Согласующее устройство для управления режимом работы индукционной печи
MATCHING DEVICE FOR CONTROLLING THE OPERATING MODE OF INDUCTION FURNACE

Изобретение относится к индукционному нагреву и может найти применение в блоках питания индукционных печей, в том числе в блоках питания индукционных тигельных печей средней мощности, при использовании для нагрева токов высокой частоты.
По ходу работы индукционных печей, за счет наплава и выработки металла, выгорание тигля и тому подобных процессов, индуктивное и активное сопротивления могут изменяться почти на порядок.
В процессе плавки также меняется сопротивление загруженного металла и тигля. При плавке рыхлого металлолома, например металлической проволоки, после расплавления первой загруженной партии металла, заполняющего объем тигля осуществляется догрузка металла, для заполнения объема тигля индукционной печи расплавленным металлом, и, в процессе постепенной загрузки, существенно меняется сопротивление системы тигель - металл. За период нагрева тигля и металла до температуры плавления металла, сопротивление системы индукционной печи также может измениться на порядок. Таким образом, требуются устройства для регулирования режимов электропитания индукционных печей, обеспечивающие регулирование электрических режимов в широком диапазоне.
Из патента США US 2856499 (А), опубликованного 14.10.1958, МПК: Н05В 6/04, Н05В 6/36, известно устройство для согласования высокочастотного блока питания и нагрузки, выполненной в виде устройства индукционного нагрева, с использованием конденсатора и независимых регулировочных катушек индуктивности. Недостатком известного устройства является невозможность его использования совместно с импульсными преобразователями напряжения, а также сложность конструкции и необходимость регулирования параметров нескольких объектов для поддержания оптимального режима работы устройства.
Изобретение устраняет указанные недостатки, а также достижение дополнительного технического результата, заключающегося в повышении экономичности выполнения устройства за счет того, что при изменении мощности, подаваемой в нагрузку, обеспечивается оптимальный резонансный режим работы устройства при стабильной частоте генератора, а также обеспечивает простоту конструкции, повышение допустимой активной мощности, подаваемой на индуктор, а также упрощение схемы управления режимами работы устройства. Согласующее устройство обеспечивает подачу на систему тигель - металл одной и той же заранее заданной оператором мощности, несмотря на изменения сопротивления.
Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что согласующее устройство содержит:
- два связанных контура, имеющих общую ветвь в виде первой обмотки вращающегося трансформатора, где:
- первичный контур выполнен в виде последовательно соединенных высокочастотного источника питания, первого компенсационного конденсатора и первой обмотки вращающегося трансформатора;
- вторичный контур выполнен в виде последовательно соединенных первой обмотки вращающегося трансформатора, второй обмотки вращающегося трансформатора, второго компенсационного конденсатора и индуктора индукционной печи;
- первичный контура выполнен с резонансной частотой, равной 30% - 75% рабочей частоты высокочастотного источника питания, а
- вторичный контур выполнен с резонансной частотой, равной 90% - 110% рабочей частоты высокочастотного источника питания; при этом,
- вращающийся трансформатор выполнен в виде двух кольцевых обмоток, выполненных с возможностью вращения относительно друг друга вокруг общей поперечной оси обмоток с обеспечением возможности регулирования мощности индукционной печи путем вращения обмоток вращающегося трансформатора относительно друг друга.
В частном случае реализации изобретения, согласующее устройство выполнено обеспечивающим согласование с высокочастотным источником питания с рабочей частотой 30-50 кГц.
В другом частном случае реализации изобретения, устройство содержит исполнительный механизм, выполненный обеспечивающим поворот одной из катушек воздушного трансформатора относительно другой с обеспечением оптимального режима работы индукционной печи. При этом оптимальным режимом работы индукционной печи, в зависимости от настроек, может быть либо снижение реактивной мощности, потребляемой от импульсного преобразователя, либо приведение активной мощности, потребляемой индукционной печью в соответствие с заранее заданными требованиями, например, с целью поддержания температуры нагреваемого изделия или тигля на заданном уровне.
Для целей регулирования работы индукционной печи могут также быть предусмотрены средства ручного управления взаимного расположения обмоток.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
На Фиг. 1 - принципиальная электрическая схема устройства согласно изобретению;
На Фиг. 2 - условное изображение обмоток вращающегося трансформатора или вариометра, выполненного для использования в настоящем изобретении.
На Фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика настоящего изобретения, в частном случае реализации.
Устройство, изображенное на Фиг. 1, содержит выходные клеммы 3 и 4 вращающегося трансформатора 10 и клеммы 4 и 12 для подключения нагрузки, выполненной в виде индуктора L3 индукционной печи, клеммы 1 и 2, для подключения импульсного источника питания 8 высокой частоты, первый согласующий конденсатор 6 и второй согласующий конденсатор 7, первую обмотку 9 вращающегося трансформатора 10 и вторую обмотку 11 вращающегося трансформатора 10. Также устройство может содержать датчики напряжений и токов в контурах устройства, вычислительный блок, определяющий требуемое положение обмоток вращающегося трансформатора относительно друг друга и исполнительный механизм, выполненный, например, в виде шагового двигателя с датчиком положения ротора, предназначенный для поворота одной из обмоток вращающегося трансформатора на требуемый угол. В другом варианте выполнения датчик положения ротора не используется, а поворот одной из обмоток шаговым двигателем осуществляется до момента установления требуемых параметров.
В частном случае реализации изобретения, требуемым параметром может являться минимальная реактивная мощность, потребляемая участком цепи, содержащим второй согласующий трансформатор и обмотку индуктора индукционной печи. В этом случае, требуемое направление вращения одной из обмоток может обеспечивать снижение потребляемой реактивной мощности, а требуемое положение указанной обмотки может являться положением, при котором потребляемая реактивная мощность минимальна. В другом частном случае реализации, определяющим параметром является мощность, подаваемая на индуктор 3 индукционной печи. Аналогичным образом, регулирование может осуществляться с использованием систем обратной связи, поворачивающих катушку вращающегося трансформатора 10 и фиксирующей положение, при достижении подаваемой мощности на требуемом уровне. В зависимости от взаимного расположения катушек 9 и 11 вращающегося трансформатора, подаваемая к индуктору индукционной печи мощность может составлять от 0 до 100% максимальной возможной мощности.
Индуктивности первой 9 и второй 11 обмоток вращающегося трансформатора 10, а также емкости первого 6 и второго 7 согласующих конденсаторов выбираются такими, чтобы резонансная частота первичного контура, содержащего последовательно включенные первый согласующий конденсатор 6, первую обмотку 9 трансформатора 10 и источник питания, электрическими параметрами можно пренебречь, равнялась 30-75% рабочей частоты высокочастотного источника питания, а резонансная частота вторичного контура, содержащего последовательно включенные индуктор индукционной печи в отсутствие металла в тигле, второго согласующего конденсатора и второй обмотки 11 вращающегося трансформатора 11 равнялась 90 - 110% рабочей частоты высокочастотного источника питания, в общем случае, составляющей 30-50 кГц. В одном из примеров реализации, для печи производительностью 100 кг металла, индуктивность обмотки индуктора, в отсутствие металла, составляет 200 мкГн, емкости первого 6 и второго 7 согласующих конденсаторов выбираются равными 1 мкФ и 15000 пкФ соответственно, а индуктивности первой 9 и второй 11 обмоток вращающегося трансформатора 10 выбираются равными 15 мкГн и 15 мкГн соответственно.
Амплитудно-частотная характеристика зависимости тока в первичном контуре от частоты, при неизменном напряжении, подаваемом на клеммы 1 и 2, приведена на Фиг. 3, где позициями 31 и 32. обозначены локальные максимумы тока, соответствующие резонансным частота первичного и вторичного контуров.
Изменение связи между контурами в широких пределах изменяет коэффициент передачи при незначительных изменениях рабочей частоты (5-10%). Коэффициент передачи согласующего устройства может изменяться в пределах от 0.01 до 100 и более. Большой диапазон изменения коэффициента передачи позволяет легко повернуть катушки относительно друг друга и тем самым согласовывать генератор с нагрузкой по активному сопротивлению. Емкостное сопротивление остается постоянным, а изменение индуктивного сопротивления отслеживается не цепями управления согласующего устройства, даже при их наличии, а автоматическими системами генератора высокой частоты, при этом регулирование может осуществляться незначительной подстройкой рабочей частоты высокочастотного генератора до требуемого значения.
На Фиг. 2 представлен упрощенный пример конструктивного выполнения вращающегося трансформатора, работающего в режиме автотрансформаторной связи между контурами, что обеспечивается соединением двух выводов различных обмоток вращающегося трансформатора 10. Автотрансформатор выполнен в виде двух колец 25 и 26, расположенных одно внутри другого, закрепленных, в частном случае, на вертикальной оси, проходящей в полости колец. Кольца могут вращаться относительно друг друга вокруг указанной вертикальной оси. На кольцах расположены обмотки 9 и 11 вращающегося трансформатора, в одном частном случае реализации, имеющие различное число витков в обмотках. В начальном положении 27 кольца находятся в одной плоскости, а витки колец расположены таким образом, что токи, протекающие по виткам различных колец, компенсируют друг друга, поскольку направлены встречно. При таком положении считается, что угол α, между плоскостями, в которых лежат кольца, равен нулю, и напряжение в точках 3, 4 также близко к нулю. Величина тока во втором контуре также близка к нулю. При угле α=180°, когда одно из колец развернуто 29 на 180°, напряжение в точках 3, 4 максимально, и в нагрузке выделяется максимальная мощность. В процессе нагрева и плавки металла активное сопротивление, вносимое в параметры индуктора, изменяется почти на порядок. Электронные системы регулирования отслеживают эти изменения и, совместно с исполнительными механизмами, автоматически изменяют угол α между кольцами (поз. 28 на Фиг. 2), поддерживая заданную мощность в нагрузке. Частота второго контура при этом изменяется незначительно, в пределах 1%.
В другом частном случае реализации, величина емкости первого согласующего трансформатора и число витков каждой из обмоток вращающегося трансформатора выбираются такими, чтобы резонансная частота первого контура находилась бы в диапазоне 30-50 кГц. Резонансная частота второго контура выбирается, равной 66+/-10% кГц. Та же частота устанавливается в качестве рабочей частоты высокочастотного генератора. Число витков провода на каждом из колец, в этом примере реализации, одинаково, а индуктивность каждого кольца выбирается, примерно, в 10 раз меньше индуктивности L3 индуктора. Диаметры, ширина, и максимальный зазор между кольцами выбираются такими, чтобы потокосцепление между ними было максимальным. При такой реализации, начальная и конечная индуктивности вращающегося трансформатора, при повороте внутреннего кольца на 180° отличаются на порядок.
Предложенное изобретение, помимо ранее раскрытых преимуществ, также позволяет реализовать плавную аналоговую регулировку мощности в контуре электротехническим способом без потерь энергии в цепях регулирования, что обеспечивает возможность использовать плавильной печи в качестве миксера. Также изобретение позволяет трансформировать неограниченную мощность в нагрузку, обеспечить синфазность выходных напряжения и тока высокочастотного генератора во всем диапазоне регулировки мощности. Эта особенность работы высокочастотного генератора очень важна, поскольку при таком режиме работы не создаются помехи в промышленных сетях, а исключение потерь мощности при генерации индуктивных токов позволяет полностью отказаться от водяного охлаждения высокочастотного генератора.
Величина емкости С1 первого конденсатора и число витков автотрансформатора выбираются такими, чтобы резонансная частота первого контура находилась бы в диапазоне 30-50 кГц. Резонансная частота второго контура 66+/-10% кГц. На этой частоте работает ВЧ генератор. Связь между контурами - автотрансформаторная. Автотрансформатор выполнен в виде двух колец, одно в другом, закрепленных на вертикальной оси, проходящей в плоскости колец. Внешнее кольцо жестко закреплено в корпусе СУ, а внутреннее может вращаться на угол 180° относительно внешнего кольца вокруг вертикальной оси.
Число витков провода в кольцах одинаково, а индуктивность каждого кольца на порядок меньше индуктивности индуктора. Диаметры, ширина, минимальный зазор между кольцами выбираются такими, чтобы потокосцепление между ними было максимальным. В результате начальная и конечная индуктивности при повороте внутреннего кольца на 180° отличаются на порядок.
В начальном положении кольца находятся в одной плоскости, а витки колец направлены навстречу друг другу. По мере увеличения угла α от 0 до 90° и от 0 до 180° между кольцами существует потокосцепление и в точках 3 и 4 появляется и увеличивается напряжение и в рабочем контуре появляется электрический ток. Кольца работают в режиме автотрансформатора. При угле α=90° потокосцепление между кольцами отсутствует. Кольца при таком положении работают как отдельные индуктивности. Индуктивность внутреннего кольца добавляется к индуктивности индуктора. При этом незначительно (на единицы процентов) изменяются рабочая частота и добротность второго контура. Угол между кольцами изменяется автоматически с помощью сервопривода и тем самым поддерживает заданную мощность.