Индукционная нагревательная установка

Союз СоветскихСоциалистическихРеспубянк ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ 1 вСТВУ 1 л 974606(28) Приоритет по делам иэобретеиий и открытийДата опубликования описания 15.11.82 Ю, Н. Бойков, Н. В. Дилигенский, Л. Г. Дымова,Г. А. Шеркцн, И. Л, Шитарев ц О. Н. Турпак(72) Авторы изобретения Куйбышевский политехнический институт им. В. В. Куйбыртеваи Всесоюзный научно - исследовательский, проектно - конструктарскииц технологический институт электротермпческого оборудования(54) ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА 1Изобретение относится к электротермии и может быть использовано при нагреве перед пластической деформацией, плавке, термообработке изделий и т. д.Известны индукционгцле нагревательные ус. тановки, в которых для поддержания в силовом контуре режима резонанса токов используют управляемые индуктивности, либо дискретно коммутируемые силовые конденсаторы, причем поиск параметров настройки силового1 О контура ведется непосредственно в самом контуре 11.Наиболее близкой по технической сущности является индукционная нагревательная установка, содержащая источник. питания и соединенный с цим индуктор, параллельно которому подключецы по меньшей мере две цепочки для ступенчатого регулирования из компенсирующего конденсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка для плавкого регулирования, выполненная в виде последовательно соединенных конденсатора и регулируемой ин. дуктивности, датчики тока и напряжения источника питания, выходы которых соединены 2с входами датчика рассогласования фазы напряжения и тока источника питания, выход которого подк:почел к входу интегрального переключателя, соединенного выходом с первым входом первого компаратора, второй вход котоРого связан с выходом исто шика опорного напряжения, а выход с первым входом синхронизатора, второй вход которого подключен к выходу конечного выключателя, его первый вы. ход соединен с управляющим входом истоюш. ка литания, а второй выход с управляющим входом интегрального переключателя, электрическую модель установки, выполненную в виде модели источника питания и соединенной с ней модели ицдуктора, параллельно которой под. ключены цепочки для ступенчатого регулирова. ния из последовательно соединенных моделей компенсирующих конденсаторов и интегральных ключей, причем число цепочек равно числу цепочек для ступенчатого регулирования уста. ловки, дат щки тока и напряжения источника питания. модели, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования тока и напря. жеция источника питания модели, согласующий974606элемент, выходы которого соединены с управ.ляющим входом каждого иэ указанных комму. тирующих элементов, а его входы связаны с управляющими входами интегральных ключей и выходами двоично-десятичного счетчика, и первый конденсатор памяти 11.В режиме малых отклонений соя Ч(не более 5%) процесс его стабилиззции осуществля. ется в замкнутой системе - силовой резонан.сцый контур индукционной установки - датчик 10 фазового рассогласования напряжения и тока источника питания - регулируемая индуктив.ность, При больших возмущениях (более 5%) устройство автоматически настраивает силовой резонансный контур в токовый резонанс путем 15 изменения величицы суммарной емкости ком.пецсирующих конденсаторов, которая предварительно отыскивается на электрической модели индукционной установки.При индукционном нагреве ферромагнитных 20 материалов величина эквивалентной магнитной проницаемости загрузки,ц претерпевает зцачительные изменения в зависимости от темпе.ратуры нагреваемого металла, например лри нагреве стали эквивалентная величина магнитной 25 проницаемости изменяется в пределах ,О.э 1 - 80. Кроме того, в процессе индукционного нагрева изменяется удельное сопротивлениецагреваемого металла Ч . Соответственно изменяются и эцзчеция индуктивного Х, и активного у сопротивлений системы 1 пщуктоц - ме. талл, которые зависят от,й. и рЭлектрическая модель в известной ицдукци. онцой установке является этало 1 шой, и активноез также индуктивное сопротивление модели35 ицдукторз остаются постоянными в течение всего процесса нагрева, Отсутствие перенастройки параметров модели ицдукторз при изменении в процессе нагрева параметров системы индуктор - металл приводит к неточности в оп рсдслецци цз модели суммарной компенсирующей емкости силового резонансного контура индукционной установки и соответственно неточной его цзстройкс в токовьсй резонанс.В режимах, связанных с переходом темпера.45 туры цзгрсвзсмого металла через точку Кюри, величина коэффициента мощности индукционной печи изменяется приблизительно ца 40%. Поэгому при выборе усредненных значений ак. тшгцого г и индуктивного Х сопротивлений модели ицдукторз в указанных режимах в результате ошибки определения ца модели суммзрцой компецсирующей емкости после включения источника питания отклонение коэф. фициецтз мошцости от эзпзицого уровня (св Ч - 1) составит це менее 10% и поиск компсцсируцццей емкости цз шется эзцово, причем лостзточцзя точность стабилизации коэффициента мощности (г. е.5%) может быть не достигнута и вторично. Таким образомзатягивается время регулирования, а такжеувеличивается количество коммутаций в силовомрезонансном контуре.Цель изобретения - повышение точностистабилизации коэффициента мощности установ.ки,Поставленная цель достигается тем, чтомодель индуктора выполнена в Виде последова.тельно соединенных регулируемой и нерегулируемой ицдуктивностей и переменного резис.тора, а в цепь ицдуктора и модели индукторавключены датчики тока, выход датчика токаицдуктора подключен к первом входу двухполюсного управляемого ключа и первомувходу датчика угла рассогласования фазытока и напряжения индуктора, к второму входукоторого подключен выход датчика напряжения источника питания, выход датчика угларассогласования фазы тока и напряжения индукторз соединен с вторым входом двухполюсного ключа, подключенного управляющимвходом к третьему выходу синхронизатора,первым выходом - к первому конденсаторупамяти, к первому входу второго компаратора .и первому входу формирователя экстремальной кривой, вторым выходом - к второмуконденсатору памяти, второму входу формирователя и первому входу третьего компаратора,выход датчика тока модели индуктора под.ключец к первому входу датчика рассогласования фазы тока и напряжения модели индуктора, к третьему входу формирователя и к второму входу второго компаратора, второйвход датчика угла рассогласования фазы токаи напряжения модели индуктора соединен сдатчиком напряжения модели источника питания, а его выход - с четвертым входомформирователя и вторым входом третьегокомпаратора, выходы второго и третьегокомпараторов через элемент И соединены спервым входом генератора тактовых импульсов, второй вход которого связан с выходомдатчика рассогласования фазы тока и напряже.ция источника питания модели, а выход - спервым входом двоично - десятичного счетчика,второй вход которого соединен с четвертымвыходом синхронизатора, между выходом счетчика и входом согласующего элемента вклю.чен блок памяти, управляющий вход которогосоединен с мятым выходом синхронизатора,шестой выход которого подключен к первомувходу оптимизатора, соединенного вторымвходом с выходом формирователя, а выходамис улравляющими входами регулируемой индуктивцости и переменного резистора моделииндук тора,5 , 974На фиг. 1 изображена блок в схе установ. ки; на фиг. 2 - вариант исполнения синхрони. затора.Силовой резонансный контур 1 индукцион. ной установки состоит из индуктора 2, компен. сирующих конденсаторов 3 - б, цели последова. тельно соединенных конденсатора 7 и регулируемой индуктивности 8, взаимно скомпененрован. ных для статического режима работы установки, и соединен с источником питания 9 и датчиком;10 фазового рассогласования тока и напряже. ния источника питания через трансформатор на. пряжения 11 и трансформатор тока 12, Выход датчика 10 в замкнутом состоянии интегрально го переключателя 13, например тина 701 МЛЗЗА,5 соединен с первым входом первого компара. тора 14, например типа 521 Са 2, и регулируемой индуктивностью 8, которая представляет собой, например, магнитный усилитель, работаю,. щий в режиме дросселя наеыщения. Второй 20 вход компаратора 14 соединен с вьподом источника опорного напряжения 15, вььполненного, например, на стабилизаторе накряжения типа 701 МП 22. Выход компаратора 14 соедицен с первым входом синхронизатора 6, второй 25 вход которого соединен с выходом конечного выключателя 17. Нервый выход синхронизатора 16 соединен с входом источника питания 9, второй выход - с управляющим входом интегрального переключателя 13. ЭОВходы датчика 18 фазового рассогласова. ния тока и напряжения индуктора 2 соединены с выходом трансформатора напряжения 11 и трансформатора тока 19 индуктора 2. Выход датчика 18 в замкнутом состоянии коммутиЭ 5 рующего элемента 20, выполненного, например, на интегральном ключе типа 701 МЛЗЗА, соеди. нен с первым входом формирователя экстре. мальной кривой 21. Формирователь экстремальной кривои 21 выполнен на операционных уси 40 лителях, например, типа, К 14 ОУД 6 аналогично формирователю системы управления процессом нагрева с использованием моделирующего устройства. Первый вход блока 21 соединен также с первым конденсатором памяти 22 и первым45 входом второго компаратора 23, например типа 521 СА 2. Второй вход блока 21 соединен с вторым конденсатором памяти 24 и первым входом третьего компаратора.25, например типа 521 СА 2, а также в замкнутом состоянии коммутирующего элемента 20 с выхо 50 дом трансформатора тока 19, Третий вход блока 21 соединен с датчиком 26 тока модели 27 индуктора 2 электрической модели 28, а также с вторым входом компаратора 25.Четвертый вход блока 21 соединен со вто. рым входом компаратора 23 и выходом датчика 29 фазового рассогласования тока и напряжения модели 27 индуктора 2. Входы датчика 606 б29 соединены с выходом трансформатора 30напряжения источника питания модели, кото.рое является также напряжением модели 27индуктора 2,и выходом датчика 26 тока мо.5 дели 27Выход блока 21 соединен с первым входомавтоматического оптимизатора 3. Второйвход блока 31 соединен с третьим выходомсинхронизатора 1,6, четвертый выход которогосоединен с унравляющим входом коммутирую.щего элемента 20. Иервый и второй выходыблока 31 соединены соответственно с входамирегулируемых индуктивности 32 резистора 33модели 27 индуктора 2, Регулируемая индук.тивность 32 представляет собой маломощныймагнитный усилитель, работающий в режимедросселя насыщения, Иеременный резистор ЗЗплавно изменяет величину своего сопротивле.ния в зависимости от уровня управляющегосигнала и может быть реализован, например,.на полевом транзисторе. Модель 27 индуктора2 содержит также нерегулируемую индуктав.ность 34, представляющую собой дроссель,активное и индуктивное сопротивление котся.го соответствуют минимальным значениям этихсопротивлений для индуктора 2, Выходы компараторов 23 и 25 соединены с входами элементаИ 35, например типа К 155 ЛАЗ, выход которого соединен с первым входом генератора такто.вых импульсов 36, второй вход которого сое.динен с выходом датчика 37 фазового рассогла.сования тока и напряжения источника 38 пита.ния модели 28. Входы датчика 37 соединеныс выходами датчика 39 тока и датчика 30 на.пряжения источника 38 питания модели 28.Выход генератора 36 соединен с первымвходом нереверсивного двоично - десятичногосчетчика 40, например, типа К 55 ИЕ 2, выходыкоторого соединены с управляющими входамиинтегральных ключей 41 - 44, например, типа701 МЛЗЗА, установленных последовательно сконденсаторами 45-48 модели 28, Выходысчетчика 40 соединены также с входами блокапамяти 49. Например, цифрового блока. Выходы блока 49 через согласующее устройство 50,содержащее четыре усилителя мощности, вы.полненные, например, на транзисторах, соединены с коммутирующими элементами 51 - 54, кон. такты которых 55 - 58 расположены в цепях компенсирующих конденсаторов 3 - 6 силового контура установки. Второй вход счетчика 40 соединен с пятым выходом синхронизатора 16, шестой выход которого соединен с разрешаю.шим входом блока памяти 49.Синхронизатор 16 представляет собой блок, определяющий логику работы устройства, и со. держит иеточники питания 59-62, коммутиру. ющий элемент 63 с контактами 64 - 69 в реле времени 70, 71 соответственно с контакгаьчи7 9746072 и 73 - 79, Источник питания 62 соединен среле 70 через контакт 80 конечного выключа.тели 17,Устройство работает следующим образом.При поступлении очередной заготовки внндуктор 2 конечный выключатель 17 замыкаетсвой контакт 80, подавая напряжение на реле70, которое замыкает свой контакт 72, подаваянапряжение источника 59 на переключатель 13,В результате чего он срабатывает, При зтом 10стабилизация коэффициента мощности печипри малых возмущениях происходит в контуресиловой резонансный контур 1 индукционнойустановки - датчик 10 фазового рассогласования тока и напряжения источника питания 9 - 151регулируемая . индуктивность 8, если выходнойсигнал датчика 10 не больше опорного напряженин на выходе 15, если же эти сигналыравны или выходной сигнал 10 больше опорного напряжения, срабатывает компаратор 14, ко тарый подает напряжение на коммутирующийэлемент 63, который размыкает свой контакт64, размыкая тем самым контакт переключате.ля 13 и разрывая контур регулирования вмалом.Одновременно 63 замыкает свой контакт 2565 и с выдержкой времени перекоммутируетконтакты 66 и 67, в результате чего на счетчик 50 подается сбрасываюший импульс, устанавливая его выходы в нулевое состояние.Индуктивное сопротивление управляемой ин- ЗОдуктивности 8, представляющей собой магнитныйусилитель, за счет заранее выбранного сигнала .Иа обмотке смещения принимает значение равное по абсолютной величине реактивному со.противлению конденсатора 7, что равнозначноотсутствию этих элементов в резонансном кон..туре 1, поэтому в модели 28 они не учитываются.Далее синхронизатор устанавливает контактыдвухполюсного коммутирующего элемента 20в замкнутое состояние, замыкая контакт 68 ис выдержкой времени, необходимой для запоминания выходных сигналов датчика 18 итрансформатора 19 на конденсаторах памяти,соответственно 22 и 24, размыкает контактыэлемента 20, размыкая контакт 73. При этом.происходит запоминание сигналов действую.щего значения тока индуктора и его фазы отно.сительно питающего напряжения источника 9,После чего синхронизатор 16, размыкая контакт73, выключает источник питания 9 для осуществления разряда конденсаторов 3 - 6. Синхронизатор 16, замыкая контакт 75 (рис, 3),подает запускающий сигнал на автоматическийоптимизатор 31, который начинает осуществлять55автоматический поиск экстремума кривой,сформированной блоком 21. Формировательэкстремальной кривой 21, на входы которогоподаются сигналы датчиками 18 и 29 фазового рассогласования напряжения и тока соответ. ственно индуктора 2 и его модели 27, а также сигналы с датчика 19 тока индуктора 2 и дат. чика,.26 тока модели 27, формирует харак. теристику вида Р =Эм-Л н +Рм - сРн имеющую глобальный экстремум в точке 2 =К,ЗН, Ч, = Ю где Зи Э - действую.щие значения токов соответственно индуктора 2 модели 27,Чн и .м соответственно фазы, этих токов относительно Питающих напряжений силового контура 1 и модели 28, К - коэф. фициент пропорциональности. Поиск экстремума кривой, формируемой блоком 21, ведется пу. тем 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 ипдуктора, т, е. активное и индуктивное сопротивление 27 пропорциональны соответствующим сопротивлениям 2, так как пропорциональны токи, протекающие через них, и равны фазы этих токов относительно соответствующих напряжений, т. е, как было указано выше м н м нНапряжения источников питания модели и силового резонансного контура должны быть пропорциональны с коэффициентом а частоты равны.Таким образом, экстремум кривой блока 21 соответствует равенству сигналов датчиков 18 и 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 па 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 (соз Ч - 1). 11 ри 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 описывается некоторым двоичным числом А. Так как конденсаторы 45 - 48 подобра. ны так, что каждые два соседние состояния выхода счетчика 40 соответствуют приращению й С суммарной емкости, то величина суммарной емкости модели определяется выражением Ах Ь С, Следовательно, для настройки силово. го контура 1 в токовый резонанс необходимо, чтобы суммарная емкость конденсаторов 3 - 6 была равна величине АхЬСх К 1 . Емкостькощепсаторов 3 - 6 пропорциональна величине емкости конденсаторов 45 - 48, коэффициент пропорциональности К . Следовательно достаточно перевести контакты 55 - 58 в состояние А., чтобы выполнить поставленную задачу, После 5 выдержки времени, необходимой для разрядки конденсаторов 3 - 6, синхронизатор 16, перекоммутируя контакты 76-78, выдает импульс на цифровой блок памяти 49, который сбрасывает записанное ранее число и запоминает новое О состояние выхода счетчика А, соответственно происходит переключение коммутирующих элементов 51 - 54, которые перекоммутируют свои контакты 55-58. После того, в результате срабатывания контакта 79 выключается цс точцик питания 9, а переключатель 13 устанавливается в замкнутое состояние, вновь замыкая контур регулирования вчмалом" с. При совом превышении выходным сигналом датчика 10 величины опорного напряжения устройство осу шеставляет перечисленные операции в той же последовательности.Применение установки позволит экономить электроэнерпсю за счет повышения точности определения суммарной компенсирующей емкости конденсаторов силового резонансногоч контура, а также за счет исключения режимов вторичного поиска суммарной компенсирующей емкости, что позволяет избежать излишних коммутаций в силовом резонансном контуре ц 30 тем самсм повысить качество нагрева заготовок и продлить срок службы нагревательной установки.Формула изо бретецияИндукционная нагревательная установка, содержащая исто псик питания и соединенный с ним ицдуктор, параллельно которому под ключены, по мецыцсй мере две цепочки, для ступенчатого регулирования из компенсирующего конденсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка для плавного регулирования, выполненная в виде последовательно соединенных конденсатора и регулируе.мой индуктивности, датчики тока и цапряже.ния 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 комлзрзторз, второй; вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, а выход - с первым55 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,выполненную в виде модели источника питанияи соединенной с ней модели индуктора, парал лельно которой подключены цепочки для ступенчатого регулирования из последовательносоединенных моделей компенсирующих кондеи.саторов и интегральных ключец, причем числоцепочек равно числу цепочек для ступенчатогорегулирования установки, датчики тока и на.пряжения источника питания модели, выходыкоторых соединены с входами датчика рассог ласовацця тока и напряжения источника питаниямодели, согласующий элемент, выходы которогОсоединены с управляющим входом каждого иэуказасссх коммутирующих элементов, а его входы связаны с управляющими входами ицтегрзльцых ключей и выходзмц двоичцо - десятичного счетчика, и первый конденсатор памя.ти,отлц чающаяся тем,что,с целью повышения точности стабилизации.коэффициента мощности установки, модельцндукторз выполнена в виде последовательносоедипеццых регулируемой ц цсрегулируемойиндуктивцостей ц переменного резистора, зв цепь индуктора и модели цщуктора вклю челы датчики тока, выход датчика тока ццдукторз подключен к первому входу двухполюсного управляемого ключа и первому входу дзтчцкз угла рассогласования фазы тока цнапряжения ицдукторз, к второму входу кото.рого подключен выход датчика напряжения. источника питзцця, выход датчика угла рассогласования фазы тока и напряжения ццлуктора соединен с вторым входом двухполюсного ключа, полключеццосо управляющим входом к третьему выходу синхронизатора, первым вы. ходом - к нсрвому конденсатору памяти, к первому вхо;у второго компзрзторз ц цер. вому входу формировзгеля экстремальной кривоц, вторым выходом - к вгороьсу конденсатору памяти, второму входу формирователя ц первому входу трссьсго комцзрзторз, выход датчика тока модели шсдукторз пол. ключсц к первому входу дзгцикз рзссоглзсовз нця фазы тока и напряжения модели ццдукторз к третьему входу формирователя и к второму . входу второго компараторз, второй вход лзт. чика угла рассогласования фазы тока и цз. пряжсцця модели ицдукторз соединен с датчиком сацряжсция модели источника цитзцця, а его выход - с четвертым входом формцровзтеля и вторым входом третьего компзраторз,выходьвторого ц третьего компзрзторов через элемент И соединены с первым входом генератора тзктовых импульсов, второй входкоторого связан с выходом датчика рзссоглз.сования фазы тока и напряжения источникаццтзция модели, а выход - . с первым входомдвоично - десятичного счетчика, второй входкоторого соединен с четвертым выходом синхронизатора, между выходом счетчика и входом согласующего элемента включен блок па.мяти, управляющий вход которого соединен 5с пятым выходом синхронизатора, шестой выходкоторого подключен к первому входу оптимизатора, соединенного вторым входом с выходом формирователя, а выходами - с управля. ющими входами регулируемой иидуктивностии переменного резистора модели индуктора. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2800358/07; кл. Н 05 В 6/06, 1979,2, Авторское свидетельство СССР по заявке Н 2814545/07, кл. Н 05 В 6/06, 19.03.80..г,О Техред С.Мигунова Корректор М. Демчик дак лесникова каз 8737/79 исное Тираж 862 ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж.35, Раушская наб., илиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,4 ых 1,доим.