PL181417B1

PL181417B1 - Induction heater

Info

Publication number: PL181417B1
Application number: PL31776796A
Authority: PL
Inventors: Tadeusz Skoczkowski; Marian Kalus
Original assignee: Inst Elektrotechniki
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 2001-07-31
Also published as: PL317767A1

Abstract

Układ nagrzewnicy indukcyjnej wyposażony w mikroprocesor, dwa czujniki prądu i czujnik napięcia w obwodzie wzbudnika, przetwornik analogowo-cyfrowy sprzężony z liniami sterującymi zapisu i odczytu oraz szyną adresową mikroprocesora, a także z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych i generatorem kwarcowym,jednostkę arytmetyczno-logiczną sprzężoną z liniami sterującymi zapisu i odczytu oraz z szyną adresową mikroprocesora, a także z dekoderem ukiadów wejściowo-wyjściowych i generatorem kwarcowym, układ bramek trójstanowych sprzęzony z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu OR, licznik binarny, którego wejście zerujące sprzężone jest z linią sterującą odczytu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu OR, uniwibrator czasu impulsowania, którego wejście inicjujące sprzęzone jest z limą sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu NOR, przerzutnik typu RS sprzężony z limami zapisu i odczytu mikroprocesora 1 z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez dwie dwuwejściowe bramki typu OR, uniwibrator inicjacji pomiaru częstotliwości prądu, sprzężony z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu NOR oraz w regulator mocy, znamienny tym, że czujnik temperatury (43)jest połączony z pierwszym wejściem analogowym przetwornika analogowocyfrowego (6) poprzez wzmacniacz różnicowy (40) 1 filtr górnozaporowy (41), zaś drugie wejście analogowe tego przetwornika połączone jest z pierwszym czujnikiem prądu (3U) w obwodzie wzbudnika (42), poprzez układ modułowy (38) i filtr górnozaporowy (39), z kolei wyjście cyfrowe przetwornika analogowo-cyfrowego (6) połączono z szyną danych D mikroprocesora (1),Induction heater system equipped with a microprocessor, two current sensors and a voltage sensor in the exciter circuit, analog-to-digital converter coupled with control lines read and write and the microprocessor address bus, as well as with decoder for input / output circuits and quartz generator, unit arithmetic and logic coupled with control lines read and write and with the microprocessor's address bus, a Also with ukiad decoder and generator quartz, three-state gate system coupled with the line the microprocessor record control and the decoder of the input-output circuits through a two-input gate of the OR type, a counter binary, the reset input of which is coupled with the line microprocessor reading control and with the decoder of input-output circuits through a two-entry gate, OR type, impulse time univibrator, the input initiating coupled it is with microprocessor write control limit and with decoder input-output circuits through a two-input gate NOR type, RS type flip-flop coupled with read and write limits microprocessor 1 with a decoder of input / output circuits through two two-input OR gates, univibrator current frequency measurement initiation, coupled with the control line microprocessor recording and input-output circuits with decoder through a two-input NOR gate and a regulator power unit, characterized in that the temperature sensor (43) is connected with the first analog input of the analog-to-digital converter (6) via a differential amplifier (40) 1 high-cut filter (41), and the second analog input of this converter it is connected to the first current sensor (3U) in the circuit the exciter (42), through a modular system (38) and a high-cut filter (39), and the digital output of the analog-to-digital converter (6) connected to the data bus D of the microprocessor (1),

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ nagrzewnicy indukcyjnej przeznaczony do produkcji wielkoseryjnej w przemyśle metalurgicznym.The subject of the invention is an induction heater system intended for large-scale production in the metallurgical industry.

Znany układ nagrzewnicy indukcyjnej wyposażony jest w mikroprocesor, czujniki prądu i czujnik napięcia w obwodzie wzbudnika, przetwornik analogowo-cyfrowy sprzężony z liniami sterującymi zapisu i odczytu oraz z szyną adresową mikroprocesora, a także z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych i generatorem kwarcowym, jednostkę arytmetyczno-logiczną sprzężoną z liniami sterującymi zapisu i odczytu oraz z szyną adresową mikroprocesora, a także z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych i generatorem kwarcowym, układ bramek trójstanowych sprzężonych z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściowątypu OR, licznik binarny, którego wejście zerujące sprzężone jest z linią sterującą odczytu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściowątypu OR. Układ wyposażony jest również w uniwibrator czasu impulsowania, którego wejście inicjujące sprzężone jest z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu NOR, przerzutnik typu RS, sprzężony z liniami zapisu i odczytu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez dwie dwuwejściowe bramki typu OR, uniwibrator inicjacji pomiaru częstotliwości prądu sprzężony z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściowątypu NOR oraz w regulator mocy.The known induction heater system is equipped with a microprocessor, current sensors and a voltage sensor in the exciter circuit, an analog-to-digital converter coupled with the read and write control lines and the microprocessor's address bus, as well as with a decoder of input-output circuits and a quartz generator, an arithmetic- logical coupled with the write and read control lines and the microprocessor address bus, as well as with the decoder of input-output circuits and a quartz generator, a system of three-state gates coupled with the microprocessor's write control line and with the decoder of input-output circuits through a two-input gate of OR type, binary counter, which the reset input is coupled with the microprocessor reading control line and with the decoder of the input-output circuits through a two-input gate of the OR type. The system is also equipped with a pulse time univibrator, the initiating input of which is coupled with the microprocessor's write control line and with the decoder of input-output systems through a two-input gate of the NOR type, an RS type flip-flop, coupled with the microprocessor's write and read lines and with the decoder of the input-output circuits through two two-input OR gates, a univibrator for the initiation of current frequency measurement, coupled with the microprocessor's recording control line and with the decoder of input-output systems through a two-input NOR-type gate and a power regulator.

Znane są też układy nagrzewnic indukcyjnych realizujące proces sterowania polem temperatury w ściance stalowego wsadu na drodze sprzętowej. Układ taki wyposażony jest w cyfrowy blok zadawania temperatury oraz w analogowy układ automatycznej regulacji temperatury. Blok cyfrowego zadawania temperatury zawiera: przetwornik typu napięcieczęstotliwość, trójwejściową bramkę typu NAND, licznik binarny, komparator cyfrowy, cyfrowy zadajnik temperatury końcowej nagrzewania oraz przetwornik cyfrowo-analogowy. Analogowy układ automatycznej regulacji temperatury zawiera: regulator temperatury typu PI zbudowany na bazie wzmacniacza operacyjnego, zespół pomiaru temperatury rzeczywistej zbudowany na bazie termoelementu, np. nikiel-chrom-nikiel, który współpracuje ze wzmacniaczem różnicowym oraz człon wykonawczy regulatora temperatury, którym może być przykładowo statyczny półprzewodnikowy przekształtnik wysokiej częstotliwości. W przetworniku napięcie-częstotliwość nastawia się żądaną wartość stromości narastania temperatury nagrzewania. Ciąg impulsów prostokątnych z przetwornika napięcie-częstotliwość przedostaje się na wejście szeregowe licznika binarnego, poprzez trójwejściową bramkę typu NAND. Sygnał wyjściowy z licznika binarnego poprzez przetwornik cyfrowo-analogowy jest przekazywany do regulatora temperatury, jako sygnał wartości zadanej. Sygnał ten porównywany jest z sygnałem proporcjonalnym do temperatury rzeczywistej w regulatorze temperatury. Sygnał wyjściowy z regulatora temperatury steruje poprzez układ sterujący przekształtnika wysokiej częstotliwości, wartością mocy dostarczanej do elementu nagrzewanego. Stan licznika binarnego jest porównywany ze stanem cyfrowego zadąjnika temperatury końcowej nagrzewania w komparatorze cyfrowym. Po zrównaniu się obydwu sygnałów, komparator cyfrowy blokuje ciąg impulsów prostokątnych z przetwornika napięcie-częstotliwość w bramce typu NAND.There are also systems of induction heaters which implement the process of controlling the temperature field in the wall of a steel charge by means of equipment. Such a system is equipped with a digital temperature setting block and an analog automatic temperature control system. The digital temperature setting block includes: a voltage-frequency converter, a three-input NAND gate, a binary counter, a digital comparator, a digital heating end temperature adjuster and a digital-to-analog converter. The analog automatic temperature control system includes: a PI temperature controller built on the basis of an operational amplifier, a real temperature measurement unit built on the basis of a thermocouple, e.g. nickel-chromium-nickel, which cooperates with a differential amplifier, and an actuator of the temperature controller, which may be, for example, static high frequency semiconductor converter. In the voltage-frequency converter, the required value of the steepness of the heating temperature rise is set. The sequence of square pulses from the voltage-frequency converter goes to the serial input of the binary counter, through a three-input NAND gate. The output signal from the binary counter via the digital-to-analog converter is passed to the temperature controller as a setpoint signal. This signal is compared with a signal proportional to the actual temperature in the temperature controller. The output signal from the temperature controller controls the value of the delivered power to the heated element via the high-frequency converter control system. The status of the binary counter is compared with the status of the digital heating final temperature control unit in the digital comparator. After the two signals are equal, the digital comparator blocks the sequence of square pulses from the voltage-frequency converter in the NAND gate.

Znane dotychczas układy nagrzewnic indukcyjnych nie zapewniają pomiaru i kontroli temperaturowych naprężeń typu gradientowego w strukturze wewnętrznej nagrzewanego elementu, cechuje je mała wydajność produkcyjna o niskiej jakości wytwarzania.The previously known systems of induction heaters do not provide the measurement and control of gradient-type temperature stresses in the internal structure of the heated element, they are characterized by low production efficiency and low quality of production.

181 417181 417

Układ według wynalazku wyposażony jest w mikroprocesor, w dwa czujniki prądu i czujnik napięcia w obwodzie wzbudnika nagrzewnicy, przetwornik analogowo-cyfrowy sprzężony z liniami sterującymi zapisu i odczytu oraz z szyną adresową mikroprocesora, a także z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych i generatorem kwarcowym, w jednostkę arytmetyczno-logiczną sprzężoną z liniami sterującymi zapisu i odczytu oraz z szyną adresową mikroprocesora, a także z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych i generatorem kwarcowym, w układ bramek trójstanowych sprzężony z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu OR, licznik binarny, którego wejście zerujące sprzężone jest z linią sterującą odczytu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu OR, w uniwibrator czasu impulsowania, którego wejście inicjujące sprzężone jest z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściową typu NOR, w przerzutnik typu RS, sprzężony z liniami sterującymi zapisu i odczytu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych mikroprocesora poprzez dwie dwuwejściowe bramki typu OR, w uniwibrator inicjacji pomiaru częstotliwości prądu, sprzężony z linią sterującą zapisu mikroprocesora i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych poprzez bramkę dwuwejściowątypu NOR oraz w regulator mocy.The system according to the invention is equipped with a microprocessor, two current sensors and a voltage sensor in the heater's exciter circuit, an analog-to-digital converter coupled with the read and write control lines and the microprocessor's address bus, as well as with a decoder of input-output circuits and a quartz generator, in an arithmetic and logic unit coupled with the read and write control lines and the microprocessor's address bus, as well as with the decoder of input-output circuits and a quartz generator, in a three-state gate system coupled with the microprocessor's write control line and with the decoder of input-output circuits through an OR-type two-input gate , binary counter, the reset input of which is coupled with the microprocessor reading control line and with the decoder of the input-output circuits through a two-input gate of the OR type, into the impulse time univibrator, the initiating input of which is coupled with the microprocessor write control line and with the decoder of the input circuits and output through a two-input NOR gate, into an RS type flip-flop, coupled with the microprocessor's write and read control lines and with the microprocessor's input-output system decoder through two two-input OR gates, in the current frequency initiation univibrator, coupled with the microprocessor's write control line and with decoder of input-output circuits through a two-input gate of NOR type and a power regulator.

W układzie według wynalazku czujnik temperatury jest połączony z pierwszym wejściem analogowym przetwornika analogowo-cyfrowego poprzez wzmacniacz różnicowy i filtr górnozaporowy, zaś drugie wejście analogowe tego przetwornika połączone jest z pierwszym czujnikiem prądu w obwodzie wzbudnika, poprzez układ modułowy i filtr gómozaporowy. Z kolei wyjście cyfrowe przetwornika analogowo-cyfrowego połączono z szyną danych D mikroprocesora, wreszcie wyjście statusu tego przetwornika połączone jest z wejściem WAJT mikroprocesora, poprzez trójwejściową bramkę typu AND. Cyfrowy bufor trój stanowy, dwukierunkowy jednostki arytmetyczno-logicznej jest połączony z szyną danych D mikroprocesora, zaś wyjście statusu tej jednostki połączono z wejściem WAlTmikroprocesora poprzez trójwejściową bramkę typu AND, ponadto drugi czujnik prądu w obwodzie wzbudnika nagrzewnicy indukcyjnej z jednej strony połączony jest z pierwszym wejściem mnożarki analogowej, natomiast z drugiej strony z pierwszym wejściem bramki typu OR poprzeź układ dyskryminatora napięcia. Zanegowane wyjście uniwibratora inicjacji pomiaru częstotliwości prądu połączono jednocześnie z wejściem WAlT mikroprocesora, poprzez trójwejściową bramkę typu AND oraz z drugim wejściem bramki typu OR, zaś wyjście bramki typu OR jest połączone z wejściem zegarowym przerzutnika typu D, którego wyjście z jednej strony łączy wejście zerujące uniwibratora inicjacji pomiaru częstotliwości prądu, poprzez uniwibrator zakończenia pomiaru częstotliwości prądu, z drugiej zaś strony wyjście przerzutnika typu D jest połączone z pierwszym wejściem bramki typu AND, drugie z kolei wejście tej bramki połączono z generatorem kwarcowym, z kolei wyjście dwuwejściowej bramki typu AND jest połączone z wejściem szeregowym licznika binarnego. Wyjście równoległe tego licznika binarnego połączono z szyną danych D mikroprocesora, poprzez układ bramek trójstanowych. Wyjście uniwibratora czasu impulsowania połączone jest z wejściem przerwania maskowalnego INT mikroprocesora, poprzez uniwibrator inicjacji przerwania, z kolei wejście zerujące tego uniwibratora połączono z wyjściem zgłoszenia przyjęcia przerwania 1NTA mikroprocesora. Wyjście cyfrowe przerzutnika typu RS połączone jest z wejściem zadającym regulatora mocy poprzez tranzystor kluczujący, z kolei wejście pomiarowe tego regulatora połączono z wyjściem mnożarki analogowej poprzez filtr górnozaporowy. Wreszcie wyjście regulatora mocy połączono z wejściem układu sterowania przekształtnika półprzewodnikowego wysokiej częstotliwości oraz czujnik napięcia w obwodzie wzbudnika nagrzewnicy połączony jest z drugim wejściem analogowym mnożarki analogowej.In the system according to the invention, the temperature sensor is connected to the first analog input of the analog-to-digital converter through a differential amplifier and a high-cut filter, and the second analog input of this converter is connected to the first current sensor in the exciter circuit, through a modular system and a low-cut filter. In turn, the digital output of the analog-to-digital converter is connected to the D bus of the microprocessor, and finally the status output of this converter is connected to the WAJT input of the microprocessor through a three-input AND gate. The digital buffer of the three-state, bidirectional arithmetic-logic unit is connected to the data bus D of the microprocessor, and the status output of this unit is connected to the WAlT input of the microprocessor through a three-input AND gate, in addition, the second current sensor in the induction heater circuit is connected to the first input on one side of the analog multiplier, and on the other hand with the first input of the OR gate, through the voltage discriminator circuit. The negated output of the univibrator of the current frequency measurement initiation was connected simultaneously to the WAlT input of the microprocessor, through the three-input AND type gate and to the second input of the OR type gate, while the output of the OR type gate is connected to the D-type clock input, whose output on one side connects the univibrator's reset input initiate the current frequency measurement, through the univibrator of the current frequency measurement end, on the other hand, the output of the D-type trigger is connected to the first input of the AND-type gate, the second input of this gate is connected to the quartz generator, while the output of the two-input AND-type gate is connected to with the serial input of the binary counter. The parallel output of this binary counter is connected to the data bus D of the microprocessor through a system of three-state gates. The output of the impulse time univibrator is connected to the input of the microprocessor masked interrupt INT, through the interrupt initiation univibrator, while the reset input of this univibrator is connected to the output of the microprocessor 1NTA interrupt acceptance request. The digital output of the RS-type flip-flop is connected to the input of the power regulator through the keying transistor, while the measuring input of this regulator is connected to the output of the analog multiplier through a high-cut filter. Finally, the output of the power regulator is connected to the input of the high-frequency semiconductor converter control system and the voltage sensor in the heater circuit of the heater is connected to the second analog input of the analog multiplier.

Zaletą układu według wynalazku jest to, że odtwarza w czasie rzeczywistym niedostępne wektory stanu temperatury w strukturze wewnętrznej nagrzewanego elementu oraz zapewnia kontrolę temperaturowych naprężeń typu gradientowego, a także steruje procesem nagrzewania elementu według funkcji SIGN (ZNAKU), która minimalizuje przyjęty wskaźnikThe advantage of the system according to the invention is that it recreates in real time inaccessible temperature vectors in the internal structure of the heated element and provides control of temperature stresses of the gradient type, and controls the heating process of the element according to the SIGN function, which minimizes the assumed index

181 417 czasooptymalnego sterowania, co w końcowym rezultacie zapewnia dużą wydajność produkcyjną© wysokiej jakości wytwarzania.181 417 time-optimized control, which ultimately ensures high production efficiency © high-quality production.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat układu nagrzewnicy indukcyjnej.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing showing a schematic diagram of an induction heater.

Zasadniczym elementem układu nagrzewnicy indukcyjnej jest mikroprocesor 1 wraz z zespołem pamięci RAM 3 i ROM 4. Komunikowanie mikroprocesora 1 z pamięciami RAM 3 i ROM 4 odbywa się za pośrednictwem szyny danych D, a przekazywanie informacji adresowej odbywa się po szynie adresowej A. Dostęp do wybranego rodzaju pamięci jest możliwy dzięki sygnałom sterującym wygenerowanym w układzie dekodera pamięci 2. Dekoder pamięci 2 jest połączony z wyjściem sterującym MREO mikroprocesora 1. Z kolei dostęp do wybranego urządzenia wejściowo-wyjściowego jest możliwy dzięki sygnałom sterującym wygenerowanym w układzie dekodera układów wejściowo-wyjściowych 5 oraz sygnałom sterującym zapisu - WR i odczytu - RE, wygenerowanych w mikroprocesorze 1. Dekoder układów wejściowo-wyjściowych 5 jest połączony z wyjściem sterującym IORQ mikroprocesora 1. W skład urządzeń wejściowo-wyjściowych układu według wynalazku wchodzą następujące podzespoły wykonawcze: przetwornik analogowo-cyfrowy 6 współpracujący z czujnikiem temperatury 43 poprzez wzmacniacz różnicowy 40 i filtr gómozaporowy 41 oraz z czujnikiem prądu 35 poprzez układ modułowy (prostowniczy) 38 i filtr gómozaporowy 39, jednostkę arytmetyczno-logiczną 7, licznik binarny pomiaru częstotliwości prądu wzbudnika 9, współpracujący z układem bramek trójstanowych 8, bramkami typu: AND 20, OR 22 i NOR 25, przerzutnikiem typu D 23, układami uniwibratorów: inicjacji pomiaru częstotliwości prądu 26 i zakończenia pomiaru częstotliwości prądu 24 oraz z układem dyskryminatora napięcia 21, uniwibrator czasu impulsowania 13 współpracujący z uniwibratorem inicjacji przerwania 14 i bramką typu NOR 12, przerzutnik typu RS 17 współpracujący z bramkami typu OR 15il6 oraz z regulatorem mocy 29 poprzez tranzystor kluczujący 28. Wybór żądanego urządzenia wejściowo-wyjściowego w celu komunikowania się z nim przez mikroprocesor 1, odbywa się dzięki sygnałom sterującym wygenerowanym w dekoderze układów wejściowo-wyjściowych 5. Dodatkowo z przetwornikiem analogowo-cyfrowym 6, jednostką arytmetyczno-logiczną 7 oraz z bramką typu AND 20 licznika binarnego 9 współpracuje generator kwarcowy 19. W celu wstrzymania pracy programowej mikroprocesora 1 w okresie czasu, w którym pracuje przetwornik analogowo-cyfrowy 6, jednostka arytmetyczno-logiczna 7 lub licznik binarny pomiaru częstotliwości prądu wzbudnika 9, wyjścia statusu tych układów połączono z wejściem WATTmikroprocesora 1, poprzez trójwejściową bramkę typu AND 18. Licznik binarny 9 dokonuje pomiaru częstotliwości prądu wzbudnika na drodze zliczania impulsów z generatora kwarcowego 19 w czasie trwania jednego okresu prądu wzbudnika. Licznik binarny 9 połączony jest z magistralą danych D mikroprocesora 1, poprzez układ bramek trójstanowych 8. Zastosowana w układzie nagrzewnicy indukcyjnej jednostka arytmetyczno-logiczna 7 wykonuje podstawowe operacje matematyczne takie jak: dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie dla liczb przedstawionych w systemie binarnym w zapisie stałoprzecinkowym lub zmiennoprzecinkowym w dowolnej precyzji, a także wykonuje operacje matematyczne dla tych liczb na funkcjach typu: trygonometrycznego, log, In, , exp x. Sterowanie czasooptymalne polem temperatury w elemencie nagrzewanym 37 w układzie nagrzewnicy indukcyjnej odbywa się według funkcji SIGN (ZNAKU). Wobec tego w układzie interfejsowym mikroprocesora 1 zastosowany jest przerzutnik typu RS 17, który steruje za pośrednictwem tranzystora kluczującego 28 wartością zadaną mocy w regulatorze mocy 29. Wartość mocy zadanej w regulatorze ustawiana jest na potencjometrze 27 umieszczonym w gałęzi kolektora tranzystora kluczującego 28. Obwód kolektora zasilany jest napięciem + LĘ Pomiar mocy czynnej przeprowadza się przy użyciu mnożarki analogowej 31, wyjście której przyłączono do wejścia pomiarowego regulatora mocy 29, poprzez filtr gómozaporowy 30. W celu uzyskania stałego czasu impulsowania T* = const, w układzie interfejsowym mikroprocesora 1 zastosowano uniwibrator czasu impulsowania 13, który działa na zasadzie przerwania na wejściu przerwania maskowalnego 1NT mikroprocesora 1, wyprowadzając zThe main element of the induction heater system is the microprocessor 1 with the RAM 3 and ROM 4 memory. The type of memory is possible thanks to the control signals generated in the memory decoder circuit 2. The memory decoder 2 is connected to the control output MREO of the microprocessor 1. In turn, access to the selected input-output device is possible thanks to the control signals generated in the decoder circuit of the input-output circuits 5 and write control signals - WR and read - RE, generated in microprocessor 1. The decoder of input-output systems 5 is connected to the control output IORQ of microprocessor 1. The input-output devices of the system according to the invention include the following executive components: analog-to-digital converter 6 cooperating with feel temperature 43 through a differential amplifier 40 and a low-cut filter 41 and with a current sensor 35 through a modular (rectifier) system 38 and a low-cut filter 39, an arithmetic-logic unit 7, a binary meter for measuring the frequency of the inductor current 9, cooperating with a system of three-state gates 8, gates type: AND 20, OR 22 and NOR 25, D-type flip-flop 23, univibrator systems: current frequency measurement initiation 26 and current frequency measurement termination 24 and with voltage discriminator system 21, impulse time univibrator 13 cooperating with interrupt initiation univibrator 14 and gate type NOR 12, RS 17 type flip-flop that cooperates with OR 15 and 6 gates and with the power regulator 29 through the keying transistor 28. The selection of the required input-output device in order to communicate with it through the microprocessor 1 is carried out thanks to the control signals generated in the decoder of the input-output circuits. 5. In addition, with an analog converter a quartz generator 19 works with the AND gate 20 of the binary counter 9. The binary counter for measuring the frequency of the exciter current 9, the status outputs of these systems are connected to the WATT input of the microprocessor 1, through a three-input AND gate 18. The binary counter 9 measures the frequency of the exciter current by counting the pulses from the quartz generator 19 during one period of the exciter current. The binary counter 9 is connected to the data bus D of the microprocessor 1, through the system of three-state gates 8. The arithmetic-logic unit 7 used in the induction heater system performs basic mathematical operations such as: addition, subtraction, multiplication and division for numbers presented in the binary system in the notation fixed-point or floating-point in any precision, and also performs mathematical operations for these numbers on functions such as: trigonometric, log, In,, exp x. Time-optimal control of the temperature field in the heated element 37 in the induction heater system follows the SIGN function. Therefore, in the interface system of microprocessor 1, an RS 17 type flip-flop is used, which controls the power setpoint in the power regulator 29 via the keying transistor 28. The power setpoint in the regulator is set on the potentiometer 27 located in the collector branch of the keying transistor 28. The collector circuit is powered is the voltage + LĘ Measurement of active power is carried out using an analog multiplier 31, the output of which is connected to the measuring input of the power regulator 29, through a low-cut filter 30. In order to obtain a constant pulse time T * = const, a pulse time univibrator was used in the microprocessor interface 1 13, which operates by an interrupt at the input of the masked interrupt 1NT of microprocessor 1, deriving from

181 417 programowego STOP-u mikroprocesorowy system. Część siłową układu nagrzewnicy indukcyjnej stanowi przekształtnik półprzewodnikowy wysokiej częstotliwości 32, wyposażony w wewnętrzny układ sterowania 33, współpracujący z regulatorem mocy 29. Zadaniem regulatora mocy 29 jest stabilizacja mocy czynnej na zaciskach wzbudnika 42, na poziomie wartości nastawionej na potencjometrze 27 w obwodzie kolektora tranzystora kluczującego 28.181,417 software STOP microprocessor system. The power part of the induction heater system is a high-frequency semiconductor converter 32, equipped with an internal control system 33, cooperating with the power regulator 29. The task of the power regulator 29 is to stabilize the active power at the terminals of the inductor 42 at the value set on the potentiometer 27 in the collector circuit of the keying transistor. 28.

Działanie układu według wynalazku zostanie przedstawione w procesie sterowania czasooptymalnego polem temperatury w ściance nagrzewanego elementu.The operation of the system according to the invention will be presented in the process of time-optimal control of the temperature field in the wall of the heated element.

Stan dynamiczny pola temperaturowego w ściance nagrzewanego elementu opisuje równanie różniczkowe cząstkowe dyfuzji przedstawione w zapisie dyskretnym, zarówno w przestrzeni geometrycznej jak i w przestrzeni czasowej.The dynamic state of the temperature field in the wall of the heated element is described by the partial differential equation of diffusion presented in a discrete notation, both in geometric space and in time space.

Układ nagrzewnicy indukcyjnej według wynalazku realizuje algorytm nagrzewania czasooptymalnego. Oznacza to, iż odtwarza on w czasie rzeczywistym niedostępne wektory stanu temperatury w strukturze wewnętrznej nagrzewanego elementu oraz zapewnia kontrolę temperaturowych naprężeń typu gradientowego w tej strukturze, a także steruje procesem nagrzewania elementu według ftmkcji SIGN (ZNAKU), która minimalizuje przyjęty wskaźnik czasooptymalnego sterowania.The induction heater system according to the invention follows the time-optimal heating algorithm. This means that it recreates in real time inaccessible temperature vectors in the internal structure of the heated element and provides control of gradient-type temperature stresses in this structure, as well as controls the heating process of the element according to the SIGN function (SIGN), which minimizes the adopted time-optimal control ratio.

By móc zrealizować odtworzenie niedostępnych wektorów stanu temperatury w strukturze wewnętrznej nagrzewanego elementu należy w czasie rzeczywistym na drodze programowej rozwiązać równanie różniczkowe cząstkowe dyfuzji - wykorzystując do tego celu głównie jednostkę arytmetyczno-logiczną 7.In order to be able to recreate the inaccessible temperature state vectors in the internal structure of the heated element, it is necessary to solve the diffusion partial differential equation in real time by software - mainly using the arithmetic-logical unit 7.

Najpierw jednak należy dokonać pomiaru temperatury rzeczywistej na powierzchni zewnętrznej nagrzewanego elementu 37 - wykorzystując do tego celu czujnik temperatury 43, współpracujący ze wzmacniaczem różnicowym 40, filtrem gómozaporowym 41 oraz przetwornikiem analogowo-cyfrowym 6. Ponadto należy również w czasie rzeczywistym odtworzyć wartości wewnętrznych źródeł ciepła w strukturze nagrzewanego elementu. W tym celu wykonuje się na bieżąco pomiaru wartości skutecznej prądu w obwodzie wzbudnika 42 (przy użyciu czujnika prądu 35 wpółpracującego z układem modułowym 38, filtrem gómozaporowym 39 oraz przetwornikiem analogowo-cyfrowym 6) oraz przeprowadza się w czasie rzeczywistym pomiaru częstotliwości prądu w obwodzie wzbudnika 42 (pomiaru częstotliwości dokonuje w czasie trwania jednej połówki prądu wzbudnika licznik binarny 9, współpracujący z następującymi elementami: czujnik prądu 36 w obwodzie wzbudnika 42, dyskryminator napięcia 21, dwuwejściowa bramka typu OR 22, przerzutnik typu D 23, uniwibrator inicjacji pomiaru częstotliwości prądu 26, uniwibrator zakończenia pomiaru częstotliwości prądu (zerujący) 24, dwuwejściowa bramka typu NOR 25, dwuwejściowa bramka typu AND 20 oraz generator kwarcowy 19. Do zerowania licznika binarnego 9 służy dwuwejściowa bramka typu OR 11, sprzężona z linią sterującą odczytu i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych 5. Odczytywanie informacji cyfrowej z licznika binarnego 9 następuje przy użyciu układu bramek trójstanowych 8, który sterowany jest bramką dwuwejściową typu OR 10. Bramka ta sprzężona jest z linią sterującą zapisu mikroprocesora 1 i z dekoderem układów wejściowo-wyjściowych 5.First, however, the actual temperature on the external surface of the heated element 37 should be measured - using the temperature sensor 43, cooperating with a differential amplifier 40, a low-cut filter 41 and an analog-to-digital converter 6. Moreover, the values of internal heat sources should also be reconstructed in real time. structure of the heated element. For this purpose, the effective value of the current in the inductor circuit 42 is measured on an ongoing basis (with the use of a current sensor 35 cooperating with a modular system 38, a low-cut filter 39 and an analog-to-digital converter 6) and real-time measurements of the current frequency in the inductor circuit 42 (frequency measurement is performed during one half of the exciter current by a binary counter 9, cooperating with the following elements: current sensor 36 in the exciter circuit 42, voltage discriminator 21, two-input gate type OR 22, trigger type D 23, univibrator of initiation of current frequency measurement 26, univibrator for the end of current frequency measurement (resetting) 24, a two-input NOR 25 gate, a two-input AND 20 gate and a quartz generator 19. A two-input OR gate 11 is used to reset the binary counter 9, coupled with the reading control line and with the decoder of input-output circuits 5 Reading digital information from The binary counter 9 is performed using a tri-state gate system 8, which is driven by a two-input gate of the OR type 10. This gate is coupled to the write control line of the microprocessor 1 and to the decoder of the input-output circuits 5.

Ponadto układ sterowania według wynalazku powinien zapewnić stabilizację mocy czynnej na zaciskach wzbudnika 42. W tym celu w układzie według wynalazku zastosowano regulator mocy 29, którego zadaniem jest stabilizacja mocy czynnej na zaciskach wzbudnika 42 na poziomie wartości nastawionym na potencjometrze 27 w obwodzie kolektora tranzystora kluczującego 28. Z układem regulatora mocy 29 współpracuje układ pomiaru mocy czynnej, składający się z mnożarki analogowej 31, filtru gómozaporowego 30, czujnika prądu 36 i napięcia 34, w gałęzi wzbudnika 42.In addition, the control system according to the invention should ensure the stabilization of the active power at the terminals of the inductor 42. To this end, the system according to the invention uses a power regulator 29, whose task is to stabilize the active power at the terminals of the inductor 42 at the value set on the potentiometer 27 in the collector circuit of the key transistor 28 The active power measurement circuit 29 cooperates with the active power measurement circuit, consisting of an analog multiplier 31, a low-cut filter 30, a current sensor 36 and a voltage 34, in the inductor branch 42.

Mikroprocesor 1 po rozwiązaniu niedostępnych wektorów stanu temperatury w strukturze wewnętrznej nagrzewanego elementu, przystępuje do obliczania gradientów temperatury w poszczególnych warstwach podziału, przestrzeni wewnętrznej nagrzewanego elementu.The microprocessor 1, after resolving the inaccessible temperature state vectors in the internal structure of the heated element, starts to calculate the temperature gradients in individual partition layers, the internal space of the heated element.

W przypadku, gdy jakikolwiek gradient przekroczy dopuszczalną wartość, wówczas na wyjściu przerzutnika typu RS 17 zostanie programowo ustawiona 1-ka logiczna, a to oznaczaIf any gradient exceeds the allowable value, then logical 1 will be programmed on the output of the RS 17 type flip-flop, which means

181417 7 wysterowanie regulatora mocy 29 na poziomie wartości równej zero. Gdy zaś wszystkie gradienty temperatury w strukturze wewnętrznej nagrzewanego elementu posiadają wartości poniżej dopuszczalnych, to wówczas na wyjściu przerzutnika typu RS 17 zostanie ustawione zero logiczne. Oznacza to, iż regulator mocy 29 zostanie wysterowany na poziomie wartości, jaki został nastawiony na potencjometrze 27 w gałęzi kolektora tranzystora kluczującego 28. Proces nagrzewania czasooptymalnego trwa dopóty, dopóki nagrzewany element nie osiągnie wartości temperatury końcowej.181417 7 The power regulator 29 energizes to a value equal to zero. If all the temperature gradients in the internal structure of the heated element are below the permissible values, then the output of the RS 17 type flip-flop will be set to logical zero. This means that the power regulator 29 will be actuated to the value that was set on the potentiometer 27 in the collector branch of the keying transistor 28. The time-optimal heating process continues until the heated element reaches the end temperature value.

181 417181 417

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.Publishing Department of the Polish Patent Office. Circulation of 60 copies

Cena 2,00 zł.Price PLN 2.00.

Claims

Patent claim

Induction heater system equipped with a microprocessor, two current sensors and a voltage sensor in the exciter circuit, an analog-to-digital converter coupled with the read and write control lines and the microprocessor address bus, as well as with a decoder of input-output circuits and a quartz generator, coupled arithmetic and logic unit with write and read control lines and with the microprocessor address bus, as well as with a decoder of input-output circuits and a quartz generator, a system of three-state gates coupled with the microprocessor's write control line and with a decoder of input-output systems through a two-input OR gate, binary counter, which the reset input is coupled with the microprocessor reading control line and with the decoder of the input-output systems through the OR-type two-input gate, the impulse time univibrator, the initiating input of which is coupled with the microprocessor's write control line and with the decoder of the input-output circuits after through a two-input NOR-type gate, RS-type flip-flop coupled with the microprocessor's write and read lines and with the decoder of the input-output systems through two two-input OR-type gates, univibrator for the initiation of current frequency measurement, coupled with the microprocessor's write control line and with the decoder of the input-output systems through a two-input gate of NOR type and a power regulator, characterized in that the temperature sensor (43) is connected to the first analog input of the analog-to-digital converter (6) through a differential amplifier (40) and a low-cut filter (41), and the second analog input of this converter is connected with the first current sensor (35) in the exciter circuit (42), through the modular system (38) and the low-cut filter (39), the digital output of the analog-to-digital converter (6) was connected to the data bus D of the microprocessor (1), and finally the output status of this transducer is connected to the WAJT input of the microprocessor (1) through a three-input gate of the AND (18), moreover, the digital three-state buffer of the arithmetic-logic unit (7) is connected to the data bus D of the microprocessor (1), and the status output of this unit is connected to the WAJT input of the microprocessor (1) through a three-way AND gate (18), except the second current sensor (36) in the inductor circuit (42) is on the one hand connected to the first input of the analog multiplier (31), and on the other hand, to the first input of the OR-type gate (22) through the voltage discriminator (21), the output of the univibrator for the initiation of current frequency measurement (26) is connected simultaneously with the WA1T input of the microprocessor (1), through the three-input AND gate (18) and with the second input of the OR type gate (22), and the output of this gate is connected to the clock input of the D-type flip-flop (23), the output of which on one side connects the reset input of the univibrator of the current frequency measurement initiation (26) through the univibrator of the current frequency measurement termination (24), on the other hand, the output of the D type flip-flop (23) is connected to the first input of the AND gate (20), the second input of this gate is connected to a quartz generator (19), and the output of the two-input AND gate (20) is connected to the serial input of the binary counter (9), and finally the parallel output of this counter is connected to the data bus D of the microprocessor (1) through a system of three-state gates (8), in addition, the output of the impulse time univibrator (13) is connected to the input of the masked interrupt INT of the microprocessor (1) through the interrupt initiation univibrator (14), in turn, the reset input of this univibrator was connected to the output of the interrupt request ΊΝΤΆ of the microprocessor (1), moreover, the digital output of the RS type flip-flop (17) is connected to the input of the power regulator (29) through the keying transistor (28) ), while the measurement input of this controller was connected to the output of the analog multiplier (31) through a low-cut filter (30), and finally the output of the power regulator (29) is connected to the input of the control system (33)

181,417 of the high frequency semiconductor converter (32) and the voltage sensor (34) in the inductor circuit (42) are connected to the second analog input of the analog multiplier (31).

* * *