RU2088035C1

RU2088035C1 - Method for shock excitation of oscillation circuit of induction coil unit

Info

Publication number: RU2088035C1
Application number: RU93010887A
Authority: RU
Inventors: И.Р. Исхаков; А.В. Налобин; И.Н. Таназлы; А.А. Шуляк
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Вихрь-У"
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1997-08-20

Abstract

FIELD: electric engineering, in particular, electric heating and other processes which require low attenuation of oscillations. SUBSTANCE: method involves parametric effect on magnetization of magnetic circuit of inductance coil in beginning of each oscillation period of current in inductance coil for periods which follow excitation current periods of supply generator when current of inductance coil transits through zero. EFFECT: increased efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при возбуждении колебательных контуров, используемых для индукционного нагрева в электротермии, а также для других техпроцессов, где необходимо малое затухание колебаний. The invention relates to electrical engineering and can be used to excite oscillatory circuits used for induction heating in electrothermics, as well as for other technological processes where small damping of oscillations is required.

Известен способ ударного возбуждения гармонических колебаний, заключающийся в том, что затухающие высокочастотные колебания в нагрузочном колебательном контуре возбуждаются импульсами тока [1]
Недостатком этого способа является прерывистый характер тока в нагрузочном колебательном контуре и как следствие низкий КПД системы в целом.A known method of shock excitation of harmonic oscillations, which consists in the fact that damped high-frequency oscillations in the load oscillating circuit are excited by current pulses [1]
The disadvantage of this method is the intermittent nature of the current in the load oscillating circuit and, as a consequence, the low efficiency of the system as a whole.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ возбуждения высокочастотных колебаний в нагрузочном контуре, заключающийся в том, что колебания возбуждаются генератором питания, причем частота следования колебаний генератора f_г в два и более раз меньше собственной частоты нагрузочного контура f_н, то есть f_г=nf_н [2]
Недостатком данного способа является низкий КПД системы в целом из-за затухания колебаний в нагрузочном контуре, обусловленного отсутствием дополнительного поступления энергии в контур во всех периодах колебаний, следующих за периодами тока возбуждения питающего генератора.The closest in technical essence and the achieved result is a method of exciting high-frequency oscillations in the load circuit, which consists in the fact that the oscillations are excited by the power generator, and the oscillator repetition rate f _g is two or more times less than the natural frequency of the load circuit f _n , that is, f _r = nf _n [2]
The disadvantage of this method is the low efficiency of the system as a whole due to damping of oscillations in the load circuit due to the absence of additional energy input to the circuit in all periods of oscillation following the periods of excitation current of the supply generator.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД, путем параметрического воздействия на контур путем подмагничивания магнитопровода индуктора в начале каждого периода колебаний тока в индукторе, следующего за периодами тока возбуждения питающего генератора, в моменты перехода тока индуктора через "О". The aim of the present invention is to increase the efficiency by parametrically influencing the circuit by magnetizing the magnetic circuit of the inductor at the beginning of each period of current oscillation in the inductor following the periods of the excitation current of the supply generator at the moments when the inductor current passes through "O".

Поставленная цель достигается тем, что в способе ударного возбуждения колебательного контура индукционной установки, заключающемся в том, что высокочастотные колебания возбуждаются импульсами тока, поступающими от генератора питания, производят параметрическое воздействие на контур путем подмагничивания магнитопровода индуктора в начале каждого периода колебаний тока в индукторе, следующего за периодами тока возбуждения питающего генератора, в момент перехода тока индуктора через "О". This goal is achieved in that in the method of shock excitation of the oscillatory circuit of the induction installation, which consists in the fact that high-frequency oscillations are excited by current pulses from the power generator, they produce a parametric effect on the circuit by magnetizing the magnetic circuit of the inductor at the beginning of each period of current oscillations in the inductor, the following for periods of the excitation current of the supplying generator, at the moment the inductor current passes through "O".

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства ударного возбуждения колебательного контура, реализующая предлагаемый способ. In FIG. 1 presents a schematic diagram of a device for shock excitation of an oscillatory circuit that implements the proposed method.

Схема содержит источник постоянного тока 1, входной дроссель 2, неуправляемый 3 и управляемый вентиль 4, коммутирующую индуктивность 5, коммутирующий конденсатор 6, компенсирующий конденсатор 7, индуктор 8 с ферромагнитным сердечником, обмотку подмагничивания 9, генератор импульсов подмагничивания 10, трансформатор тока 11, дифференциатор 12, импульсные компараторы 13 и 14, RS-триггер 15, блок формирования управляющих импульсов 16, одновибратор 17 и логический элемент 2И 18. The circuit contains a direct current source 1, an input choke 2, an uncontrolled 3 and a controlled valve 4, a switching inductance 5, a switching capacitor 6, a compensating capacitor 7, an inductor 8 with a ferromagnetic core, a magnetizing winding 9, a magnetizing pulse generator 10, a current transformer 11, a differentiator 12, pulse comparators 13 and 14, RS-flip-flop 15, control pulse generating unit 16, single-shot 17 and logic element 2I 18.

Способ ударного возбуждения колебательного контура осуществляется следующим образом. После подачи постоянного напряжения от источника 1 конденсатор 6 начинает заряжаться по цепи: входной дроссель 2, коммутирующая индуктивность 5, коммутирующий конденсатор 6, индуктор 8 до напряжения источника питания. После заряда конденсатора 6 подают отпирающий импульс с блока управления 16 на управляемый вентиль 4, он отпирается и происходит разряд коммутирующего конденсатора 6 по цепи: коммутирующая индуктивность 5, управляемый вентиль 4, компенсирующий конденсатор 7 и индуктор 8. Обратная полуволна тока проходит через неуправляемый вентиль 3. Таким образом происходит возбуждение колебаний в нагрузочном контуре, резонансная частота которого при ненасыщенном сердечнике индуктора вдвое больше частоты следования колебаний коммутирующего контура. Кривые, поясняющие работу системы, приведены на фиг.2 а, б. Так как часть энергии колебаний нагрузочного контура расходуется на нагрев заготовки, введенной в зазор индуктора, то амплитуда тока во втором периоде меньше амплитуды тока первого периода (фиг.2б). Чтобы компенсировать уменьшение амплитуды тока и увеличить отдаваемую индуктором мощность подают импульс подмагничивания на обмотку 9 от генератора 10 в момент, когда ток второго периода переходит через "О" и начинает нарастать. Длительность импульса подмагничивания выбирают такой, чтобы сердечник индуктора вышел из насыщенного состояния в момент, когда ток индуктора во втором периоде достигнет максимума (фиг.2 б, в). Уменьшение индуктивности при переходе сердечника индуктора в насыщенное состояние не вызывает изменения запаса электромагнитной энергии, а увеличение индуктивности на величину L_ненас L_нас при обратном переходе сопровождается увеличением запаса электромагнитной энергии контура на величину 1/2

которая расходуется на увеличение амплитуды тока индуктора (фиг.2г), а следовательно, возрастает отдаваемая в нагрузку мощность. Все вышеизложенное справедливо и для "подкачки" контура путем изменения параметра при собственной частоте контура большей частоты следования импульсов тока основной накачки в три и более раз. В этом случае, аналогично, подают импульсы подмагничивания в начале каждого периода тока контура за исключением периодов, когда происходит накачка основными импульсами тока питающего генератора.The method of shock excitation of the oscillatory circuit is as follows. After applying a constant voltage from source 1, the capacitor 6 begins to charge along the circuit: input choke 2, switching inductance 5, switching capacitor 6, inductor 8 to the voltage of the power source. After the capacitor 6 is charged, a unlocking pulse is supplied from the control unit 16 to the controlled valve 4, it is unlocked and the switching capacitor 6 is discharged along the circuit: switching inductance 5, controlled valve 4, compensating capacitor 7 and inductor 8. The reverse half-wave current passes through uncontrolled valve 3 . Thus, the excitation of oscillations in the load circuit, the resonant frequency of which with an unsaturated core of the inductor is twice the frequency of the oscillations of the switching circuit. Curves explaining the operation of the system are shown in Fig.2 a, b. Since part of the oscillation energy of the load circuit is spent on heating the workpiece introduced into the inductor gap, the amplitude of the current in the second period is less than the amplitude of the current of the first period (Fig.2b). In order to compensate for the decrease in the amplitude of the current and increase the power supplied by the inductor, a bias pulse is applied to the winding 9 from the generator 10 at the moment when the current of the second period passes through "O" and begins to increase. The duration of the bias pulse is chosen so that the inductor core leaves its saturated state at the moment when the inductor current reaches a maximum in the second period (Fig. 2 b, c). A decrease in inductance during the transition of the inductor core to a saturated state does not cause a change in the supply of electromagnetic energy, and an increase in inductance by the amount of L is _not L L _us in the reverse transition is accompanied by an increase in the supply of electromagnetic energy of the circuit by 1/2

which is spent on increasing the amplitude of the inductor current (Fig. 2d), and therefore, the power supplied to the load increases. All of the above is true for the “pumping” of the circuit by changing the parameter at the natural frequency of the circuit of a higher repetition rate of the main pump current pulses by three or more times. In this case, similarly, bias pulses are supplied at the beginning of each period of the loop current, with the exception of periods when the main current pulses are pumped by the supply generator.

В случае прототипа для увеличения мощности отдаваемой в нагрузку (нагреваемая деталь и т.п.) необходимо увеличить мощность в контуре, что вызывает необходимость увеличения амплитуды токовых импульсов накачки и как следствие увеличение потерь в элементах основного накачивающего генератора и снижение КПД установки в целом. Также ухудшается "качество" выходного тока из-за существенного затухания, что особенно заметно при кратности три и более частоты импульсов возбуждения по отношению к собственной частоте контура. In the case of the prototype, in order to increase the power delivered to the load (heated part, etc.), it is necessary to increase the power in the circuit, which necessitates an increase in the amplitude of the current pump pulses and, as a result, an increase in losses in the elements of the main pumping generator and a decrease in the efficiency of the installation as a whole. The “quality” of the output current also deteriorates due to significant attenuation, which is especially noticeable with a frequency of three or more excitation pulse frequencies with respect to the natural frequency of the circuit.

Моменты перехода тока через ноль и длительность импульсов подмагничивания устанавливаются автоматически при помощи блоков 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Сигналы с трансформатора тока 11 подаются на дифференциатор 12 и компаратор 14. Форма этих сигналов приведена на фиг.3 диаграмм 11, 12, 14. С выхода дифференциатора сигнал (диаграмма 12) поступает на компаратор 13 (диаграмма 13). С выходов компараторов 13 и 14, сигналы поступают на входы R и S, RS-триггера 15. С выхода триггера 15 сигнал (диаграмма 15) поступает на первый вход логического элемента 2И 18, на второй вход которого поступает сигнал с одновибратора 17 (диаграмма 17), который запускается импульсами генератора управляющих импульсов 16 (диаграмма 16). The moments of the current passing through zero and the duration of the magnetization pulses are set automatically using blocks 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. The signals from the current transformer 11 are supplied to the differentiator 12 and the comparator 14. The shape of these signals is shown in FIG. 3 diagrams 11, 12, 14. From the output of the differentiator, the signal (diagram 12) is supplied to the comparator 13 (diagram 13). From the outputs of the comparators 13 and 14, the signals are fed to the inputs of R and S, the RS-trigger 15. From the output of the trigger 15, the signal (diagram 15) is fed to the first input of the logic element 2I 18, the second input of which receives the signal from the one-shot 17 (diagram 17 ), which is triggered by the pulses of the generator of control pulses 16 (diagram 16).

Как видно из диаграмм фиг. 3 компаратора 13 и 14 выдают импульсы в моменты перехода тока индуктора через ноль из отрицательной области в положительную (компаратор 14) и в моменты достижения током индуктора максимума в положительной области (компаратор 13). Этими импульсами переключается RS-триггер 15 на выходе которого формируется сигнал управления генератором подмагничивания 10. С целью исключения подмагничивания в моменты времени, соответствующие периоду первой волны тока, начало которой совпадает с импульсами управления, поступающими с генератора управляющих импульсов 16 (диаграмма 16), одновременно подают эти импульсы на вход одновибратора 17, который формирует запрещающий импульс обратной полярности (диаграмма 17), который поступает на второй вход логического элемента 2И. Как видно из диаграммы 18 фиг.3 на выходе логического элемента 18 появляются импульсы управления генератором подмагничивания 10 только тогда когда отсутствует основной ток подмагничивания, причем длительность импульса одновибратора 17 выбирают равной приблизительно половине периода тока индуктора для надежной работы системы. As can be seen from the diagrams of FIG. 3 comparators 13 and 14 give out pulses at the moments when the inductor current passes through zero from the negative to the positive region (comparator 14) and at the moments when the inductor current reaches a maximum in the positive region (comparator 13). These pulses switch the RS-trigger 15 at the output of which the control signal of the bias generator 10 is generated. In order to prevent bias at times corresponding to the period of the first current wave, the beginning of which coincides with the control pulses coming from the control pulse generator 16 (diagram 16), simultaneously these pulses are fed to the input of a single-shot 17, which generates a prohibiting pulse of reverse polarity (diagram 17), which is fed to the second input of the logic element 2I. As can be seen from diagram 18 of FIG. 3, at the output of logic element 18, control pulses of the bias generator 10 appear only when there is no main magnetization current, and the pulse duration of the one-shot 17 is chosen to be approximately half the current period of the inductor for reliable operation of the system.

Таким образом формируются импульсы тока подмагничивания, длительность которых получается такой, чтобы сердечник индуктора вышел из насыщенного состояния в момент, когда ток индуктора во втором периоде достигнет максимума (фиг.2 б, в). Thus, bias current pulses are formed, the duration of which is such that the inductor core leaves its saturated state at the moment when the inductor current reaches a maximum in the second period (Fig. 2 b, c).

Уменьшение индуктивности при переходе сердечника индуктора в насыщенное состояние не вызывает изменения запаса электромагнитной энергии, а увеличение индуктивности на величину L_ненас.-L_нас. при обратном переходе сопровождается увеличением запаса электромагнитной энергии контура на величину 1/2

которая расходуется на увеличение.A decrease in inductance during the transition of the core of the inductor to a saturated state does not cause a change in the supply of electromagnetic energy, and an increase in inductance by the amount of L is _not. -L _us. in the reverse transition is accompanied by an increase in the supply of electromagnetic energy of the circuit by 1/2

which is spent on increasing.

В предлагаемом способе для увеличения мощности отдаваемой в нагрузку, нет необходимости увеличивать мощность основного генератора, достаточно путем изменения параметра контура, как указывалось выше, производить "подкачку", увеличивая тем самым мощность отдаваемую в нагрузку, повышая КПД системы и уменьшая декремент затухания контурного тока. In the proposed method, in order to increase the power delivered to the load, there is no need to increase the power of the main generator, it is enough to change the circuit parameter, as mentioned above, to “pump”, thereby increasing the power transferred to the load, increasing the efficiency of the system and decreasing the attenuation decrement of the loop current.

Claims

The method of shock excitation of the oscillatory circuit of the induction installation, which consists in the fact that high-frequency oscillations are excited by current pulses from the power generator, characterized in that they produce a parametric effect on the circuit by magnetizing the inductor magnetic circuit at the beginning of each period of current oscillations in the inductor following the current periods excitation of the supplying generator, at the moments of transition of the inductor current through "0".