первому входу формирователя экстремальной кривой, вторым выходом - к второму конденсатору памяти, второму входу формирователя и первому входу третьего компаратора, выход датчика тока модели индуктора подключен к первому входу датчика рассогласования фазы тока и напряжения модели инд ктора к третьему входу формирователя и к второму входу второго компаратора, второй вход дптЧ1 ка угла рассогласования фазы тока и напряжения модели индуктора соединен с дагшком напряжения модели источника нптания, а его выход - с четвертым DXOAONT формирователя и вторым входом третьего компаратора, выходы второго и третьего компараторов через элемент И соединены с первым входом генератора тактовых импульсов, второй вход которого связан с выходом датчика рассогласования фазы тока и напряжения истофн ка питания модели, а выход -. с первым входом 11974 двонюо-десятичлого счетчика, второй вход которого соединен с четвертым выходом синхронизатора, между выходом счетчика и входом согласующего элемента включен блок памяти , управляющий вход которого соединен с пятым выходом синхронизатора, шестой выход которого подключен к первому входу оптимизатора, соединенного вторым входом с выходом формирователя, а выходами - с управляи)йи входами регулируемой индуктивности еременного резистора модели индуктора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке 2800358/07,- кл. Н 05 В 6/06, 1979. 2,Авторское свидетельство СССР по заявке 2814545/07, кл. Н 05 В 6/06, 19.03.80.

ах/.

70

74

U

Вш. I

72 6 во;х2.

Вл2

80

73

68

бшЗ.

L

62

т

75

й/х4.

71

69

иг.2