Индукционная установка для нагреваметаллов

Трудово Кирова Красного ЗнамениОбъединение "Машинина 1 ордена им. С,М авод им олите с троитФл(54 КЦИОННАЯ УСТАНОВМЕТАЛЛОВ ГРЕВА Изобретермии и м енных предтного соп ва и пла случаях ши Уральск 1) ЗаявителИ . институие относится к электро т быть применено для нметаллов, особенно вого изменения сопротив ления нагрузочного контураИзвестна установка для индукционного нагрева металлов, содержащая тиристорный преобразователь частоты, индукционный нагреватель-индуитор и компенсирующий конденсатор, подключенный параллельно индуктору. В этой установке тиристорный преобразователь частоты выполнен со звеном постоян= ного тока и состоит из выпрямителя, фильтра и инвертора, к выходным вы. водам которого присоединен индукционный нагреватель. Индукционный нагреватель и подключенный к нему компенсирующий конденсатор образуют нагрузочный колебательный контур установкиОднако тиристорные преобразовате" ли частоты надежно работают и отда,ют номинальную мощность в нагрузку лишь при вполне определ елах изменения эквивален ротивления нагрузки.Наиболее близкой по техническойсущности к предлагаемой является индукционная установка для нагрева металлов, содержащая источник питания в виде тиристбрного преобразователя частоты со звеном постоянного тока, к выводам которого непосредственно подключен инвертирующий мост, а че" рез фильтровый конденсатор-индукор, компенсирующий конденсатор и через, по меньшей мере, один ключ добавочный компенсирующий конденсатор и 5блок управления, вход которого связан с выходом датчика рассогласования.В этой установке от датчика рассогласования блок управления дает команды на подключение добавочной коммутирующей емкости, причем в качестве источника питания может быть использован любой тиристорный преобразователь частоты 2 .50 3 8517Недостатком установки является то, что при значительных изменениях эквивалентного сопротивления нагрузки и частоты возможен срыв инвертирования. Кроме того при подключении незаряженных конденсаторов происходят большие броски тока, что может вывести из строя тиристоры преобразователя, снижая надежность работы преобразователя. 10Цель изобретения - повышение на дежности работы установки.Дпядостижения поставленной цели параллельно ключу и последовательно с добавочным компенсирующим конденсатором. подключена по меньшей мере, одна)уепочка из дополнительного ключа и демпфирующего резистора, а датчик сигнала рассогласования выполнен в виде .цепочки из дросселя, начало и конец которого связаны с указанными выводами звена постоянного тока через пос-, ледовательно включенные секцию первичной обмотки трансформатора тока и конденсатор, начало дросселя дополнительно связано с отрицательным выводом звена постоянного тока через обратно включенный вентиль, а конецс положительным выводом через вентиль, включенный в прямом направле- З 0 нии, причем выходом датчика рассогласования служит вторичная обмотка трансформатора тока.Кроме того, сцелью увеличения быстрсдействия ключи выполнены полупроводниковьпж, например, на двух включенных встречно-параллельно управляемых вентилях.С целью упрощения блока управления полупроводниковые ключи выполне ны встречно-параллельно управляемом и неуправляемом вентилях. Причем с целью снижения установленной мощности вентилей параллель но полупроводниковым ключам включей контактный 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 - различные вариан)ты подключения компенсирующей емкости.55Установка содержит источник пита ния в виде тиристорного преобразователя частоты со звеном постоянного тока, выполненным на тиристорах 1-6 91 фс фильтровыми лросселями 7, К выводам звена подключен инвертирующий мост 8 и через фильтровый конденсатор 9 индуктор 19 и компенсирующий конденсатор 11.Инвертирующий мост состоит из коммутирующих дросселей 12-15, коммутирующего конденсатора 6 и вентильных блоков 17-20. К выводам звена подключен также датчик рассогласования, содержащий конденсаторы21 и 22, дроссель 23, секции 24 и 25первичной обмотки трансформатора тока, вентили 26-27, связывающие конец и начало дросселя с упомянутымивыводами, Вторичная обмотка 28 трансфор оратора тока является выходом датчика и подключена на вход 29 управления,Добавочный компенсирующий конденсатор 30 подключен к индуктору 10 через электрические контактные клю - чи 31-33, причем последовательно с контактными ключами 3 и 32 включены дополнительные резисторы 34 фи 35 разной величины, Электрические контактные ключи 31-33 могут бытьвыполнены полупроводниковыми бесконтактными ключами на тиристорах36-41, Ьесконтактные ключи могутбыть завунтированы электрическимконтактным ключом 42. Последовательно с бесконтактными ключами для облегчения работы тиристоров включенынасьппающиеся дроссели 43-45. В варианте на фиг.4 полупроводниковыеключи выполнены на тиристорах 36,38, 40 и неуправляемых вентилях 4648. В общем случае число ключей может быть другим, например большетрех. Установка работает следующим образом.Через выпрямитель заряжаются конденсаторы 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 высокочаатотный импульс тока по цепи 9-12-17-16- 20-15-10 и 11-19. Через нагрузочный колебательный контур О и 11 этот импульс протекает снизу вверх. После прекращения импульса тока через тиристоры отпираются встречно-параллель5 851791 6 ные вентили этих блоков 17 н 20 ичерез них в обратную сторону протекает импульс тока по той же цепи 16-172-9-10 и 11-15- 20-16, в результатечего конденсатор 16 частично заряжает 5ся. Через нагрузочный контур 10,11этот импульс высокочастотного токапротекает сверху вниз, т.е. ток сменяет первоначальное направление. Затем отпираются очередные тиристорыблоков 18 и 19. Очередной импульстока протекает по цепи 9-13-18-16-1914-10 и 11-19. После прекращения этого импульса тока отпираются встречно-параллельные вентили этих же блоков 18 и 19 и через них в обратнуюсторону протекает импульс тока отчастичного разряда конденсатора 16по цепи 16-18-13-9-10 и 11 - 14-19- 16.Таким образом, при поочередномотпирании тиристоров вентильных блоков 17,20 или 8,19 через нагрузочный яолебательный контур 10,11 протекает высокочастотный переменный ток.При нагревании стальных заготовок 25существенно, изменяется частота контура нагрузки, и при частотном регулировании инвертора часто не удаетсяполучить удовлетворительных результатов. В ряде технологических режимов вообще недопустимо регулирование выходной частоты, и тогда режимработы преобразователя оказываетсянарушенным, а мощность и напряжениена выходе преобразователя весьма 35 45 малыми,Чтобы поддержать на высоком уровне напряжение и мощность на выходе преобразователя, необходимо в процессе нагрева стальных заготовок из менять частоту нагрузочного контура инвертора, например, подключая к индуктору или отключая от него дополнительный компенсирующий конденсатор. В предлагаемой установке добавочный компенсирующий конденсатор 30 подключается к уже имеющемуся компен. сирующему конденсатору 11 во время работы преобразователя к клеммам С и К . 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 вели- чины, включая ключи 31-33 последовательно один за другим. Резистор 34 следует брать более высокоомным. Отключение производится в обратнойпоследовательности. При этом не возникает опасных токов в переходныхрежимах при подключении и отключениидополнительного компенсирующего конденсатора 30, что имеет место приего коммутации без дополнительныхрезисторов 34 и 35, Последний ключ33 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(8-1 ОкГци 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 тиристора36-41 последовательно с двумя клнвключены резисторы 34 и 35. Тиристорные ключи включаются последовательно: сначала ключ в цепи резистора 34,затем ключ в цепи резистора 35, азатем ключ на тиристорах 40 и 41,непосредственно присоединяющий конденсатор 30 к индукционному нагревателю 10. Сопротивление резистора 34йакже должно быть больше, чем у резистора 35. Так как через тиристоры 40и 41 протекает полный ток дополнительного компенсирующего конденсатора 30;.то эти тиристоры следует выбиратьна соответствующий рабочий ток. Остальные тиристоры 36-39 следует выбирать на меньший ток, так как они работают лишь кратковременно и, крометого, их ток ограничен резисторами34 и 35.Чтобы снизить установленную мощность тиристоров 40 и 41, а следовательно, и стоимость ключа на этихтиристьрах, параллельно всем бесконтактным ключам можно подсоединитьконтактный электрический ключ 42,который включался бы не после включения всех бесконтактных ключей,а раньше бесконтактных ключей. Приэтом быстродействие процессов подключения или отключения дополнительногокомпенсирующего конденсатора 30 киндукционному нагревателю 10 не уменьшается, а во включенном состоянии ос7 8517новной рабочий ток протекает черезключ 42.Чтобы снизить стоимость бесконтактиых ключей и упростить их управление, можно заменить один из тиристбров в каждом ключе неуправляемымвентилем 46,47 и 48.Ъюристоры при включении допускаютопределенную скорость нарастания тока через них. При чрезмерных скоростях нарастания тока череу тиристорыв них наблюдаются повышенные потерии снижается надежность их работы.Чтобы исключить такой недостаток,последовательно с каждым полупроводниковым ключом включен нелинейныйнасыщающийся дроссель 43-45, который, на вреь 1 я перемагничивания ограничивает скорость нарастания тока. черезтиристоры и тем самым предохраняетих от чрезмерных скоростей нарастаниятока,Цепь для формирования команд ключами, состоящая из конденсаторов 21и 22, дросселя 23, секций 24 и 25первичных обмоток и трансформаторатока и вентилей 26 и 27, выполняетв предлагаемом устройстве двойнуюроль: ограничивает напряжение на выходных выводах преобразователя и приувеличении тока через цепь вышеустановленной нормы выдает командуна срабатывание блока 29 управленияключами.Как только напряжение на выходных выводах иивертора в режиме резонанса по амплитуде превьппает половину напряжения источника питания,т,е. превьппает напряжение на конденсаторах 21 или 22, сразу через вентили 26 и 27 и обмотки 24 и 25 протекает импульс тока по цепям 10 и11-22-25-27-9-10 и 11 1 О и 11-2824-21-9-10, а их разряд компенсируется током заряда от выпрямителя,причем ток заряда протекает по упомянутой цепи сверху вниз через элементы 21-24-23-25-22. Если в режимерезонанса ток в обмотках 24 и 25достигает определенной заданной ве- щличины, ток вторичнойобмотки 28оказывается достаточным для срабатывания блока 29 управления ключами,При срабатывании блока 29 управленияпоследовательно включаются электрические контактные ключи 31-33 илизаменяющие их бесконтактные электрические ключи, выполненные на тиристорах или .на тиристорах и неуправляе 91 8мых 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 процессподключения дополнительного компенсирующего конденсатора к индукционному нагревателю. Формула изобретения1. 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 конденсаториндуктор, компенсирующий конденсатор и через, по меньшей мере, один ключ добавочный компенсирующий конденсатор и блок управления, вход которого связан с выходом датчика рас-, согласования, о т л и ч а ю, щ а яс я тем, что, с целью повышения надежности работы установки, парал" лельно ключу и последовательно с добавочным компенсирующим конденсатором подключена, по меньшей мере, одна851 цепочка из дополнительного ключа идемпфирующего резистора, а датчиксигнала рассогласования выполнен ввиде цепочки из дросселя, начало иконец которого связаны с указаннымивыводами через последовательно включенные секцию первичной обмоткитрансформатора тока и конденсатор,начало дросселя дополнительно связано с отрицательным выводом звенапостоянного тока через обратно включенный вентиль, а конец - с положительным выводом через вентиль, включенный в прямом направлении, причемвыходом датчика рассогласованияслужит вторичная обмотка. трансформатора тока.2. Установка по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью увеличения быстродействия, ключи выполнены полупроводниковыми, например, на двух включенных встречно-параллельно управляемых вентилях.3. Установка по п,1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью упро 791 1 Ощения блока управления, полупроводниковые ключи выполнены на включег- ных встречно-параллельно управляемоми неуправляемом вентилях.4. Установка по пп.1-3, о т л и 5ч а ю щ а я с я тем, что, с цельюснижения установленной мощности вентн"лей, параллельно полупроводниковымключам включен контактный ключ.5. Установка по пп.1-4, о т л ич а ю щ а й с я тем, что, с цельюповышения надежности работы полупроводниковых ключей, последовательнос каждым из них включен дроссель насыщения,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. "Электротехническая промышленность. Информационный науч.-техн.щ сборник. Сер. "Электротермия",вь 1 п. 11, И., 1971, с.7-8.2 Гитгарц Д.А. и Иоффе Ю.С.Новые источники питания и автоматика индукционных установок для наг 25 рева и плавки. И., "Энергия", 1972851 791 Составитель О. ТурпакРедакторфб. Петраш Техред А.Бабинец Корректор М. Шароши П "Патент" Ужгород, ул. Пр Фили ная Заказ б 398 88 Тираж 889 ВНИИПИ Государственного ком по делам изобретений и от 113035, Москва, Ж, Раушск