СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОЙ НАГРУЗКИ

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а более точно к согласующим устройствам индукционной нагрузки может быть использовано при разработке устройств для индукционного нагрева.
Уровень техники
Как известно, источниками питания индукционных нагревательных установок являются преобразователи частоты (электромашинные, ламповые, тиристорные, транзисторные), а нагрузкой являются индуктор, представляющий собой катушку индуктивности, по форме и размерам, определяемыми технологическим требованиям нагреваемого объекта. Для компенсации индуктивного характера индукционной нагрузки применяют последовательное или параллельное включение компенсирующего конденсатора для обеспечения резонансного режима работы индукционной нагрузки, а, соответственно, для максимизации значения коэффициента мощности и эффективного использования электроэнергии.
В реальной производственной практике на термических участках используется как правило один преобразователь частоты и есть необходимость в использовании большого количества индукторов, отличающихся габаритными размерами, формой и количеством витков. В связи с этим вопросы согласования вольт-амперной характеристики и резонансной частоты широкой номенклатуры индукционных нагрузок представляет собой актуальную задачу.
Известны конструкции трансформаторов, обеспечивающие переключение коэффициента трансформации с помощью изменения чисел витков первичной и вторичной обмоток путем механического или электрического переключения части витков обмоток под нагрузкой или без таковой (Касаткин А.С. Электротехника. - М.: Энергия, 1974, с. 208-210).
Недостатками таких конструкций является завышенная габаритная мощность трансформатора за счет дополнительных регулировочных витков обмоток.
Известна индукционная установка (пат. РФ 2317657), содержащая источник питания, индуктор, компенсирующие конденсаторы с коммутирующими элементами и датчик тока, установленный на выходе источника питания. Установка включает согласующее устройство с согласующим трансформатором с регулируемым коэффициентом трансформации, токовым трансформатором и дополнительными компенсирующими конденсаторами с дополнительными коммутирующими элементами. Первичной обмоткой согласующий трансформатор подключен к выходу источника питания, а вторичной обмоткой через соединенные параллельно между собой дополнительные компенсирующие конденсаторы и контакты дополнительных коммутирующих элементов он подключен к первичной обмотке токового трансформатора. К вторичной обмотке токового трансформатора через соединенные параллельно между собой компенсирующие конденсаторы и контакты коммутирующих элементов подключен индуктор.
Согласующее устройство, предлагаемое в патенте патенте РФ 2317657 в составе индукционной установки, предполагает изменение коэффициента трансформации путем изменения чисел витков обмотки согласующего трансформатора с помощью механического переключения части витков первичной обмотки. При этом минимальное число витков первичной обмотки согласующего трансформатора рассчитывается исходя из входного рабочего напряжения, а регулировочные витки являются дополнительными и поэтому увеличивают габаритные размеры трансформатора и его габаритную мощность.
Кроме того, в описываемом устройстве используется второй токовый трансформатор, который обеспечивает дополнительное согласование (понижение) уровня выходного напряжения для возможности получения больших рабочих токов индуктора (типовой ток индуктора 600-3500А). В связи с тем, что к первичной обмотке токового трансформатора подключены компенсирующие конденсаторы, то, помимо напряжения вторичной обмотки согласующего трансформатора, к первичной обмотке токового трансформатора прикладывается дополнительная реактивная составляющая резонанса напряжений, выделяемая на компенсирующих конденсаторах. В связи с этим расчет первичной обмотки токового трансформатора необходимо вести с учетом повышенного напряжения, а это, в свою очередь, также увеличивает габаритную мощность этого трансформатора.
Таким образом, применение двух трансформаторов на полную мощность, к тому же с завышенными габаритными мощностями, приводит к значительному удорожанию всего согласующего устройства.
Кроме того, в согласующем устройстве, используемом в индукционной установке по патенту РФ 2317657, компенсирующую емкость резонансного контура изменяют с помощью коммутаций дополнительных компенсирующих конденсаторов, при этом регулировка предполагает закорачивание дополнительных конденсаторов. Это приводит к тому, что остающиеся в работе конденсаторы должны нести увеличенную нагрузку, поскольку другие конденсаторы просто исключаются из работы. Данное обстоятельство вынуждает вести расчет и выбор компенсирующих конденсаторов на большее рабочее напряжение и, соответственно, на большую габаритную мощность, что во вторую очередь приводит к удорожанию согласующего устройства.
В основу полезной модели поставлена задача снижения суммарной габаритной мощности трансформаторов и компенсирующих конденсаторов согласующего устройства индукционной нагрузки для получения типового рабочего тока для индуктора.
Поставленная задача решается тем, что в согласующим устройстве для индукционной нагрузки, включающем средства для подключения к источнику питания, средства для подключения к индуктору, коммутирующие элементы, первый и второй трансформаторы, каждый из трансформаторов электрически связан с компенсирующими конденсаторами, в соответствии с полезной моделью трансформаторы имеют одинаковый коэффициент трансформации, начало первичной обмотки первого трансформатора соединено с первым входом согласующего устройства, конец первичной обмотки первого трансформатора соединен с началом первичной обмотки второго трансформатора, конец первичной обмотки второго трансформатора соединен со вторым входом согласующего устройства, начало вторичной обмотки первого трансформатора подключено к первому контакту первого конденсатора, второй контакт первого конденсатора соединен с первым выходом согласующего устройства, конец вторничной обмотки первого трансформатора соединен с первым контактом первого коммутатора и первым контактом второго коммутатора, второй контакт второго коммутатора соединен со вторым выходом согласующего устройства, второй контакт первого коммутатора соединен с началом вторичной обмотки второго трансформатора и первым контактом третьего коммутатора, второй контакт третьего коммутатора соединен с первым выходом согласующего устройства, конец вторичной обмотки второго трансформатора соединен с первым контактом второго конденсатора, а второй контакт второго конденсатора соединен со вторым выходом согласующего устройства.
Благодаря тому, что трансформаторы имеют одинаковые коэффициенты трансформации, схема устройства позволяет осуществить одновременное последовательное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов.
Благодаря тому, что в предлагаемом согласующем устройстве одна из вариаций схемы соединения осуществляет параллельное соединения вторичных обмоток трансформаторов, тем самым суммируя их выходные токи, можно обеспечить одноступенчатое преобразование уровня напряжения и получить требуемые типовые рабочие токи для индукторов.
В предлагаемом решении переключение коэффициента трансформации трансфораторов согласующего устройства происходит с помощью последовательно-параллельной коммутации вторичных обмоток трансформаторов, это позволяет при любом включении обмоток трансформаторов сохранять суммарную выходную мощность, равную удвоенному значению мощности одного трансформатора. Тем самым не возникает необходимость в завышении габаритной мощности трансформаторов, как если бы регулировка коэффициента трансформации происходила по первичной стороне трансформаторов.
В случае необходимости снижения резонансной емкости компенсирующие конденсаторы включаются последовательно, для повышения емкости компенсирующие конденсаторы включаются параллельно, что обеспечивает постоянную работу обоих конденсаторов при любых коммутациях. Благодаря этому в процессе работы ни один из конденсаторов не отключается от работы, что позволяет оптимизировать их параметры и не требует завышения габаритной емкости.
Целесообразно, чтобы трансформаторы имели одинаковую мощность, а конденсаторы имели одинаковую емкость. Это является условием для получения оптимальной суммарной габаритной мощности согласующего устройства, упрощает его расчет и эксплуатацию.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых
Фиг. 1 изображает электрическую схему согласующего устройства индукционной нагрузки, в соответствии с полезной моделью;
Фиг. 2 изображает эквивалентную электрическую схему первого варианта коммутационной комбинации в соответствии с полезной моделью;
Фиг. 3 изображает эквивалентную электрическую схему второго варианта коммутационной комбинации в соответствии с полезной моделью;
Фиг. 4 изображает согласующее устройство, выполненное в соответствии с полезной моделью, реализующее первый вариант коммутационной комбинации в соответствии с фиг. 2;
Фиг. 5 изображает пример выполнения коммутационной пластины для реализации схемы подключения в соответствии с фиг. 2,
Фиг. 6 изображает согласующее устройство, выполненное в соответствии с полезной моделью, реализующее второй вариант коммутационной комбинации в соответствии с фиг. 3;
Фиг. 7 изображает пример выполнения коммутационной пластины для реализации схемы подключения в соответствии с фиг. 3
Как показано на фиг. 1, согласующее устройство 1 индукционной нагрузки включает в себя трансформатор 2, начало первичной обмотки которого соединено с первым входом 3 согласующего устройства 1. Конец первичной обмотки трансформатора 2 соединен с началом первичной обмотки трансформатора 4. Конец первичной обмотки трансформатора 4 соединен со вторым входом 5 согласующего устройства 1.
Начало вторичной обмотки трансформатора 2 подключено к первому контакту конденсатора 6. Второй контакт конденсатора 6 соединен с первым выходом 7 согласующего устройства 1. Конец вторичной обмотки трансформатора 2 соединен с первым контактом коммутатора 8 и первым контактом коммутатора 9. Второй контакт коммутатора 8 соединен со вторым выходом 10 согласующего устройства 1. Второй контакт коммутатора 9 соединен с началом вторичной обмотки трансформатора 4 и первым контактом коммутатора 11. Второй контакт коммутатора 11 соединен с первым выходом 7 согласующего устройства 1. Конец вторичной обмотки трансформатора 4 соединен с первым контактом конденсатора 12. Второй контакт конденсатора 12 соединен со вторым выходом 10 согласующего устройства 1.
Устройство реализует последовательную компенсацию реактивной мощности индукционной нагрузки (последовательный резонанс напряжений). Электрическая схема (фиг. 1) предполагает такое подключение конденсаторов, при котором последовательно-параллельное соединение вторичных обмоток трансформатора приводит к последовательно-параллельному соединению конденсаторов. На фиг. 2 и фиг. 3 представлены эквивалентные схемы согласующего устройства при двух комбинациях включения электрических коммутаторов. На фиг. 2 показана эквивалентная схема, иллюстрирующая работу устройства при работающем коммутационном устройстве 9 (фиг. 1), на фиг. 3 представлена электрическая эквивалентная схема при работе коммутационных устройств 8, 11 (фиг. 1).
Принципиальным является соединение первичных обмоток последовательно друг с другом, для обеспечения равномерного распределения токов во вторичных обмотках трансформаторов при их параллельной работе на нагрузку (фиг. 3). Согласующее устройство обеспечивает две комбинации выходных параметров, к которым относятся выходное напряжение, выходной ток и емкость компенсирующего конденсатора. В таблице приведены выходные параметры согласующего устройства в общем виде при одинаковых характеристиках трансформаторов и конденсаторов:
В таблице также представлены возможные значения индуктивности индукторов, которые будут согласовываться на одну и ту же резонансную частоту при различных выходных значения компенсирующей емкости согласующего устройства. Возможные крайние значения индуктивности индуктора показывают, что использование данного согласующего устройства позволяет работать на заданной частоте преобразователя частоты как маловитковым индукторам с низкой индуктивностью, так и многовитковым индукторам с высокой индуктивностью. К маловитковым индукторам можно отнести индукторы для технологических операций закалки и пайки, к многовитковым индукторам можно отнести индукторы для кузнечного сквозного нагрева заготовок и плавки металла.
С ростом индуктивности индуктора (увеличение количества витков или диаметра индуктора) растет его активное приведенное от нагреваемого объекта сопротивление, которое в свою очередь требует повышенного питающего напряжения для сохранения возможности потребления максимальной мощности от преобразователя частоты! Как видно из представленных в таблице значений выходных напряжений согласующего устройства для индукторов с высокой индуктивностью выходное напряжение равно удвоенному значению относительно напряжения для индукторов с низкой индуктивностью.
Согласующее устройство может включать большее количество трансформаторов (4, 6 и т.д. шт.). В этом случае мощности трансформаторов складываются (без потери мощности, а значит и без необходимости завышения габаритной мощности каждого). Кроме того, поскольку токи трансформаторов имеют возможность суммироваться, то требуемые типовые рабочие токи для индукторов получаются с помощью одного уровня понижения напряжения от преобразователя частоты к индуктору. Так на практике в соответствии с полезной моделью реализованы решения, позволяющие получать выходные токи в диапазоне 600-1200А с использованием двух трансформаторов, для токов 600-2400А - четырех трансформаторов, для тока 600-3600А - шести трансформаторов.
Согласующее устройство работает следующим образом.
Перед началом работы производят установку коммутационных элементов. Предпочтительно использование первого варианта коммутации для многовитковых индукторов для сквозного кузнечного нагрева и плавки метала. Второй вариант коммутации предпочтительнее для маловитковых индукторов для технологических операций закалки и пайки.
Для реализации устройства в соответствии с показанным на фиг. 2 коммутационным вариантом в работу включают коммутирующее устройство 11 (фиг. 1), а для реализации второго варианта в соответствии со схемой фиг. 3 включают коммутирующие устройства 8, 12 (фиг. 1).
На фиг. 5 показан пример выполнения коммутационной пластины для реализации схемы подключения в соответствии с фиг. 2, а на фиг. 4 - согласующее устройство, подготовленное к работе по схеме фиг. 2, с установленными коммутационными пластинами по фиг. 5. На фиг. 7 изображена коммутационная пластина для реализации схемы, показанной на фиг. 3, а на фиг. 6 согласующее устройство подготовленное к работе по схеме фиг. 3.
После этого подключают вход согласующего устройства к источнику питания, а выход - к соответствующему индуктору.
Таким образом, предлагаемое согласующее устройство, предполагающее описанную выше схему включения конденсаторов, трансформаторов и коммутаторов позволяет решить задачу снижения суммарной габаритной мощности трансформаторов и компенсирующих конденсаторов согласующего устройства индукционной нагрузки для получения типового рабочего тока для индуктора.
Кроме того, устройство имеет дополнительные преимущества:
- позволяет получать типовые рабочие токи для индукторов (600-3500А) посредством одноступенчатого преобразования напряжения от источника к индуктору;
- уменьшается количество необходимых коммутаций при согласовании параметров различных индукторов за счет того, что одновременно с изменение коэффициента трансформации согласующего трансформатора соответствующим образом изменяется и значение емкости компенсирующего конденсатора.
Устройство может быть реализовано с использованием стандартных компонентов и доступных технологий.