Установка для индукционного нагрева металла

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИН 14033 6 0 а 1 4 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ исти ОГО НАлектро индук ения -и при Об и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ТОРСКОМУСВИДЕТЕЛЬСТ(57) Изобретение относится ктехнике, а именно к установкционного нагрева, ЦЕль изобреснижение потерь электрознерги индукционном нагреве и плавке ферромагнитных материалов. Устройствосодержит тиристорный выпрямитель 1блок 2 управления выпрямителем, инвертор 3, индуктор 4, датчик температуры 25, которым контролируетсятемпература нагреваемого металла,нелинейные блоки вычисления 23, 24,26, преобразующие сигнал с датчикатемпературы 25, третий сумматор 27в котором суммируется сигнал о теку. щем состоянии объекта с заданием.. Результирующее значение поступаетна блок 2 управления выпрямителбм,что приводит к изменению режима работы преобразователя 11, питающего,индукционную установку. Подробноописаны блоки вычисления 23, 24,26, 5 ил, 1403389Изобретение относится к электротермии и может быть использованопри индукционном нагреве и плавкеферромагнитных металлов в тигельныхпечах при питании их от статическихпреобразователей частоты.Целью изобретения является снижение потери энергии при нагреве иплавке ферромагнитных металлов, 1 ОНа фиг. 1 изображена блок"схемаустановки; на фиг. 2 - схема второгоблока; на Фиг. 3 - схема блока вычисления удельного сопротивления; нафиг, 4 - схема блока вычисления магнитной проницаемости; на фиг. 5 -,схема блока вычисления мощностиУстановка содержит тиристорныйвыпрямитель 1 с блоком управления, выпрямителем 2, инвертор 3, индуктор4, компенсирующий конденсатор.5, дат-чик фазы 6, датчик напряжения 7, датчик тока 8, интегратор 9, датчикмощности 10, преобразователь 11, пер,вый сумматор 12, первый блок компен:сирующей обратной связи 13, регуляторчастоты задающего генератора 14, блокуправления коммутацией тиристоров 15,пропорциональный усилитель 16, второйсумматор 17, второй блок компенсирующей обратной связи 18, квадратичныйпреобразователь 19, первый блок умножения 20, блок извлечения корня 21,второй блок умножения 22, блок вычисления удельного сопротивления металла 23, блок вычисления магнитнойпроницаемости металла 24, датчик тем пературы 25, блок вычисления мощности, выделяющейся в металле 26, третий сумматор 27, задатчик 28.4 ОУстройство работает следующим образом.Трехфазный переменный ток выпрямляется выпрямителем 1 и далее поступает на инвертор 3, который преобразует постоянный ток в переменный однофазный, питающий индуктор 4.Индуктор 4 и компенсирующий конденсатор 5 образуют параллельный колеба"тельный контур. Для выделения на ин"дукторе максимальной полезной мощности в контуре создается резонанс таков, При этом реактивные сопротивления индуктора 4 и конденсатора 5 должны быть равными,Для обеспечения резонанса токовчастота напряжения эапитки контурадолжна быть равна резонансной частоте контура, Это обеспечивается настройкой частоты задающего генератораблока управления коммутацией тиристоров 15,При работе устройства (при нагреве и плавке металла) изменяется индуктивность индуктора 4. При этомнарушается условие резонанса токов,через индуктор начинает протекатьнескомпенсированный реактивный ток ипоявляется сдвиг фазы между колебаниями напряжения и тока в цепи ин,цуктора, т.е. соз сс 1,,Ток и напряжение в цепи индуктора4 контролируются датчиками 7 и 8,преобразуются интегратором 9, такимобразом, что на выходе датчика фазы6 вырабатывается напряжение, пропорциональное углу рассогласования поФазе между напряжением и током индуктора, Это напряжение поступаетна вход первого сумматора 12, на другой вход которого поступает сигнал свыхода преобразователя 11 датчикамощности 10 через первый узел компенсирующей обратной связи 13. Результирующий сигнал с выхода первогосумматора 12 подается на регуляторчастоты задающего генератора 14далее на блок управления коммутациейтиристоров 15, таким образом вновьобеспечивается резонанс токов в цепи индуктора 4.Для стабилизации мощности, выделяемой на индукторе 4, напряжение свыхода датчика мощности 10 поступает на первый вход второго сумматора17, на второй вход которого с выходадатчика фазы 6 поступает сигнал через второй блок компенсирующей обратной связи 18. Суммарный сигнал свыхода второго сумматора 17 черезпропорциональный усилитель 16 поступает на второй вход блока управлениякоммутацией тиристоров 15, которыйосуществляет задержку управляющихимпульсов на тиристоры инвертора 3 навремя, пропорциональное изменениюмощности, выделяемой на индукторе 4.Установка заданной мощности осуществляется изменением напряжения задания с задатчика 28, подаваемого напервый вход второго сумматора 17 ивторой вход системы управления выпрямителем 2.Компенсирующая обратная связь от датчика фазы в контуре регулирования мощности и от датчика мощности в контуре регулирования коэффициента мош 140.3389ности, позволяет добиться автономности сепаратных систем регулирования связанных величин.При возрастании коэффициента мощ 5 ности нагрузки (созд) и отсутствии компенсирующей обратной связи возрастает соответственно мощность нагрузки (Р П1 созс )При наличии компенсирующей обратной связи с увеличением сов(р сигнал датчика фазы уменьшает суммарный сигнал после второго сумматора 17. Таким образом, подбирая соответствующий коэффициент передачи второго блока 15 компенсирующей обратной связи 18, можно добиться полной независимостиот сов.Аналогичные действия происходят20 в контуре регулирования созч, т.е. при наличии первого блока компенсирующей обратной связи 13,.осуществляется независимость узла регулирования соз от мощности Р.Величина мощности, выделяющейся в нагреваемом металле, в процессе нагрева претерпевает изменения. Это обусловлено непостоянством таких параметров металла как удельное сопроЭ30 тивление 0 и магнитная проницаемость Я еВ интервале температур 15-800 С удельное сопротивление возрастает в 6-8 раз (для стали с содержаниемуглерода 0,4-0,57), при достижении точки Кюри величина магнитной проницаемости скачком изменяется до единицы. Эти факторы определяют характер изменения мощности, выделяющейся в металле, Рост мощности про- ф исходит до момента появления на поверхности металла слоя с температурой, выше критической, далее с ростом толщины слоя, нагретого до температуры выше точки Кюри, она непрерывно 45 падает и в конце нагрева имеет значение, меньшее, чем в начальный момент.Значение удельной мощности на50 поверхности металла определяется выражением:ФР = 0,993 10 з Нгде р - удельное сопротивление металла, Ои/и;ш - магнитная проницаемостьГ - частота, Гц; 42 ИН = в - - амплитуда напряженности е амагнитного поля на поверхности, А/И;у , - число витков индуктора;а - высота садки, м;1 О - ток индуктора, А.Полезная мощность, выделяющаяся в садке, равна2 ГРЮР: 0 993. 10---- 1пола иилигде Р - диаметр садки, и;К - постоянный коэффициент, учитывающий геометрические размеры.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 квадратичный 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 сопротивления металла р от температуры, таким образом значение р корректируется в процессе нагрева и сигнал, соответствующий текущему значению удельного сопротивления, поступает на гервый 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 оттемпературы. На третий вход первого блока умножения 20 поступает сигнал, пропорциональный значению частоты, с выхода регулятора частоты задающего генератора 14. С выхода блока умножения 20 сигнал, соответствующий произведению удельного сопротивления, магнитной проницаемости и частоты, пода45 50 5 14 ется на вход блока 21, в котором выполняется операция извлечения квад" ратного корня и полученный сигнал поступает на вход блока умножения 20, на выходе которого сигнал соответствует текущему значению полезной мощ- ности, выделякицейся в металле.В блоке 26 смоделирована зависимость мощности, выделяющейся в металле от температуры,Попдержание мощности в соответствии с этой зависимостью обеспечивает оптимальность процесса нагрева и Плавки металла за счет снижения потерь электроэнергии. На выходе блока 36 образуется сигнал, пропорциональный требуемому значению мощности в зависимости от температуры нагре 6 а, который поступает на первый входтретьего сумматора 27. Сигнал о текущем значении температуры подается на вход третьего нелинейного блока 26 с датчика температуры 25. На второй инверсный вход третьего сумматора 27 поступает сигнал с выхода пер-, ого блока умножения 20, соответствующий текущему значению мощности. аким образом, на выходе третьего сумматора 27 образуется сигнал, ропорциональный разности требуемойтекущей мощности в нагреваемой,садке, который подается на первый цход системы управления выпрямителем 2, на второй вход которой поступает сигнал задания,Величина мощности преобразователя частоты корректируется в процессе нагрева путем изменения напряжения вапрямителя сигналом, поступающим на тиристоры вь 1 прямителя 1 с блока управления выпрямителем 2, которым меняется угол открывания тиристоров. Сигнал на выходе блока управления 2 формируется в зависимости от разности значений требуемой и текущей мощности, выделяющейся в нагреваемой садке. Таким образом, обеспечивается регулирование мощности, подводимой к индуктору, в цикле нагрева и плавки металла, которое приводит к экономичному использованию преобразователя частоты и снижению потерь электроэнергии.В процессе нагрева контролируется изменение параметров (,р) нагреваемого металла); снижаются потери электроэнергии, более экономичный 03389 6 режим нагрева; увеличивается КПД индукционной установки..Формула изобретения 5Установка для индукционного нагрева металла, содержащая выпрямитель с инвертором мостового типа, квыходу которого подключены индуктори компенсирующие конденсаторы, дат чики тока и напряжения инвертора,выходы которых соединены с интегратором и преобразователем, выходинтегратора подключен к первому входу сумматора, второй вход которогочерез первый блок компенсирукнцейобратной связи соединен с выходомпреобразователя, а выход через регулятор частоты задающего генератора - с первым входом блока управления коммутацией тиристоров инвертора, второй вход которого через про-порциональный усилитель связан свыходом второго сумматора, первый входкоторого соединен с задатчиком, а 25 второй - с выходом преобразователя,а третий - через второй блок компенсирующей обратной связи - с выходоминтегратора, о т л и ч а ю щ а я -с я тем, что, с целью снижения по" З 0 терь энергии при нагреве и плавкеферромагнитных металлов, установкаснабжена квадратичным преобразователем, двумя блоками умножения, блоком извлечения корня, третьим сумматором, и блоками вычисления удельного сопротивления и магнитной проницаемости нагреваемого металла имощности, выделяемой в,металле, подключенными входами к датчику температуры, выходы блоков вычисленияудельного сопротивления и магнитнойпроницаемости подключены к первомуи второму входам первого блока умножения, третий вход которого соединен с выходом регулятора частотызадающего генератора, а выход - свходом 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 которогосвязан с выходом блока вычисления мощности, а выход подключен к первому входу введенного блока управления выпрямителем.1403389 Шароши орректор пнсное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужго Проектная, 4 Редактор ЦЙФВФФ Фвае 4 НВ 4 Фе Заказ 3006 Составитель О. ТурпТехред Л.Сердюкова Тираж 832 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 035, Москва, Ж, Раушская наб. д. 4