RU2231904C2 - Inductive heating device and its control process - Google Patents
Inductive heating device and its control process Download PDFInfo
- Publication number
- RU2231904C2 RU2231904C2 RU2002125710/09A RU2002125710A RU2231904C2 RU 2231904 C2 RU2231904 C2 RU 2231904C2 RU 2002125710/09 A RU2002125710/09 A RU 2002125710/09A RU 2002125710 A RU2002125710 A RU 2002125710A RU 2231904 C2 RU2231904 C2 RU 2231904C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- inductor
- low
- inverter cell
- current
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в инверторных источниках питания в системах управления для установок индукционного нагрева и плавки металла.The invention relates to a conversion technique and can be used in inverter power supplies in control systems for induction heating and metal smelting plants.
Патентный поиск аналогов и наиболее близкого решения заявленному устройству для индукционного нагрева выявил следующее.A patent search for analogues and the closest solution to the claimed device for induction heating revealed the following.
Известен полумостовой высокочастотный резонансный инвертор на МДП-транзисторах, содержащий фильтровый конденсатор, два последовательно соединенных разделительных конденсатора, индуктивность нагрузки, при этом разделительные конденсаторы подключены параллельно фильтровому конденсатору, который подключен параллельно источнику постоянного напряжения, а индуктивность нагрузки одним выводом соединена со средней точкой полумостовой схемы, а вторым - с точкой соединения разделительных конденсаторов (Высокочастотные транзисторные преобразователи. М.: Радио и связь, с.233, рис.6.25).Known half-bridge high-frequency resonant inverter on MOS transistors containing a filter capacitor, two series-connected isolation capacitors, load inductance, while the isolation capacitors are connected in parallel to the filter capacitor, which is connected in parallel with a constant voltage source, and the load inductance is connected to the midpoint of the half-bridge circuit by a single output and the second - with the connection point of the isolation capacitors (High-frequency transistor educators.M.: Radio and Communications, p.233, Fig.6.25).
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для индукционного нагрева, содержащее фильтровый конденсатор, который подключен параллельно источнику постоянного тока, инверторную ячейку с индуктором индукционной установки в нагрузке, при этом инверторная ячейка включает первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, первый и второй последовательно соединенные разделительные конденсаторы, подключенные параллельно полумостовой схеме и входу инверторной ячейки, к которому подключен параллельно фильтровый конденсатор, при этом индуктор нагрузки включен между средней точкой полумостовой схемы ячейки инвертора и средней точкой соединения разделительных конденсаторов (POWER SUPPLIES IN INDUCTION MELTING SYSTEMS /Keys to Understandling This Fundamental Melting Technolodgy, fig.8/ Oleg S. Fishman /Vice President of Engineering Inductotherm Corp./ Rancocas, NJ 08073, December 1992).Closest to the proposed device is an induction heating device containing a filter capacitor that is connected in parallel with a direct current source, an inverter cell with an inductor of an induction installation in a load, while the inverter cell includes first and second controlled keys, shunted by diodes and connected in phase with the formation of a half-bridge circuit , the first and second series-connected isolation capacitors connected in parallel with the half-bridge circuit and the inverter input a cell to which a filter capacitor is connected in parallel, while the load inductor is connected between the midpoint of the half-bridge circuit of the inverter cell and the midpoint of the connection of the separation capacitors (POWER SUPPLIES IN INDUCTION MELTING SYSTEMS / Keys to Understandling This Fundamental Melting Technolodgy, fig. 8 / Oleg S. Fishman / Vice President of Engineering Inductotherm Corp./ Rancocas, NJ 08073, December 1992).
Оба устройства используют в системах управляемого электропитания для электротехнологических установок, в частности в устройствах для индукционного нагрева. Основным режимом работы известных устройств, обеспечивающим наилучшие соотношения между мощностью, передаваемой в нагрузку, и установленной мощностью оборудования, является одночастотный режим: на частоте, близкой к резонансной частоте нагрузочного контура. Невозможность формирования в устройствах в индукторе нагрузки одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами сужает функциональные возможности известных устройств. Это объясняется следующим. Ряд технологических процессов, например индукционной плавки и высокочастотной закалки, требуют одновременного наличия токов высокой и низкой частоты. Так, при высокочастотной закалке деталей, имеющих сложную конфигурацию поверхности, например при закалке шестерен, метод двух частот обеспечивает достаточно точное повторение закаленным слоем контура сложной поверхности обрабатываемой детали ("Simultaneous Dual-Frequency Gear Hardening’// "Industrial Heating", July, 2001). В индукционных печах качество выплавляемого металла существенно возрастает, если нагрев осуществляют на средней частоте, а силовое воздействие электромагнитным полем на ванну жидкого металла производят на низкой частоте. При этом обеспечивается интенсивное перемешивание металла в сочетании с высоким темпом его нагрева током средней частоты. При одночастотном сигнале усложняется процесс формирования силового поля внутри печи для перемешивания расплава ("Завтрашние технологии индукционной плавки уже существуют”. Джон X.Мортимер [Фирма Inductotherm, г.Ранкокас, США] // журнал “Литейщик России”, 2002 г., №1, с.33-34).Both devices are used in controlled power systems for electrotechnological installations, in particular in devices for induction heating. The main mode of operation of known devices, providing the best ratio between the power transmitted to the load and the installed capacity of the equipment, is a single-frequency mode: at a frequency close to the resonant frequency of the load circuit. The inability to form both high-frequency and low-frequency signals in devices in the inductor of the load and to independently control these signals reduces the functionality of the known devices. This is explained by the following. A number of technological processes, such as induction melting and high-frequency quenching, require the simultaneous presence of high and low frequency currents. So, when high-frequency hardening of parts having a complex surface configuration, for example, when hardening gears, the two-frequency method provides a fairly accurate repetition by the hardened layer of the contour of the complex surface of the workpiece ("Simultaneous Dual-Frequency Gear Hardening '//" Industrial Heating ", July, 2001 ). In induction furnaces, the quality of the smelted metal increases significantly if the heating is carried out at a medium frequency, and the force is applied by an electromagnetic field to the liquid metal bath at a low frequency. Intensive mixing of the metal in combination with a high rate of heating by a medium-frequency current. With a single-frequency signal, the formation of a force field inside the melt mixing furnace is complicated (“Tomorrow's induction melting technologies already exist.” John H. Mortimer [Inductotherm, Rancocas, USA ] // Magazine “Foundryman of Russia”, 2002, No. 1, p. 33-34).
Учитывая, что индукционные печи большого объема имеют, как правило, индуктор, выполненный в виде секций, то использование в устройстве для индукционного нагрева для совместной работы на соответствующие секции индуктора инверторных ячеек, выполненных в соответствии с известными, формирующими только одночастотный сигнал, не позволяет эффективно активизировать процессы перемешивания расплава в зоне секции индуктора, снижает равномерность нагрева загрузки печи, а следовательно, эффективность индукционного нагрева. Это объясняется тем, что работа на одночастотном сигнале не позволяет гибко, в соответствии с циклом работы печи, управлять работой инверторных ячеек, что обусловлено отсутствием возможности независимого управления высокочастотной энергией, подводимой к каждой секции индуктора, и процессом формирования силового электромагнитного поля внутри расплава в зоне секции индуктора для равномерного перемешивания.Given that induction furnaces of large volume have, as a rule, an inductor made in the form of sections, the use of inverter cells in the device for induction heating for joint operation on the corresponding sections of the inductor, made in accordance with the known ones, which form only a single-frequency signal, does not allow to activate the processes of melt mixing in the zone of the inductor section, reduces the uniformity of heating of the furnace charge, and therefore, the efficiency of induction heating. This is because the work on a single-frequency signal does not allow flexibly, in accordance with the cycle of the furnace, to control the operation of inverter cells, which is due to the lack of the ability to independently control the high-frequency energy supplied to each section of the inductor, and the process of generating a power electromagnetic field inside the melt in the zone inductor sections for uniform mixing.
Из вышеизложенного следует, что выявленные в результате патентного поиска устройства для индукционного нагрева не позволяют формировать в нагрузке одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы и осуществлять независимое управление этими сигналами, что не позволяет при работе этих устройств на общий индуктор эффективно активизировать процессы перемешивания расплава, повысить равномерность и эффективность индукционного нагрева путем независимого управления этими процессами, что сужает их функциональные возможности.From the foregoing, it follows that the devices for induction heating identified as a result of a patent search do not allow the high-frequency and low-frequency signals to be generated simultaneously in the load and to independently control these signals, which does not allow the melt mixing processes to be activated efficiently, to increase the uniformity and the efficiency of induction heating by independently controlling these processes, which narrows their functionality.
Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и прототип заявленного устройства для индукционного нагрева при осуществлении не обеспечивают достижения технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей за счет возможности формирования в индукторе нагрузки одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами.Thus, the analogue and prototype of the claimed device for induction heating revealed as a result of a patent search during implementation do not provide the achievement of a technical result consisting in expanding the functionality due to the possibility of generating both high-frequency and low-frequency signals in the inductor and independently controlling these signals.
Патентный поиск аналогов и наиболее близкого решения заявленному способу управления устройством для индукционного нагрева, используемому для управления заявленным устройством, выявил следующее.A patent search for analogues and the closest solution to the claimed method of controlling a device for induction heating, used to control the claimed device, revealed the following.
Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, управляющие диодами, формирующими прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При этом задают временной интервал, измеряют напряжение на тиристорах, формируют разрешающий логический сигнал, принимающий истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, а очередной импульс управления на тиристоры подают по истечение заданного временного интервала, причем отсчет временного интервала разрешают при истинном значении сформированного разрешающего логического сигнала (патент РФ №2117378, Н 02 М 7/48, Н 02 М 7/523, 10.08.98).A known method of controlling a resonant inverter with anti-parallel diodes, which consists in the formation and alternating supply of control pulses to the thyristors that control the diodes forming the direct and reverse half-wave current in the load. At the same time, a time interval is set, the voltage across the thyristors is measured, a resolving logic signal is formed that takes a true value when the forward voltage is simultaneously applied to the thyristors, which form the forward and reverse half-waves of the current in the load, and the next control pulse is applied to the thyristors after a specified time interval, and the countdown of the time interval is allowed with the true value of the generated enabling logical signal (RF patent No. 2117378, H 02 M 7/48, H 02 M 7/523, 08/10/98).
Наиболее близким к заявленному является способ управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения в нагрузке. При этом измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, подают очередные импульсы управления на вентили в моменты перехода мгновенного напряжения на нагрузке через нулевое значение, задают интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, сравнивают измеренный интервал времени с заданным, причем при превышении измеренным интервалом времени заданного подачу импульсов управления на вентили прекращают (патент РФ №1269984, Н 02 М 7/521, 27.06.2001 г.)Closest to the claimed one is a method of controlling a current inverter operating on a load in the form of a parallel oscillatory circuit, which consists in the formation and alternating supply of control pulses to the valves forming the forward and reverse half-waves of the voltage in the load. In this case, the instantaneous value of the voltage across the load is measured, the moments of the instantaneous transition of the voltage across the load through the zero value are determined, the next control pulses are fed to the valves at the moments of the instantaneous voltage across the load through the zero value, the time interval between the moments of the instantaneous transition of the voltage across the load through zero value, compare the measured time interval with a given, and if the measured time interval exceeds a predetermined supply of pulses detecting in stop valves (RF patent №1269984, H 02 M 7/521, 27.06.2001 g)
Оба способа используют в системах управляемого электропитания для электротехнологических установок, в частности для управления работой устройств для индукционного нагрева. Суть управления работой инверторов в обоих известных способах заключается в обеспечении синхронизации работы управляющих тиристоров, т.е. в устранении возможности появления в нагрузке, помимо высокочастотной, низкочастотной составляющей тока. Это, в принципе, не позволяет известным способом формировать в нагрузке инвертора одновременно токи высокой и низкой частоты, что сужает функциональные возможности известных способов. Это объясняется следующим. Ряд технологических процессов, например индукционной плавки и высокочастотной закалки, требуют одновременного наличия токов высокой и низкой частоты. Так, при высокочастотной закалке деталей, имеющих сложную конфигурацию поверхности, например при закалке шестерен, метод двух частот обеспечивает достаточно точное повторение закаленным слоем контура сложной поверхности обрабатываемой детали ("Simultaneous Dual-Frequency Gear Hardening’// "Industrial Heating", July, 2001). В индукционных печах качество выплавляемого металла существенно возрастает, если нагрев осуществляют на средней частоте, а силовое воздействие электромагнитным полем на ванну жидкого металла производят на низкой частоте. При этом обеспечивается интенсивное перемешивание расплава в сочетании с высоким темпом его нагрева током средней частоты. При одночастотном сигнале усложняется процесс формирования силового поля внутри печи для перемешивания расплава ("Завтрашние технологии индукционной плавки уже существуют”, Джон X.Мортимер [Фирма Inductotherm, г.Ранкокас, США] // журнал “Литейщик России”, 2002 г., №1, с.33-34).Both methods are used in controlled power systems for electrotechnological installations, in particular for controlling the operation of devices for induction heating. The essence of controlling the operation of inverters in both known methods is to synchronize the operation of control thyristors, i.e. in eliminating the possibility of occurrence in the load, in addition to the high-frequency, low-frequency component of the current. This, in principle, does not allow the known method to form simultaneously high and low frequency currents in the inverter load, which narrows the functionality of the known methods. This is explained by the following. A number of technological processes, such as induction melting and high-frequency quenching, require the simultaneous presence of high and low frequency currents. So, when high-frequency hardening of parts having a complex surface configuration, for example, when hardening gears, the two-frequency method provides a fairly accurate repetition by the hardened layer of the contour of the complex surface of the workpiece ("Simultaneous Dual-Frequency Gear Hardening '//" Industrial Heating ", July, 2001 ). In induction furnaces, the quality of the smelted metal increases significantly if the heating is carried out at a medium frequency, and the force is applied by an electromagnetic field to the liquid metal bath at a low frequency. Intensive mixing of the melt in combination with a high rate of heating by a medium-frequency current. With a single-frequency signal, the process of forming a force field inside the furnace for mixing the melt complicates ("Tomorrow's induction melting technologies already exist," John H. Mortimer [Inductotherm, Rancocas, USA ] // Magazine “Foundryman of Russia”, 2002, No. 1, p. 33-34).
Из вышеизложенного следует, что, поскольку в известных способах управления устройствами для индукционного нагрева формируют в индукторе только одночастотный сигнал, это не позволяет активизировать процессы перемешивания расплава в печи, снижает равномерность, а следовательно, эффективность индукционного нагрева, что сужает их функциональные возможности.It follows from the foregoing that, since in known methods for controlling devices for induction heating, only a single-frequency signal is generated in the inductor, this does not allow the melt mixing processes in the furnace to be activated, it reduces the uniformity and, therefore, the efficiency of induction heating, which narrows their functionality.
Учитывая, что индукционные печи большого объема имеют, как правило, индуктор, выполненный в виде секций, то из-за возможности формирования только одночастотного сигнала использование известных способов управления работой устройств для индукционного нагрева с общим индуктором не позволяет эффективно активизировать процессы перемешивания расплава в зоне секции индуктора, снижает равномерность нагрева загрузки печи, а следовательно, эффективность индукционного нагрева. Это объясняется тем, что работа на одночастотном сигнале не позволяет гибко, в соответствии с циклом работы печи, управлять работой инверторных ячеек, что обусловлено отсутствием возможности независимого управления высокочастотной энергией, подводимой к каждой секции индуктора, и процессом формирования силового электромагнитного поля внутри расплава в зоне секции индуктора для равномерного перемешивания.Given that induction furnaces of a large volume have, as a rule, an inductor made in the form of sections, due to the possibility of generating only a single-frequency signal, the use of known methods for controlling the operation of devices for induction heating with a common inductor does not allow to efficiently activate the melt mixing processes in the section zone inductor, reduces the uniformity of heating the furnace load, and therefore, the efficiency of induction heating. This is because the work on a single-frequency signal does not allow flexibly, in accordance with the cycle of the furnace, to control the operation of inverter cells, which is due to the lack of the ability to independently control the high-frequency energy supplied to each section of the inductor, and the process of generating a power electromagnetic field inside the melt in the zone inductor sections for uniform mixing.
Из вышеизложенного следует, что выявленные в результате патентного поиска способы управления работой устройств для индукционного нагрева не позволяют формировать в нагрузке одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы и осуществлять независимое управление этими сигналами. Это не позволяет с помощью известных способов при управлении работой устройств для индукционного нагрева с общим индуктором активизировать процессы перемешивания расплава, повысить равномерность и эффективность индукционного нагрева путем независимого управления этими процессами, что сужает их функциональные возможности.From the foregoing, it follows that the methods for controlling the operation of devices for induction heating identified as a result of a patent search do not allow both high-frequency and low-frequency signals to be generated in a load and independently controlled by these signals. This does not allow using known methods when controlling the operation of devices for induction heating with a common inductor to activate the melt mixing processes, to increase the uniformity and efficiency of induction heating by independently controlling these processes, which narrows their functionality.
Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и прототип заявленного способа управления работой устройства для индукционного нагрева, используемого для управления заявленным устройством, при осуществлении не обеспечивают достижения технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей способа за счет возможности независимого формирования в индукторе нагрузки одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами.Thus, the analogue and prototype of the claimed method for controlling the operation of the device for induction heating, used to control the claimed device, revealed as a result of a patent search, do not ensure the achievement of the technical result, which consists in expanding the functionality of the method due to the possibility of independent formation of a high-frequency load in the inductor and low-frequency signals and the implementation of independent control of these signals.
Предлагаемое изобретение - устройство для индукционного нагрева решает задачу создания соответствующего устройства, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей за счет возможности независимого формирования в индукторе одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами.The present invention - a device for induction heating solves the problem of creating an appropriate device, the implementation of which ensures the achievement of a technical result, which consists in expanding the functionality due to the possibility of independent formation in the inductor of both high-frequency and low-frequency signals and independent control of these signals.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство для индукционного нагрева содержит инверторную ячейку и индуктор индукционной установки, при этом инверторная ячейка включает фильтровый конденсатор, который подключен параллельно источнику постоянного тока, первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, первый и второй последовательно соединенные разделительные конденсаторы, подключенные параллельно полумостовой схеме и фильтровому конденсатору, а средняя точка полумостовой схемы инверторной ячейки подключена к одному из выводов индуктора, индуктор выполнен многосекционным, а устройство содержит n инверторных ячеек, идентичных первой, где n - количество секций индуктора, при этом средняя точка полумостовой схемы инверторной ячейки подключена к одному из выводов соответствующей секции индуктора, а в каждую инверторную ячейку введен компенсирующий высокочастотный конденсатор, который подключен к соответствующей секции индуктора с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, кроме того, в каждую инверторную ячейку введен низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом соответствующей секции индуктора и точкой соединения разделительных конденсаторов и образует с разделительными конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в секции индуктора инверторной ячейки.The essence of the invention lies in the fact that the device for induction heating comprises an inverter cell and an inductor of an induction installation, wherein the inverter cell includes a filter capacitor that is connected in parallel with a direct current source, the first and second controlled keys, shunted by diodes and connected in phase with the formation of a half-bridge circuit, the first and second series-connected isolation capacitors connected in parallel with the half-bridge circuit and the filter capacitor, and medium the point of the half-bridge circuit of the inverter cell is connected to one of the outputs of the inductor, the inductor is multi-sectional, and the device contains n inverter cells that are identical to the first, where n is the number of sections of the inductor, while the midpoint of the half-bridge circuit of the inverter cell is connected to one of the terminals of the corresponding section of the inductor and in each inverter cell a compensating high-frequency capacitor is introduced, which is connected to the corresponding section of the inductor with the formation of a high-frequency parallel resonance oscillatory LC circuit, in addition, a low-frequency inductor is introduced into each inverter cell, which is connected between the second output of the corresponding section of the inductor and the connection point of the isolation capacitors and forms a series low-frequency resonant oscillation circuit with isolation capacitors with a resonant frequency corresponding to the frequency of the low-frequency component of the current in sections of the inductor of the inverter cell.
Технический результат достигается следующим образом. Фильтровый конденсатор, подключенный параллельно источнику постоянного напряжения, и разделительные конденсаторы в каждой инверторной ячейке отсекают сигнал помехи по высокой частоте по цепи источника питания.The technical result is achieved as follows. A filter capacitor connected in parallel with the DC voltage source, and isolation capacitors in each inverter cell cut off the high frequency noise signal along the power supply circuit.
Первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, обеспечивают управление работой инверторной ячейки, участвуя тем самым в формировании параметров выходного сигнала в индукторе нагрузки.The first and second controlled keys, shunted by diodes and connected out of phase with the formation of a half-bridge circuit, provide control of the inverter cell, thereby participating in the formation of the output signal parameters in the load inductor.
Сопротивление индуктора индукционной установки имеет резко индуктивный характер. Как правило, реактивную мощность индуктора индукционной установки компенсируют, для чего параллельно индуктору или последовательно с ним подключают компенсирующий конденсатор. Поскольку нагрузкой каждой инверторной ячейки является секция индуктора индукционной установки, для компенсации реактивной мощности нагрузки в заявленном устройстве в каждую инверторную ячейку введен компенсирующий конденсатор, который подключен параллельно к соответствующей секции индуктора нагрузки.The resistance of the inductor of the induction installation is sharply inductive. As a rule, the reactive power of the inductor of the induction installation is compensated, for which a compensating capacitor is connected in parallel with the inductor or in series with it. Since the load of each inverter cell is the inductor section of the induction unit, to compensate for the reactive power of the load in the claimed device, a compensating capacitor is introduced into each inverter cell, which is connected in parallel to the corresponding section of the load inductor.
Кроме того, применение полумостовой схемы позволяет использовать разделительные конденсаторы одновременно в качестве фильтровых на высокой частоте и в качестве компенсирующих - на низкой частоте. В результате в устройстве осуществлена последовательная компенсация индуктивности нагрузки в каждой секции индуктора, при этом роль компенсирующих конденсаторов выполняют разделительные конденсаторы, а параллельную компенсацию нагрузки выполняет введенный в устройство компенсирующий конденсатор.In addition, the use of a half-bridge circuit allows the use of isolation capacitors at the same time as filter capacitors at a high frequency and as compensating ones at a low frequency. As a result, the device provides sequential compensation of the load inductance in each section of the inductor, while the role of the compensating capacitors is performed by isolation capacitors, and the parallel compensation of the load is performed by the compensating capacitor introduced into the device.
Благодаря тому, что компенсирующий конденсатор подключен к соответствующей секции индуктора нагрузки с образованием параллельного резонансного колебательного LC-контура, все реактивные токи компенсации замыкаются в колебательном контуре нагрузки инверторной ячейки, что позволяет сконцентрировать практически всю выделяемую ими мощность в нагрузке. При этом, так как в качестве компенсирующего конденсатора в каждую инверторную ячейку введен высокочастотный, который образует с секцией индуктора нагрузки высокочастотный параллельный резонансный колебательный LC-контур, это обуславливает формирование в секции индуктора токов высокой частоты.Due to the fact that the compensating capacitor is connected to the corresponding section of the load inductor with the formation of a parallel resonant oscillatory LC circuit, all reactive compensation currents are closed in the oscillatory load circuit of the inverter cell, which makes it possible to concentrate almost all the power released by them in the load. At the same time, since a high-frequency one is introduced into each inverter cell as a compensating capacitor, which forms a high-frequency parallel resonant oscillating LC circuit with the load inductor section, this leads to the formation of high-frequency currents in the inductor section.
Низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом соответствующей секции индуктора и точкой соединения разделительных конденсаторов, обеспечивает возможность замыкания тока в параллельном колебательном контуре нагрузки при открывании управляемого ключа полумоста. Кроме того, после закрытия управляемого ключа низкочастотный дроссель за счет формируемой ЭДС обеспечивает непрерывность прохождения тока через нагрузку, а следовательно, непрерывность формирования в ней высокочастотного сигнала: замыкая ток в нагрузке через противофазный диод, достраивает полуволну тока.A low-frequency inductor, which is connected between the second terminal of the corresponding section of the inductor and the connection point of the isolation capacitors, provides the possibility of closing the current in a parallel oscillatory load circuit when opening the controlled key of the half-bridge. In addition, after the controlled key is closed, the low-frequency inductor, due to the generated EMF, ensures the continuity of the current flow through the load, and therefore, the formation of the high-frequency signal in it: closing the current in the load through the antiphase diode, completes the current half-wave.
Кроме того, в каждой ячейке низкочастотный дроссель и разделительные конденсаторы образуют последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в секции индуктора инверторной ячейки. Поскольку на низкой частоте сопротивление высокочастотного компенсирующего конденсатора в параллельном контуре нагрузки значительно выше, чем секции индуктора нагрузки, то низкочастотная составляющая тока инверторной ячейки также замыкается в основном через секцию индуктора нагрузки, причем с максимальной амплитудой за счет резонанса напряжений в последовательном колебательном контуре на частоте низкочастотной составляющей тока. Все это обеспечивает возможность независимого формирования в нагрузке тока низкой частоты.In addition, in each cell, the low-frequency inductor and isolation capacitors form a sequential low-frequency resonant oscillatory circuit with a resonant frequency corresponding to the frequency of the low-frequency component of the current in the inductor cell section of the inverter cell. Since at a low frequency the resistance of the high-frequency compensating capacitor in the parallel load circuit is much higher than the sections of the load inductor, the low-frequency current component of the inverter cell also closes mainly through the load inductor section, and with maximum amplitude due to voltage resonance in the series oscillatory circuit at the low-frequency frequency current component. All this provides the possibility of independent formation of a low-frequency current in the load.
Благодаря тому, что компенсирующий высокочастотный конденсатор подключен к соответствующей секции индуктора нагрузки с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, а низкочастотный дроссель и разделительные конденсаторы образуют последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке инверторной ячейки, т.е. каждый из контуров имеет свою резонансную частоту, это позволяет использовать резонансные явления для одновременного независимого формирования высокочастотной и низкочастотной составляющих тока в нагрузке инверторной ячейки, что, в свою очередь, обеспечивает возможность независимой регулировки высокочастотной и низкочастотной составляющих тока в секциях индуктора нагрузки при их одновременном формировании.Due to the fact that the compensating high-frequency capacitor is connected to the corresponding section of the load inductor with the formation of a high-frequency parallel resonant oscillatory LC circuit, and the low-frequency inductor and isolation capacitors form a serial low-frequency resonant oscillatory circuit with a resonant frequency corresponding to the frequency of the low-frequency current component in the load of the inverter cell, t .e. each circuit has its own resonant frequency, this allows the use of resonance phenomena for the simultaneous independent formation of high-frequency and low-frequency components of the current in the load of the inverter cell, which, in turn, provides the possibility of independent adjustment of the high-frequency and low-frequency components of the current in the sections of the load inductor during their simultaneous formation .
Из вышеизложенного следует, что в заявленном устройстве в каждой инверторной ячейке обеспечивается компенсация индуктивного сопротивления нагрузки по высокой и низкой частотам. Поскольку все реактивные токи компенсации замыкаются в параллельном колебательном контуре инверторных ячеек, образованном компенсирующим конденсатором и секцией индуктора нагрузки, то наличие в цепях компенсации высокочастотного и низкочастотного колебательных контуров, работающих соответственно на частотах высокочастотной и низкочастотной составляющих тока индуктора, обеспечивает возможность независимого формирования в нагрузке одновременно токов высокой и низкой частоты за счет параллельного резонанса тока на высокой частоте в параллельном контуре, а в последовательном контуре - за счет последовательного резонанса напряжения на частоте низкочастотной составляющей тока инвертора. При этом благодаря тому, что оба контура работают на соответствующей резонансной частоте, это позволяет получить максимальную амплитуду высокочастотного и низкочастотного токов в нагрузке. Возможность независимости формирования в секции индуктора нагрузки инверторной ячейки высокочастотного и низкочастотного токов обуславливает возможность осуществления независимого управления этими сигналами.From the foregoing, it follows that in the claimed device in each inverter cell provides compensation for the inductive load resistance at high and low frequencies. Since all reactive compensation currents are closed in a parallel oscillatory circuit of the inverter cells formed by a compensating capacitor and a section of the load inductor, the presence of high-frequency and low-frequency oscillatory circuits in the compensation circuits operating respectively at the frequencies of the high-frequency and low-frequency components of the inductor current allows independent formation of the current simultaneously in the load high and low frequency currents due to parallel resonance of the current at high frequencies e in a parallel circuit, and in a serial circuit - due to the series resonance of the voltage at the frequency of the low-frequency component of the inverter current. Moreover, due to the fact that both circuits operate at the corresponding resonant frequency, this allows you to get the maximum amplitude of the high-frequency and low-frequency currents in the load. The possibility of independence of the formation in the inductor section of the load of the inverter cell of high-frequency and low-frequency currents makes it possible to independently control these signals.
Поскольку индуктор нагрузки выполнен многосекционным, а устройство содержит n инверторных ячеек, идентичных первой, где n - количество секций индуктора нагрузки, то возможность независимого управления высокочастотной составляющей тока в нагрузке обеспечивается в каждой ячейке. Это позволяет за счет определенной организации работы инверторных ячеек получить новые технологические эффекты, обеспечивающие широкие возможности управления параметрами электромагнитного поля в объеме расплава металла, позволяющие активизировать процессы перемешивания металла и повысить эффективность индукционного нагрева, что расширяет функциональные возможности заявленного устройства. Например, в начале процесса разогрева шихты целесообразно концентрировать тепловыделение в нижней зоне печи для скорейшего появления расплава металла, а затем перейти к равномерному распределению. Возможность перераспределения высокочастотной энергии по секциям индуктора, по его высоте, обеспечивает достижение эффекта концентрации тепловыделения в заданной зоне печи.Since the load inductor is multi-sectional, and the device contains n inverter cells identical to the first, where n is the number of sections of the load inductor, the possibility of independent control of the high-frequency component of the current in the load is provided in each cell. This allows, due to the specific organization of the inverter cells, to obtain new technological effects that provide ample opportunity to control the parameters of the electromagnetic field in the volume of the molten metal, allowing you to activate the mixing processes of the metal and increase the efficiency of induction heating, which extends the functionality of the claimed device. For example, at the beginning of the process of heating the charge, it is advisable to concentrate the heat in the lower zone of the furnace for the rapid appearance of molten metal, and then move on to a uniform distribution. The possibility of redistributing high-frequency energy over sections of the inductor, according to its height, ensures the effect of the concentration of heat in a given zone of the furnace.
Таким образом, предлагаемое построение схемы устройства для индукционного нагрева позволяет независимо управлять потоком высокочастотной энергии, подводимой к каждой секции индуктора установки, путем независимого регулирования составляющей высокочастотного тока в индукторе при одновременном формировании низкочастотного тока, что расширяет его функциональные возможности.Thus, the proposed construction of a device circuit for induction heating allows independent control of the high-frequency energy flow supplied to each section of the plant inductor by independently controlling the high-frequency current component in the inductor while generating a low-frequency current, which expands its functionality.
Кроме того, в устройстве обеспечивается возможность организации направленного циркуляционного потока металла за счет формирования в каждой секции индуктора низкочастотной составляющей тока. Поскольку индуктор выполнен многосекционным, то под действием низкочастотной составляющей тока в каждой секции индуктора внутри расплава образуется направленное силовое электромагнитное поле, которое распространяется по вертикальной оси печи. Это также расширяет функциональные возможности устройства, так как позволяет эффективно активизировать процессы перемешивания металла, повысить равномерность индукционного нагрева, а следовательно, повысить эффективность индукционного нагрева.In addition, the device provides the possibility of organizing a directed circulating metal flow due to the formation of a low-frequency current component in each section of the inductor. Since the inductor is multi-sectional, under the influence of the low-frequency component of the current in each section of the inductor inside the melt a directed electromagnetic force field is generated, which propagates along the vertical axis of the furnace. This also extends the functionality of the device, as it allows you to effectively activate the mixing processes of the metal, increase the uniformity of induction heating, and therefore, increase the efficiency of induction heating.
Таким образом, предлагаемое устройство для индукционного нагрева при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей за счет возможности независимого формирования в индукторе нагрузки одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами.Thus, the proposed device for induction heating during implementation ensures the achievement of a technical result, which consists in expanding the functionality due to the possibility of independent generation of high-frequency and low-frequency signals in the inductor of the load and independent control of these signals.
Заявленное изобретение - способ управления работой устройства для индукционного нагрева, используемый для управления заявленным устройством, решает задачу создания соответствующего способа, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей способа за счет возможности независимого формирования в индукторе нагрузки одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами.The claimed invention is a method of controlling the operation of a device for induction heating, used to control the claimed device, solves the problem of creating an appropriate method, the implementation of which ensures the achievement of a technical result, which consists in expanding the functionality of the method due to the possibility of independent generation of a high-frequency and low-frequency signal in the inductor and independent control of these signals.
Сущность изобретения - способ управления работой устройства для индукционного нагрева, используемого для управления заявленным устройством, заключается в том, что в заявленном способе управления работой устройства для индукционного нагрева, в соответствии с которым выполняют по полумостовой схеме инверторную ячейку, выполняют параллельную компенсацию индуктивности индуктора индукционной установки компенсирующим конденсатором, формируют прямую и обратную полуволны напряжения в индукторе, для чего поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления, индуктор нагрузки выполняют многосекционным, а количество инверторных ячеек берут по количеству секций индуктора, с каждой из которых формируют параллельный колебательный контур из секции индуктора нагрузки и компенсирующего конденсатора соответствующей инверторной ячейки, при этом в секции индуктора каждой инверторной ячейки формируют одновременно низкочастотный и высокочастотный сигналы, для чего в каждой инверторной ячейке выполняют последовательную компенсацию индуктивности индуктора на частоте низкочастотной составляющей тока секции индуктора, а параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, при этом посредством управления ключами полумостовой схемы формируют в каждой инверторной ячейке высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону изменения низкочастотного сигнала и сдвинута по отношению к соседней инверторной ячейке на заданный фазовый угол, при этом для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально, причем частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально и формируют или равной собственной резонансной частоте параллельного высокочастотного колебательного контура инверторной ячейки, или отстраивают от его резонансной частоты.The inventive method for controlling the operation of a device for induction heating used to control the claimed device, consists in the fact that in the claimed method of controlling the operation of a device for induction heating, in accordance with which the inverter cell is carried out according to the half-bridge circuit, parallel compensation of the inductance of the inductor of the induction installation compensating capacitor, form the forward and reverse half-waves of voltage in the inductor, for which they alternately serve in antiphase f controlled keys of the half-bridge circuit opening and closing control pulses, the load inductor is multi-sectional, and the number of inverter cells is taken according to the number of sections of the inductor, each of which forms a parallel oscillating circuit from the section of the load inductor and the compensating capacitor of the corresponding inverter cell, while in the section of the inductor each inverter cell simultaneously generate low-frequency and high-frequency signals, for which each inverter cell performs the following In-line compensation of the inductance of the inductor at the frequency of the low-frequency component of the current in the inductor section, and the parallel oscillatory circuit is performed by the high-frequency one, for which high-frequency compensation is performed by the high-frequency capacitor, and by controlling the keys of the half-bridge circuit, high-frequency oscillations are generated in each inverter cell in the form of a sinusoid, the middle line of which changes according to the law of change of the low-frequency signal and is shifted relative to the neighboring inverter cell by a given phase angle, while for each inverter cell the control pulses are formed individually, and the repetition rate of the control pulses is also selected individually and formed either equal to the natural resonant frequency of the parallel high-frequency oscillatory circuit of the inverter cell, or detuned from its resonant frequency.
Кроме того, посредством управления ключами полумостовой схемы при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инверторной ячейки вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов, при этом открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, причем при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.In addition, by controlling the keys of the half-bridge circuit when the half-wave of the high-frequency component of the current of the inverter cell is formed, an imbalance in the operation of the out-of-phase controlled keys and diodes is introduced, while the opening pulses to the controlled keys are applied at the instant of transition of the common-mode diode through zero, and during the formation of the positive half-wave of the low-frequency component current of the inverter cell is changed according to the accepted law of change of the low-frequency component of the current of the inverter cell guide pulse controllable switch forming part of a positive half-wave high-frequency current, and the time of closure in antiphase pulse controllable switch does not change, in the formation of a negative half-wave of low-frequency component of the current supply inverter cell moments closing pulses driven keys is replaced by their opposites.
Технический результат достигается следующим образом. Поскольку индуктор нагрузки выполняют многосекционным, количество инверторных ячеек берут по количеству секций индуктора, при этом для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально, а частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально, обеспечивается возможность независимого управления каждой инверторной ячейкой, что расширяет функциональные возможности способа.The technical result is achieved as follows. Since the load inductor is multi-sectional, the number of inverter cells is taken according to the number of sections of the inductor, while for each inverter cell the control pulses are formed individually, and the repetition rate of the control pulses is also selected individually, it is possible to independently control each inverter cell, which extends the functionality of the method.
Благодаря тому, что в заявленном способе в каждой инверторной ячейке поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления, осуществляют управление работой управляемых ключей, которые формируют прямую и обратную полуволны напряжения в нагрузке.Due to the fact that in the inventive method, in each inverter cell, the opening and closing control pulses are fed to the out-of-phase controlled keys of the half-bridge circuit in turn, they control the operation of the controlled keys, which form the forward and reverse half-waves of the voltage in the load.
Поскольку в каждой инверторной ячейке выполняют последовательную компенсацию индуктивности индуктора нагрузки на частоте низкочастотной составляющей тока секции индуктора нагрузки, а параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, обеспечивают последовательную и параллельную компенсации реактивной мощности нагрузки.Since in each inverter cell, the inductance of the load inductor is sequentially compensated at the frequency of the low-frequency component of the current of the load inductor section, and the parallel oscillatory circuit is performed by the high-frequency one, for which high-frequency compensation is performed by the high-frequency capacitor, they provide serial and parallel compensation of the load reactive power.
Выполнение инверторной ячейки по полумостовой схеме позволяет использовать конденсаторы фильтра одновременно в качестве фильтровых на высокой частоте и в качестве компенсирующих - на низкой частоте,The implementation of the inverter cell in a half-bridge circuit allows the use of filter capacitors at the same time as a filter at a high frequency and as compensating at a low frequency,
Поскольку в предлагаемом способе частоту следования управляющих импульсов в инверторной ячейке формируют или равной собственной резонансной частоте параллельного высокочастотного колебательного контура инверторной ячейки, или отстраивают от его резонансной частоты, обеспечивается возможность формирования в каждой секции индуктора высокочастотных колебаний, а следовательно, высокочастотного тока. При этом благодаря тому, что посредством управления ключами полумостовой схемы формируют в каждой инверторной ячейке высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, а в каждой инверторной ячейке выполняют компенсацию индуктивности индуктора нагрузки на частоте низкочастотной составляющей тока секции индуктора нагрузки, обеспечивается возможность независимого формирования в нагрузке тока низкой частоты и расширяются функциональные возможности способа.Since in the proposed method the repetition rate of the control pulses in the inverter cell is either equal to the natural resonant frequency of the parallel high-frequency oscillatory circuit of the inverter cell, or detuned from its resonant frequency, it is possible to generate high-frequency oscillations in each section of the inductor, and therefore a high-frequency current. Moreover, due to the fact that by controlling the keys of the half-bridge circuit, high-frequency oscillations are generated in each inverter cell in the form of a sinusoid, the middle line of which changes according to the law of the low-frequency signal, and in each inverter cell the inductance of the load is compensated for at the frequency of the low-frequency component of the current of the load inductor section, it is possible to independently form a low-frequency current in the load and the functionality of the method is expanded.
Благодаря тому, что компенсирующий высокочастотный конденсатор подключен к соответствующей секции индуктора нагрузки с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного контура, все реактивные токи компенсации замыкаются в колебательном контуре нагрузки инверторной ячейки, что позволяет сконцентрировать практически всю выделяемую ими мощность в нагрузке. При этом, поскольку реактивные токи компенсации замыкаются в параллельном колебательном контуре через индуктивность нагрузки, это позволяет формировать в каждой секции индуктора высокочастотную составляющую тока.Due to the fact that the compensating high-frequency capacitor is connected to the corresponding section of the load inductor with the formation of a high-frequency parallel resonant oscillatory circuit, all reactive compensation currents are closed in the oscillatory load circuit of the inverter cell, which allows you to concentrate almost all of the power released by them in the load. Moreover, since the reactive compensation currents are closed in a parallel oscillatory circuit through the load inductance, this allows the formation of a high-frequency component of the current in each section of the inductor.
Поскольку в каждой инверторной ячейке на низкой частоте сопротивление высокочастотного компенсирующего конденсатора в параллельном контуре значительно выше сопротивления секции индуктора, то низкочастотная составляющая тока инверторной ячейки также замыкается в основном через секцию индуктора нагрузки, причем с максимальной амплитудой за счет резонанса напряжений в последовательном колебательном контуре на частоте низкочастотной составляющей тока.Since in each inverter cell at a low frequency the resistance of the high-frequency compensating capacitor in the parallel circuit is much higher than the resistance of the inductor section, the low-frequency current component of the inverter cell is also closed mainly through the load inductor section, and with a maximum amplitude due to voltage resonance in the series oscillatory circuit at the frequency low-frequency component of the current.
В результате способ обеспечивает возможность независимого формирования в нагрузке тока низкой и высокой частоты. Это позволяет за счет определенной организации работы инверторных ячеек получить новые технологические эффекты, обеспечивающие широкие возможности управления параметрами электромагнитного поля в объеме расплава, что расширяет функциональные возможности способа.As a result, the method enables independent formation of a low and high frequency current in the load. This allows, due to the specific organization of the inverter cells, to obtain new technological effects that provide ample opportunity to control the parameters of the electromagnetic field in the melt volume, which extends the functionality of the method.
Это объясняется следующим. Поскольку компенсацию по низкой частоте выполняют на частоте низкочастотной составляющей тока секции индуктора, а по высокой частоте - на частоте, равной или близкой к резонансной частоте параллельного колебательного контура, это позволяет для формирования низкочастотной и высокочастотной составляющих тока в индукторе использовать резонансные явления: параллельный резонанс тока - на высокой частоте и последовательный резонанс напряжения - на низкой частоте. При этом на соответствующей резонансной частоте контуров это позволяет получить максимальную амплитуду высокочастотного и низкочастотного токов в нагрузке. Поскольку в инверторной ячейке формируют высокочастотные колебания в виде синусоиды, у которой по закону низкочастотного сигнала изменяется только средняя линия, то из этого следует, что параметры высокочастотного синусоидального сигнала не зависят от закона изменения низкочастотного сигнала, что обеспечивает возможность регулировки высокочастотной составляющей тока в нагрузке при возможности одновременного независимого формирования высокочастотной и низкочастотной составляющих тока в нагрузке инвертора. В то же время, поскольку средняя линия высокочастотного сигнала изменяется по закону низкочастотного сигнала, то информация о параметрах низкочастотного сигнала заложена в законе изменения средней линии. Это позволяет, варьируя законом изменения средней линии высокочастотного сигнала, регулировать параметры низкочастотной составляющей тока в нагрузке, не изменяя параметров высокочастотной составляющей.This is explained by the following. Since compensation at a low frequency is performed at the frequency of the low-frequency component of the current in the inductor section, and at high frequency at a frequency equal to or close to the resonant frequency of the parallel oscillatory circuit, this allows the use of resonance phenomena to form the low-frequency and high-frequency components of the current in the inductor: parallel current resonance - at high frequency and series voltage resonance - at low frequency. Moreover, at the corresponding resonant frequency of the circuits, this allows you to get the maximum amplitude of the high-frequency and low-frequency currents in the load. Since in the inverter cell high-frequency oscillations are generated in the form of a sinusoid, in which, according to the law of the low-frequency signal, only the middle line changes, it follows that the parameters of the high-frequency sinusoidal signal do not depend on the law of change of the low-frequency signal, which makes it possible to adjust the high-frequency component of the current in the load at the possibility of simultaneous independent formation of high-frequency and low-frequency components of the current in the inverter load. At the same time, since the middle line of the high-frequency signal changes according to the law of the low-frequency signal, information on the parameters of the low-frequency signal is laid down in the law of variation of the middle line. This allows, by varying the law of variation of the midline of the high-frequency signal, to adjust the parameters of the low-frequency component of the current in the load, without changing the parameters of the high-frequency component.
При отстройке импульсов управления от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура обеспечивается возможность снижения уровня высокочастотной составляющей тока в индукторе. Это позволяет организовать режим работы инверторной ячейки, при котором в секции индуктора уровень низкочастотного тока превышает уровень высокочастотной составляющей. При этом под действием низкочастотной составляющей тока в каждой секции индуктора внутри расплава формируют направленное силовое электромагнитное поле, которое распространяется по вертикальной оси печи, что и позволяет организовать работу инверторной ячейки в режиме перемешивания расплава, активизировать процессы перемешивания и повысить эффективность индукционного нагрева, что расширяет функциональные возможности заявленного способа. Кроме того, возможность одновременного формирования высокочастотного и низкочастотного токов и возможность независимого управления ими в каждой инверторной ячейке позволяют перераспределять подводимую мощность по высоте индуктора печи и обеспечивают достижение эффекта концентрации тепловыделения в заданной зоне печи, что расширяет функциональные возможности способа.When detuning control pulses from the resonant frequency of a parallel high-frequency oscillating circuit, it is possible to reduce the level of the high-frequency component of the current in the inductor. This allows you to organize the operating mode of the inverter cell, in which in the inductor section the level of the low-frequency current exceeds the level of the high-frequency component. In this case, under the influence of the low-frequency component of the current, in each section of the inductor inside the melt a directed electromagnetic force field is formed, which propagates along the vertical axis of the furnace, which allows organizing the operation of the inverter cell in the melt mixing mode, activating the mixing processes and increasing the efficiency of induction heating, which extends the functional the possibilities of the claimed method. In addition, the possibility of the simultaneous formation of high-frequency and low-frequency currents and the ability to independently control them in each inverter cell make it possible to redistribute the input power along the height of the furnace inductor and provide the effect of the concentration of heat in a given zone of the furnace, which extends the functionality of the method.
При этом возможность формирования средней линии синусоиды высокочастотного сигнала со сдвигом по отношению к соседней инверторной ячейке на заданный фазовый угол позволяет формировать внутри объема расплава соответствующей секции индуктора силовое электромагнитное поле с индивидуальной характеристикой, т.е. формировать в определенной зоне индуктора необходимый режим перемешивания. Кроме того, возможность формирования низкочастотной составляющей тока в секциях индуктора синхронно с заданным фазовым сдвигом позволяет создать бегущую волну электромагнитного поля по вертикальной оси корпуса печи, т.е. обеспечить оптимальный режим для формирования бегущей волны, что позволяет организовать равномерное перемешивание расплава во всем объеме печи. В результате также расширяются функциональные возможности способа.At the same time, the possibility of forming the middle line of the sinusoid of the high-frequency signal with a shift with respect to the neighboring inverter cell by a predetermined phase angle makes it possible to form a force electromagnetic field with an individual characteristic inside the melt volume of the corresponding section of the inductor, i.e. to form the necessary mixing mode in a certain zone of the inductor. In addition, the possibility of forming a low-frequency component of the current in the inductor sections synchronously with a given phase shift allows you to create a traveling wave of the electromagnetic field along the vertical axis of the furnace body, i.e. provide the optimal mode for the formation of a traveling wave, which allows you to organize uniform mixing of the melt in the entire volume of the furnace. As a result, the functionality of the method is also expanded.
В каждой инверторной ячейке высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по определенному закону, формируют благодаря тому, что посредством управления ключами полумоста при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инверторной ячейки вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов. Поскольку открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль ток синфазного диода, обеспечивается возможность синхронизации момента отпирания ключей. Благодаря тому, что при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, обеспечивается возможность варьирования продолжительностью времени нахождения управляемых ключей в открытом состоянии, что и приводит к дисбалансу в работе противофазных диодов, а следовательно, к нарушению симметрии высокочастотного сигнала относительно оси времени и появлению в нем низкочастотной составляющей. Замена на противоположные моментов подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи: изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий отрицательную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, обеспечивает возможность формирования отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки. В результате обеспечивается возможность одновременного формирования в каждой секции индуктора токов высокой и низкой частоты.In each inverter cell, high-frequency oscillations in the form of a sinusoid, the middle line of which changes according to a certain law, are formed due to the fact that by controlling the half-bridge keys when forming the half-wave of the high-frequency component of the current, the inverter cell imbalances the operation of the out-of-phase controlled keys and diodes. Since the opening pulses are supplied to the controlled keys at the moment of passing through zero the common-mode diode current, it is possible to synchronize the moment of unlocking the keys. Due to the fact that, when a positive half-wave is generated, the low-frequency component of the current of the inverter cell changes according to the accepted law, the low-frequency component of the current of the inverter cell changes the moment of applying the closing pulse to the controlled key, which generates a positive half-wave of the high-frequency component of the current, and the moment of applying the closing pulse to the antiphase controlled key is not changed, it is possible to vary the length of time the managed keys are in the open state and, which leads to an imbalance in the operation of antiphase diodes, and therefore to a violation of the symmetry of the high-frequency signal relative to the time axis and the appearance of a low-frequency component in it. Replacing by the opposite moments of the supply of closing pulses to the controlled keys: according to the adopted law, the moment of applying the closing pulse to the controlled key, forming the negative half-wave of the high-frequency component of the current, is changed, and the moment of applying the closing pulse to the antiphase controlled key is not changed, it makes it possible the formation of a negative half-wave of the low-frequency component of the current of the inverter cell. As a result, it is possible to simultaneously generate high and low frequency currents in each section of the inductor.
Таким образом, заявленный способ управления работой устройства для индукционного нагрева, используемый для управления заявленным устройством, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей способа за счет возможности независимого формирования в индукторе нагрузки одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами.Thus, the claimed method of controlling the operation of the device for induction heating, used to control the claimed device, when implemented, provides a technical result consisting in expanding the functionality of the method due to the possibility of independent generation of high-frequency and low-frequency signals in the inductor of the load and independent control of these signals .
На фиг.1 изображена электрическая схема устройства для нагрева индукционной установки; на фиг.2 и 3 - эпюры токов и напряжений, поясняющие работу устройства.Figure 1 shows an electrical diagram of a device for heating an induction installation; figure 2 and 3 - plot currents and voltages, explaining the operation of the device.
Пример выполнения устройства дан для трех инверторных ячеек; в качестве управляемых ключей в инверторной ячейке использованы двухоперационные тиристоры.An example of the device is given for three inverter cells; as controlled keys in the inverter cell, two-operation thyristors are used.
Устройство для нагрева индукционной установки содержит три идентичных инверторных ячейки 1-1, 1-2, 1-3, каждая из которых соединена с соответствующей секцией 2-1, 2-2, 2-3 индуктора 2. Каждая инверторная ячейка 1-1, 1-2, 1-3 содержит фильтровый конденсатор 3, подключенный параллельно к клеммам 4, 5 источника постоянного напряжения; первый 6 и второй 7 тиристоры, шунтированные диодами 8, 9 и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы; первый 10 и второй 11 последовательно соединенные разделительные конденсаторы, подключенные параллельно фильтровому конденсатору 3; низкочастотный дроссель 12; компенсирующий высокочастотный конденсатор 13, который подключен к соответствующей секции индуктора 2-1, 2-2, 2-3 с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура. Средняя точка полумостовой схемы инверторной ячейки 1-1, 1-2, 1-3 подключена к одному из выводов соответствующей секции 2-1, 2-2, 2-3 индуктора соответственно. Низкочастотный дроссель 12 подключен между вторым выводом соответствующей секции индуктора 2 и точкой соединения разделительных конденсаторов 10, 11 и образует с разделительными конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в секции индуктора инверторной ячейки.A device for heating an induction installation contains three identical inverter cells 1-1, 1-2, 1-3, each of which is connected to the corresponding section 2-1, 2-2, 2-3 of the inductor 2. Each inverter cell 1-1, 1-2, 1-3 contains a
Способ управления работой устройства для нагрева индукционной установки, используемого для управления заявленным устройством, выполняют следующим образом. Индуктор выполняют многосекционным. Инверторную ячейку выполняют по полумостовой схеме, а количество инверторных ячеек берут по количеству секций индуктора, с каждой из которых формируют параллельный колебательный контур из секции индуктора и компенсирующего конденсатора соответствующей инверторной ячейки. Параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором. Кроме того, в каждой инверторной ячейке выполняют последовательную компенсацию индуктивности индуктора на частоте низкочастотной составляющей тока секции индуктора. В секции индуктора каждой инверторной ячейки формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы, для чего посредством управления ключами полумостовой схемы формируют прямую и обратную полуволны напряжения в индукторе, для чего поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления и формируют в каждой инверторной ячейке высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала и сдвинута по отношению к соседней инверторной ячейке на заданный фазовый угол. При этом для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально, причем частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально и формируют или равной собственной резонансной частоте параллельного высокочастотного колебательного контура инверторной ячейки, или отстраивают от его резонансной частоты.A method of controlling the operation of a device for heating an induction installation used to control the claimed device is performed as follows. The inductor is multi-sectional. The inverter cell is carried out according to a half-bridge circuit, and the number of inverter cells is taken according to the number of sections of the inductor, each of which forms a parallel oscillating circuit from the section of the inductor and the compensating capacitor of the corresponding inverter cell. A parallel oscillatory circuit is performed by a high-frequency one, for which high-frequency compensation is performed by a high-frequency capacitor. In addition, in each inverter cell, sequential compensation of the inductance of the inductor is performed at the frequency of the low-frequency component of the current of the inductor section. In the inductor section of each inverter cell, high-frequency and low-frequency signals are simultaneously generated, for which, by controlling the keys of the half-bridge circuit, the forward and reverse half-waves of the voltage in the inductor are formed, for which the opening and closing control pulses are fed to the out-of-phase controlled keys of the half-bridge circuit and form in each inverter cell high-frequency oscillations in the form of a sinusoid, the middle line of which changes according to the law of the low-frequency signal and is shifted relative to adjacent inverter cell at a given phase angle. Moreover, for each inverter cell, the control pulses are formed individually, and the repetition rate of the control pulses is also selected individually and is formed either equal to the natural resonant frequency of the parallel high-frequency oscillatory circuit of the inverter cell, or tuned from its resonant frequency.
Высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, формируют посредством управления ключами полумостовой схемы, для чего при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инверторной ячейки вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов, при этом открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, причем при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.High-frequency oscillations in the form of a sinusoid, the middle line of which varies according to the law of the low-frequency signal, is formed by controlling the keys of the half-bridge circuit, for which, when the half-wave of the high-frequency component of the current of the inverter cell is formed, an imbalance is introduced into the operation of the out-of-phase controlled keys and diodes, while the opening pulses are fed to the controlled keys at the instant of transition through zero current of the common-mode diode, moreover, during the formation of a positive half-wave of the low-frequency component of the inverter current the cells change according to the accepted law of changing the low-frequency component of the current of the inverter cell the moment of applying the closing pulse to the controlled key that forms the positive half-wave of the high-frequency component of the current, and the moment of applying the closing pulse to the antiphase controlled key is not changed, when the negative half-wave of the current component of the inverter cell forms the negative half-wave pulses on controlled keys are replaced by the opposite.
Работу устройства и выполнение способа осуществляют следующим образом.The operation of the device and the implementation of the method is as follows.
Рассмотрим работу устройства и выполнение способа для двух случаев: в нагрузке инверторной ячейки формируют только высокочастотный ток; в нагрузке инверторной ячейки формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный токи.Consider the operation of the device and the implementation of the method for two cases: only a high-frequency current is generated in the load of the inverter cell; high-frequency and low-frequency currents are simultaneously generated in the load of the inverter cell.
Рассмотрим работу одной инверторной ячейки, так как все ячейки идентичны.Consider the operation of one inverter cell, since all cells are identical.
Режим формирования только высокочастотного тока в секции индуктора можно назвать симметричным, так как время нахождения управляемых ключей в открытом и закрытом состоянии практически одинаково. В режиме формирования только высокочастотного тока в нагрузке инверторной ячейки на тиристоры 6, 7 подают симметричную последовательность закрывающих и открывающих импульсов управления (фиг.2,а, б) с резонансной частотой параллельного колебательного контура нагрузки. Например, импульсы управления (фиг.2,б) поступают на тиристор 6. При поступлении открывающего импульса тиристор 6 открывается. При этом формируется положительная полуволна высокочастотного тока, который протекает по контуру: тиристор 6, параллельный колебательный контур 13, 2-1, последовательный колебательный контур 12, 10, 11, 3, тиристор 6 (фиг.2,в, t0-t1).The mode of generating only the high-frequency current in the inductor section can be called symmetric, since the time spent by the controlled keys in the open and closed state is almost the same. In the mode of generating only the high-frequency current in the load of the inverter cell, the thyristors 6, 7 are supplied with a symmetric sequence of closing and opening control pulses (Fig. 2, a, b) with the resonant frequency of the parallel oscillatory load circuit. For example, the control pulses (figure 2, b) are fed to the thyristor 6. Upon receipt of the opening pulse, the thyristor 6 opens. In this case, a positive half-wave of high-frequency current is formed, which flows along the circuit: thyristor 6, parallel oscillatory circuit 13, 2-1, sequential
При подаче закрывающего импульса (фиг.2,в, t1) тиристор 6 закрывается, а диод 9 противофазного тиристора 7 открывается под действием ЭДС. дросселя 12. В этом случае высокочастотный ток протекает по контуру: диод 9, параллельный колебательный контур 13, 2-1, последовательный колебательный контур 1, 10, 11, 3, диод 9 (фиг.2,в, t1-t2).When a closing pulse is applied (FIG. 2, c, t 1 ), the thyristor 6 closes, and the diode 9 of the antiphase thyristor 7 opens under the influence of the EMF. throttle 12. In this case, the high-frequency current flows along the circuit: diode 9, parallel oscillatory circuit 13, 2-1, serial
Аналогично развиваются процессы при открывании и закрывании тиристора 7, но в этом случае формируется отрицательная полуволна тока на нагрузке (фиг.2,в, t3-t4-t5). При открывании тиристора 7 (импульс управления фиг.2,а, t3) высокочастотный ток протекает по контуру тиристор 7, последовательный колебательный контур 12, 10, 11, 3, параллельный колебательный контур 13, 2-1, тиристор 7. При закрывании тиристора 8 (импульс управления фиг.2,а, t4) ток протекает по контуру: диод 8, последовательный колебательный контур 12, 10, 11, 3, параллельный колебательный контур 13, 2-1, диод 8.Similarly, the processes develop when opening and closing the thyristor 7, but in this case a negative half-wave of current is generated at the load (Fig.2, c, t 3 -t 4 -t 5 ). When you open the thyristor 7 (control pulse 2, a, t 3 ), the high-frequency current flows along the circuit of the thyristor 7, the serial
Из эпюр на фиг.2,в видно, что в моменты подачи закрывающего импульса на работающий тиристор открывается диод противофазного плеча инвертора и дополняют форму тока высокой частоты до полной полуволны импульсами тока треугольной формы. В результате через индуктивность нагрузки на резонансной частоте параллельного колебательного контура протекает высокочастотный ток, форма которого близка к синусоидальной. Низкочастотная составляющая в сигнале такой формы практически отсутствует.From the diagrams in FIG. 2, it can be seen that at the moments when the closing pulse is applied to the operating thyristor, the in-phase arm diode of the inverter opens and supplement the shape of the high-frequency current to the full half-wave with triangular-shaped current pulses. As a result, a high-frequency current, whose shape is close to sinusoidal, flows through the inductance of the load at the resonant frequency of the parallel oscillatory circuit. The low-frequency component in the signal of this form is practically absent.
Для получения в нагрузке одновременно высокочастотного и низкочастотного токов путем управления тиристорами полумоста организуют режим работы, который формирует в инверторной ячейке высокочастотные колебания синусоидальной формы, средняя линия которых изменяется по закону низкочастотного сигнала.To obtain both high-frequency and low-frequency currents in the load by controlling the thyristors of the half-bridge, an operating mode is organized that generates high-frequency sinusoidal oscillations in the inverter cell, the middle line of which changes according to the law of the low-frequency signal.
Рассмотрим пример режима работы инверторной ячейки, который обеспечивает получение высокочастотных колебаний синусоидальной формы, средняя линия которых изменяется по закону низкочастотного сигнала: формирование положительной и отрицательной полуволн низкочастотного напряжения.Consider an example of an inverter cell operating mode that provides high-frequency oscillations of a sinusoidal shape, the middle line of which changes according to the law of a low-frequency signal: the formation of positive and negative half-waves of a low-frequency voltage.
В обоих случаях импульсы управления (открывающие и закрывающие) следуют с резонансной частотой высокочастотного колебательного контура.In both cases, the control pulses (opening and closing) follow with the resonant frequency of the high-frequency oscillatory circuit.
Рассмотрим случай получения положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки.Consider the case of obtaining a positive half-wave of the low-frequency component of the current of the inverter cell.
Для получения сигнала требуемой формы вносят дисбаланс в работу противофазных управляемого ключа и диода, для чего:To obtain the signal of the required shape, an imbalance is introduced into the operation of the antiphase controlled key and diode, for which:
- открывающие импульсы на тиристоры подают в момент перехода через ноль тока противофазного диода;- opening pulses to the thyristors are fed at the moment of transition through zero current of the antiphase diode;
- при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи закрывающего импульса на тиристор, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока;- when forming a positive half-wave of the low-frequency component of the current of the inverter cell, the moment of applying the closing pulse to the thyristor, forming the positive half-wave of the high-frequency component of the current, is changed according to the adopted law;
- момент подачи закрывающего импульса на противофазный тиристор не меняют.- the moment of applying the closing pulse to the out-of-phase thyristor is not changed.
Пример работы устройства и выполнения способа дан в сравнении с симметричным, сбалансированным, режимом работы противофазных управляемых ключей и диодов. В режиме формирования положительной полуволны низкочастотного тока на тиристор 6 (допустим первым начал работу тиристор 6) закрывающие импульсы подают с запаздыванием на угол α по отношению к симметричному режиму (фиг.2,д, t2-α1, t4-α2, t6-α3), а закрывающие импульсы, следующие на тиристор 7, подают, например, в те же моменты времени, как и при симметричном режиме работы инверторной ячейки (фиг.2,е, t2, t4, t6). При этом открывающие импульсы подают на тиристоры 6, 7 в моменты перехода тока через ноль синфазных диодов встречного тока 8, 9 (фиг.2,д, t3, t5, t7; фиг.2е, t1, t3, t5), которые открываются под действием ЭДС низкочастотной индуктивности 12. Как видно из эпюр на фиг.2,ж, в зависимости от величины угла α низкочастотная составляющая тока инверторной ячейки за период следования импульсов управления может увеличиваться или уменьшаться. Варьируя моментом подачи закрывающего импульса на тиристор 6, добиваются того, что приращение угла α(α1, α2, α3) изменяется по вполне определенному закону, который позволяет формировать полуволну низкочастотного тока заданной формы, например синусоидальной (фиг.2,ж, пунктирная линия).An example of the operation of the device and the implementation of the method is given in comparison with a symmetric, balanced, mode of operation of antiphase controlled keys and diodes. In the mode of formation of the positive half-wave of the low-frequency current to the thyristor 6 (let's say the thyristor 6 started working first), the closing pulses are delayed by an angle α with respect to the symmetric mode (Fig. 2, d, t 2 -α 1 , t 4 -α 2 , t 6 -α 3 ), and the closing pulses following the thyristor 7 are supplied, for example, at the same time instants as in the symmetric mode of operation of the inverter cell (Fig. 2, e, t 2 , t 4 , t 6 ) . In this case, the opening pulses are fed to the thyristors 6, 7 at the moments of the current passing through zero common-mode diodes of the counter current 8, 9 (Fig. 2, d, t 3 , t 5 , t 7 ; Fig. 2e, t 1 , t 3 , t 5 ), which open under the influence of the EMF of the low-frequency inductance 12. As can be seen from the diagrams in FIG. 2, g, depending on the angle α, the low-frequency component of the current of the inverter cell during the period of the control pulses can increase or decrease. Varying the moment of supply of the closing pulse to the thyristor 6, it is achieved that the increment of the angle α (α 1 , α 2 , α 3 ) changes according to a well-defined law, which allows you to generate a half-wave of a low-frequency current of a given shape, for example, sinusoidal (figure 2, g, dotted line).
В режиме формирования в выходном токе инверторной ячейки отрицательной полуволны низкочастотного тока порядок подачи импульсов управления на тиристоры 6, 7 меняется на противоположный: в этом случае закрывающие импульсы, следующие на тиристор 6, совпадают с симметричным режимом работы инверторной ячейки (фиг.2,и, t2, t4, t6), а закрывающие импульсы на тиристор 7 подают с запаздыванием на угол β по отношению к симметричному режиму (фиг.2,к, t2-β1, t4-β2, t6-β3). При этом значения угла β изменяют в соответствии с уже выбранным законом изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки. Открывающие импульсы управления так же, как и в предыдущем случае, подают на тиристоры 6, 7 в момент окончания прохождения через синфазные диоды 9, 8 встречного тока (фиг.2,и, t3, t5, t7; фиг.2к, t1, t3, t5).In the mode of formation in the output current of the inverter cell of the negative half-wave of the low-frequency current, the order of the supply of control pulses to the thyristors 6, 7 is reversed: in this case, the closing pulses following the thyristor 6 coincide with the symmetrical mode of operation of the inverter cell (Fig. 2, and, t 2 , t 4 , t 6 ), and the closing pulses to the thyristor 7 are served with a delay at an angle β with respect to the symmetrical mode (Fig. 2, k, t 2 -β 1 , t 4 -β 2 , t 6 -β 3 ). In this case, the values of the angle β are changed in accordance with the already selected law of change of the low-frequency component of the current of the inverter cell. The opening control pulses, as in the previous case, are fed to the thyristors 6, 7 at the end of the passage of the counter current through the common-mode diodes 9, 8 (Fig. 2, and, t 3 , t 5 , t 7 ; Fig. 2k, t 1 , t 3 , t 5 ).
В результате в выходном токе инверторной ячейки формируется отрицательная полуволна низкочастотного тока (фиг.2,л, показана пунктирной линией), которая в совокупности с положительной полуволной формирует период синусоиды низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки.As a result, a negative half-wave of the low-frequency current is formed in the output current of the inverter cell (Fig. 2, l, is shown by the dashed line), which, together with the positive half-wave, forms the sine wave period of the low-frequency component of the current of the inverter cell.
Форма результирующего сигнала изображена на фиг.2,м без привязки по времени.The shape of the resulting signal is shown in figure 2, m without reference to time.
Как видно из эпюр на фиг.2, значение амплитуды формируемого тока низкой частоты зависит от величины угла смещения закрывающих импульсов относительно их положения при симметричном режиме работы инверторной ячейки.As can be seen from the diagrams in figure 2, the value of the amplitude of the generated current low frequency depends on the magnitude of the angle of displacement of the closing pulses relative to their position with a symmetrical mode of operation of the inverter cell.
Результирующее значение амплитуды низкочастотного тока инвертора соответствует амплитуде тока, формируемой за счет последовательного резонанса напряжения на частоте низкочастотного тока инверторной ячейки в последовательном колебательном контуре из низкочастотной индуктивности 12 и конденсаторов 10, 11, 3.The resulting value of the amplitude of the low-frequency current of the inverter corresponds to the amplitude of the current generated by the series resonance of the voltage at the frequency of the low-frequency current of the inverter cell in a series oscillatory circuit of the low-frequency inductance 12 and
Поскольку закрывающие и открывающие импульсы так же, как и в симметричном режиме, следуют с частотой, соответствующей резонансной частоте параллельного колебательного контура в нагрузке инверторной ячейки, высокочастотная составляющая тока инверторной ячейки возбуждает параллельный контур на резонансной частоте, при которой в секции индуктора нагрузки устанавливается напряжение с максимальной амплитудой.Since the closing and opening pulses, as in the symmetric mode, follow with a frequency corresponding to the resonant frequency of the parallel oscillatory circuit in the load of the inverter cell, the high-frequency component of the current of the inverter cell excites a parallel circuit at the resonant frequency, at which a voltage with maximum amplitude.
Рассмотрим работу устройства для индукционного нагрева с многосекционным индуктором, например из трех секций, и реализацию способа управления этим устройством. В этом случае устройство содержит три идентичных инверторных ячейки. Для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально. Частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально. В результате в каждой ячейке обеспечивается возможность одновременного формирования в соответствующей секции индуктора высокочастотного и низкочастотного токов со своими параметрами и независимого управления ими, что позволяет управлять параметрами электромагнитного поля в объеме расплава металла.Consider the operation of a device for induction heating with a multi-section inductor, for example of three sections, and the implementation of the control method of this device. In this case, the device contains three identical inverter cells. For each inverter cell, control pulses are formed individually. The control pulse repetition rate is also selected individually. As a result, in each cell, it is possible to simultaneously form high-frequency and low-frequency currents with their parameters in the corresponding section of the inductor and independently control them, which allows controlling the parameters of the electromagnetic field in the volume of the molten metal.
Для достижения эффекта концентрации тепловыделения в заданной зоне печи высокочастотную энергию перераспределяют по секциям индуктора по его высоте. При необходимости получения максимальной мощности высокочастотного тока в индукторе частоту следования управляющих импульсов во всех ячейках формируют равной собственной резонансной частоте параллельного высокочастотного колебательного контура инверторной ячейки. Как видно из эпюр, поясняющих работу устройства, в этом случае в секции индуктора формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный токи, причем с максимальной амплитудой, так как в этом случае выполняются условия параллельного резонанса на высокой частоте и последовательного резонанса на низкой частоте. Этот режим работы устройства обеспечивает интенсивное перемешивание расплава в сочетании с высоким темпом его нагрева.To achieve the effect of the concentration of heat in a given zone of the furnace, high-frequency energy is redistributed over the sections of the inductor along its height. If it is necessary to obtain the maximum power of the high-frequency current in the inductor, the repetition rate of the control pulses in all cells is formed equal to the natural resonant frequency of the parallel high-frequency oscillatory circuit of the inverter cell. As can be seen from the diagrams explaining the operation of the device, in this case, high-frequency and low-frequency currents are generated in the inductor section at the same time, with maximum amplitude, since in this case the conditions of parallel resonance at high frequency and serial resonance at low frequency are satisfied. This mode of operation of the device provides intensive mixing of the melt in combination with a high rate of heating.
На этапе теплосохранения в цикле работы печи осуществляют активное перемешивание расплава и одновременный подогрев при малом уровне мощности высокочастотного тока. Для регулировки мощности, подводимой к секции индуктора, частоту следования управляющих импульсов отстраивают от собственной резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура инверторной ячейки. При этом снижают уровень высокочастотной составляющей тока в секции индуктора. Как видно из эпюр (фиг.2,ж, л), уровень низкочастотного тока практически не изменяется и можно создать ситуацию, когда его амплитуда превышает амплитуду высокочастотного тока. При этом под действием низкочастотной составляющей тока в каждой секции индуктора внутри расплава формируется направленное силовое электромагнитное поле, которое распространяется по вертикальной оси печи, что и позволяет организовать активное перемешивание расплава и одновременный подогрев при малом уровне мощности высокочастотного тока.At the stage of heat conservation in the furnace cycle, the melt is actively mixed and simultaneously heated at a low power level of high-frequency current. To adjust the power supplied to the inductor section, the control pulse repetition rate is tuned from the natural resonant frequency of the parallel high-frequency oscillatory circuit of the inverter cell. This reduces the level of the high-frequency component of the current in the inductor section. As can be seen from the diagrams (figure 2, g, l), the low-frequency current level remains practically unchanged and a situation can be created when its amplitude exceeds the amplitude of the high-frequency current. In this case, under the influence of the low-frequency component of the current, in each section of the inductor inside the melt, a directed electromagnetic force field is formed, which propagates along the vertical axis of the furnace, which makes it possible to organize active mixing of the melt and simultaneous heating at a low power level of high-frequency current.
Создание направленного циркуляционного потока расплава в предлагаемом способе осуществляют формированием низкочастотного тока в секциях индуктора синхронно с заданным фазовым сдвигом. Для трехсекционного индуктора для создания бегущей волны электромагнитного поля по вертикальной оси тигля печи при формировании высокочастотной синусоиды среднюю линию сдвигают по отношению к соседней инверторной ячейке на фазовый угол 120°.The creation of a directional circulating melt flow in the proposed method is carried out by forming a low-frequency current in the inductor sections synchronously with a given phase shift. For a three-section inductor to create a traveling wave of an electromagnetic field along the vertical axis of the crucible of the furnace during the formation of a high-frequency sinusoid, the middle line is shifted with respect to a neighboring inverter cell by a phase angle of 120 °.
На фиг.3 представлена форма тока в секциях индуктора нагрузки при сдвиге фаз 120°. Как видно из эпюр, токи в секциях индуктора имеют высокочастотную и низкочастотную составляющие. Формирование низкочастотных составляющих в секциях индуктора 2 идет синхронно с фазовым сдвигом 120°. Поскольку секции 2-1, 2-2, 2-3 обмотоки индуктора разнесены в пространстве, а низкочастотные токи сдвинуты в них во времени, то в объеме расплава металла формируется направленное силовое поле по вертикальной оси печи, что и создает дополнительные усилия, вызывающие циркуляцию металла по всему объему печи.Figure 3 presents the shape of the current in sections of the inductor of the load with a phase shift of 120 °. As can be seen from the diagrams, the currents in the sections of the inductor have high-frequency and low-frequency components. The formation of low-frequency components in the sections of the inductor 2 is synchronous with a phase shift of 120 °. Since sections 2-1, 2-2, 2-3 of the inductor windings are spaced in space, and low-frequency currents are shifted in them in time, a directed force field is formed in the metal melt along the vertical axis of the furnace, which creates additional forces causing circulation metal throughout the furnace.
Возможность перераспределения высокочастотной энергии по высоте индуктора и управления параметрами электромагнитного поля в объеме расплава металла позволяет получить новые технологические эффекты, позволяющие активизировать процессы перемешивания металла и повысить эффективность индукционного нагрева, что расширяет функциональные возможности заявленных устройства и способа. Например, заявленные устройство и способ позволяют организовать режим работы, при котором в начале процесса разогрева шихты концентрируют тепловыделение в нижней зоне печи для скорейшего появления расплава металла, а затем переходят к равномерному распределению тепла.The possibility of redistributing high-frequency energy along the height of the inductor and controlling the parameters of the electromagnetic field in the volume of the molten metal allows you to get new technological effects that allow you to activate the mixing processes of the metal and increase the efficiency of induction heating, which extends the functionality of the claimed device and method. For example, the claimed device and method make it possible to organize a mode of operation in which, at the beginning of the process of heating the mixture, the heat is concentrated in the lower zone of the furnace for the fastest possible appearance of a metal melt, and then they transfer to a uniform distribution of heat.
Обычно управление работой управляющих ключей в инверторах с внешним возбуждением осуществляется от внешнего задающего генератора ("Высокочастотные транзисторные преобразователи". Э.М.Ромаш, Ю.И.Драбович и др. М.: Радио и связь, 1988, с.91). Применительно к нашему в простейшем случае это может быть генератор прямоугольных импульсов в виде меандра с прямым и инверсным выходами. При этом, например, управляющий вход первого тиристора 6 подключен к прямому выходу генератора, а второго тиристора 7 - к инверсному выходу. В результате обеспечивается синхронность работы тиристоров, выполняется равенство времени нахождения тиристора в закрытом и открытом состояниях при работе в симметричном режиме и обеспечивается возможность регулировки моментом подачи импульсов управления на управляющие входы тиристоров 6, 7.Typically, the operation of the control keys in inverters with external excitation is carried out from an external master oscillator ("High-frequency transistor converters". E.M. Romash, Yu.I. Drabovich and others. M: Radio and communication, 1988, p. 91). As applied to ours, in the simplest case, it can be a rectangular pulse generator in the form of a meander with direct and inverse outputs. In this case, for example, the control input of the first thyristor 6 is connected to the direct output of the generator, and the second thyristor 7 to the inverse output. The result is the synchronization of the thyristors, the equality of the time spent by the thyristor in the closed and open states when operating in symmetric mode, and it is possible to adjust the moment of supply of the control pulses to the control inputs of the thyristors 6, 7.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002125710/09A RU2231904C2 (en) | 2002-09-26 | 2002-09-26 | Inductive heating device and its control process |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002125710/09A RU2231904C2 (en) | 2002-09-26 | 2002-09-26 | Inductive heating device and its control process |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002125710A RU2002125710A (en) | 2004-03-27 |
| RU2231904C2 true RU2231904C2 (en) | 2004-06-27 |
Family
ID=32846146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002125710/09A RU2231904C2 (en) | 2002-09-26 | 2002-09-26 | Inductive heating device and its control process |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2231904C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU173607U1 (en) * | 2017-03-29 | 2017-09-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | DEVICE FOR CONTROLLING HIGH-FREQUENCY INDUCTION INSTALLATION |
| US9901978B2 (en) | 2013-03-28 | 2018-02-27 | Evgeny Pavlov | Method and apparatus for moving molten metal |
| RU193008U1 (en) * | 2019-06-24 | 2019-10-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Three section inductor |
| RU2779469C1 (en) * | 2021-08-17 | 2022-09-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method for mixing metal in an induction crucible furnace |
-
2002
- 2002-09-26 RU RU2002125710/09A patent/RU2231904C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9901978B2 (en) | 2013-03-28 | 2018-02-27 | Evgeny Pavlov | Method and apparatus for moving molten metal |
| RU2656193C2 (en) * | 2013-03-28 | 2018-05-31 | Евгений Александрович Павлов | Molten metal mixing method, device and system |
| RU173607U1 (en) * | 2017-03-29 | 2017-09-01 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | DEVICE FOR CONTROLLING HIGH-FREQUENCY INDUCTION INSTALLATION |
| RU193008U1 (en) * | 2019-06-24 | 2019-10-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Three section inductor |
| RU2779469C1 (en) * | 2021-08-17 | 2022-09-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method for mixing metal in an induction crucible furnace |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2002125710A (en) | 2004-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kamli et al. | A 50-150 kHz half-bridge inverter for induction heating applications | |
| US4159513A (en) | Static controlled AC motor drive having plug reversal capability | |
| Namadmalan et al. | Tunable self-oscillating switching technique for current source induction heating systems | |
| JP2007026728A (en) | Induction heating method and hardening method | |
| Namadmalan | Universal tuning system for series-resonant induction heating applications | |
| US7688601B2 (en) | Method and arrangement for the power supply of an induction heating device | |
| Nagarajan et al. | Phase locked loop based pulse density modulation scheme for the power control of induction heating applications | |
| RU2231904C2 (en) | Inductive heating device and its control process | |
| RU2231905C2 (en) | Inductive heating device and its control process | |
| Sheng et al. | An improved pulse density modulation of high-frequency inverter in ICPT system | |
| US3599078A (en) | Starting circuit for parallel tuned inverter | |
| JP2005312111A (en) | Power supply device | |
| RU2460246C1 (en) | Conversion device for induction heating based on parallel bridge resonant inverter and method to control conversion device for induction heating based on parallel bridge resonant inverter | |
| RU2231906C2 (en) | Off-line half-bridge inverter and its operation control process | |
| KR101075853B1 (en) | Induction heating method | |
| SU1372292A1 (en) | Semiconductor converter for electromagnetic vibrating machines | |
| RU2001486C1 (en) | Method of compensation of interchange power and gear to implement it | |
| US3328725A (en) | Oscillating circuit inverter producing a low distortion output | |
| SU1644103A2 (en) | Vibration exciter power supply | |
| SU1292144A1 (en) | Self-excited free-running parallel inverter | |
| SU1145494A1 (en) | Induction melting installation | |
| Li et al. | The Title of the Paper: Decoupled Power Regulation for Dual-Frequency Induction Heating Power Supply with Single Full-Bridge Inversion Topology | |
| SU696585A1 (en) | Serial inverter | |
| US5475582A (en) | Stepless control of a load guided parallel resonant inverter | |
| SU744874A1 (en) | Self-sustained inverter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20130212 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150927 |