ГЕНЕРАТОР ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к преобразователям переменного напряжения и может быть использовано для питания индукционных установок.
Наиболее близким по технической сущности - прототипом является полупроводниковый преобразователь со звеном повышенной частоты, содержащий последовательно соединенные выпрямитель, фильтр, инвертор, трансформатор, преобразователь частоты и второй фильтр, выход которого является выходом полупроводникового преобразователя со звеном повышенной частоты (см. книгу Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. - М.: Энергоиздат, 1987., стр.7, структура Г 1).
Известное устройство может быть использовано в качестве генератора в индукционных нагревательных установках, обеспечивающего питание индуктора.
Недостатком известного устройства является его низкая эффективность при использования его в качестве генератора в индукционных нагревательных установках. Это связано в первую очередь с непостоянством технологического процесса индукционного нагрева характеризующемся, изменением эквивалентного активного сопротивления колебательного контура нагрузки - индуктора, вследствие чего потребляемая инвертором мощность, напряжение на нагрузке, коэффициент мощности, активная мощность на выходе, кпд, и другие показатели инвертора зависят от температуры металла и иных факторов. Кроме, плавного изменения параметров системы индуктор - металл, вследствие нагрева заготовки, для индукционных установок характерны
сравнительно резкие изменения параметров нагрузки при проталкивании в индуктор холодной заготовки. Одной из основных проблем в работе установки электромагнитного формирования металла является также обеспечение равномерности поперечного сечения слитка по всей его длине. Так отклонение поперечных размеров слитка от заданных возникает вследствие изменения величины гидростатического столба жидкой зоны в пределах ±10%, а также из-за влияния напряжения сети на удерживающие электромагнитные силы. При отливке слитков определенного размера необходимо управлять величиной электромагнитных сил сжатия. Известное устройство не обеспечивает стабилизацию параметров индукционного нагрева, что приводит к низкой эффективности работы индукционной установки в целом.
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы устройства как генератора индукционной нагревательной установки.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности стабилизации выходных параметров генератора индукционного нагревателя в процессе индукционного нагрева металла.
Указанный результат достигается тем, что в генератор индукционного нагревателя, включающий последовательно соединенные выпрямитель и инвертор введены датчики выходного тока и выходного напряжения выпрямителя, выходы которых через первый и второй компараторы, соответственно, подключены к первому и второму входам элемента ИЛИ-НЕ, соответственно, датчики выходного тока и выходного напряжения инвертора, выходы которых подключены к соответствующим входам фазового детектора, выход которого через перемножитель подключен к первому входу сумматора, второй вход перемножителя подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ, второй вход сумматора подключен к источнику опорного напряжения, выход сумматора
подключен к входу управления широтно-импульсного модулятора, вход тактовой частоты которого подключен к генератору тактовой частоты, выход широтно-импульсного модулятора подключен ко входу формирователя импульсов, выходы которого подключены к соответствующим входам управления управляемых ключей инвертора, выходы инвертора являются выходами генератора индукционного нагревателя, третий компаратор, вход которого подключен к выходу датчика выходного напряжения инвертора, выход третьего компаратора подключен к третьему входу элемента ИЛИ-НЕ, четвертый вход которого подключен к выходу датчика температуры
Кроме того:
- выпрямитель выполнен в виде мостовой схемы выпрямителя переменного тока;
- первый вход сумматора является вычитающим входом;
- инвертор содержит управляемые ключи, соединенные по схеме моста.
Полезная модель поясняется с помощью чертежа, где на Фиг.1 показана структурная схема генератора индукционного нагревателя, на Фиг.2 - структурная схема инвертора.
Генератор индукционного нагревателя, включает последовательно соединенные выпрямитель 1 и инвертор 2, датчик 3 выходного тока выпрямителя и датчик 4 выходного напряжения выпрямителя, выходы которых через первый 5 и второй 6 компараторы, соответственно, подключены к первому и второму входам элемента ИЛИ-НЕ 7, соответственно, датчик 8 выходного тока инвертора и датчик 9 выходного напряжения инвертора, выходы которых подключены к соответствующим входам фазового детектора 10, выход которого через перемножитель 11 подключен к первому входу сумматора 12, второй вход перемножителя 11 подключен к выходу элемента ИЛИ-НЕ 7, второй
вход сумматора 12 подключен к источнику 13 опорного напряжения, выход сумматора подключен к входу управления широтно-импульсного модулятора 14, вход тактовой частоты которого подключен к генератору 15 тактовой частоты, выход широтно-импульсного модулятора 14 подключен ко входу формирователя 16 импульсов, выходы которого подключены к соответствующим входам управления управляемых ключей 17 инвертора 2, выходы инвертора являются выходами генератора индукционного нагревателя, третий компаратор 18, вход которого подключен к выходу датчика 9 выходного напряжения инвертора, выход третьего компаратора подключен к третьему входу элемента ИЛИ-НЕ, четвертый вход которого подключен к выходу датчика 19 температуры. Выходы генератор индукционного нагревателя подключены к нагрузке - индуктору 20.
Выпрямитель выполнен в виде мостовой схемы выпрямителя переменного тока. Первый вход сумматора является вычитающим входом. Инвертор выполнен в виде параллельного соединения двух пар последовательно соединенных управляемых ключей 17.
Генератор индукционного нагревателя работает следующим образом.
Генератор индукционного нагревателя обеспечивает преобразование входного переменного низкочастотного напряжения в высокочастотное напряжение питания индуктора. Входное напряжение трехфазного тока преобразуется выпрямителем 1 в напряжение постоянного тока и подается на входы инвертора 2, с выхода которого импульсный ток частотой заданной генератором 15 тактовой частоты подается на нагрузку 20 представляющей собой индуктор для индукционного нагрева металлической заготовки.
Управление ключами 17 инвертора 2 осуществляется импульсным сигналом с выхода формирователя 16. Формирователь 16 обеспечивает
распределение широтно-модулированных импульсов для управления ключами 17. инвертора 2. Ключи 17 выполнены на основе транзисторных полупроводниковых элементов, управление которых характеризуется углом запирания соответствующем разности фаз тока и напряжения на индукторе.
Генератор для питания индукционной нагревательной установки - индуктора должен передавать в нагрузку максимально возможную мощность при всех изменениях параметров системы индуктор - металл и устойчиво работать при резких изменениях этих параметров на частоте, оптимальной для заготовок определенного вида.
Для передачи генератор индукционного нагревателя максимальной мощности в нагрузку необходима стабилизация угла запирания управляемых ключей в инверторе тока. При этом напряжение на индукторе остается неизменным. Для нормальной работы инвертора тока, система стабилизации угла запирания управляемых ключей должна обеспечить определенную точность и высокое быстродействие.
Ввиду невозможности измерения размеров жидкой зоны расплавленного металла непосредственно, используют косвенный способ регулирования - стабилизацию параметров, которые наиболее характерно зависят от диаметра жидкой зоны металла, а их стабилизация способствует получению слитков с одинаковым сечением по всей длине. Величина электрических сил сжатия пропорциональна квадрату силы тока в индукторе, поэтому стабилизируются легко измеряемые параметры, управление которыми приводит к росту силы тока в индукторе.
Одним из таких параметров является сдвиг фаз между напряжением и силой тока на выходе инвертора (угол запирания ключей инвертора). Величина разности фаз напряжения и тока на выходе инвертора формируется на выходе фазового детектора 10, и подается на вход
перемножителя 11. На другой вход перемножителя 11 поступает сигнал аварийного изменения одного из параметров: уменьшение напряжения на входе инвертора 2, снимаемое с датчика 4 ниже порогового, уменьшения тока потребления инвертором, снимаемого с датчика 3 ниже порогового, превышения определенного напряжения на индукторе снимаемое с датчика 9, либо превышения определенной температуры в инверторе, снимаемое с датчика 19.
Компараторы 5, 6, и 7 определяют пороги аварийного изменения напряжения на входе инвертора, тока потребления инвертора и напряжения на выходе инвертора, соответственно. При наличии превышения порогового значения одного или нескольких измеряемых параметров на выходе элемента ИЛИ-НЕ формируется сигнал «лог. 0», вследствие чего на выходе перемножителя 11 формируется сигнал близкий к «0». Так как сигнал с выхода перемножителя поступает на вычитающий вход сумматора 12, на его выходе формируется максимальное напряжение близкое к опорному, формируемому в источнике 13. Сигналом с выхода сумматора 12 модулируется импульсная последовательность генератора 15 (примерно 22 кГц) в модуляторе 14, на выходе которого формируется широтно-импульсный сигнал для управления ключами 17.
Таким образом, управление ключами 17 осуществляется в зависимости от разности фаз между напряжением и током потребления индуктора, уменьшения ниже порогового напряжения или тока на входе инвертора, превышения напряжения на индукторе выше порогового, либо превышения порогового значения температуры в индукторе, что позволяет стабилизировать параметры индукционного нагрева.
Предлагаемое устройство обеспечивает повышение эффективности индукционной установки за счет обеспечения возможности стабилизации
выходных параметров генератора индукционного нагревателя в процессе индукционного нагрева металла.