Устройство для управления индуктором

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах индукционной закалки, осуществляющих нагрев быстродвижущихся шарообразных заготовок, габариты которых близки к габаритам индуктора, в частности нагрев стальных мелющих шаров и шариков подшипников качения.
Известны устройства, описанные в патентах [1, 2, 3]. В них описаны различные варианты конструкции установки для симметричного индукционного нагрева движущихся изделий шарообразной формы. Целью предлагаемого устройства является разработка системы управления индуктором, используемым в указанных установках.
Известна индукционная установка [4], содержащая источник питания и подключенный к нему индуктор, параллельно которому подключена по меньшей мере одна цепочка из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора и силового контакта коммутирующего элемента и цепочка из дополнительного компенсирующего конденсатора с регулируемой индуктивностью, датчики тока и напряжения источника питания, выходы которых соединены с входами датчика рассогласования фазы напряжения и тока источника питания, в которой возможна плавная настройка силового колебательного контура на рабочую частоту, путем изменения величины регулируемой индуктивности. Эта установка с целью повышения быстродействия и точности стабилизации коэффициента мощности на максимальном уровне снабжена электрической моделью, содержащей все упомянутые элементы силовой цепи и работающей по сигналам с датчиков напряжения и тока источника питания. Соединенные источник питания, индуктор и компенсирующий конденсатор образуют в индукционной установке силовой резонансный контур. Величины емкости компенсирующего конденсатора и регулируемой индуктивности, необходимые для настройки установки на максимальный коэффициент мощности, определяют с помощью модели и при кратковременном выключении источника питания устанавливают в силовом резонансном контуре индукционной установки.
Недостатком известной индукционной установки [4] является относительно узкий диапазон рабочих частот, ограничивающий функциональные возможности ее применения в различных технологических процессах. Другим недостатком известной индукционной установки является сложность настройки на максимальный коэффициент мощности коммутацией компенсирующих конденсаторов в процессе работы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [5], содержащее источник питания, индуктор, компенсирующие конденсаторы, датчик тока, согласующий трансформатор с регулированием коэффициента трансформации с помощью переключения секций обмоток коммутирующими элементами, блок автоподстройки частоты источника питания, блок стабилизации выходной мощности, изменяемый по частоте ключевой транзисторный генератор, транзисторный ключевой усилитель мощности. Применение в данном устройстве изменяемого по частоте ключевого транзисторного генератора позволяет изменять частоту тока индуктора в зависимости от параметров нагрузки, поддерживая ее равной резонансной, а использование блока стабилизации выходной мощности позволяет поддерживать заданную мощность нагрева заготовки в условиях изменяющейся нагрузки.
Недостатком данного устройства является сложность обеспечения работы с быстродвижущимися через индуктор заготовками, связанная с необходимостью постоянного переключения секций обмоток согласующего трансформатора коммутирующими элементами, т.к. параметры нагрузки резко и часто изменяются. Кроме этого в устройстве отсутствует возможность задания диапазона частот, соответствующего допустимому диапазону глубины нагрева заготовки.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что устройство для управления индуктором содержит однофазный мостовой инвертор на силовых транзисторах, запитанный от источника постоянного напряжения с параллельным подключением конденсатора в звено постоянного тока, согласующий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выходу мостового инвертора, а вторичная обмотка подключена к последовательно соединенным компенсирующему конденсатору, датчику тока индуктора и обмотке индуктора, датчик напряжения индуктора, параллельно подключенный к обмотке индуктора, блок вычисления эквивалентной индуктивности и активного сопротивления заготовки в индукторе, первый вход которого подключен к выходу датчика тока индуктора, а второй вход - к выходу датчика напряжения индуктора, блок вычисления резонансной частоты индуктора, входы которого подключены к выходам блока вычисления эквивалентной индуктивности и активного сопротивления заготовки в индукторе, блок определения действующего значения тока индуктора, первый вход которого подключен к выходу блока ограничения заданной частоты тока индуктора, а второй вход - к выходу датчика тока индуктора, первый блок деления, на первый вход которого задается значение мощности на нагрев заготовки, а на второй вход подается значение сопротивления с выхода блока вычисления эквивалентной индуктивности и активного сопротивления заготовки в индукторе, блок вычисления квадратного корня, вход которого подключен к выходу первого блока деления, регулятор тока индуктора, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления квадратного корня, а второй вход - к выходу блока определения действующего значения тока индуктора, блок сравнения, вход которого подключен к выходу регулятора тока индуктора, блок интегрирования, вход которого подключен к выходу блока сравнения, блок суммирования, на первый вход которого подается значение, равное единице, а второй вход подключен к выходу блока интегрирования, блок умножения, на первый вход которого задается верхнее ограничение частоты тока индуктора, а на второй вход подключен выход блока суммирования, второй блок деления, на первый вход которого задается нижнее ограничение частоты тока индуктора, а на второй вход подключен выход блока суммирования, блок ограничения заданной частоты тока индуктора, на первый вход которого подключен выход блока умножения, на второй вход подключен выход блока вычисления резонансной частоты индуктора, на третий вход подключен выход второго блока деления, блок формирования управляющих импульсов силовых транзисторов инвертора, на первый вход которого подается заданное значение выходного напряжения инвертора с выхода регулятора тока индуктора, а на второй вход подается заданное значение частоты тока индуктора с выхода блока ограничения заданной частоты тока индуктора.
На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства, содержащего однофазный мостовой инвертор на силовых транзисторах 1, запитанный от источника постоянного напряжения с параллельным подключением конденсатора 15 в звено постоянного тока, согласующий трансформатор 16, первичная обмотка которого подключена к выходу мостового инвертора 1, а вторичная обмотка подключена к последовательно соединенным компенсирующему конденсатору 18, датчику тока индуктора 17 и обмотке индуктора 20, датчик напряжения индуктора 19, параллельно подключенный к обмотке индуктора 20, блок вычисления эквивалентной индуктивности и активного сопротивления заготовки в индукторе 2, первый вход которого подключен к выходу датчика тока индуктора 17, а второй вход - к выходу датчика напряжения индуктора 19, блок вычисления резонансной частоты индуктора 3, входы которого подключены к выходам блока вычисления эквивалентной индуктивности и активного сопротивления заготовки в индукторе 2, блок определения действующего значения тока индуктора 4, первый вход которого подключен к выходу блока ограничения заданной частоты тока индуктора 7, а второй вход - к выходу датчика тока индуктора 17, первый блок деления 9, на первый вход которого задается значение мощности на нагрев заготовки, а на второй вход подается значение сопротивления с выхода блока вычисления эквивалентной индуктивности и активного сопротивления заготовки в индукторе 2, блок вычисления квадратного корня 10, вход которого подключен к выходу первого блока деления 9, регулятор тока индуктора 5, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления квадратного корня 10, а второй вход - к выходу блока определения действующего значения тока индуктора 4, блок сравнения 8, вход которого подключен к выходу регулятора тока индуктора 5, блок интегрирования 6, вход которого подключен к выходу блока сравнения 8, блок суммирования 11, на первый вход которого подается значение, равное единице, а второй вход подключен к выходу блока интегрирования 6, блок умножения 12, на первый вход которого задается верхнее ограничение частоты тока индуктора, а на второй вход подключен выход блока суммирования 11, второй блок деления 13, на первый вход которого задается нижнее ограничение частоты тока индуктора, а на второй вход подключен выход блока суммирования 11, блок ограничения заданной частоты тока индуктора 7, на первый вход которого подключен выход блока умножения 12, на второй вход подключен выход блока вычисления резонансной частоты индуктора 3, на третий вход подключен выход второго блока деления 13, блок формирования управляющих импульсов силовых транзисторов инвертора 14, на первый вход которого подается заданное значение выходного напряжения инвертора с выхода регулятора тока индуктора 5, а на второй вход подается заданное значение частоты тока индуктора с выхода блока ограничения заданной частоты тока индуктора 7.
Устройство по схеме на фиг. 1 работает следующим образом. В устройстве задается величина мощности на нагрев заготовки , первоначальное минимальное значение частоты тока индуктора , первоначальное максимальное значение частоты тока индуктора . Диапазон частот  зависит от диапазона допустимой активной глубины закалки заготовки , что объясняется поверхностным эффектом, по следующим формулам:
где  Гн/м - магнитная проницаемость вакуума,  - относительная магнитная проницаемость материала заготовки,  - удельное электрическое сопротивление материала заготовки.
Величина мощности на нагрев заготовки  используется для расчета задания на ток индуктора  по следующей формуле:
где  - эквивалентное активное сопротивление заготовки.
В процессе прохождения шарообразной заготовки через индуктор значительно изменяется резонансная частота контура , образованного обмоткой индуктора 20 и компенсирующим конденсатором 18. Это связано с изменением эквивалентной индуктивности  и эквивалентного активного сопротивления  заготовки в моменты ее входа и выхода из индуктора. Следовательно, в устройстве реализован процесс непрерывного расчета эквивалентной индуктивности и эквивалентного активного сопротивления заготовки в блоке 2, а также резонансной частоты в блоке 3 следующим образом.
Эквивалентное напряжение на заготовке  (в векторной форме) равно:
где  - напряжение на индукторе, измеренное датчиком 19,  - ток индуктора, измеренный датчиком 17,  - частота тока индуктора,  - индуктивность рассеяния обмотки индуктора,  - активное сопротивление обмотки индуктора,  - мнимая единица.
Измерив сдвиг фаз  между эквивалентным напряжением  и током , а также их амплитудные значения ,  определяются величины , :
Резонансная частота контура определяется как:
где  - емкость компенсирующего конденсатора 18.
Регулирование тока индуктора осуществляется с помощью ПИ-регулятора 5, выход которого воздействует на величину задания выходного напряжения инвертора .
В моменты входа и выхода шарообразной заготовки из индуктора значение резонансной частоты  может выходить за пределы ограничений частоты тока индуктора , , в этом случае начинает работать блок ограничения 7, частота тока индуктора  при этом отличается от резонансной и равна одному их двух ограничений. В этом случае для поддержания заданного тока индуктора  регулятор тока 5 начинает увеличивать задание выходного напряжения инвертора . При достижении заданием выходного напряжения максимума  регулятор тока 5 уходит в ограничение, дальнейшее поддержание заданного тока  невозможно только за счет регулирования задания . Поэтому в устройство добавлен блок сравнения 8, который контролирует задание напряжения : в случае если , выход блока сравнения выдает число "1", в случае если , на выходе "-1". Значение на выходе блока сравнения 8 подается на вход блока интегрирования 6, с выхода которого формируется значение коррекции частоты . Минимальное значение коррекции ограничено нулевым значением. При наличии "1" на выходе блока сравнения 8 значение коррекции частоты  начинает возрастать, тем самым увеличивая допустимый диапазон изменения частоты тока индуктора по следующим формулам:
где  - верхнее ограничение частоты тока индуктора,  - нижнее ограничение частоты тока индуктора.
Далее начинает изменяться выходная частота тока индуктора, т.к. она равна одному из двух ограничений. Это позволяет обеспечить поддержание заданного тока индуктора, следовательно, поддержание заданной мощности на нагрев заготовки , что является более приоритетным, чем удержание активной глубины закалки заготовки в диапазоне .
При полном входе шарообразной заготовки в индуктор значение резонансной частоты  возвращается в диапазон , регулятор тока 5 выходит из ограничения, на выходе блока сравнения 8 значение, равное "-1", значение коррекции частоты  на выходе блока интегрирования 6 уменьшается до нуля.
Таким образом, реализация предложенного устройства позволит поддерживать заданную мощность на нагрев быстродвижущихся шарообразных заготовок как в момент их полного нахождения в индукторе, так и в моменты их входа и выхода из индуктора, когда резонансная частота индуктора значительно изменяется.
Источники информации
1. Патент RU 2316603 С1, 10.05.2006.
2. Патент RU 2370550 С1, 07.04.2008.
3. Патент RU 2433193 С1, 28.05.2010.
4. Патент SU 1103364 А1, 15.07.1984.
5. Патент RU 2317657 С2, 19.10.2005.