МАГНИТОТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к силовой преобразовательной технике и предназначена для расширения частотного диапазона выходного напряжения в установках индукционного нагрева. Полезная модель может быть использована в машиностроении для высокочастотной термообработки металлов и сплавов.
Известен умножитель частоты (Бамдас А.М, Блинов И.В., Захаров Н.В., Шапиро С.В. Ферромагнитные умножители частоты, М., «Энергия», 1968), содержащий два сердечника, на каждом из которых расположены три обмотки первичная, вторичная и обмотка подмагничивания. Соответствующие обмотки, расположенные на обоих сердечниках, соединены последовательно. Обмотка подмагничивания подключена к источнику постоянного напряжения. В цепь подмагничивания включена фильтр-пробка для подавления в этой цепи тока двойной частоты. Фильтр-пробка состоит из параллельно включенных линейного дросселя с зазором в сердечнике и конденсатора. На выходе умножителя включен конденсатор продольной емкостной компенсации.
Недостатками указанного умножителя являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные необходимостью источника постоянного напряжения с фильтр-пробкой в обмотке подмагничивания и отсутствием согласования нагрузки по напряжению.
Известен умножитель частоты трансформаторного типа (Патент РФ №2279177, М. кл. Н02М 5/16, 2006), содержащий трансформатор на каждом стержне которого расположены четыре первичные обмотки, объединенные в две пары. Каждая пара первичных обмоток замкнута на пару согласно включенных транзисторов. Так как умножитель частоты с трехфазным выходом состоит из трех умножителей с однофазным выходом, то может использоваться для однофазного тока.
Недостатками аналога являются сложность осуществления согласования наиболее благоприятного режима работы и сложность конструкции, так как применение транзисторов требует систему охлаждения, блок управления и систему защиты при коммутациях.
Наиболее близким прототипом является тиристорный преобразователь частоты, содержащий инвертор и трансформатор ТСК-100-2,4 (А.К.Белкин, Л.И.Гутин, И.Н.Таназлы, А.А.Шуляк Элементы индукционных установок, М.: Энергоатомиздат, 2007. - 140 с.: ил.), который предназначен для согласования параметров сети и напряжения. ТСК-100-2,4 имеет магнитопровод броневого типа на базе Ш-образных сердечников и две обмотки. Для обеспечения трансформатора с цилиндрическими обмотками переменного коэффициента трансформации, вторичная обмотка выполнена с рядом ответвлений. Для согласования нагрузки по напряжению производится переключение этих ответвлений.
Недостатком данного устройства является ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью изменения коэффициента трансформации для согласования нагрузки по напряжению. Другими недостатками является ограничение использования в диапазоне до 2,4 кГц и невозможность увеличения частоты тока. Так как магнитопровод выполнен из листовой стали, то при повышении частоты свыше 2,4 кГц резко увеличиваются потери в трансформаторе.
Задачи предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей, увеличение частоты тока, согласование нагрузки по напряжению и регулирование выходного напряжения за счет изменения тока обмотки управления.
Поставленные задачи достигаются тем, что в магнитотиристорном преобразователе частоты, содержащем каскадное соединение инвертора и умножителя частоты, в отличие от прототипа, введены конденсатор, который параллельно подключен к первичной обмотке, и ряд ответвлений в обмотке управления, которая подключена последовательно к одному из сглаживающих дросселей. Таким образом нет необходимости подключать обмотку управления к дополнительному источнику постоянного напряжения. Еще одним преимуществом является устранение из обмотки управления фильтр-пробки, которая при обычном включении служит для подавления в этой цепи тока двойной частоты. В предлагаемом соединении индуктивность входного сглаживающего дросселя достаточно большая, поэтому присутствие тока двойной частоты не оказывает заметного влияния на режим работы инвертора. В результате такого решения также обеспечивается возможность уменьшить индуктивность сглаживающего дросселя на величину индуктивности обмотки управления за счет их последовательно соединения. Параллельное подключение конденсатора к первичной обмотке умножителя частоты позволило улучшить коэффициент мощности и передачу активной мощности нагрузке в резонансном режиме. Благодаря тому, что у обмотки управления выполнены ответвления, осуществляется согласование умножителя частоты с нагрузкой и регулирование выходного напряжения с помощью тока.
Существо заявляемой полезной модели поясняются чертежами. На фиг.1 приведена функциональная схема каскадного соединения. На фиг.2 изображены выходные характеристики нагрузки.
d1
d2
d
к
К
1
1
Магнитотиристорный преобразователь частоты состоит из каскадного соединения инвертора и умножителя частоты. Плечи инвертора образованы тиристорами VS1...VS4 - 1, инверторный мост, с параллельно включенным ему обратным диодом VD1 - 2, подключен через сглаживающие дроссели L - 3, L - 4 к источнику постоянного напряжения U - 5. Коммутирующая диагональ инвертора, представляющая собой последовательную цепочку коммутирующего конденсатора С - 6 и коммутирующего дросселя L - 7, соединена с первичной обмоткой w - 8 умножителя частоты. Параллельно первичной обмотке W - 8 умножителя частоты подключен конденсатор C1 - 9.
d2
d
H
2
К сглаживающему дросселю L - 4 инвертора подключена управляющая обмотка W - 10 умножителя частоты. Нагрузка Z - 11 включена во вторичную обмотку W - 12 умножителя частоты. Последовательно вторичной обмотке соединен конденсатор продольной емкостной компенсации C2 - 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
1
d
d1
d2
d
2
H
1
d1
d2
1
d
H
Инвертор преобразовывает постоянный ток в переменный повышенный частоты и по первичной обмотке W - 6 умножителя частоты потечет ток с частотой f. Вследствие поляризации сердечников А и В обмоткой управления умножителя частоты W - 9 постоянным током, проходящим также через сглаживающие дроссели L - 3 и L - 4, в кривой их потоков наряду с основной гармоникой возникают четные гармоники. Вследствие симметричности трансформаторов их потоки имеют одинаковую форму кривой, но сдвинуты относительно друг друга на полпериода. В результате этого первые гармоники потоков взаимно сдвинуты на 180°, а четные гармоники совпадают по фазе. Таким образом результирующие э. д. с. наводимые четными гармониками потоков в обмотках W - 10 и W - 12, складываются, а основными гармониками - взаимно уничтожаются. В первичных обмотках, наоборот, э.д.с. наводимые основными гармониками потока складываются, а четными - вычитаются. В результате частота выходного тока в нагрузке Z - 11 получается примерно 2f. Сглаживающие дроссели L - 3 и L - 4 инвертора подавляют ток с частотой 2f в обмотке управления W - 10. На фиг.2 представлен ток и напряжение на нагрузке Z - 11.
Итак, заявляемая полезная модель расширяет функциональные возможности, увеличивает частоту тока, согласует нагрузку по напряжению и позволяет регулировать выходное напряжение за счет изменения тока обмотки управления.