Особенность разрабатываемых в Уфимской школе силовой электроники ТПЧ — это неуправляемый диодный выпрямитель. Регулирование выходной мощности ТПЧ осуществляется изменением частоты. Управление частотой инверторно-индукционной системы эффективно при возможности изменять рабочую частоту ТПЧ в достаточно широких пределах. Примененная схема тиристорного несимметричного инвертора кроме хороших пусковых характеристик обладает и широким диапазоном регулирования частоты. На рис. 12.1 показано включение трансформаторных датчиков в инверторный и нагрузочный контуры системы управления ТПЧ Когда для индукционной закалки использовались машинные генераторы, в них нельзя было изменять рабочую частоту, а изменение режимов нагрева производилось регули-
рованием тока возбуждения и переключением емкости электротермических конденсаторов, подключенных к выходному трансформатору индукционной нагрузки. Регулирование тока возбуждения осуществляется с большим
запаздыванием, обусловленным инерционностью канала регулирования. Переключение во время работы индукционной установки ВЧ-конденсаторов уменьшает ее надежность. Применение различных устройств управ-
ления, осуществляющих изменение рабочей частоты системы нагрева при переменной нагрузке индуктора для тиристорного инвертора, приводит рабочую частоту к резонансной частоте колебательного контура нагрузки. Это обеспечивает быстродействие канала регулирования и его эффектив-ность. Поддержание на максимальном уровне коэффициента мощности инверторно-индукционной системы приводит, в конечном счете, к сокраще-нию времени нагрева в инверторно-индукционной закалочной установке.
Задачей, на решение которой направлено рассматриваемое техническое решение системы управления ТПЧ, является управление каналом
изменения рабочей частоты индукционной части системы. Технический результат использования этого канала управления — это поддержание на максимальном или установленном уровне коэффициента мощности инверторно-индукционной нагревательной системы. На рис. 1.12. показаны трансформаторные датчики, которые регистрируют режим работы
индукционной установки. Трансформаторные датчики тока выполнены в виде колец из феррита с вторичной обмоткой, нагруженной на резисторы. Первичной обмоткой датчика с расчетным числом витков, равным единице, служит соответствующая шина переменного тока силовой схемы, проходящая через окно трансформатора. Достоинством тороидального датчика является незначительное влияние внешних помех. Система управления выделяет сигналы управления и определяет рабочую частоту
управления ТПЧ. При этом сигналы управления формируют монотонно изменяющееся напряжение, величина которого не зависит от текущего значения частоты управления. Это напряжение сравнивают с заданным уров-
нем, а сигналом рассогласования управляют рабочей частотой инвертора при переменных параметрах нагрузки. Реализация частотного управления позволяет поддерживать установленный (или максимально возможный) коэффициент мощности инверторно-индукционной системы при пере-
менной нагрузке. Параметры нагрузки инверторно-индукционной системы меняются в процессе нагрева загрузки, от начального состояния до значений температуры детали выше точки магнитных превращений (точки Кюри).
Работа инверторно-индукционной системы осуществляется следующим образом. Инверторно-индукционная система формирует в индукторе синусоидальный ток двойной частоты по отношению к частоте включения тиристора, фаза которого, в режиме максимальной мощности, соответствует совпадению частоты инвертора со второй гармоникой тока индуктора. Это состояние соответствует значению относительной рабочей частоты системы
f* = 1,0, где за базовую величину принято значение резонансной частоты контура нагрузки. Датчики тока ДВТ и ДТН представляют собой ферритовые кольца диаметром 80–100 мм, на которых «в навал» (для уменьшения собст-
венной, паразитной емкости) намотана вторичная обмотка, состоящая из 1000 витков медного провода. В первичной обмотке — шине инверторно-индукционной установки — протекает ток значительной величины: свы-
ше 1000 А. Датчики тока выполняют функции трансформаторов тока, в которых информативным параметром является не величина, а фаза вторичного тока. Датчик ДВТ повторяет фазу выходного тока инвертора, а датчик ДТН регистрирует фазу тока в нагрузке инвертора, имеющего поч-
ти синусоидальную форму на частоте, близкой к резонансу. В датчиках регистрируются моменты перехода фазы соответствующего тока через нулевое значение. Канал управления рабочей частотой ТПЧ содержит два входных усилителя-ограничителя с дифференцирующими цепочками
на выходе, R-S триггер с интегрирующей цепочкой на выходе, дифферен-циальный усилитель с управляемым напряжением формирователем импульсов. Эти элементы — типовые для схем электроники. Работает канал управления следующим образом. При нестационарной во времени загрузке индуктора, характерной для процессов закалки и пайки, наблюдается относительный сдвиг фазы токов в датчиках ДТИ и ДТН. Из сигналов этих датчиков формируются фронты импульсов, соответствующих моменту перехода через нуль тока тиристора инвертора и следующего за ним периода тока контура нагрузки. Эти импульсы поступают на входы R-S триггера, вызывая его переключение с рабочей частотой инвертора. Коэффициент заполнения импульсов на выходе R-S триггера, при определенном порядке его переключения, пропорционален коэффициенту мощности контура нагрузки инверторно-индукционной системы. Выход R-S триггера
подключен на неинвертирующий вход дифференциального усилителя системы управления. На другой, инвертирующий вход дифференциального усилителя подается напряжение, которое выполняет функцию «уставки
фазы». Разность сигналов (текущего сигнала фазы и уставки) после дифференциального усилителя поступает во входную цепь канала
управления частотой инверторно-индукционной системы — управляемого напряжением генератора и формирователя импульсов управления.