Схема управления установкой индукционного нагрева

СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Полезная модель относится к области радиоэлектроники, а именно к системам автоматики, и может найти применение для формирования сигнала управления, а также для стабилизации и регулирования процесса нагрева электротермических установок индукционного типа.
Индукционный метод нагрева проводниковых материалов применяется в различных отраслях промьшленного производства. Вследствие целого ряда преимуществ по сравнению с другими методами нагрева индукционные печи и установки, в основе работы которых лежит бесконтакный нагрев заготовки, получили широкое распространение . Они компактны, обеспечивают высокую производительность труда и хорошие санитарно-гигиенические условия производства, легко поддаются ремонту, исключают загрязнение воздушного бассейна.
Индукционный нагрев металлических изделий осуществляется с помощью специального устройства - индуктора. При пропускании переменного тока через индуктор вокруг его провода возникает электромагнитное поле.
МПК: Н02М 5/40, G05F 1/10
напряженность которого периодически изменяется во времени по величине и направлению. Если внутрь индуктора поместить металлическое тело/ то пронизывающий его переменный магнитный поток вызовет в нем появление индуцированного тока, который приведет к нагреву тела. При этом температура поверхности и глубина нагрева зависят от подводимой к индуктору мощности, частоты и времени нагрева.
Стабилизация и регулирование процесса нагрева индуктора обеспечиваются специальной схемой управления, от которой в большой степени зависят коэффициенты использования и полезного действия оборудования (к.п.д.), повышение которых является приоритетной задачей для всех энергоемких процессов.
Схемотехнические решения названных систем управления различны и зависят от частоты обеспечивающего нагрев тока. От частоты зависит и к.п.д. оборудования: чем выше требуемая частота питающего тока, тем больше потери и тем меньшие значения к.п.д. удается получить.
Известные промышленные схемы регулирования режима индукционного нагрева на средних частотах питающего тока - от 150 до 20000 Гц - основаны на использовании статических тиристорных преобразователей частоты. В книге «Электрические печи и установки индукционного нагрева (авторы Н.И.Фомин, Л.М.Зату-ловский. - М.,1979.- 247с. Копии прилагаются) представлен такой преобразователь, который состоит из пяти основных функциональных узлов:
V/J/.J) V Ц/ -xt IjiljLHJf f
-блока выпрямителей (звено постоянного тока), который предназначен для преобразования трехфазного тока промьпБленной частоты в постоянный ток;
-блока дросселей, осуществляющих сглаживание выпрямленного тока;
-инвертора, назначением которого является преобразование постоянного тока в переменный, но уже однофазный и повышенной частоты;
-блока запуска преобразователя.
Инвертор собран по типовой мостовой однофазной схеме с тем отличием, что на место источника переменного тока включена нагрузка (индуктор), а на место нагрузки постоянного тока включен источник постоянного тока (выпрямитель). Таким oбpaзoм принцип действия инвертора основан на поочередном отпирании вентилей моста, в результате чего в индукторе будет проходить переменный ток, частота которого равна частоте коммутации управляемых вентилей.
Кроме таких недостатков, как большие габариты и масса, низкая технологичность из-за наличия большого числа моточных изделий, данный преобразователь обладает низкой электромагнитной совместимостью, что приводит к помехам в сети и снижению коэффициента мощности cos((p), определяюш,ему к.п.д. преобразователя. Кроме того, в названной схеме нет дополнительной коррекции напряжения, регулирование которого возможно за счет введения обратных связей.
Наиболее близким к предлагаемому решению можно считать преобразователь, описанный в заявке на полезную модель «Устройство управления асинхронным электродвигателем (свидетельство на полезную модель №
24057 от 20.07.2002 г., приоритет от 18.02.2002 г., МПК: Н02Р 21/00, Н02Р 7/42) .
Прототип содержит соединенные последовательно входной выпрямитель, вход которого подключен к внешней сети, усилитель-регулятор напряжения питания с блоком ШИМ, LC-фильтр, выходной трехфазный усилитель мощности (инвертор) с задающим генератором и генератором, управляемым напряжением, на сигнальных входах и два резистивных шунта тока, обеспечивающих обратные связи по току и напряжению. Генераторы на входах инверт; Ора формируют трехфазный 12-тактный сигнал, который с выхода инвертора поступает на нагрузку - асинхронный двигатель.
Схемные решения позволили достичь высоких технических характеристик прототипа:
-повысить к.п.д. устройства до уровня 96-97%;
-использовать силовые транзисторы усилителярегулятора напряжения на номинальном токе, без запаса, что повьшает надежность устройства;
-реализовать устройство на микросхемах широкого применения и нескольких дискретных электрорадиоэлементах, что резко снижает его габаритные размеры, массу, энергопотребление и стоимость по сравнению со многими отечественными и зарубежньми аналогами.
Однако рассмотренное устройство не может быть использовано для управления и регулирования режимов работы других систем, в частности, установок индукционного нагрева, в связи с тем, что данные установки работают на фиксированных частоте и напряжении, которые не должны изменяться в процессе работы системы.
Задачей предлагаемого решения является расширение области применения схемы управления и повышение ее коэффициента полезного действия.
Для решения поставленной задачи в схему управления установкой индукционного нагрева, содержащую входной выпрямитель, усилитель-регулятор напряжения питания с силовым транзистором и с блоком ШИМ, LC-фильтр, выходной усилитель мощности (инвертор), задающий генератор, формирователь 12-тактного сигнала и два резистивных шунта тока, введены RC-цепочка, состоящая из последовательно соединенных резистора и конденсатора, и электронный ключ. При этом выпрямитель, усилитель-регулятор напряжения питания, LCфильтр и инвертор соединены последовательно, выход задающего генератора соединен со входом формирователя 12-тактного сигнала, выход которого подключен к сигнальным входам инвертора, один резистивный шунт включен между минусом конденсатора LC-фильтра и землей и соединен с первым входом по току блока ШИМ, второй резистивный шунт включен между минусовой шиной питания инвертора и землей, вход плюсовой шины питания инвертора, соединенный с общей точкой LC-фильтра, подключен к первому входу по напряжению блока Ш1/1М, вход минусовой шины питания инвертора соединен с первым входом по току блока ШИМ, ко второму входу по току блока ШРМ подключен источник опорного напряжения, а выход блока ШИМ соединен с силовым транзистором усилителя-регулятора. Минус конденсатора введенной RC-цепочки заземлен, плюс конденсатора, соединенный с резистором RC-цепочки, подключен ко второму входу по
напряжению блока ШИМ, а второй конец резистора RCцепочки - к выходу источника опорного напряжения и ко второму входу по току блока ШИМ. Входом схемы служит вход выпрямителя, соединенный с внешним источником напряжения питания, выходом являются выходы инвертора, к которьм подключена нагрузка - устройство индукционного нагрева.
Введение дополнительных элементов и связей в схему управления не уменьшает преимуществ технического решения, отмеченных в прототипе, и дополнительно позволяет:
-получить плавный запуск установки индукционного нагрева, без скачков тока и напряжения;
-обеспечить стабилизацию рабочих режимов тока и напряжения в течение всего цикла нагрева.
Реализация предложенного решения возможна на основе интегральных микросхем широкого применения и современной дискретной элементной базы. Например, задающий генератор и формирователь 12-тактного сигнала, реализованы на микросхеме ПЗУ, блок ШИМ - на одной микросхеме из двух компараторов, силовые элементы инвертора - на новейших транзисторах и модулях IGBT. Работа схемы управления на частоте работы установки нагрева (10-20 кГц) позволяет повысить к.п.д. схемы.
Предлагаемая схема управления приведена на фиг.1.
Схема представляет собой электронный блок, в котором производится преобразование промьшленного напряжения 50 ГЦ/380В в переменное напряжение повышенной частоты, которое подается на вход устройства индукционного нагрева. Для реализации указанной функции
схема содержит входной выпрямитель 1, на вход которого поступает напряжение питания U1 (50 Гц/380 В) от внешнего источника, усилитель-регулятор напряжения питания 2, работающий в режиме ШИМ и состоящий из силового транзистора Q1, источника 2.1 опорного напряжения Пор и двух компараторов 2.2 и 2.3, LC-фильтр, состоящий из дросселя L1 и конденсатора С1, и усилитель мощности 5 (или инвертор) . Блоки 1, 2, LC-фильтр и 5 соединены последовательно, к сигнальным входам инвертора 5 подключены последовательно соединенные задающий генератюр 3 м формирователь 12-тактного сигнала 4. Выходы инвертора 5 подключены к нагрузке б установке индукционного нагрева. Два резистивных шунта тока RS1 и RS2 предназначены для образования обратных связей по току между инвертором 5 и усилителем-регулятором напряжения 2. Для этого шунт RS1 включен между минусом конденсатора С1 LC-фильтра и землей, и общая точка RS1 и С1 соединена с первым входом по току компаратора 2.2. Шунт RS2 включен между минусовой шиной питания инвертора 5 и землей, а общая точка «минус питания инвертора - RS2 подключена к тому же первому входу по току компаратора 2.2. На второй вход компаратора 2.2 подается опорное напряжение Uop с выхода 2.1 - источника этого напряжения. Обратная связь по напряжению образуется путем соединения выхода LC-фильтра и, соответственно, плюсовой шины питания инвертора 5, с первым входом по напряжению компаратора 2.3. Выходы обоих компараторов 2.2 и 2.3 соединены с силовым транзистором Q1.
конденсатора C2, и электронный ключ SA1, причем минус конденсатора С2 соединен с земляной шиной, а плюс конденсатора С2, соединенный с резистором R1, подключен ко второму входу по напряжению компаратора 2.3, второй конец резистора R1 соединен с выходом 2.1 источником опорного сигнала Uop и подключен ко второму входу по току компаратора 2.2. Электронный ключ SA1 включен параллельно конденсатору С2.
Схема работает следующим образом.
На вход выпрямителя 1 поступает напряжение питания U1 от сети с частотой 50 Гц, Выпрямленное напряжение подается на силовой транзистор Q1 усилителя-регулятора напряжения 2. Силовой транзистор Q1 вместе с LC-фильтром работают в автоколебательном режиме как импульсный понижающий конвертор. Сглаженное LCфильтром импульсное напряжение подается в качестве напряжения питания на инвертор 5.
Одновременно с задающего генератора 3 на вход формирователя 4 поступает напряжение повьшенной фиксированной частоты. Блок 4 преобразует его в 12тактный сигнал, в котором подавлена третья и минимизирован уровень остальных нечетных гармоник, и подает его на сигнальные входы инвертора 5, управляющего установкой индукционной нагрева 6.
Шунт RS1 служит для измерения тока конденсатора С1 LC-фильтра, а шунт RS2 измеряет суммарный ток инвертора 5, который является током нагрузки б. Компаратор 2.2 сравнивает сигналы шунтов RS1 и RS2 с опорным напряжением Uop, поступающим с блока 2.1, и вырабатывает сигнал управления по току, который поступает
на силовой транзистор Q1. Таким образом обеспечивается регулирование напряжения питания инвертора 5 так, чтобы его выходной ток (и соответственно нагрев установки индукционного нагрева б) ограничивался на заданном уровне. Одновременно ограничивается ток силового транзистора Q1, обеспечивая безопасный режим его работы.
Для плавного запуска и регулирования режима нагрева используется компаратор 2.3. Когда электронный ключ SA1 замкнут, конденсатор С2 разряжен, и на входе компаратора 2.3 нулевое напряжение. Устройство индукционного нагрева выключено. При размыкании электронного ключа SA1 на конденсаторе С2 напряжение плавно нарастает и подается на вход компаратора 2.3. Напряжение на конденсаторе С2 нарастает до уровня опорного напряжения Uop с постоянной времени , Выходной сигнал компаратора 2.3 также подается на силовой транзистор Q1. В результате напряжение питания инвертора 5 и, соответственно/ амплитуда его выходного напряжения растут.
Предлагаемые изменения, дополнения и усовершенствования схемы управления за счет регулирования ее выходного напряжения способствуют решению поставленной задачи расширения области применения преобразовательных схем и позволяют использовать предлагаемую схему для управления процессом индукционного нагрева практически любой мощности. Мощность установок регламентируют возможности элементной базы, на которой схема реализована.
ввести дополнительные обратные связи, - например, по температуре нагрева.
И наконец, за счет работы всей схемы, в том числе, и выходного ее каскада, на частоте установки индукционного нагрева (10-20 кГц) удается повысить ее КПД до уровня 97-98%. Простота предлагаемого решения позволяет разработать конструкцию простого, компактного и недорогого устройства, увеличить ассортимент изделий данного профиля и расширить круг потребителей, заинтересованных в подобных схемах регулирования.