Спосіб регулювання потужності дволанкового перетворювача частоти

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике и может быть использовано в преобразователях частоты индукционного нагрева ферромагнитных материалов. Известен способ регулирования выходного напряжения инвертора, заключающийся в изменении длительности паузы тока нагрузки [1]. Недостаток способа состоит в том, что функциональные возможности преобразователя частоты при управлении процессом индукционного нагрева ограничены, Ограничены возможности реализации параметров нагрева в соответствии с требованиями технологического процесса. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ регулирования тока нагрузки инвертора (прототип) [2] с основной и высшими гармоническими составляющими, заключающийся в том, что формируют сигнал задания, пропорциональный отношению действующи х значений двух гармонических составляющих тока нагрузки, измеряют действующие значения этих составляющи х, определяют отношение измеренного значения тока с более высокой частотой к, току с более низкой частотой, полученный сигнал сравнивают с сигналом задания и при превышении первым второго изменяют длительность паузы тока нагрузки в сторону уменьшения, в противном случае - в сторону увеличения. Недостаток способа состоит в ограниченных функциональных возможностях преобразователя, исключающих регулирование в соответствии с заданием мощностей, одновременно отдаваемых в нагрузку на двух различных частотах. Это не позволяет управлять параметрами индукционного нагрева с высокой степенью точности, возникают трудности в получении заданного распределения температуры по сечению заготовки, что ухудшает механические свойства обрабатываемого материала (твердость, пластичность и др.). Снижается КПД процесса термообработки, его производительность. Увеличиваются потери материала вследствие образования окалины. В основу изобретения поставлена задача создания способа регулирования мощности двухзвенного преобразователя частоты, в котором измерение сигналов составляющих мощности и формирование соответствующи х сигналов заданий обеспечивают возможность регулирования каждой составляющей мощностей и за счет этого расширение функциональных возможностей преобразователя при управлении процессом индукционного нагрева ферромагнитных материалов. Поставленная задача решается тем, что в способе регулирования мощности двухзвенного преобразователя частоты, включающего выпрямитель и инвертор, ток нагрузки которого содержит основную и высшие гармонические составляющие, заключающемся в том, что формируют сигнал задания, пропорциональный регулируемому параметру, измеряют регулируемый параметр, полученный сигнал сравнивают с сигналом задания и при превышении первым второго изменяют длительность паузы тока нагрузки в сторону уменьшения, в противном случае - в сторону увеличения, согласно изобретению, формируют дополнительный сигнал задания, пропорциональный мощности основной гармонической составляющей, измеряют мощность этой составляющей, полученный сигнал сравнивают с дополнительным сигналом задания и при превышении первым второго уменьшают выходное напряжение выпрямителя, в противном случае - увеличивают, а в качестве регулируемого параметра используют мощность одной из высших гармонических составляющих. Существенные признаки обеспечивают возможность регулирования мощностей основной и высшей гармонических составляющих, так как существуют функциональные зависимости между этими мощностями и длительностью паузы тока нагрузки инвертора, выходным напряжением выпрямителя. Всякие отклонения мощностей от заданных значений, вызванные изменением условий индукционного нагрева, приводят к изменению указанных параметров инвертора и выпрямителя, и восстановлению заданных значений мощностей. На фиг. 1 приведена схема устройства, использованного в качестве примера реализации указанного способа. На фиг. 2 показаны регулировочные характеристики преобразователя. Устройство (фиг. 1) состоит из регулируемого выпрямителя 1, инвертора 2, имеющего вход для регулирования длительности паузы тока нагрузки и нагруженного на индуктор 3, датчиков тока 4, 5, датчиков напряжения 6, 7, фильтров 8, 9, 10, 11, ваттметров 12, 13, задатчиков мощности основной 14 и высшей 15 гармонических составляющих, устройство сравнения 16, 17. Индуктор 3 подключен к инвертору 2 через коммутирующий конденсатор 18. Датчики тока 4, 5 включены последовательно с индуктором 3, а датчики напряжения 6, 7 - параллельно. Датчики 4, 7 через фильтры 8, 11 соединены с ваттметром 12, а датчики 5, 6 через фильтры 9, 10 - с ваттметром 13. Выходы ваттметра 12 и задатчика мощности основной 14 гармонической составляющей соединены со входами устройства сравнения 16, а его выход соединен со входом для регулирования выходного напряжения выпрямителя 1. Выходы ваттметра 13 и задатчика мощности высшей 15 гармонической составляющей соединены со входами устройства сравнения 17, а выход устройства 17 соединен со входом для регулирования паузы тока нагрузки инвертора - 2. Резонансные автономные инверторы, некоторые схемы инверторов тока работают в режиме прерывистого тока нагрузки. Ток нагрузки содержит основную и высшие гармонические составляющие. Отношения значений гармонических составляющих можно регулировать, изменяя длительность паузы тока нагрузки, а также форму его кривой. Такое регулирование возможно, например, в резонансных инверторах с широтно-импульсным регулированием, в инверторах тока, имеющих специальные цепи для формирования паузы тока нагрузки. Эти схемы, а также другие инверторы, действующие по аналогичному принципу, могут быть использованы в предлагаемом устройстве. Уровень гармонических составляющих тока индуктора 3 зависит от схемы включения компенсирующи х конденсаторов. Возможны варианты с последовательным (фиг. 1), последовательнопараллельным, параллельно-последовательным включением. Способ реализуется следующим образом. Исходя из режима термообработки, определяемого уровнем удельной мощности (мощности, приходящейся на единицу площади или объема нагреваемого тела), а также глубиной проникновения тока в материал, предварительно задают уровень мощностей, отдаваемых в нагрузку основной P1 и n-ой Рn гармоническими составляющими. Значения P1 и Рn могут быть неизменными или изменяться в процессе нагрева по заданной программе, либо в зависимости от текущи х параметров нагреваемого тела, например, температуры. Так, например, нагрев изделия до температуры точки Кюри выполняют при малых уровнях Рn, в диапазоне температур, превышающих это значение, уровень Рn увеличивают. С помощью задатчика мощности основной 14 гармонической составляющей формируют дополнительный сигнал задания, пропорциональный значению P1, a задатчика мощности высшей 15 гармонической составляющей - сигнал задания, пропорциональный Рn. Датчиками 4,5 измеряют ток а индукторе, а датчиками 6, 7 - напряжение на его зажимах. С помощью фильтров 8,11 выделяют основные гармонические составляющие тока и напряжения, а с помощью фильтров 9, 10 - n-ые составляющие. Ваттметрами 12, 13 непрерывно измеряют P1 и Рn. В устройстве сравнения 16 сравнивают измеренное значение P1 с дополнительным сигналом задания и при превышении первым второго, воздействуя на вход для регулирования выходного напряжения выпрямителя 1, уменьшают значение этого напряжения, в противном случае - увеличивают. Измеренный сигнал Рn сравнивают в устройстве сравнения 17 с сигналом задания и при превышении первым второго, воздействуя на вход для регулирования длительности паузы тока нагрузки инвертора 2, изменяют указанную длительности в сторону уменьшения, в противном случае - в сторону увеличения. Регулирование выходного напряжения выпрямителя 1, а также длительность паузы тока нагрузки инвертора 2 позволяет установить заданные значения P1 и Рn . Активную мощность P1 регулируют изменением напряжения Ed на выходе выпрямителя 1. Будем считать, что активная мощность на выходе инвертора равна сумме мощностей P1 и Рn. Из условия баланса мощностей без учета КПД инвертора подучим: Рв=Р1+Рn Здесь РB - мощность на выходе выпрямителя. Значение РВ пропорционально квадрату Ed. Получим: КЕ2d = P1 + Рn , Здесь К - коэффициент пропорциональности. Регулировочная характеристика P1 =f(Ed) при Рn - const (Рn' < Рn" < Рn'" < ...) приведена на фиг. 2. Видно, что с увеличением Ed значение P1 возрастает. Активную мощность Рn регулир уют изменением длительности паузы тока нагрузки l . Отношение мощностей: Pn / P1 = Здесь тока и (In / I1 )2 I1 , In n. - действующие значения токов основной и n-ой гармоник. Отношение Іn/I1 зависит от формы является функцией l. Поэтому Pn / P1 x(l ) . = Регулировочная характеристика P3 b(= приP const(P1`< P1 ``< P1```< ... ) для тока нагрузки прямоугольной формы приведена на фиг. 2. При = l) = 1 синусоидальной форме импульсов, характерной для инверторов резонансного типа, регулировочная характеристика мало отличается от приведенной на фиг. 2. Видно, что существует интервал изменения l , на котором с увеличением длительности паузы тока значение P3 возрастает. Аналогичные интервалы можно выделить и для гармоник более высокого порядка. Устройство, приведенное на фиг. 1, работает на указанном интервале характеристики. Глубина проникновения тока в нагреваемый материал зависит от его частоты. Поэтому при наличии в индукторе тока, содержащего две и более гармонические составляющие, соответствующие спектральному составу мощности подводятся к различным по глубине слоям материала. Плавное регулирование в соответствии с заданием уровней мощностей, отдаваемых в нагрузку на двух различных частотах, позволяет концентрировать энергию в определенных поверхностных слоях материала, что расширяет возможности управления процессом термообработки. Повышается точность воспроизведения заданного распределения температуры по сечению нагреваемого тела, более точно выдерживается заданная скорость нагрева различных слоев. Это способствует снижению потерь энергии, повышается КПД нагрева, растет производительность. Снижаются потери материала вследствие образования окалины. При закалке материалов повышается качество термообработки и, как следствие, улучшаются механические свойства изделий. Устройства, реализующие предлагаемый способ, просты и надежны в работе, так как регулирование осуществляется средствами системы управления преобразователя и не требуют усложнения силовой части. Регулирование мощностей открывает новые возможности для технологов в части создания перспективных технологических процессов индукционного нагрева ферромагнитных материалов.