Индукционная установка для нагреваметаллов

 

В.В. Шипицын, В.И. Лузгин; А.А. Новиков, А.А. Рухман, В.С. Ухов, В.В. Дрягин, В.В. Головщиков, Д.И. Волков . и С.В. Житов (72) Авторы изобретения

Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С.М. Кирова и Объединение "МашиностроитфльныК завод им. М. И. Калинина 7! (71) Заявители (54) ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА

МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к электро" термин и может быть применено для нагрева и плавки металлов, особенно в случаях широкого изменения сопротивления нагрузочного контура.

Известна установка для индукционного нагрева металлов, содержащая тиристорный преобразователь частоты, индукционный нагреватель-индуитор и компенсирующий конденсатор, подклю10 ченный 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 установ fif.

Однако тиристорные преобразователи частоты надежно работают и отда,ют номинальную мощность в нагрузку лишь при вполне определенных пределах изменения эквивалентного сопротивления нагрузки.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является 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 че" рез фильтровый конденсатор-индук ор, компенсирующий конденсатор и через, по меньшей мере, один ключ добавочный компенсирующий конденсатор и блок управления, вход которого свяэанс 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 J, 50

3 8517

Недостатком 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. 10

Цель изобретения — повышение на дежности работы установки.

Для достижения поставленной цели параллельно ключу и последовательно с добавочным компенсирующим конденсатором. подключена по меньшей мере, одна

) уепочка из дополнительного ключа и демпфирующего резистора, а датчик угнала рассогласования выполнен в виде .цепочки из дросселя, начало и конец которого связаны с указанными выводами звена постоянного тока через пос-, ледовательно включенные секцию пер— вичной обмотки трансформатора тока и конденсатор, начало дросселя дополнительно связано с отрицательным вы— водом звена постоянного тока через обратно включенный вентиль, а конецс положительным выводом через вентиль, включенный в прямом направле- gg нии, причем выходом датчика рассогласования служит вторичная обмотка трансформатора тока.

Кроме того, с целью увеличения быстрсдействия ключи выполнены полупроводниковьпж, например, на двух включенных встречно-параллельно управляемых вентилях.

С целью упрощения блока управления полупроводниковые ключи выполне- 4р ны встречно-параллельно управляемом и неуправляемом вентилях.

Причем с целью снижения установленной мощности вентилей параллель- 45 но полупроводниковым ключам включей контактный ключ.

С целью повышения надежности работы полупроводниковых ключей последовательно с каждым из них включен дроссель насыщения.

На фиг.1 изображена схема установки на фиг.2-4 — различные вариан1 ты подключения компенсирующей емкости.

Установка содержит источник пита ния в виде тиристорного преобразователя частоты со звеном постоянного тока, выполненным на тиристорах 1-6

91 ф с фиIlüò ýÎÂûì11 лpo((.c ëÿìè 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 16 и вентильных блоков 17-20. К выводам звена подключен также датчик рассогласования, содержащий конденсаторы

2I и 22, дроссель 23, секции 24 и 25 первичной обмотки трансформатора тока, вентили 26 — 27, связывающие конец и начало дросселя с упомянутыми выводами. Вторичная обмотка 28 трансфор оратора тока является выходом датчика и подключена иа вход 29 управления.

Добавочный компенсирующий конденсатор 30 подключен к индуктору 10 через электрические контактные клю— чи 31-33, причем последовательно с контактнъ|ми ключами 31 и 32 включены дополнительные резисторы 34 фи 35 разной величины. Электрические контактные ключи 31-33 могут быть выполнены полупроводниковыми бесконтактными ключами на тиристорах

36-41. Ьесконтактные ключи могут быть зашуитированы электрическим контактным ключом 42. Последовательно с бесконтактными ключами для облегчения работы тиристоров включены насыщающиеся дроссели 43-45. В варианте на фиг.4 полупроводниковые ключи выполнены на тиристорах 36, 38, 40 и неуправляемых вентилях 4648. В общем случае число ключей мо— жет быть другим, например больше трех.

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 )1-)9. Через нагрузочный колебательный контур 10 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 и через них в обратную сторону протекает импульс тока по той же цепи 16-17l2-9-1О и ll 15- 20-16, в результате чего конденсатор 16 частично заряжает5 ся. Через нагрузочный контур 10, 11 этот импульс высокочастотного тока протекает сверху вниз, т.е. ток сменяет первоначальное направление. Затем отпираются очередные тиристоры блоков 18 и 19. Очередной импульс тока протекает по цепи 9-13-18-16-19

14-10 и 11-19. После прекращения этого импульса тока отпираются встречно-параллельные вентили этих же блоков 18 и 19 и через них в обратную сторону протекает импульс тока от частичного разряда конденсатора 16 по цепи 16-18-13-9-10 и 11 — 14-19- 16.

Таким образом, при поочередном отпирании тиристоров вентильных блоков 17,20.или 18,19 через нагрузочный яолебательный контур 10,11 протекает высокочастотный переменный ток.

При нагревании стальных заготовок 25 существенно, изменяется частота контура нагрузки, и при частотном регулировании инвертора часто не удается получить удовлетворительных результатов. В ряде технологических режимов вообще недопустимо регулирование выходной частоты, и тогда режим работы преобразователя оказывается нарушенным, а мощность и напряжение на выходе преобразователя весьма

45 малыми, Чтобы поддержать на высоком уровне напряжение и мощность на выходе преобразователя,.необходимо в процессе нагрева стальных заготовок из- 4р 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

С1 и 6 . 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 обратной последовательности. При этом не возникает опасных токов в переходных режимах при подключении и отключении дополнительного компенсирующего конденсатора 30, что имеет место при

его коммутации без дополнительных резисторов 34 и 35. Последний ключ

33 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(8-10кГц и 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 тиристора

36-41 последовательно с двумя клн включены резисторы 34 и 35. Тиристорные ключи включаются последовательно: сначала ключ в цепи резистора 34, затем ключ в цепи резистора 35, а затем ключ на тиристорах 40 и 41, непосредственно присоединяющий конденсатор 30 к индукционному нагревателю 10. Сопротивление резистора 34 йакже должно быть больше, чем у резистора 35. Так как через тиристоры 40 и 41 протекает полный ток дополнительного компенсирующего конденсатора 30;. то эти тиристоры следует выбирать на соответствующий рабочий ток. Остальные тиристоры 36-39 следует выбирать на меньший ток, так как они ра ботают лишь кратковременно и, кроме того, их ток ограничен резисторами

34 и 35.

Чтобы снизить установленную мощность тиристоров 40 и 41> а следовательно, и стоимость ключа на этих тиристорах, параллельно всем бесконтактным ключам можно подсоединить контактный электрический ключ 42, который включался бы не после включения всех бесконтактных ключей, а раньше бесконтактных ключей. При этом быстродействие процессов подключения или отключения дополнительного компенсирующего конденсатора 30 к индукционному нагревателю !О не уменьшается, а во включенном состоянии ос7 85) 7 новной рабочий ток протекает через ключ 42.

Чтобы снизить стоимость бесконтактиых ключей и упростить их управление, можно заменить один из тиристбров в каждом ключе неуправляемым вентилем 46,47 и 48.

Шристоры при включении допускают определенную скорость нарастания тока через них. При черезмерных скоростях нарастания тока череу тиристоры

° в них наблюдаются повышенные потери и сниж®ется надежность их работы.

Чтобы исключить такой недостаток, последовательно с каждым полупроводниковым ключом включен нелинейный насыщающийся дроссель 43-45, который . на вреь1я перемагничивания ограничивает скорость нарастания тока. через тиристоры и тем самым предохраняет их от черезмерных скоростей нарастания тока.

Цепь для формирования команд ключами, состоящая из конденсаторов 21 и 22, дросселя 23, секций 24 и 25 первичных обмоток и трансформатора тока и вентилей 26 и 27, выполняет в предлагаемом устройстве двойную роль. ограничивает напряжение на выходных выводах преобразователя и при увеличении тока через цепь выше установленной нормы выдает команду на срабатывание блока 29 управления ключами.

Как только напряжение на выходных выводах иввертора в режиме резонанса по амплитуде превьппает половину напряжения источника питания, т,е. превьппает напряжение на конденсаторах 21 или 22, сразу через вен тили 26 и 27 и обмотки 24 и 25 про текает импульс тока по цепям 10 и

11-22-25-27-9-10 и 11 10 и 11-28

24-21-9-10 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 режиме резонанса ток в обмотках 24 и 25 достигает определенной заданной ве- )Е личины, ток вторичной,, обмотки 28 оказывается достаточным для срабатывания блока 29 управления ключами.

При срабатывании блока 29 управления последовательно включаются электри- у ческие контактные ключи 31-33 или заменяющие их бесконтактные электрические ключи, выполненные на тиристорах или .на тиристорах и неуправляе9) 8 мых 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 процесс подключения дополнительного компенсирующего конденсатора к индукционному нагревателю.

Формула изобретения

1. 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, параллельно ключу и последовательно с добавочным компенсирующим конденсатором подключена, по меньшей мере, одна

851 цепочка из дополнительного ключа и демпфирующего резистора, а датчик сигнала рассогласования выполнен в виде цепочки из дросселя, начало и конец которого связаны с указанными выводами через последовательно включенные секцию первичной обмотки трансформатора тока и конденсатор, начало дросселя дбполнительно связано с отрицательным выводом звена постоянного тока через обратно включенный вентиль, а конец — с положительным выводом через вентиль, включенный в прямом направлении, причем выходом датчика рассогласования служит вторичная обмотка. трансформатора тока.

2. Установка по п.l, 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,l, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью упро791 1О щения блока управления, полупроводниковые ключи выполнены на включег<ных встречно-параллельно управляемом и неуправляемом вентилях.

4. Установка по пп.1-3, о т л и5 ч а ю щ а я с я тем, что, с целью снижения установленной мощности вентн" лей, параллельно полупроводниковым ключам включен контактный ключ.

5. Установка по пп.1-4, о т л ич а ю щ а и с я тем, что, с целью повышения надежности работы полупроводниковых ключей, последовательно с каждым из них включен дроссель насыщения, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. "Электротехническая промышленность. Информационный науч.-техн.

2п сборник. Сер. "Электротермия", вь1п. 11, И., 1971, с.7-8.

2. Гитгарц Д.А. и Иоффе Ю.С.

Новые источники питания и автоматика индукционных установок для нагрева и плавки. М., "Энергия", 1977

851 791 орам орам

Состави тель О. Турпак

Техред А.Бабинец Корректор N. Шароши

Редактор" 6. Петр аш

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ б398 88 Тираж 889 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская. наб., д. 4/5