ДВУХЧАСТОТНОЕ ДВУХКАСКАДНОЕ ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНОЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ
DOUBLE-FREQUENCY TWO-STEP SINGLE- TO THREE-PHASE CONVERTER FOR INDUCTION HEATING AND FUSION OF METALS

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для индукционного нагрева и плавки металлов.
Известно, что для индукционного нагрева металлов применяется либо одночастотное низкочастотное электромагнитное поле с частотой 50 Гц, когда индуктор подключается к промышленной сети переменного тока ([1], Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967), что является аналогом предлагаемого изобретения, либо одночастотное высокочастотное электромагнитное поле, когда индуктор подключается к выходным зажимам вентильного преобразователя либо последовательного, либо параллельного типа ([2], Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника». М.: «Высшая школа», 1974), что также является аналогом предлагаемого изобретения.
Известно, что при плавке металла в одночастотном электромагнитном поле расплавленный металл в нагрузке-индукторе под действием электромагнитных сил движется в нижней части индуктора около стенок индуктора снизу вверх, а около оси индуктора сверху вниз, в верхней части индуктора металл около стенок индуктора движется сверху вниз, а около оси индуктора - снизу вверх, т.е. создается два контура циркуляции. В результате этого движения происходит перемешивание жидкого металла, что улучшает его качество (Приложение 1, [3], Шамов А.Н. и др. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974, стр.45, рис.22). Однако при двух контурах циркуляции перемешивание металла не эффективно, поэтому для повышения эффективности электромагнитного перемешивания металла целесообразно применение двухчастотного электромагнитного поля. В [1] для этого предлагается использовать два генератора: один высокочастотный для индукционного нагрева и плавки металла, а второй низкочастотный многофазный - для электромагнитного перемешивания этого металла. Однако это увеличивает установленную мощность нагревательного оборудования и требует в течение электротехнологического процесса плавки металла переключений в силовых цепях, что усложняет нагревательное оборудование.
Таким образом, известные аналоги предлагаемого изобретения не обеспечивают достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение. Поэтому в качестве прототипа выбран параллельный инвертор тока (Приложение 2. [4] Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Е.И.Беркович и др. - 3-е изд. доп. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983, стр.16, рис.2.1). Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Таким образом, известные аналоги и известный прототип имеют недостатки, которые заключаются в том, что они не могут генерировать одновременно высокочастотное и низкочастотное электромагнитные поля, либо рекомендуют для этого применение двух генераторов, т.е. они не обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в одновременном генерировании высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания двухчастотного преобразовательного устройства, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности одновременного генерирования высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Сущность предлагаемого изобретения, выполненного по первому варианту, заключается в том, что в преобразовательное устройство, содержащее источник постоянного напряжения, первый входной дроссель, первый и второй управляемые вентили первого каскада, первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивную нагрузку-индуктор, при этом к первому полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого входного дросселя, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого и второго управляемых вентилей, к вторым выводам которых подсоединены параллельно соединенные первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивная нагрузка-индуктор, введены три управляемых вентиля третий, четвертый и пятый второго каскада, три коммутирующих конденсатора второй третий и четвертый, а также три подстроечных дросселя первый, второй и третий, при этом активно-индуктивная нагрузка-индуктор выполнена из трех равных секций, соединенных согласно последовательно между собой, при этом подстроечные дроссели первый, второй и третий соединены последовательно с дополнительными коммутирующими конденсаторами вторым, третьим и четвертым, образуя три последовательных контура, при этом каждый полученный контур подсоединен параллельно одной из трех секций активно-индуктивной нагрузки-индуктора, а точки соединения трех подстроечных дросселей и трех коммутирующих конденсаторов последовательных контуров соединены с первыми выводами третьего, четвертого и пятого управляемых вентилей, вторые выводы которых соединены с первым выводом второго входного дросселя, второй вывод которого соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом первый, второй и третий подстроечные дроссели являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора.
Сущность предлагаемого изобретения, выполненного по второму варианту, заключается в том, что в преобразовательное устройство, выполненное по первому варианту, дополнительно введены три управляемых вентиля шестой, седьмой и восьмой второго каскада, три коммутирующих конденсатора пятый, шестой и седьмой, а также три подстроечных дросселя четвертый, пятый и шестой, при этом дополнительные коммутирующие конденсаторы пятый, шестой и седьмой соединены с дополнительными подстроечными дросселями четвертым, пятым и шестым, образуя три дополнительных последовательных контура, при этом каждый дополнительный последовательный контур также подсоединен параллельно одной из трех секций активно-индуктивной нагрузки-индуктора, а точки соединения трех дополнительных подстроечных дросселей и трех дополнительных коммутирующих конденсаторов последовательных контуров соединены с первыми выводами шестого, седьмого и восьмого дополнительных управляемых вентилей, вторые выводы которых соединены с первым выводом второго входного дросселя, при этом четвертый, пятый и шестой подстроечные дроссели являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора.
Заявленный технический результат обеспечивается тем, что высокочастотное электромагнитное поле формируется переключением с высокой частотой первого и второго управляемых вентилей первого каскада, а низкочастотное электромагнитное поле формируется переключением с низкой частотой третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого управляемых вентилей второго каскада, при этом сдвиг во времени управляющих импульсов для переключения третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого управляемых вентилей позволяет получить низкочастотное трехфазное электромагнитное поле, что позволяет не только плавить металл, но и обеспечивает его электромагнитное перемешивание.
На фиг.1 и 2 приведены схемы предлагаемых устройств. Двухчастотное двухкаскадное однофазно-трехфазное преобразовательное устройство, выполненное по первому варианту и приведенное на фиг.1, состоит их двух каскадов и содержит источник постоянного напряжения, первый входной дроссель 1 и второй входной дроссель 2, первый 3 и второй 4 управляемые вентили первого каскада, третий 5, четвертый 6 и пятый 7 управляемые вентили второго каскада, в качестве которых применены однооперационные тиристоры, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 коммутирующие конденсаторы, активно-индуктивную нагрузку-индуктор, состоящую из трех равных согласно последовательно соединенных секций 12, 13 и 14, а также первый 15, второй 16 и третий 17 подстроечные дроссели, которые являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора 12-13-14, при этом к первому (положительному) полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого входного дросселя 1, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого 3 и второго 4 управляемых вентилей, к вторым выводам которых подсоединены параллельно соединенные первый коммутирующий конденсатор 8 и активно-индуктивная нагрузка-индуктор 12-13-14, при этом подстроечные дроссели первый 15, второй 16 и третий 17 соединены последовательно с дополнительными коммутирующими конденсаторами соответственно с вторым 9, третьим 10 и четвертым 11, образуя три последовательных контура 15-9, 16-10 и 17-11, каждый из которых подсоединен параллельно одной из трех секций активно-индуктивной нагрузки-индуктора 12-13-14, при этом точки последовательного соединения подстроечных дросселей 15, 16 и 17 и коммутирующих конденсаторов 9, 10 и 11 соединены с первыми выводами третьего 5, четвертого 6 и пятого 7 управляемых вентилей, вторые выводы которых соединены с первым выводом второго входного дросселя 2, второй вывод которого соединен со вторым (отрицательным) полюсом источника постоянного напряжения, при этом все управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения.
вч
вч
нч
нч
вч
нч
Устройство работает следующим образом. Как отмечено выше, первый 3 и второй 4 управляемые вентили первого каскада отпираются с высокой частотой f=1/Т, а третий 5, четвертый 6 и пятый 7 управляемые вентили второго каскада отпираются с низкой частотой f=1/Т, где Т - период высокочастотного электромагнитного поля; Т - период низкочастотного электромагнитного поля.
нч
вч
вч
нч
вч
вч
вч
нч
Для пояснения формирования трехфазного низкочастотного электромагнитного поля целесообразно принять соотношение: Т=6n Т, где n - натуральное число. Для пояснения работы первого варианта устройства примем n=16,66. Допустим, открыт первый управляемый вентиль 3 первого каскада и третий управляемый вентиль 5 второго каскада, при этом первый коммутирующий конденсатор 8 должен быть заряжен до напряжения, полярность которого на фиг.1 указана знаками «-, +», а второй коммутирующий конденсатор 9 должен быть заряжен до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками «(+), (-)». Это достигается специальными пусковыми устройствами, которые для упрощения не показаны на фиг.1. При этом ток будет протекать по контурам, как это показано на фиг.3, при этом первый коммутирующий конденсатор 8 с высокой частотой f, которая при принятом n=16,66 в 100 раз больше f, быстро перезарядится до напряжения с полярностью «(+), (-)», показанной на фиг.1, после этого отпирается второй управляемый вентиль 4 первого каскада, при этом первый вентиль 3 закроется обратным напряжением от конденсатора 8 и ток будет протекать по контурам, как это показано на фиг.4, при этом первый коммутирующий конденсатор 8 снова перезарядится с высокой частотой f до напряжения с полярностью «-, +», показанной на фиг.1. Низкочастотные конденсаторы второй 9, третий 10 и четвертый 11 при принятом значении n имеют емкость примерно в 100 раз большую, чем емкость высокочастотного первого конденсатора 8. Поэтому второй низкочастотный конденсатор 9 будет медленно перезаряжаться до напряжения с полярностью «-, +», показанной на фиг.1. После перезаряда этого конденсатора 9 открывается четвертый управляемый вентиль 6, при этом конденсатор 10 должен быть заряжен до напряжения с полярностью «(+), (-)», при этом второй управляемый вентиль 5 второго каскада закрывается за счет напряжения на конденсаторе 9, а управляемые вентили 3 и 4 по-прежнему открываются и закрываются с высокой частотой f. При отпирании первого управляемого вентиля 3 ток будет протекать по контурам, как это показано на фиг.5, при этом первый коммутирующий конденсатор 8 вновь перезаряжается от полярности «-, +» до полярности «(+), (-)», и вновь открывается второй управляемый вентиль 4 и ток будет протекать по контурам, как это показано на фиг.6, при этом конденсатор 8 вновь перезарядится до полярности «-, +», а конденсатор 10 будет медленно перезаряжаться до напряжения с полярностью «-, +», после чего отпирается пятый управляемый вентиль 7 второго каскада, при этом вентиль 6 закрывается напряжением на конденсаторе 10, а конденсатор 11 должен быть заряжен до напряжения с полярностью «(+), (-)». При этом электромагнитные процессы повторяются, а ток при отпирании первого управляемого вентиля 3 первого каскада будет протекать по контурам, как это показано на фиг.7, при отпирании второго управляемого вентиля 4 первого каскада ток будет протекать по контурам, как это показано на фиг.8. После медленного перезаряда конденсатора 11 до полярности «-, +» снова открывается третий управляемый вентиль 5 второго каскада, при этом вентиль 7 закрывается напряжением на конденсаторе 11, а конденсатор 9 в результате медленного колебательного процесса в контурах: нагрузка 12-13-14, подстроечные дроссели 15, 16, 17, низкочастотные конденсаторы 9, 10, 11 перезаряжается до напряжения с полярностью «(+), (-)». Далее электромагнитные процессы полностью повторяются, при этом, как уже отмечено выше, переключение первого 3 и второго 4 управляемых вентилей первого каскада, каждый из которых работает в течение 0,5 Т, обеспечивает формирование однофазного высокочастотного электромагнитного поля, а переключение третьего 5, четвертого 6 и пятого 7 управляемых вентилей второго каскада, каждый из которых работает в течение 1/3 Т, обеспечивает формирование трехфазного низкочастотного электромагнитного поля, т.е. достигается заявленный технический результат.
Двухчастотное двухкаскадное однофазно-трехфазное преобразовательное устройство, выполненное по второму варианту и приведенное на фиг.2, состоит также из двух каскадов и также содержит источник постоянного напряжения, а также дополнительно содержит шестой 18, седьмой 19 и восьмой 20 управляемые вентили второго каскада, пятый 21, шестой 22 и седьмой 23 коммутирующие конденсаторы, а также четвертый 24, пятый 25 и шестой 26 подстроечные дроссели, при этом дополнительные коммутирующие конденсаторы пятый 21, шестой 22 и седьмой 23 соединены последовательно соответственно с дополнительными подстроечными дросселями четвертым 24, пятым 25 и шестым 26, образуя три дополнительных последовательных контура 21-24, 22-25 и 23-26, при этом каждый дополнительный последовательный контур 21-24, 22-25 и 23-26 также подсоединен параллельно одной из трех секций 12, 13 и 14 активно-индуктивной нагрузки-индуктора, а точки соединения трех дополнительных подстроечных дросселей 24, 25 и 26 и трех дополнительных коммутирующих конденсаторов 21, 22 и 23 соединены с первыми выводами соответственно шестого 18, седьмого 19 и восьмого 20 дополнительных управляемых вентилей второго каскада, вторые выводы которых соединены с первым выводом второго входного дросселя 2. Устройство, выполненное по второму варианту, отличается от устройства, выполненного по первому варианту, работа которого подробно описана выше, тем, что введены три дополнительных последовательных контура 21-24, 22-25 и 23-26, аналогичных последовательным контурам 15-9, 16-10 и 17-11, а также три дополнительных управляемых вентиля 18, 19 и 20 второго каскада. Эти контуры работают аналогично контурам первого варианта, а управляемые вентили первый 3 и второй 4 первого каскада работают точно так же, как в первом варианте, т.е. переключение этих вентилей первого каскада обеспечивает формирование однофазного высокочастотного электромагнитного поля, а переключение управляемых вентилей третьего 5, четвертого 6, пятого 7, шестого 18, седьмого 19 и восьмого 20 второго каскада обеспечивает формирование трехфазного низкочастотного электромагнитного поля. Поэтому для любого сочетания работающих управляемых вентилей 3 или 4 первого каскада и работающих управляемых вентилей 5, 6, 7, 18, 19 или 20 второго каскада схемы замещения будут аналогичны тем, которые описаны выше.
нч
нч
Отличие второго варианта устройства от первого варианта устройства заключается только в том, что в течение периода Тработают последовательно один за другим не три, а шесть управляемых вентилей второго каскада по порядку 5, 6, 7, 18, 19, 20, поэтому каждый из них работает в течение 1/6 Т, что позволяет увеличить частоту пульсаций входного тока в 2 раза от работы этих вентилей, а следовательно, уменьшить индуктивность входных дросселей 1 и 2. Таким образом, устройство, выполненное по второму варианту, позволяет генерировать одновременно высокочастотное и низкочастотное электромагнитные поля, т.е. первый и второй варианты обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в одновременном генерировании высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
В заключение необходимо заметить, что при изменении полярности источника постоянного напряжения необходимо изменить направление прямого включения управляемых вентилей.