УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Устройство относится к области электротехники и предназначено для управления индукционными установками, используемыми в электротехнологиях.
Прототипом предлагаемого устройства является система для управления режимом работы индукционной установки повышенной частоты, содержащая преобразователь частоты, подключенный силовым входом к источнику питания переменного тока исходной частоты, а силовым выходом переменного тока выходной частоты - к индуктору, содержит подключенный к первому сигнальному входу блок управления напряжением на индукторе, вход которого подключен к выходу датчика тока, соединенного силовыми входами с выводами преобразователя частоты и индуктора, и датчик напряжения, подключенный к выводам преобразователя частоты (см. «Автоматическое управление электротермическими установками: Учебник для вузов / А.М. Кручинин, К.М. Махмудов, Ю.М. Миронов и др.; под ред. А.Д. Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с. 78-80).
Недостатком данного устройства является то, что согласование нагрузки и преобразователя частоты осуществляется с низкой точностью из-за ступенчатого регулирования индуктивности индуктора, а также низким быстродействием, обусловленным большим временем срабатывания контакторов, переключающих секции индуктора.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении максимальной производительности индукционной установки путем изменения частоты преобразователя при изменении параметров индуктора.
Технический эффект, заключающийся в обеспечении максимальной производительности индукционной установки, достигается тем, что в известном устройстве для управления индукционной установкой повышенной частоты, содержащем преобразователь частоты, соединенный силовыми входами с источником питания переменного тока исходной частоты, а силовыми выходами переменного тока выходной частоты - с индуктором, подключенный к первому сигнальному входу преобразователя частоты блок управления напряжением на индукторе, вход которого подключен к выходу датчика тока, соединенного силовыми входами с выходами преобразователя частоты и индуктора, и датчик напряжения, подключенный к выводам преобразователя частоты, согласно полезной модели, преобразователь частоты снабжен вторым сигнальным входом управления частотой преобразователя, управляемым задающим генератором, задатчиком частоты, сумматором, элементом сравнения и задатчиком напряжения, подключенным выходом к суммирующему входу элемента сравнения, вычитающий вход элемента сравнения подключен к выходу датчика напряжения, а выход элемента сравнения подсоединен к первому входу сумматора, соединенного вторым входом - с выходом задатчика частоты, а выходом сумматор подключен ко входу управляемого задающего генератора, выход которого соединен со вторым сигнальным входом преобразователя частоты.
Устройство поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема системы для управления индукционной установкой повышенной частоты.
Устройство для управления индукционной установкой повышенной частоты содержит преобразователь частоты 1, соединенный силовыми входами с источником питания переменного тока исходной частоты, а силовыми выходами переменного тока выходной частоты - к индуктору 2, подключенный к первому сигнальному входу преобразователя частоты блок управления напряжением на индукторе 3, вход которого подключен к выходу датчика тока 4, соединенного силовыми входами с выходами преобразователя частоты и индуктора, и датчик напряжения 5, подключенный к выходам преобравателя частоты. Преобразователь частоты 1 снабжен вторым сигнальным входом управления частотой преобразователя, управляемым задающим генератором 6, задатчиком частоты 7, сумматором 8, элементом сравнения 9 и задатчиком напряжения 10, подключенным выходом к суммирующему входу элемента сравнения 9. Вычитающий вход элемента сравнения 9 подключен к выходу датчика напряжения 5, а выход элемента сравнения 9 соединен с первым входом сумматора 8, соединенного вторым входом - с выходом задатчика частоты 7, а выходом - с входом управляемого задающего генератора 6.
U
f
U
f
U
I
f
1
1
2
2
2
2
Устройство работает следующим образом. При подключении преобразователя частоты 1 к питающей сети  с исходной частотой  на выходе преобразователя частоты вырабатывается выходное переменное напряжение , имеющее, как правило, более высокую (повышенную) частоту . Напряжение  повышенной частоты используется для питания индуктора 2, с помощью которого осуществляется нагрев и плавление загрузки (изделия), расположенного внутри индуктора (на чертеже не показано). Блок управления напряжением БУН 3 обеспечивает задание и поддержание заданного значения тока  индуктора, измеряемого датчиком тока ДТ 4, путем регулирования напряжения на выходе преобразователя частоты 1. Блок управления БУН включает в себя систему задания и регулирования тока по сигналу обратной связи, снимаемого с датчика тока. Такая система регулирования тока является типовой и используется в устройстве, принятом за прототип. Одновременно с помощью задатчика частоты ЗЧ 7 устанавливается расчетное значение частоты , которое поступает через сумматор 8 на управляемый задающий генератор УЗГ 6 и обеспечивает формирование частоты инвертора, входящего в состав преобразователя частоты 1.
U
f
U
I
2
2
2 ном
ном
Начальное значение напряжения  и частоты  рассчитывается применительно к заданной массе загрузки (изделия) и, как правило, не обеспечивает полного использования мощности преобразователя частоты. Рассчитать с необходимой точностью требуемое напряжение и ток преобразователя частоты практически невозможно вследствие значительных погрешностей в определении параметров загрузки, оказывающих существенное влияние на режим работы установки. Для достижения максимальной производительности индукционной установки необходимо, чтобы параметры индуктора были согласованы с параметрами преобразователя частоты и обеспечивали работу преобразователя частоты с номинальным  напряжением и номинальным  током. При выполнении этого условия преобразователь частоты будет вырабатывать номинальную мощность, определяемую выражением,
P=U
I
2 ном
ном
cos ϕ,
С
С
С
С
а индукционная установка будет иметь максимальную производительность. В указанном выражении cos ϕ является коэффициентом мощности и определяется величиной индуктивности индуктора и емкостью  конденсатора. Для полного использования установленной мощности преобразователя частоты параллельно индуктору, имеющему большое индуктивное сопротивление, включают конденсатор . В тоже время наличие или отсутствие конденсатора  не отражается на описанной выше работе системы управления. По существу конденсатор  не принимает участия в функционировании элементов, определяющих алгоритм работы рассматриваемой системы управления.
U
U
I
I
I
I
U
U
2
2 ном
ном
ном;
2
2
ном
В процессе работы индукционной установки параметры индуктора изменяются, что приводит к изменению условий согласования параметров индуктора и преобразователя частоты. При этом, кроме режима полного согласования, при котором  =  и  = , могут иметь место следующие режимы. Режим не полной загрузки преобразователя по току, когда  <  а напряжение равно номинальному, т.е.  = . Этот режим характеризуется большим сопротивлением нагрузки. Для полной загрузки преобразователя частоты необходимо уменьшить сопротивление индуктора. Это обеспечивает контур согласования нагрузки, который по сигналу рассогласования элемента сравнения 3 корректирует частоту задающего генератора 6, уменьшая ее. Полное сопротивление нагрузки индуктора, включающее в себя активное, индуктивное и емкостное сопротивление, зависит от частоты преобразователя. Уменьшение частоты преобразователя приведет к уменьшению эквивалентного сопротивления нагрузки и, следовательно, к увеличению тока индуктора до номинального значения. Коррекция частоты преобразователя будет происходить до тех пор, пока на выходе элемента сравнения 9 будет иметь место сигнал рассогласования отличный от нуля. Таким образом, система регулирования автоматически скорректирует частоту преобразователя и обеспечит условие полного согласования, определяемого соотношениями:
U
U
I
I
2
2 ном
ном
=  и  = .
I
I
U
ном
2
2
ном
При возникновении режима неполной загрузки преобразователя по напряжению, когда  = , a  < U, для обеспечения полного согласования необходимо увеличить сопротивление индуктора, что достигается повышением частоты преобразователя по сигналу рассогласования элемента сравнения 9.
Таким образом, предлагаемая схема обеспечивает автоматическое согласование параметров индуктора и преобразователя частоты с высоким быстродействием и точностью без применения обмоточных элементов и усложнения конструкции индуктора.
Предлагаемое устройство может быть реализовано как на обмоточных изделиях как, например, в прототипе, так и на базе современных полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты (тиристорных или транзисторных). В настоящее время полупроводниковые преобразователи напряжения и частоты (образующие силовую часть системы управления) выпускаются серийно, так же, как и программируемые управляющие контроллеры, на базе которых выполняется управляющая часть предлагаемого устройства.