Многозонная индукционная нагревательная установка — SU 1153397 (original) (raw)
СОЮЗ СОВЕТСН 115 СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН а(5 Ц Н 05 В б/ илг ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЬСТВ ВТОРСИОМУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(72). А.В. Иванов и М.М. Мульменко (71) Уфимский ордена Ленина авиационный институт им. Серго Орджоникидзе(56) 1. Заявка Японии В 51-28134, кл. 67 Л 51, 1976.2. Авторское свидетельство СССР Нф 966840, кл, Н 02 Р 13/16, 1981.3. Авторское свидетельство СССР к: 978299, кл. Н 02 М 7/515, 1981. (54)(57) 1. МНОГОЗОННАЯ ИНДУКЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая снабженный управляемым задающим генератором инвертор, к выходу которого подключены по меньшей мере два резонансных контура, образованных индукторами зон и компенсируют щйми конденсаторами, регуляторы технологического параметра каждой зоны, датчики электрического параметра каждого контура, входы которых связаны с контурами; а выходы - с входами многоканального коммутатора с числом каналов, равным числу зон, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения производительности и увеличения точности ре"улирования температуры, в установку введены второй и третий многоканальные коммутаторы, фазовый детектор, детектор среднего значения с дополнительным входом для подключения Фильтрового конденсатора, дифференциальный усилитель, формирователь импульсов, пересчетная схема в виде двоичного счетчика, фильтровые конденсаторы и задатчики режима по числузон, при этом датчики электрическогпараметра выполнены в виде трансФорматоров тока, включенных в емкостную ветвь контуров, выход первогокоммутатора подключен к первому входу фазового детектора, второй входкоторого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединенс входом пересчетной схемы черезФормирователь импульсов и с первым входом дифференциального усилителя через детектор среднего значения, к дополнительному входу которого подключены одни концы фильтровых конденсаторов, другие концы которых соединены с входом второго коммутатора с заземленным выходом, выходы регуляторов и задатчиков режимов зон нагрева подключены к входам третьего коммутатора, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя, связанного выходом с входом задающего генератора инвертора, причем управляющие входы всех коммутаторов объединены и подключены к выходу пересчетной схемы.2. Установка по п.1, о т л и - ч а ю щ а я с я тем, что в, нее введен счетчик с предварительной установкой, включенный между Формирователем импульсов и пересчетной схемой.3. Установка по п.1, о т л и - ч а ю щ а я с я тем, что регулятор технологического параметра содержит датчик и задатчик параметра, выходы которых подклочены к входам блока сравнения, связанного выходом с вхо" дом формирователя закона управления,выход которого служит выходом регулятора, 1153397Изобретение относится к индукционному нагреву, в частности к устройствам для управления электрическим режимом многоэонной индукционной нагревательной установки, и может быть нс пользовано при создании систем управления многоиндукторными технологическими установками.Известна индукционная установка с И зонами нагрева, содержащая управля емый задающий генератор, инвертор с И нагрузками в виде резонансных контуров, образованных индукторами и компенсирующими конденсаторами, И датчиков напряжения индукторов, переключаощий механизм для подключения к выходу инвертора одного из резонансных контуров, схему запуска и переключаощую схему 1 3Недостатками этого устройства являются его сложность, связанная с необходимостью установки силовых полупроводниковых ключей в цепь каждого резонансного контура, а также узкие функциональные возможности, что обусловлено прерывистостью подачи мощности в индукторы и необходимостью начальной осцилляции для запуска каждого канапа устройства.Известна индукционная установка с двумя зонами нагрева, содержащая управляемый задающий генератор, ннвертор с двумя нагрузками в виде резонансных контуров, .образованных индукторами и компенсирующими конден саторами, два регулятора технологического параметра, два датчика напряжения индукторов, четыре компаратора, .усилители-ограничители, интеграторы и логическое управляющее уст ройство 23.В данном устройстве мощность в индукторы подается непрерывно, однако устройство сложно и работоспособно лишь при работе на два индук тора, что сужает его функциональные возможности.Наиболее близкой к предлагаемой по технической сути является многоэонная индукционная нагревательная 50 .установка, содержащая снабженный управляемым задаощим генератором инвертор, к выходу которого подключены по меньшей мере два резонансных контура, образованных индукторами зон и компенсирующими конденсаторами, регуляторы технологического параметра каждой эоны, датчики электрического параметра каждого контура, входы которых связаны с контурами, а выходы - с входами многоканального коммутатора с числом каналов, равном числу зон 3 1.Регулирование мощности, подаваемой в,отдельные эоны нагрева, осуществляется путем поочередной настройки управляемого задающего генератора на резонансные частоты каждого иэ нагрузочных резонансных контуров и изменения длительностей, работы на данной частоте в функции выходного сигнала регулятора технологического параметра (температуры). Поскольку инвертор не допускает резких скачков входного тока, процесс изменения частоты задающего генератора, должен быть плавным и длится, как правило, несколько десятков миллисекунд при частоте задающего генератора 10 кГц. Чтобы этап перехода с одной частоты на другую не занимал много временч в цикле переключения нагрузок, частота переключений должна составлять единицы герц, что ограничивает точность регулирования температуры и снижает производительность. Кроме того, .известное устройство сложно, так как в каждом канале содержит отдельную систему автоподстройки частоты на резонанс.Цель изобретения - повышение производительности и увеличение точности регулирования температуры,Указанная цель достигается тем,что в многоэонную индукционную нагревательнуюустновку, содержащуюснабженный управляемым задающим генератором инвертор, к выходу которого подключены по меньшей мере два резонансных контура, образованных индукторами зон и компенсирующими конденсаторами, регуляторы технологического параметра каждой зоны, датчики электрического параметра каждого контура, входы которых связаны сконтурами, а выходы - с входами многоканального коммутатора с числомканалов, равным числу зон, введенывторой и третий многоканальные коммутаторы, фазовый детектор, детектор среднего значения с дополнительным входом для подключения фильтрового конденсатора, дифференциальный усилитель, формирователь импульсов, пересчетная схема в виде двоичного счетчика, фильтровые конденсаторы и задатчики режима по числу зон,3 1153397 при этом датчики электрического па- драметра выполнены в виде трансформаторов тока, включенных в емкостную ветвь контуров., выход первого Ф коммутатора подключен к первому вхо- ф5 ду фазового детектора, второй входв которого соединен с выходом задающе го генератора, а выход соединен сн входом пересчетной схемы через Формирователь импульсов и с первым вхо с дом дифференциального усилителя через педетектор среднего значения, к допол- де нительному входу которого подключе- вы ны одни концы фильтровых конденсато- ро ров, другие концы которых соединены с входом второго коммутатора с зазем- ре ленным выходом, выходы регуляторов св и задатчиков режимов зон нагрева под- но ключены к входам третьего коммутато- т ра, выход которого соединен с вто сч рым входом дифференциального усилите- ус ля, связанного выходом с входом задаю- до щего генератора пнвертора, причем уп- то равляющие входы всех коммутаторов вт объединены и подключены к выходу 25 ро пересчетной схемы. даКроме того, в установку может быть гр введен счетчик с предварительной ус- де тановкой, включенный между Формирова- по телем импульсов и пересчетной схемой, де30Регулятор технологического пара- вт метра содержит датчик и задатчик тр параметра, выходы которых подключены ро к входам блока сравнения, связанного по выходом со входом формирователя за- му кона управления, выход которого слу- ду35 жит выходом регулятора. реНа фиг. 1 приведена структурнаяля схема установки с тремя зонами; на ме фиг. 2 - графики токов и напряжений, чи иллюстрирующие его работу, индексы у эо40 графиков соответствуют индексам эле- ср. ментов схемы. на Индукционная установка с тремя зонами нагрева фиг. 1) содержит уп ,равляемый задающий генератор 1, инвертор 2 с нагрузками 3-5 в виде резонансных контуров, образованных индукторами и компенсирующими конденсаторами, пересчетную схему 6, пер вый трехканальный коммутатор 7, .регуляторы 8-10 технологического параметра (температуры), датчики 11-13 электрического параметра нагрузок в видЕ трансформаторов тока, включенних в емкостные ветви резонансных кон,туров 3-5, второй и третий канальные коммутаторы 14 и 15, Фазовый етектор 16, детектор среднего знаения 17 с дополни гельным входом для одключения Фильтрового конденсатора, ильтровые конденсаторы 18-20, диференциальный усилитель 21, Формироатель импульсов 22 и задатчики 3-25 режима эон нагрева. Пересчетая схема б выполнена в виде двоичго счетчика, выходы датчиков 11-13 оединены с соответствующими входамирвого коммутатора 7, у фазовоготектора 16 первый вход соединен сходом первого коммутатора 7, втой вход - с выходом управляемого адающего генератора 1, а выход чеэ детектор среднего значения 17язан с первым входом дифференциальго усилителя 21 и через Формироваель импульсов 22 - с входом переетной схемы, у дифференциальногоилителя 21 выход соединен с вхом управляемого задающего генерара 1, а второй вход - с выходоморого коммутатора 14, входы котого связаны с соответствующими эатчиками 23, 24, 25 режима зон наева, первые выводы Фильтровых коннсаторов соединены между собой идключены к дополнительному входутектора среднего значения 17, аорые выводы подключены к входаметьего коммутатора 15, выход котого соединен с точкой нулевоготенциала, управляющие входы комтаторов 7, 14 и 15 объединены межсобой и подключены к выходам песчетной схемы 6. КаждьпЗ из регуторов 8-10 технологического паратра, например 8, состоит из задатка 26, датчика 27, связанного сной нагрева нагрузки 3, блока 28авнения и формирователя 29 эакоуправления, причем выходы регуляторов 8-10 связаны с соответствующими входами второго коммутатора 14.Выход Формирователя импульсов 22 связан с входом пересчетной схемы 6 через счетчик 30 с предварительной установкой. управляемый задающий генератор может быть выполнен по схеме мультивибратора на однопереходном транзисторе, частота генерации которого регулируется напряжением между. базами.В качестве пересчетной схемы 6 используется двоичный счетчик, коммутаторы 7, 14, 15 представляют со 1153397 6бой аналоговые мультиплексоры, у которых путем подачи двоичного кода на управляющий вход можно включить соответствующий коду канал.В качестве регуляторов технологи ческого параметра 8-10 могут использоваться высокоточные регуляторы температуры ВРТс выходным сигналом 0-5 мЛ. Датчиками тока 11-13 могут быть измерительные трансформаторы. Фазовые детекторы, детектор среднего значения, дифференциальные усилители, счетчик с предварительной установкой являются стандартными. Формирователь импульсов выполнен по схеме дифференцирующей цепочки с селектором отрицательных импульсов и транзисторным ключевым каскадом на выходе,Установка работает следующим образом,Управляемый задающий генератор генерирует импульсы управления для тиристоров инвертора 2, частота Е следования которых пропорциональна сигналу с выхода дифференциального усилителя 21. Компенсирующие конденсаторы нагрузок 3-5 выбраны таким образом что резонансные частоты контуров, образованных индукторамиЗО с компенсирующими конденсаторами, отличаются друг от друга и равны соответственно Г , Г и Г средняя, верхняя и нижняя Установка, схема которого изображена на фиг,1, содержит контур Фазовой автоподстройки частоты управляемого задающего генератора 1 под собственные частоты резонансных контуров нагрузок 11, 12, 13 (Г , Г и Г), Подстрой О ка управляемого задающего генератора 1, а следовательно, и инвертора 2 на эти частоты происходит поочередно благодаря поочередному подключению в контур автоподстройки трансформаторов тока 11-13 посредством первого коммутатора сигналов 7, управляемого счетчиком 6, На выходе фазового детектора 16 Формируются прямоугольные импульсы, передний фронт которых синхронизирован с импульсами управля - емого задающего генератора 1 а задний - с моментом перехода через ноль сигнала с трансформатора тока, включенного в контур автоподстройки, 55 причем используется инвертированный по фазе сигнал тока емкостной ветви нагрузки (показан на графиках Фиг. 2 с плошными, линиями 1 р ф 1 ф О ) ПОскольку импульсы управления тиристорами инвертора 2 синфазны с выходнымтоком инвертора, протекающим черезвсе три нагрузки одновременно, скважность упомянутых прямоугольных импульсов пропорциональна сдвигу Фаэ междувыходным током инвертора 2 и напряжснием на соответствующей включенному каналу коммутатора 7 нагрузке,поскольку фаза така емкостной ветвинагрузки равна фазе напряжения наиндукторе плюс девяносто электрических градусов (фиг. 2), Измерение именно тока 1 емкостной ветви нагрузки,а не напряжения О, необходимо для получения однозначной зависимости вы -ходного сигнала Фазового детектора1 б от фазового угла нагрузки т"при растройках + 90 град,эл. междутоком и напряжением нагрузки.В момент окончания формированиякаждого прямоугольного импульса навыходе фазового детектора 1 б формирователь импульсов подает импульс насчетный вход счетчика 30 с предварительной установкой. На графикахФиг. 2 счетчик 30 осуществляет счетпо модулю два, т.е. выходной импульсна вход двоичного счетчика б поступает во время каждого второго импульса управляемого задающего генератора. За .счет этого через каждыедва импульса счетчик б изменяетсвое состояние, благодаря чему происходит переключение каналов коммутаторов 7, 14 и 15,Таким образом, инвертор 2 генерирует пачки импульсов выходного тока1, по два импульса в пачке), частота следования которых совпадает срезонансными частотами нагрузок 11,3 с ф н Как видно изграфиков фиг. 2, каждой иэ пачек импульсов соответствует максимальнаяамплитуда напряжения на соответствующем индукторе,Регулирование мощности в индукторах осуществляется изменением сигнала с задатчиков режима 23, 24,25, подключаемых к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 21. При этом на инвертирующий вход усилителя поступает сигнал постоянногонапряжения с детектора среднего значения 17, пропорциональный фаэовому углу подключенной нагрузки. При неравенстве сигналов на входахусилителя 21 происходит изменениечастоты задающего генератора 1,приводящее к компенсации возникающего отклонения Фазового угла нагрузки от заданного знаМения. Такая, 5компенсация происходит плавнов течение несколькйх периодов переключения коммутаторов 7, 14, 15, причемвремя переходного процесса определяется инерционностью детектора среднего значения 17, представляющегособой фильтр нижних частот инерционное звено первого порядка).Благодаря введению детектора среднего значения 17 сводится к минимуму действие различных помех на Фазуимпульсов управляемого задающегогенератора 1.Несмотря на то, что регулирование мощности в каждом индукторе в 3)силу инертности элемента 17 происходит плавно, изменение частоты вкаждом такте работы пересчетной схемы 6 происходит скачкообразно за.счет подключения к детектору среднего значения фильтровых конденсаторов 18-20 с помощью коммутатора 15сигналов. На этих конденсаторах происходит "запоминание" среднего значения сигнала фазового детектора ЗОпри работе на соответствующей резонансной частоте за все предыдущеевремя работы устройства.Регулирование температуры илидругого технологического параметра35в зонах нагрева каждого индуктораобеспечивается регуляторами 8-10,выходные сигналы которых подаютсячерез коммутатор 14 на неинвертирующий вход усилителя 21 в качестве задающих. В этом случае контур регулирования фазового угла подчинен контуру регулирования температуры в соответствующей зоне нагрева. Дополни - тельная возможность регулирования заключается в возможности изменять число импульсов в пачке путем изменения предварительной установки счетчика 30.Использование предлагаемой схемы позволит расширить функциональные возможности устройства для управления режимом индукционной установки с М зонами нагрева.Введение запоминающих конденсаторов 18-20 позволит осуществлять мгновенную перестройку частоты инвертора 2 с одной нагрузки на другую, что повышает частоту и снижает амплитуду пульсации регулируемых параметров зон нагрева (мощности и температуры) с долей герц до нескольких сотен и тысяч герц, что резко повынает точность регулирования и позволяет использовать в устройстве вместо релейныж регуляторов температуры прециозные регуляторы температуры непрерывного действия. Помимо повышения точности данное устройство по сравнению с известными более надежно, так как в нем устранены электродинамические удары на конструктивные элементы индукционной печи и инвертора, неизбежные в известном устройстве, в котором каждое последующее переключение нагрузки сопровождается сбросом частоты и мощности на минимум.1153397 Фиг 2 Составитель О. ТурпакАвраменко Техред Ж.Кастелевич ректор С. Ше еда 20/4 Филиал ППП Патент, г, Ужгород, ул, Проектна Тираж 7ИИПИ Государствпо делам изобр5, Иосква, Ж-З енного етений 5, Рауш Подписноеомитета СССРи открытийкая наб., д. 4/5