RU45219U1

RU45219U1 - THROUGH HEAT INDUCTION INSTALLATION

Info

Publication number: RU45219U1
Application number: RU2004135051/22U
Authority: RU
Inventors: Е.А. Головенко; Е.С. Кинев; Е.В. Кузнецов; Д.В. Хохлов; В.В. Ковальский
Original assignee: Красноярский государственный технический университет (КГТУ)
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2005-04-27

Abstract

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, а именно, к электротермическим устройствам с активно-индуктивной нагрузкой и схемам их подключения к источнику переменного напряжения, в частности может быть использовано при обеспечении режима методического нагрева с постоянной температурой поверхности (ускоренный нагрев), режима с изменением мощности по специальной программе (оптимальные режимы нагрева), а также режима градиентного нагрева.The claimed technical solution relates to the field of electrical engineering, namely, to electrothermal devices with an active-inductive load and schemes for connecting them to an AC voltage source, in particular, can be used to provide a method of methodical heating with a constant surface temperature (accelerated heating), a mode with a change power according to a special program (optimal heating modes), as well as gradient heating mode.

До сих пор специальные режимы сквозного нагрева реализовывались за счет неравномерного распределения удельной мощности по длине многовиткового индуктора за счет неравномерного шага намотки многовиткового индуктора. Недостатком подобных индукционных установок является отсутствие возможности регулирования режима нагрева. Обычно шаг намотки индуктора меняется ступенчато. Число ступеней не превышает четырех, а наиболее часто ограничиваются тремя, в некоторых случаях двумя ступенями. Поэтому, они могут быть использованы только в серийном производстве для нагрева однотипных заготовок при условии жесткого соблюдения номинального режима работы.Until now, special modes of through heating have been realized due to the uneven distribution of specific power along the length of the multi-turn inductor due to the uneven step of winding the multi-turn inductor. The disadvantage of such induction plants is the inability to control the heating mode. Typically, the winding pitch of the inductor changes in steps. The number of steps does not exceed four, and most often are limited to three, in some cases, two steps. Therefore, they can only be used in serial production for heating the same type of workpieces subject to strict adherence to the nominal operating mode.

В предлагаемом техническом решении предложено решение задачи создания индукционной установки сквозного нагрева, которая обеспечит неравномерность распределения удельной мощности, передаваемой в загрузку в течение цикла нагрева и при этом позволит регулировать распределение удельной мощности в зависимости от заданного режима нагрева и параметров загрузки. Это реализуется путем создания дополнительных резонансных контуров, что позволяет перераспределить величину удельной мощности по длине индукционной установки.The proposed technical solution proposes a solution to the problem of creating an end-to-end induction heating installation, which will provide an uneven distribution of the specific power transmitted to the load during the heating cycle, and at the same time, it will be possible to adjust the distribution of the specific power depending on the given heating mode and loading parameters. This is realized by creating additional resonant circuits, which allows you to redistribute the value of specific power along the length of the induction installation.

Description

Известны индукционные установки для ускоренного методического нагрева перед обработкой давлением, в которых активная мощность, выделяемая в загрузке на начальном участке значительно больше, чем на последующих участках (Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л., «Энергия», 1974). Это достигается неравномерным распределением линейной токовой нагрузки по длине индуктора за счет ступенчатого изменения ширины индуктирующею провода и шага намотки. Таким образом обеспечивается быстрый нагрев поверхностного слоя загрузки до заданной конечной температуры. Значительный перепад температуры и, соответственно, большой тепловой поток между поверхностью и центром загрузки способствует быстрому прогреву ее внутренних слоев. После продвижения загрузки в индукторе в последующих позициях подводимая к ней мощность снижается таким образом, чтобы температура поверхности оставалась постоянной и равной конечной величине. Таким образом удается значительно сократить время нагрева загрузки до конечной температуры при заданном перепаде температур между поверхностью и центром.Induction plants are known for accelerated methodical heating before pressure treatment, in which the active power released in the load in the initial section is much greater than in subsequent sections (Sukhotsky A.E., Ryskin S.E. Inductors for induction heating. L., “ Energy ”, 1974). This is achieved by the uneven distribution of the linear current load along the length of the inductor due to a stepwise change in the width of the induction wire and the winding pitch. This ensures rapid heating of the surface layer of the load to a given final temperature. A significant temperature difference and, accordingly, a large heat flux between the surface and the loading center contributes to the rapid heating of its inner layers. After the charge is advanced in the inductor in subsequent positions, the power supplied to it is reduced so that the surface temperature remains constant and equal to the final value. Thus, it is possible to significantly reduce the heating time of the load to a final temperature at a given temperature difference between the surface and the center.

Неравномерность токовой нагрузки используется также для создания оптимального режима нагрева. Изменение мощности, выделяемой в заготовке в процессе нагрева, позволяет добиться наименьшего перепада The unevenness of the current load is also used to create the optimal heating mode. Changing the power released in the workpiece during heating, allows to achieve the smallest difference

температуры по сечению заготовки в конце нагрева. Кроме того, подобным образом может быть обеспечено заданное технологическими требованиями неравномерное распределение температуры по длине слитка в конце нагрева, то есть режим градиентного нагрева.temperature over the cross section of the workpiece at the end of heating. In addition, in a similar way, an uneven temperature distribution along the length of the ingot at the end of heating, that is, a gradient heating mode, can be achieved, specified by the technological requirements.

Недостатком описанных индукционных установок является отсутствие возможности регулирования режима нагрева. Обычно шаг намотки индуктора меняется ступенчато. Число ступеней не превышает четырех, а наиболее часто ограничиваются тремя, в некоторых случаях двумя ступенями. Поэтому, они могут быть использованы только в серийном производстве для нагрева однотипных заготовок при условии жесткого соблюдения номинального режима работы.A disadvantage of the described induction plants is the inability to control the heating mode. Typically, the winding pitch of the inductor changes in steps. The number of steps does not exceed four, and most often are limited to three, in some cases two steps. Therefore, they can only be used in serial production for heating the same type of workpieces subject to strict adherence to the nominal operating mode.

Наиболее близкой к заявленному устройству является индукционная установка сквозного нагрева, содержащая колебательный контур, образованный параллельно включенными конденсаторной батареей и многовитковым индуктором с равномерно распределенными по длине витками (Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. И перераб. Л., «Машиностроение», 1974). Основным преимуществом такой конструкции является то, что она может быть использована для нагрева заготовок, близких по диаметру, но самых разнообразных по длине. Однако эта конструкция индукционной установки сквозного нагрева не позволяет реализовать режимы нагрева, которые обычно осуществляются за счет непостоянной удельной мощности, передаваемой в загрузку в течение цикла нагрева, чего можно добиться при неравномерной плотности витков по длине индуктора (количество витков на единицу длины).Closest to the claimed device is an induction installation of through heating, containing an oscillating circuit formed in parallel by a capacitor bank and a multi-turn inductor with coils uniformly distributed along the length (Shamov A.N., Bodazhkov V.A. Design and operation of high-frequency installations. Edition. 2 -th, add. And revised L., "Engineering", 1974). The main advantage of this design is that it can be used to heat workpieces that are close in diameter but most diverse in length. However, this design of the end-to-end induction heating installation does not allow the heating modes to be realized, which are usually carried out due to the inconsistent specific power transmitted to the load during the heating cycle, which can be achieved with an uneven density of turns along the length of the inductor (number of turns per unit length).

В основу предложенного технического решения положена задача создания индукционной установки сквозного нагрева, которая обеспечит неравномерность распределения удельной мощности, передаваемой в загрузку в течение цикла нагрева и при этом позволит регулировать The basis of the proposed technical solution is the task of creating an induction installation of through heating, which will ensure uneven distribution of the specific power transmitted to the load during the heating cycle and at the same time allow

распределение удельной мощности в зависимости от заданного режима нагрева и параметров загрузки.power density distribution depending on a given heating mode and loading parameters.

Поставленная задача решается тем, что индукционная установка сквозного нагрева, содержащая колебательный контур, образованный батареей конденсаторов и многовитковым индуктором с равномерно распределенными по длине витками, согласно изобретению, многовитковый индуктор разбит на несколько ступеней, параллельно к каждой из которых через электрические выводы, выполненные по всей длине многовиткового индуктора, включены части батареи конденсаторов, при этом длины ступеней и емкость включенных параллельно им частей батареи конденсаторов подобраны так, чтобы обеспечить заданное неравномерное ступенчатое распределение удельной мощности по длине многовитковою индуктора.The problem is solved in that the induction installation of through heating, containing an oscillatory circuit formed by a capacitor bank and a multi-turn inductor with coils uniformly distributed along the length, according to the invention, the multi-turn inductor is divided into several steps, parallel to each of which through electrical leads made throughout the length of the multi-turn inductor, the parts of the capacitor bank are included, while the lengths of the steps and the capacitance of the parts of the capacitor bank connected in parallel to them in selected so as to provide a given uneven stepwise distribution of the specific power along the length of the multi-turn inductor.

На фиг.1 представлен эскиз индукционной установки сквозного нагрева со схемой подключения к источнику переменного напряжения; на фиг.2 - электрическая схема замещения индукционной установки сквозного нагрева; на фиг.3 - векторная диаграмма токов и напряжений индукционной установки сквозного нагрева.Figure 1 presents a sketch of an induction installation of through heating with a circuit for connecting to an AC voltage source; figure 2 - electrical equivalent circuit of the induction installation through heating; figure 3 is a vector diagram of the currents and voltages of the induction installation of through heating.

Индукционная установка сквозного нагрева содержит многовитковый индуктор 1 с равномерно распределенными по его длине витками (фиг.1). Многовитковый индуктор 1 разбит на несколько ступеней, ограниченных выполненными по всей его длине электрическими выводами 2. В рассматриваемом случае многовитковый индуктор является трехступенчатым 1', 1'', 1'', так как этот случай встречается наиболее часто. Однако число ступеней может быть любым и выбирается исходя из требований технологии нагрева загрузки. Параллельно каждой из ступеней (1', 1'', 1'') многовиткового индуктора 1 через электрические выводы 2 включены соответствующие им батареи конденсаторов 3, при этом их емкостные сопротивления х₃', х₃'', х₃''' подобраны таким образом, чтобы полные сопротивления секций 1, 1'', 1'' многовиткового индуктора 1 с The induction installation of through heating contains a multi-coil inductor 1 with coils evenly distributed along its length (Fig. 1). The multi-turn inductor 1 is divided into several stages, limited by the electrical leads made over its entire length 2. In this case, the multi-turn inductor is a three-stage 1 ', 1'',1'', since this case is most common. However, the number of steps can be any and is selected based on the requirements of the loading heating technology. Parallel to each of the steps (1 ', 1'',1'') of the multi-turn inductor 1, the corresponding capacitor banks 3 are connected through the electrical terminals 2, while their capacitances x ₃ ', x ₃ '', x ₃ '''are selected so that the impedances of sections 1, 1``, 1 '' of a multi-turn inductor 1 s

включенными параллельно соответствующими им частями батареи конденсаторов 3', 3'', 3'''. В том случае, если реактивная мощность многовиткового индуктора 1 компенсирована батареей конденсаторов 3 не до конца, то параллельно электрическим выводам на входе и выходе многовиткового индуктора может быть включена батарея конденсаторов 4. Внутри индуктора находится загрузка 5.connected in parallel with the corresponding parts of the capacitor bank 3 ', 3' ', 3' ''. In that case, if the reactive power of the multi-turn inductor 1 is not fully compensated by the capacitor bank 3, then a capacitor bank 4 can be connected in parallel with the electrical terminals at the input and output of the multi-turn inductor 4. There is a load 5 inside the inductor.

При подаче на электрические выводы 2 на входе и выходе многовиткового индуктора 1 переменного напряжения в элементах индукционной установки сквозного нагрева возникают переменные электрические токи. В рассматриваемом случае предполагается, что активные сопротивления секций (x₁', x₁'', x₁''') значительно меньше реактивных сопротивлении (х₁, x₁'', x₁'''), а емкостные сопротивления частей батареи конденсаторов соответствуют условию х₃'''>х₃''>х_3', но при этом каждое из них больше реактивного сопротивления соответствующей секции многовиткового индуктора (х₃'>x₁',x₃''>x₁'',x₃''>x₁'''). Нетрудно убедиться, что z₃',>z₃''>z₃''' и падение напряжения на секции l' больше, чем падение на секции l'', которое в свою очередь больше, чем падение напряжения на секции l'', то есть U₃₂>U₄₃>U₁₄ (см. фиг.3). Поскольку к секциям индуктора, имеющим одинаковые сопротивления, приложены различные по величине напряжения, то в них протекают не одинаковые по величине токи (I_l'>I_l''>I_l'''). Это значит, что в загрузке 5 по длине наблюдается неравномерное ступенчатое распределение удельной мощности. что позволяет обеспечить специальные технологические режимы сквозного нагрева. Кроме того, одна и та же конструкция индукционной установки сквозного нагрева может обеспечивать разнообразные технологические требования к режиму нагрева, потому что позволяет изменить число секций, их длины и емкости частей батареи конденсаторов.When applying to the electrical terminals 2 at the input and output of the multi-turn inductor 1 of an alternating voltage in the elements of the induction installation of through heating, alternating electric currents arise. In this case, it is assumed that the active resistances of the sections (x ₁ ', x ₁ '', x ₁ ''') are much smaller than the reactance (x ₁ , x ₁ '', x ₁ '''), and the capacitive resistances of the battery parts capacitors correspond to the condition x ₃ '''> x ₃ ''> x _3' , but each of them is more than the reactance of the corresponding section of the multi-turn inductor (x ₃ '> x ₁ ', x ₃ ''> x ₁ '', x ₃ ''> x ₁ '''). It is easy to verify that z ₃ ',> z ₃ ''> z ₃ ''' and the voltage drop across sections l 'is greater than the voltage drop across sections l'', which in turn is greater than the voltage drop across sections l'' , i.e., U ₃₂ > U ₄₃ > U ₁₄ (see FIG. 3). Since voltages of different magnitude are applied to sections of the inductor having the same resistances, currents of different magnitude (I _l '> I _l ''> I _l ''') flow into them. This means that in load 5 along the length there is an uneven stepwise distribution of the specific power. which allows for special technological modes of through heating. In addition, the same design of an induction heating through-heat installation can provide a variety of technological requirements for the heating mode, because it allows you to change the number of sections, their length and capacitance of parts of the capacitor bank.

Claims

The through-heating induction installation, containing an oscillatory circuit formed by a capacitor bank and a multi-turn inductor with coils uniformly distributed along the length, characterized in that the multi-turn inductor is divided into several steps, limited along the entire length of the multi-turn inductor of the electrical leads, in parallel to the electrical leads at the input ( the output) of a multi-turn inductor and the electrical output at the output (input) of each of the steps includes parts of the capacitor bank, while the length of the steps and the capacity of the corresponding parts of the capacitor banks are selected so as to provide a given stepwise increase (decrease) in the specific power along the length of the multi-turn inductor.