RU2256303C2 - Induction heating apparatus with sectional inductor - Google Patents
Induction heating apparatus with sectional inductor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2256303C2 RU2256303C2 RU2003113843/09A RU2003113843A RU2256303C2 RU 2256303 C2 RU2256303 C2 RU 2256303C2 RU 2003113843/09 A RU2003113843/09 A RU 2003113843/09A RU 2003113843 A RU2003113843 A RU 2003113843A RU 2256303 C2 RU2256303 C2 RU 2256303C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inductor
- sections
- section
- induction heating
- power
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- General Induction Heating (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к индукционному нагреву, в частности к устройствам индукционного нагрева с многосекционным индуктором, в которых нагрев разных областей нагреваемого объекта, соответствующих разным секциям индуктора, производится до разных температур, а также к устройствам для методического нагрева заготовок. В частности устройства методического нагрева характеризуются тем, что импеданс каждой отдельной детали зависит от ее положения в индукторной системе, поэтому мощность, прикладываемая к разным секциям индуктора, имеет различные значения. Для устройств методического нагрева чаще всего применяется режим нагрева, при котором мощность, потребляемая каждой деталью, поддерживается постоянной, хотя существуют и другие режимы нагрева, при которых потребляемая мощность на каждом участке индукторной системы задается определенным законом. Из вышесказанного следует, что и в том, и в другом случае необходимо поле с переменной напряженностью по длине индуктора. Эта задача в известных устройствах, как правило, решается двумя способами: изменением количества витков индуктора на единицу длины или изменением рабочего тока по длине индуктора, например, путем разбиения индуктора на несколько секций с разным током. Применение неравномерного шага витков для реализации различных режимов нагрева достаточно подробно исследовано в литературе по методическому нагреву, см. например, Яицков “Ускоренный изотермический нагрев заготовок”. Из патентных источников известна индукционная нагревательная установка, включающая внешнюю обмотку, подключенную к источнику питания, в которой перераспределение мощности нагрева по зонам достигается за счет заранее заданного неравномерного шага витков обмотки в разных ее зонах, причем все зоны обмотки соединены последовательно и подключены к одному источнику питания, (авт. св. SU №1152096, Н 05 В 6/36). Наиболее серьезным недостатком этого метода является ограничение изменения шага витка индуктора, вызванное технологическими трудностями, так как минимальное его значение ограничено толщиной изоляции, максимальное - допустимой длиной индуктора. Кроме того, на участках индуктора с малой напряженностью магнитного поля используется большой шаг намотки, что приводит к искажениям магнитного поля, увеличению потока рассеяния. Вышеперечисленные недостатки устраняются использованием секционированного индуктора с раздельным питанием секций. В такой структуре к секциям прикладываются различные напряжения, кратность которых задается коэффициентами трансформации согласующих трансформаторов. При этом либо подбирают коэффициенты трансформации, при которых достигается необходимое распределение мощности, либо применяют стабилизаторы тока по секциям, в любом из этих вариантов устройство получается сложным и дорогим. Другим методом получения нужного распределения мощности может быть работа каждой секции на своей резонансной частоте, что позволяет изменять потребляемую мощность, так как активный импеданс нагреваемой детали зависит от частоты. Однако необходимость питания каждой секции своим источником требует применения своего узла управления, в результате устройство становится сложным и дорогим (см., например, международную заявку WO №9903308, опубл. 21.01.1999 г.) Известны устройства для индукционного нагрева с секционированным индуктором, секции которого питаются от одного высокочастотного источника питания. При этом секции соединены параллельно через соответствующие тиристорные переключатели и для управления температурой, выделяемой в зоне, с которой связана соответствующая секция, мощность, передаваемая в каждую зону, определяется комбинацией замкнутых переключателей, и периода времени, на который подключаются секции к источнику питания (патенты США №№5349167). Такие устройства требуют установления датчиков температуры в каждой зоне нагрева и обратной связи с устройством управления, в результате чего устройство также получается сложным и дорогим. Кроме того, наличие переключателей в силовой цепи снижает к.п.д. устройства и еще более повышает его стоимость.The invention relates to induction heating, in particular to devices of induction heating with a multi-section inductor, in which the heating of different regions of the heated object corresponding to different sections of the inductor is carried out to different temperatures, as well as to devices for methodical heating of workpieces. In particular, methodical heating devices are characterized in that the impedance of each individual part depends on its position in the inductor system, so the power applied to different sections of the inductor has different values. For methodical heating devices, the heating mode is most often used in which the power consumed by each part is kept constant, although there are other heating modes in which the power consumption in each section of the inductor system is specified by a certain law. From the foregoing it follows that in both cases a field with a variable intensity along the length of the inductor is necessary. This problem in known devices, as a rule, is solved in two ways: by changing the number of turns of the inductor per unit length or by changing the operating current along the length of the inductor, for example, by dividing the inductor into several sections with different currents. The use of an uneven pitch of turns for the implementation of various heating modes has been studied in sufficient detail in the literature on methodological heating, see, for example, Yaitskov “Accelerated Isothermal Heating of Billets”. From patent sources, an induction heating installation is known, including an external winding connected to a power source, in which the redistribution of the heating power over the zones is achieved due to a predetermined uneven step of the winding turns in its different zones, and all winding zones are connected in series and connected to the same power source , (ed. St. SU No. 1152096, H 05 B 6/36). The most serious drawback of this method is the limitation of the change in the pitch of the coil of the inductor caused by technological difficulties, since its minimum value is limited by the thickness of the insulation, the maximum by the permissible length of the inductor. In addition, in areas of the inductor with a low magnetic field strength, a large winding pitch is used, which leads to distortions of the magnetic field and an increase in the scattering flux. The above disadvantages are eliminated using a sectioned inductor with separate section power. In such a structure, various voltages are applied to the sections, the multiplicity of which is set by the transformation coefficients of the matching transformers. In this case, either the transformation coefficients are selected at which the necessary power distribution is achieved, or current stabilizers are used in sections, in any of these options the device turns out to be complicated and expensive. Another method of obtaining the desired power distribution can be the operation of each section at its own resonant frequency, which allows you to change the power consumption, since the active impedance of the heated part depends on the frequency. However, the need to power each section with its own source requires the use of its own control unit, as a result, the device becomes complex and expensive (see, for example, international application WO No. 9903308, publ. 01.21.1999). There are known devices for induction heating with a sectioned inductor, sections which is powered by one high frequency power source. In this case, the sections are connected in parallel through the corresponding thyristor switches and to control the temperature released in the zone to which the corresponding section is connected, the power transmitted to each zone is determined by the combination of closed switches and the period of time for which the sections are connected to the power source (US patents No. 5349167). Such devices require the installation of temperature sensors in each heating zone and feedback from the control device, as a result of which the device also turns out to be complex and expensive. In addition, the presence of switches in the power circuit reduces the efficiency devices and further increases its cost.
Наиболее близким к одному из вариантов заявляемого изобретения является устройство многозонного индукционного нагрева, описание которого приведено в патенте США №5059762. В этом устройстве обмотка поделена на несколько последовательно соединенных секций, определенных отпайками и связанных с соответствующей зоной нагреваемого объекта. Перераспределение питания по соответствующим секциям от одного источника с сохранением резонанса в указанном устройстве производится с помощью дополнительного реактивного сопротивления, которое шунтирует нагревательные секции через отпайки. В данном устройстве реактивные сопротивления выполнены на основе насыщаемых индуктивных элементов, которые имеют управляющие обмотки, выполненные так, что подаваемый на них постоянный ток меняет их реактивное сопротивление и сопротивление секции в целом. Недостатками данного устройства являются большие габариты, обусловленные наличием дополнительных обмоток, которые, кроме того, увеличивают индуктивную энергию контура, а значит и мощность конденсаторной батареи и сложная схема управления процессом нагрева.Closest to one of the variants of the claimed invention is a multi-zone induction heating device, the description of which is given in US patent No. 5059762. In this device, the winding is divided into several series-connected sections defined by soldering and associated with the corresponding zone of the heated object. Redistribution of power in the appropriate sections from one source while maintaining resonance in the specified device is performed using additional reactance, which shunts the heating sections through soldering. In this device, reactances are made on the basis of saturable inductive elements that have control windings made so that the direct current supplied to them changes their reactance and the resistance of the section as a whole. The disadvantages of this device are large dimensions, due to the presence of additional windings, which, in addition, increase the inductive energy of the circuit, and hence the power of the capacitor bank and a complex heating process control circuit.
Задачей изобретения является упрощение устройства индукционного нагрева с сохранением резонанса по всем секциям, а также увеличения к.п.д., снижения его стоимости и габаритов за счет исключения сложных схем управления, переключающих устройств и дополнительных реактивных элементов.The objective of the invention is to simplify the device of induction heating while maintaining resonance in all sections, as well as increasing efficiency, reducing its cost and dimensions by eliminating complex control circuits, switching devices and additional reactive elements.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве индукционного нагрева, содержащем секционированный индуктор, питающийся от одного высокочастотного источника питания, в котором секции индуктора соединены последовательно и определенны отпайками, через которые они соединены с питающими их вторичными обмотками согласующего трансформатора, и резонансный контур, образованный индуктором и резонансной емкостью, питание каждой секции индуктора обеспечивается соответствующим ей согласующим трансформатором, соединенным с источником питания, при этом первичные обмотки согласующих трансформаторов соединены последовательно, каждый трансформатор имеет свой коэффициент трансформации, задающий ток в соответствующей секции индуктора, а резонансный контур образован в каждой секции индуктора ею и резонансной емкостью, причем резонансные емкости включены в отпайки секций индуктора таким образом, чтобы из двух смежных отпаек по крайней мере одна содержала резонансную емкость.The problem is solved in that in an induction heating device containing a sectioned inductor, powered by one high-frequency power source, in which the inductor sections are connected in series and determined by soldering, through which they are connected to the secondary windings of the matching transformer feeding them, and a resonant circuit formed by the inductor and resonant capacitance, the power of each section of the inductor is provided by its matching matching transformer connected to the power source In this case, the primary windings of the matching transformers are connected in series, each transformer has its own transformation coefficient that defines the current in the corresponding section of the inductor, and the resonant circuit is formed in each section of the inductor by it and the resonant capacitance, and the resonant capacitances are included in the soldering sections of the inductor so that of two adjacent solders, at least one contained a resonant capacitance.
В этом случае нет контура, соединяющего секцию и питающую обмотку без резонансной емкости, что позволяет полностью скомпенсировать индуктивную энергию каждой секции индуктора, в результате чего согласующие трансформаторы имеют только активную составляющую мощности.In this case, there is no circuit connecting the section and the supply winding without a resonant capacitance, which allows to completely compensate the inductive energy of each section of the inductor, as a result of which the matching transformers have only the active power component.
На Фиг.1 изображен один из вариантов данного устройства, состоящий из трех секций индуктора. Очевидно, что в этом случае необходимы три емкости, располагающиеся в любых трех из четырех отпаек, иначе структура не будет согласована.Figure 1 shows one of the variants of this device, consisting of three sections of the inductor. Obviously, in this case, three containers are needed that are located in any three of the four solders, otherwise the structure will not be coordinated.
На Фиг.2 представлены напряжения первичных обмоток трансформаторов и токи секций индуктора структуры Фиг.1.Figure 2 presents the voltage of the primary windings of the transformers and the current sections of the inductor of the structure of Figure 1.
Устройство на Фиг.1 содержит источник высокочастотного напряжения 1, согласующие трансформаторы 2, 3, 4 с первичными обмотками 21, 31, 41, вторичными обмотками 22, 32, 42, секции индуктора 51, 52, 53, резонансные емкости 61, 62, 63. Индексами i1, i2, i3 обозначены токи вторичных обмоток трансформатора.The device of FIG. 1 contains a high-frequency voltage source 1, matching transformers 2, 3, 4 with primary windings 2 1 , 3 1 , 4 1 , secondary windings 2 2 , 3 2 , 4 2 , inductor sections 5 1 , 5 2 , 5 3 , resonant capacitance 6 1 , 6 2 , 6 3 . The indices i 1 , i 2 , i 3 indicate the currents of the secondary windings of the transformer.
Работа устройства происходит следующим образом:The operation of the device is as follows:
Напряжение источника 1 подается на трансформаторы 2, 3, 4, включенные по входу последовательно, а по вторичной стороне питают соответствующие секции индуктора 51, 52, 53. Такое включение трансформаторов позволяет задавать коэффициентами трансформации любую разумную кратность токов в секциях, а соответственно и необходимое распределение мощности в индукторной системе. Для компенсации реактивной энергии секций индуктора в устройство включены емкости 6 таким образом, чтобы не было контура, соединяющего секцию и питающую обмотку без резонансной емкости, что позволяет скомпенсировать индуктивное напряжение каждой секции путем подбора величины соответствующей емкости. Особенность этой компенсации заключается в том, что некоторые емкости являются общими для двух соседних секций, поэтому для полной компенсации индуктивной энергии каждой секции емкости рассчитываются согласно условию последовательного резонанса, из которого следует, что реактивное напряжение секции должно быть равно суммарному падению напряжения на емкостяхThe voltage of source 1 is supplied to transformers 2, 3, 4, connected in series at the input, and on the secondary side they feed the corresponding sections of the inductor 5 1 , 5 2 , 5 3 . This inclusion of transformers allows you to set the transformation coefficients any reasonable multiplicity of currents in the sections, and accordingly the necessary power distribution in the inductor system. To compensate for the reactive energy of the inductor sections, capacitances 6 are included in the device so that there is no circuit connecting the section and the supply winding without a resonant capacitance, which makes it possible to compensate the inductive voltage of each section by selecting the value of the corresponding capacitance. The peculiarity of this compensation is that some capacitances are common for two adjacent sections, therefore, for complete compensation of the inductive energy of each section of the capacitance, they are calculated according to the condition of series resonance, from which it follows that the reactive voltage of the section should be equal to the total voltage drop across the capacitors
где L1 соответствует секции индуктора 51, L2 - секции 52, L3-53; C1 соответствует емкости 61, С2 - емкости 62, С3 - соответствует емкости 63.where L 1 corresponds to the section of the inductor 5 1 , L 2 - section 5 2 , L 3 -5 3 ; C 1 corresponds to capacity 6 1 , C 2 - capacity 6 2 , C 3 - corresponds to capacity 6 3 .
После несложных математических преобразований получим искомое условие компенсации реактивной энергии:After simple mathematical transformations, we obtain the desired condition for reactive energy compensation:
На Фиг.2 представлены напряжения первичных обмоток трансформаторов и токи секций индуктора структуры на Фиг.1, диаграммы построены при условии равенства индуктивного и активного сопротивлений секций, а также при соблюдении условия равенства мощностей секций, заданная кратность токов при этом 1:1,5:2. Из диаграмм видно, что при различных сопротивлениях секций система обеспечивает заданную коэффициентами трансформации кратность тока в секциях, при этом первичные напряжения трансформаторов равны ввиду равенства мощностей секций. Кроме того, трансформаторы имеют только активную составляющую мощности, так как здесь индуктивность каждой секции индуктора 51, 52, 53 фактически полностью компенсируется емкостями 61, 62, 63, рассчитанными из условия (2).Figure 2 presents the voltage of the primary windings of the transformers and the current sections of the inductor of the structure of Figure 1, the diagrams are constructed under the condition of equality of the inductive and active resistances of the sections, and also subject to the condition of equality of the power of the sections, the specified current multiplicity of 1: 1.5: 2. It can be seen from the diagrams that at various sections resistances the system provides the multiplicity of current specified in the transformation coefficients in the sections, while the primary transformer voltages are equal due to the equal power of the sections. In addition, the transformers have only the active power component, since here the inductance of each section of the inductor 5 1 , 5 2 , 5 3 is actually completely compensated by the capacitances 6 1 , 6 2 , 6 3 calculated from condition (2).
Изменение индуктивностей секций в процессе нагрева, причем непропорционально друг другу из-за наличия индуктивности рассеяния, могут приводить к появлению реактивных напряжений трансформаторов в результате нарушения условия (2). Однако этот эффект будет существенно меньше при увеличении числа секций, поскольку диапазон изменения индуктивности загрузки в пределах каждой секции будет снижаться с ростом их числа. То есть с помощью этой схемы можно получить стабильный режим нагрева, притом, что она существенно дешевле и проще по сравнению с известными аналогами.Changing the inductances of the sections during heating, disproportionately to each other due to the presence of leakage inductance, can lead to the appearance of transformer reactive voltages as a result of violation of condition (2). However, this effect will be significantly less with an increase in the number of sections, since the range of variation of the load inductance within each section will decrease with an increase in their number. That is, with the help of this scheme it is possible to obtain a stable heating mode, despite the fact that it is much cheaper and simpler in comparison with the known analogues.
Предлагаемое изобретение позволяет проектировать системы с секционированным индуктором для применений, где ограничена стоимость системы, но требуется заданное распределение выделяемой мощности по секциям за счет исключения сложных схем управления, коммутирующих устройств и дополнительных переменных индуктивных элементов.The present invention allows to design systems with a partitioned inductor for applications where the cost of the system is limited, but a predetermined distribution of the allocated power in sections is required due to the elimination of complex control circuits, switching devices and additional variable inductive elements.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003113843/09A RU2256303C2 (en) | 2003-05-12 | 2003-05-12 | Induction heating apparatus with sectional inductor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003113843/09A RU2256303C2 (en) | 2003-05-12 | 2003-05-12 | Induction heating apparatus with sectional inductor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003113843A RU2003113843A (en) | 2004-11-10 |
| RU2256303C2 true RU2256303C2 (en) | 2005-07-10 |
Family
ID=35838714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003113843/09A RU2256303C2 (en) | 2003-05-12 | 2003-05-12 | Induction heating apparatus with sectional inductor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2256303C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2747198C2 (en) * | 2019-08-29 | 2021-04-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический, образовательный и производственный центр высокочастотных электротехнологий "ИНТЕРМ" | Induction heating device |
-
2003
- 2003-05-12 RU RU2003113843/09A patent/RU2256303C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 059762 А, 22.10.1991. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2747198C2 (en) * | 2019-08-29 | 2021-04-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический, образовательный и производственный центр высокочастотных электротехнологий "ИНТЕРМ" | Induction heating device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7457344B2 (en) | Electric induction control system | |
| US5572170A (en) | Electronically tuned matching networks using adjustable inductance elements and resonant tank circuits | |
| EP1374640B1 (en) | Simultaneous induction heating and stirring of a molten metal | |
| AU2002255551A1 (en) | Simultaneous induction heating and stirring of a molten metal | |
| US6798822B2 (en) | Simultaneous induction heating and stirring of a molten metal | |
| CN104641448B (en) | For the device of plasma is produced and maintained for corona treatment | |
| RU2240659C2 (en) | Sectionalized-inductor inductive heating device (alternatives) | |
| US3331909A (en) | Apparatus for energizing an induction melting furnace with a three phase electrical network | |
| RU2256303C2 (en) | Induction heating apparatus with sectional inductor | |
| US5586017A (en) | Power generator comprising a transformer | |
| US6992406B2 (en) | Induction heating or melting power supply utilizing a tuning capacitor | |
| US6437302B1 (en) | Interruptible variable frequency power supply and load matching circuit, and method of design | |
| US5777299A (en) | Induction generator to heat metallic pipes with a continuous process under a controlled atmosphere | |
| EP0848895B1 (en) | Induction load balancer for parallel heating of multiple parts | |
| US3187156A (en) | Circuit for controlling the power of inductive heating or melting equipment | |
| US1828291A (en) | Electric induction furnace | |
| RU45220U1 (en) | THROUGH HEAT INDUCTION INSTALLATION | |
| DE102016114941A1 (en) | System and method for inductive energy transmission | |
| RU2214072C2 (en) | Induction heating device affording desired temperature profile | |
| RU45219U1 (en) | THROUGH HEAT INDUCTION INSTALLATION | |
| RU2256304C2 (en) | Induction installation for through heating of measured blanks | |
| SU521558A1 (en) | Inductive-capacitive voltage source converter to current source | |
| KR20060020083A (en) | Induction heating apparatus being capable of operating in wide bandwidth frequencies | |
| JP2922784B2 (en) | Load power control device | |
| JPS6161503B2 (en) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150513 |