ИНВЕРТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к преобразовательной технике, и может быть использована в устройствах для индукционного нагрева металлов.
Известно устройство для индукционного нагрева (патент РФ №2342808, кл. Н05В 6/06, 2008 г.), содержащее трехфазный трехобмоточный низкочастотный сетевой трансформатор, два трехфазных диодных выпрямительных моста, один фильтровый дроссель, один фильтровый конденсатор, два однофазных последовательных инвертора напряжения с диодами встречного включения, две индукционно-плавильных печи, с последовательно соединенными компенсирующими конденсаторами, один однофазный высокочастотный трансформатор.
Недостатком данного устройства является наличие трехфазного трехобмоточного низкочастотного сетевого трансформатора, что значительно увеличивает массогабаритные показатели устройства.
Известен автономный инвертор (патент РФ №2280942, кл. Н02М 7/515, 2006 г.), содержащий мост на тиристорах и встречно-параллельных диодах, одна диагональ которого образована последовательно соединенными коммутирующими конденсатором и дросселем, а другая - последовательно соединенными защитным дросселем и нагрузочным контуром, в схему которого входят обмотка индуктора и компенсирующая конденсаторная батарея, при этом в схему нагрузочного контура введен дополнительный сглаживающий дроссель, а компенсирующая конденсаторная батарея разделена на две части и одна из ветвей нагрузочного контура представляет собою последовательное соединение обмотки индуктора с первой компенсирующей конденсаторной батареей, а другая - последовательное соединение второй компенсирующей конденсаторной батареи и согласующего дросселя.
Недостатком данного автономного инвертора является сложная силовая схема с большим количеством высокочастотного электротехнического оборудования, например наличие трех конденсаторов, двух дросселей, что значительно удорожает данный автономный инвертор. Кроме того, следует отметить, что выпускаемые промышленностью конденсаторы имеют определенное заданное значение емкости, что может привести к необходимости применения батареи из последовательно и/или параллельно соединенных конденсаторов, применения подстроечных конденсаторов, для того, чтобы получить требуемое для данного автономного инвертора значение емкости. Высокочастотные конденсаторы имеют значительные массогабаритные показатели, при больших мощностях в них применяется водяное охлаждение, для чего их необходимо подключать к соответствующей системе охлаждения.
Известно устройство для индукционного нагрева (патент РФ №14334, кл. Н05В 6/08, 2000 г.), включающее колебательный контур, образованный обмоткой индуктора и последовательно соединенным с ней компенсирующим конденсатором, настраиваемый на резонансную частоту, при этом состоящее из нескольких идентичных последовательно соединяемых колебательных контуров, каждый из которых выполнен в виде отдельного модуля.
При таком построении индуктора, использующего последовательный резонанс, напряжение на зажимах каждой секции индуктора теоретически будет равным U/n, где U - напряжение питания, a n - число секций индуктора и, на практике, зависит от коэффициента добротности секции. Количество секций для каждой конкретной установки определяется конструктивными соображениями, которые основываются на балансе равномерного нагрева и обеспечения максимального потенциала.
Существенным недостатком данного устройства является то, что для снижения уровня напряжения на индукторе и компенсирующем конденсаторе произведено секционирование индуктора, и к каждой секции индуктора подключен отдельный компенсирующий конденсатор, что существенно удорожает устройство из-за большого количества электротехнического оборудования. Кроме того, в данном устройстве может возникнуть неравенство напряжений на каждой из последовательно соединенных секций индуктора и компенсирующего конденсатора, что может привести к неравномерному нагреву металлов, а также к появлению на зажимах одной из последовательно соединенных секций индуктора и компенсирующего конденсатора напряжения, превышающего номинальное значение. Это может привести к пробою изоляции индуктора, пробою диэлектрика компенсирующего конденсатора и выходу из строя всего устройства.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по первому варианту является инвертор (Totten G.E. Steel heat treatment: equipment and process design. 2nd edition. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2007. fig. 5.25), содержащий подключенную к входным выводам инвертора через дроссели фильтра цепь, образованную встречно-параллельно соединенными тиристором и диодом, параллельно которым подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора и индуктора, состоящего из последовательно соединенных активного сопротивления и индуктивности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по второму варианту является инвертор (Totten G.E. Steel heat treatment: equipment and process design. 2nd edition. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2007. fig. 5.13), содержащий подключенный к входным выводам инвертора инверторный мост, плечи которого образованы транзисторами со встречно-параллельными диодами, параллельно которому подключен фильтровый конденсатор, в коммутирующую диагональ инверторного моста включена цепь, состоящая из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора и индуктора, состоящего из последовательно соединенных активного сопротивления и индуктивности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по третьему варианту является инвертор (Тиристорные преобразователи частоты / А.К.Белкин [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 2000. рис.3.13), содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссель фильтра инверторный мост, плечи которого образованы тиристорами, параллельно которому подключен обратный диод, в коммутирующую диагональ инверторного моста включена цепь, состоящая из последовательно соединенных коммутирующего конденсатора, коммутирующего дросселя и цепи, состоящей из параллельно соединенных компенсирующего конденсатора и индуктора, состоящего из последовательно соединенных активного сопротивления и индуктивности.
Недостатком инвертора по первому варианту является необходимость равенства выходного напряжения инвертора активной составляющей номинального напряжения индуктора. Это приводит к необходимости иметь инвертор с низким выходным напряжением, например 25…100 В. Как известно, данный инвертор имеет номинальное выходное напряжение 250…400 В. Применение данного инвертора при последовательной компенсации реактивной мощности индуктора приводит к возникновению чрезмерно больших напряжений на индукторе и компенсирующем конденсаторе, что может привести к пробою изоляции индуктора, пробою диэлектрика компенсирующего конденсатора, выходу из строя инвертора и всей установки для индукционного нагрева металлов. При таких условиях потребуется применение индуктора и компенсирующего конденсатора с высоким номинальным напряжением и/или, как выше было отмечено, применения батареи из последовательно и/или параллельно соединенных конденсаторов, что также удорожает инвертор и установку для индукционного нагрева металлов.
Недостатком инвертора по второму варианту является необходимость равенства выходного напряжения инвертора активной составляющей номинального напряжения индуктора. Это приводит к необходимости иметь инвертор с низким выходным напряжением, например 25…100 В. Однако данный инвертор имеет номинальное выходное напряжение, равное выходному напряжению выпрямителя, составляющее, например, 520 В для схемы неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова). Применение данного инвертора при последовательной компенсации реактивной мощности индуктора приводит к возникновению чрезмерно больших напряжений на индукторе и компенсирующем конденсаторе, что может привести к пробою изоляции индуктора, пробою диэлектрика компенсирующего конденсатора, выходу из строя инвертора и всей установки для индукционного нагрева металлов. При таких условиях потребуется применение индуктора и компенсирующего конденсатора с высоким номинальным напряжением и/или, как выше было отмечено, применения батареи из последовательно и/или параллельно соединенных конденсаторов, что также удорожает инвертор и установку для индукционного нагрева металлов.
Недостатком инвертора по третьему варианту является сложная конфигурация инвертора, обусловленная тем, что электромагнитные процессы в данном инверторе с параллельной компенсацией реактивной мощности индуктора определяются тремя резонансными контурами: нагрузочным, коммутирующим и фильтровым. При применении параллельной компенсации реактивной мощности индуктора требуется большое количество высокочастотного электротехнического оборудования, например, наличие двух конденсаторов, двух дросселей, индуктора, что значительно удорожает данный инвертор. Кроме того, следует отметить, что выпускаемые промышленностью конденсаторы имеют определенное заданное значение емкости, что может привести к необходимости применения батареи из последовательно и/или параллельно соединенных конденсаторов, применения подстроечных конденсаторов, для того, чтобы получить требуемое для данной схемы значение емкости. Высокочастотные конденсаторы имеют значительные массогабаритные показатели, при больших мощностях в них применяется водяное охлаждение, для чего ихнеобходимо подключать к соответствующей системе охлаждения. Другим недостатком данного инвертора с параллельной компенсацией реактивной мощности индуктора является большая требуемая емкость компенсирующего конденсатора, так как при параллельной компенсации реактивной мощности индуктора напряжение на компенсирующем конденсаторе равно выходному напряжению инвертора, составляющее для данного инвертора значения 500…900 В. Это также увеличивает массогабаритные показатели и стоимость компенсирующего конденсатора, инвертора и всей установки для индукционного нагрева металлов. Еще одним недостатком данного инвертора с параллельной компенсацией реактивной мощности индуктора является то, что для данного инвертора требуется согласование их выходных параметров с параметрами технологической нагрузки.
Задача предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей инверторов для индукционного нагрева металлов, повышение надежности и энергетических показателей на базе расширения применения последовательного резонанса (резонанса напряжений) для компенсации реактивной мощности индукторов в инверторах для индукционного нагрева металлов.
Технический результат - уменьшение значений напряжений на индукторе и компенсирующем конденсаторе и тем самым увеличение ресурса работы из-за отсутствия пробоя изоляции индуктора или пробоя диэлектрика компенсирующего конденсатора в инверторах, значительное расширение частотного диапазона инверторов, путем замены тиристоров на транзисторы, так как транзисторные инверторы могут работать на значительно больших частотах по сравнению с тиристорными инверторами, потому что транзисторам не требуется время для восстановления управляющих свойств, кроме того, применение транзисторных инверторов позволяет значительно уменьшить коммутационные потери, по сравнению с тиристорными инверторами, упрощение конструкции инверторов для индукционного нагрева металлов с уменьшением количества электротехнического оборудования, путем объединения коммутирующего и нагрузочного контуров в единый нагрузочный контур в инверторе по третьему варианту.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому варианту тем, что в инверторе, содержащем подключенную к входным выводам инвертора через дроссели фильтра цепь, согласно полезной модели, указанная цепь образована встречно-параллельно соединенными транзистором и диодом, введен согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, параллельно вышеуказанной цепи из встречно-параллельно соединенных транзистора и диода подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора и первичной обмотки согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, а вторичная обмотка согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов подключена к цепи, состоящей из последовательно соединенных коммутирующего дросселя и индуктора, состоящего из параллельно соединенных активного сопротивления и индуктивности.
Согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов предназначен для согласования выходного напряжения данного инвертора с номинальным напряжением индуктора. Введение в схему данного инвертора согласующего трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет преобразовать выходное напряжение данного инвертора, которое, как было выше отмечено, может составлять значения 250…400 В, до напряжения 25…100 В, равного активной составляющей напряжения индуктора. Применение согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет значительно расширить область применения последовательного резонанса (резонанса напряжений) для компенсации реактивной мощности индуктора в данном инверторе для индукционного нагрева металлов. Данный согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов имеет высокие технико-экономические показатели, а также малые габаритные размеры. Замена тиристора на транзистор позволяет значительно расширить частотный диапазон данного инвертора, так как транзисторный инвертор может работать на значительно больших частотах по сравнению с тиристорным инвертором, потому что транзистору не требуется время для восстановления управляющих свойств, кроме того, применение транзисторного инвертора позволяет значительно уменьшить коммутационные потери, по сравнению с тиристорным инвертором.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму варианту тем, что в инверторе, содержащем подключенный к входным выводам инвертора инверторный мост, плечи которого образованы транзисторами со встречно-параллельными диодами, согласно полезной модели, введен согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, первичная обмотка которого включена в коммутирующую диагональ данного инверторного моста, а вторичная обмотка согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов подключена к цепи, состоящей из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора, коммутирующего дросселя, и индуктора состоящего из последовательно соединенных активного сопротивления и индуктивности.
Согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов предназначен для согласования выходного напряжения данного инвертора с номинальным напряжением индуктора. Введение в схему данного инвертора согласующего трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет преобразовать выходное напряжение данного инвертора, которое, как было выше отмечено, равно выходному напряжению выпрямителя, составляющее, например, 520 В для схемы неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова), до напряжения 25…100 В, равного активной составляющей напряжения индуктора. Применение согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет значительно расширить область применения последовательного резонанса (резонанса напряжений) для компенсации реактивной мощности индуктора в данном инверторе для индукционного нагрева металлов. Данный согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов имеет высокие технико-экономические показатели, а также малые габаритные размеры.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по третьему варианту тем, что в инверторе, содержащем подключенный к входным выводам инвертора через дроссель фильтра инверторный мост, параллельно которому подключен обратный диод, согласно полезной модели, плечи инверторного моста образованы транзисторами, введен согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, первичная обмотка которого включена в коммутирующую диагональ данного инверторного моста, а вторичная обмотка согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов подключена к цепи, состоящей из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора, коммутирующего дросселя и индуктора, состоящего из параллельно соединенных активного сопротивления и индуктивности.
Согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов предназначен для согласования выходного напряжения данного инвертора с номинальным напряжением индуктора. Введение в схему данного инвертора согласующего трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет преобразовать выходное напряжение данного инвертора, которое, как было выше отмечено, может составлять значения 500…900 В, до напряжения 25…100 В, равного активной составляющей напряжения индуктора. В настоящее время в установках для индукционного нагрева металлов в основном применяются инверторы с параллельной компенсацией реактивной мощности индуктора. Применение согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет значительно расширить область применения последовательного резонанса (резонанса напряжений) для компенсации реактивной мощности индуктора в инверторе для индукционного нагрева металлов. Данный согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов имеет высокие технико-экономические показатели, а также малые габаритные размеры. Кроме того, применение последовательной компенсации реактивной мощности индуктора позволяет сократить количество резонансных контуров в инверторе для индукционного нагрева металлов. Электромагнитные процессы в инверторе для индукционного нагрева металлов с параллельной компенсацией реактивной мощности индуктора определяются тремя резонансными контурами: нагрузочным, коммутирующим и фильтровым. Применение последовательной компенсации реактивной мощности индуктора позволяет уменьшить число резонансных контуров в инверторе для индукционного нагрева металлов, путем объединения нагрузочного и коммутирующего контуров, что позволяет использовать в инверторе только один конденсатор для компенсации реактивной мощности индуктора, а также отказаться от применения коммутирующего дросселя. При этом необходимая для работы инвертора коммутирующая индуктивность соответствует индуктивности нагрузки (индуктора и/или согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов). Замена тиристоров на транзисторы позволяет значительно расширить частотный диапазон данного инвертора, так как транзисторный инвертор может работать на значительно больших частотах по сравнению с тиристорным инвертором, потому что транзисторам не требуется время для восстановления управляющих свойств, кроме того, применение транзисторного инвертора позволяет значительно уменьшить коммутационные потери, по сравнению с тиристорным инвертором.
Существо заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена принципиальная схема инвертора по первому варианту, собранного по одноячейковой схеме (в иностранной литературе также применяются названия «четвертьмостовой инвертор», «инвертор типа чоппер») с согласующим высокочастотным трансформатором с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов и нагрузкой.
На фиг.2 приведена принципиальная схема инвертора по второму варианту, собранного по мостовой схеме с согласующим высокочастотным трансформатором с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов и нагрузкой.
На фиг.3 приведена принципиальная схема инвертора по третьему варианту, собранного по симметричной мостовой схеме, с согласующим высокочастотным трансформатором с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов и нагрузкой.
На фиг.4 приведены осциллограммы импульсов управления транзистором, напряжений на первичной и вторичной обмотках согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, тока в индукторе (нагрузке), напряжения и тока в транзисторе для схемы с инвертором по первому варианту.
На фиг.5 приведены осциллограммы импульсов управления транзисторами, напряжений на первичной и вторичной обмотках согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, тока в индукторе (нагрузке), напряжения и тока в транзисторе для схемы с инвертором по второму варианту.
На фиг.6 приведены осциллограммы импульсов управления транзисторами, напряжений на первичной и вторичной обмотках согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, тока в индукторе (нагрузке), напряжения и тока в транзисторе для схемы с инвертором по третьему варианту.
Инвертор по первому варианту содержит подключенную к входным выводам инвертора через дроссели фильтра 1, 2 цепь, образованную встречно-параллельно соединенными транзистором 3 и диодом 4, согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5, параллельно вышеуказанной цепи из встречно-параллельно соединенных транзистора 3 и диода 4 подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора 7 и первичной обмотки 6 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5, а вторичная обмотка 8 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 подключена к цепи, состоящей из последовательно соединенных коммутирующего дросселя 9 и индуктора 10, состоящего из параллельно соединенных активного сопротивления 11 и индуктивности 12.
Коммутирующий дроссель 9 может быть заменен индуктивностью индуктора 12 и/или индуктивностью рассеяния согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5.
В качестве транзистора 3 при работе инвертора на частотах до 50 кГц могут применяться IGBT-транзисторы, а при работе инвертора на частотах от 50 кГц и до 1 МГц могут применяться MOSFET транзисторы благодаря их очень высокой скорости переключения.
Инвертор по второму варианту содержит подключенный к входным выводам инвертора инверторный мост 1, плечи которого образованы транзисторами 2, 3, 4, 5 со встречно-параллельными диодами 6, 7, 8, 9, согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10, первичная обмотка 11 которого включена в коммутирующую диагональ данного инверторного моста 1, а вторичная обмотка 12 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 подключена к цепи, состоящей из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора 13, коммутирующего дросселя 14 и индуктора 15, состоящего из последовательно соединенных активного сопротивления 16 и индуктивности 17.
Коммутирующий дроссель 14 может быть заменен индуктивностью индуктора 17 и/или индуктивностью рассеяния согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10.
В качестве транзисторов 2, 3, 4, 5 при работе инвертора на частотах до 50 кГц могут применяться IGBT-транзисторы, а при работе инвертора на частотах от 50 кГц и до 1 МГц могут применяться MOSFET транзисторы благодаря их очень высокой скорости переключения.
Инвертор по третьему варианту содержит подключенный к входным выводам инвертора через дроссель фильтра 1 инверторный мост 2, параллельно которому подключен обратный диод 3, плечи инверторного моста образованы транзисторами 4, 5, 6, 7, согласующий высокочастотный трансформатор с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8, первичная обмотка 9 которого включена в коммутирующую диагональ данного инверторного моста 2, а вторичная обмотка 10 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 подключена к цепи, состоящей из последовательно соединенных компенсирующего конденсатора 11, коммутирующего дросселя 12 и индуктора 13, состоящего из параллельно соединенных активного сопротивления 14 и индуктивности 15.
Коммутирующий дроссель 12 может быть заменен индуктивностью индуктора 15 и/или индуктивностью рассеяния согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8.
В качестве транзисторов 4, 5, 6, 7 при работе инвертора на частотах до 50 кГц могут применяться IGBT-транзисторы, а при работе инвертора на частотах от 50 кГц и до 1 МГц могут применяться MOSFET транзисторы благодаря их очень высокой скорости переключения.
1
d
уз
1
H
d
уз
2
2
H
2
3
3
4
1
3
4
1
4
уз
Инвертор по первому варианту работает следующим образом. Пусть к моменту времени t (см. фиг.4) компенсирующий конденсатор 7 был заряжен до напряжения, равного напряжению на выходе выпрямителя (U). При подаче импульса управления i на затвор транзистора 3 в момент времени t (см. фиг.4, а), данный транзистор 3 включается, и начинается перезаряд компенсирующего конденсатора 7 по цепи: компенсирующий конденсатор 7 - транзистор 3 - первичная обмотка 6 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 - вторичная обмотка 8 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 - индуктор 10 - коммутирующий дроссель 9 - вторичная обмотка 8 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 - первичная обмотка 6 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 - компенсирующий конденсатор 7, формируя обратную (отрицательную) полуволну тока нагрузки i. Параметры инвертора рассчитаны так, что процесс перезаряда носит колебательный характер. Поэтому, как только напряжение перезаряда компенсирующего конденсатора 7 станет выше напряжения источника питания (U) и ток транзистора 3 пройдет через нуль (см. фиг.4, г), с затвора транзистора 3 снимается импульс управления i в момент времени t (см. фиг.4, а), и транзистор 3 выключается. После выключения транзистора 3 включается диод 4 в момент времени t компенсирующий конденсатор 7 начинает перезаряжаться по цепи: компенсирующий конденсатор 7 - первичная обмотка 6 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 -вторичная обмотка 8 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 -коммутирующий дроссель 9 - индуктор 10 - вторичная обмотка 8 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 - первичная обмотка 6 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 5 - диод 4 - компенсирующий конденсатор 7, формируя прямую (положительную) полуволну тока нагрузки i. В течение отрезка времени t-t, когда ток проводил диод 4 (см. фиг.4, в), к транзистору 3 было приложено небольшое отрицательное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде 4. Интервал t-t является паузой в работе транзисторно-диодной пары 3-4 (см. фиг.4, в), во время которой за счет сглаженного входными дросселями 1, 2 тока происходит заряд компенсирующего конденсатора 7 и пополнение накопленной им энергии, частично израсходованной на интервале t-t (см. фиг.4). Следует отметить, что напряжение компенсирующего конденсатора 7 к концу паузы в момент времени t (см. фиг.4) в точности равно напряжению в момент времени t. В момент времени t на затвор транзистора 3 поступает следующий импульс управления i (см. фиг.4, а), и все вышеописанные процессы вновь повторяются.
1
y2,5
d
н
d
2
уз
2
уз,4
d
H
d
3
уз,4
3
y2,5
Инвертор по второму варианту работает следующим образом. В момент времени t на затворы транзисторов 2, 5 подаются импульсы управления i(см. фиг.5, а), транзисторы 2, 5 включаются, и нагрузочный колебательный контур: первичная обмотка 11 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 - вторичная обмотка 12 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 - компенсирующий конденсатор 13 -коммутирующий дроссель 14 - индуктор 15 - вторичная обмотка 12 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 - первичная обмотка 11 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 подключается к источнику постоянного напряжения U. В вышеуказанном нагрузочном колебательном контуре протекает прямая (положительная) полуволна тока нагрузки i (см. фиг.5, г). При этом через обратные диоды 6, 9 производится отвод излишней реактивной мощности индуктора 15 (нагрузки) и/или компенсирующего конденсатора 13 к источнику постоянного напряжения U. В момент времени t с затворов транзисторов 2, 5 снимаются импульсы управления i, 5 (см. фиг.5, а), и транзисторы 2, 5 выключаются. Одновременно с этим в момент времени t на затворы транзисторов 3, 4 подаются импульсы управления i (см. фиг.5, б), транзисторы 3, 4 включаются, и нагрузочный колебательный контур: первичная обмотка 11 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 - вторичная обмотка 12 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 - компенсирующий конденсатор 13 - коммутирующий дроссель 14 - индуктор 15 - вторичная обмотка 12 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 - первичная обмотка 11 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 10 подключается к источнику постоянного напряжения U, с полярностью, обратной, по отношению ко времени, когда были включены транзисторы 2, 5. В вышеуказанном нагрузочном колебательном контуре протекает обратная (отрицательная) полуволна тока нагрузки i (см. фиг.5, г). При этом через обратные диоды 7, 8 производится отвод излишней реактивной мощности индуктора 15 (нагрузки) и/или компенсирующего конденсатора 13 к источнику постоянного напряжения U. В момент времени tс затворов транзисторов 3, 4 снимаются импульсы управления i (см. фиг.5, б), и транзисторы 3, 4 выключаются. Одновременно с этим в момент времени t на затворы транзисторов 2, 5 подаются импульсы управления i (см. фиг.5, а), и все вышеописанные процессы вновь повторяются.
y4,7
1
H
2
max
3
3
y5,6
H
4
y4,7
5
max
6
6
y4,7
7
y5,6
Инвертор по третьему варианту работает следующим образом. Параметры инвертора рассчитаны так, что процесс в нем носит колебательный характер. При подаче на затворы транзисторов 4, 7 импульсов управления i в момент времени t (см. фиг.6, а), транзисторы 4, 7 включаются, и начинается перезаряд компенсирующего конденсатора 11 по цепи: компенсирующий конденсатор 11 - коммутирующий дроссель 12 -индуктор 13 - вторичная обмотка 10 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 - первичная обмотка 9 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 - транзистор 7 - обратный диод 3 - транзистор 4 - первичная обмотка 9 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 - вторичная обмотка 10 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 -компенсирующий конденсатор 11, формируя прямую (положительную) полуволну тока нагрузки i (см. фиг.6, г). К моменту времени t компенсирующий конденсатор 11 перезаряжается (см. фиг.6, г), обратный диод 3 закрывается, а компенсирующий конденсатор 11 продолжает заряжаться до напряжения U за счет протекания через транзисторы 4, 7 входного тока инвертора (выходного тока выпрямителя) до момента времени t (см. фиг.6, г). В момент времени t подаются импульсы управления i на затворы транзисторов 5, 6 (см. фиг.6, б), транзисторы 5, 6 включаются, и начинается перезаряд компенсирующего конденсатора 11 по цепи: компенсирующий конденсатор 11 - вторичная обмотка 10 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 - первичная обмотка 9 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 - транзистор 6 - обратный диод 3 - транзистор 5 - первичная обмотка 9 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 - вторичная обмотка 10 согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов 8 - индуктор 13 - коммутирующий дроссель 12 - компенсирующий конденсатор 11, формируя обратную (отрицательную) полуволну тока нагрузки i (см. фиг.6, г). В момент времени t с затворов транзисторов 4, 7 снимаются импульсы управления i (см. фиг.6, а), и транзисторы 4, 7 выключаются. К моменту времени t компенсирующий конденсатор 11 перезаряжается (см. фиг.6, г), обратный диод 3 закрывается, а компенсирующий конденсатор 11 продолжает заряжаться до напряжения U (с полярностью, обратной, по отношению ко времени, когда были включены транзисторы 4, 7) за счет протекания через транзисторы 5, 6 входного тока инвертора (выходного тока выпрямителя) до момента времени t (см. фиг.6, г). В момент времени t на затворы транзисторов 4, 7 подаются импульсы управления i (см. фиг.6, а), и в инверторе начинают протекать аналогичные процессы. В момент времени t с затворов транзисторов 5, 6 снимаются импульсы управления i (см. фиг.6, б), и транзисторы 5, 6 выключаются.
Примененные согласующие высокочастотные трансформаторы с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов предназначены для согласования выходных напряжений инверторов с номинальными напряжениями индукторов. Данные согласующие высокочастотные трансформаторы с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяют преобразовать выходные напряжения инверторов, которые, как было выше отмечено, могут составлять значения 250…900 В, до напряжений 25…100 В, равных активным составляющим напряжений индукторов. Таким образом, применение согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет значительно расширить область применения последовательного резонанса (резонанса напряжений) для компенсации реактивной мощности индукторов в инверторах для индукционного нагрева металлов. Предлагаемые согласующие высокочастотные трансформаторы с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов имеют высокие технико-экономические показатели, а также малые габаритные размеры. Кроме того, применение последовательной компенсации реактивной мощности индукторов позволяет сократить количество резонансных контуров в инверторах для индукционного нагрева металлов. Электромагнитные процессы в инверторах для индукционного нагрева металлов с параллельной компенсацией реактивной мощности индукторов определяются тремя резонансными контурами: нагрузочным, коммутирующим и фильтровым. Применение последовательной компенсации реактивной мощности индукторов позволяет уменьшить число резонансных контуров в инверторах для индукционного нагрева металлов, путем объединения нагрузочного и коммутирующего контуров, что позволяет использовать в инверторах только один конденсатор для компенсации реактивной мощности индукторов, а также отказаться от применения коммутирующего дросселя. При этом необходимые для работы инверторов коммутирующая индуктивность соответствует индуктивности нагрузок (индукторов и/или согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов).
Итак, заявляемая модель расширяет функциональные возможности инверторов для индукционного нагрева металлов путем применения согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов, а также путем замены тиристоров на транзисторы, так как транзисторные инверторы могут работать на значительно больших частотах по сравнению с тиристорными инверторами, потому что транзисторам не требуется время для восстановления управляющих свойств, кроме того, применение транзисторных инверторов позволяет значительно уменьшить коммутационные потери, по сравнению с тиристорными инверторами, повышает надежность и энергетические показатели путем уменьшения числа элементов схем на базе расширения применения последовательного резонанса (резонанса напряжений) для компенсации реактивной мощности индукторов в инверторах для индукционного нагрева металлов.