АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Предлагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для индукционного нагрева металлов и сплавов.
В ряде электротехнологических установок и процессов для повышения эффективности их работы целесообразно применение двухчастотного электромагнитного поля, обеспечивающего двухчастотную систему токов, например: при индукционном нагреве зубчатых колес, когда индукционный нагрев основной массы колеса производится на низкой частоте, а поверхность зубьев закаливается на высокой частоте; при плавке металлов, когда плавка металла производится на высокой частоте, а его перемешивание - на низкой частоте; в электромагнитном насосе для перекачивания жидкого металла, когда перекачивание металла осуществляется на низкой частоте, а его подогрев для предотвращения затвердевания - на высокой частоте.
Для генерирования двухчастотного электромагнитного поля, а следовательно, и двухчастотной системы токов известен автономный полумостовой инвертор и способ управления его работой. Упомянутый инвертор содержит полумостовую схему из управляемых ключей, шунтированных диодами, фильтровый конденсатор и разделительные конденсаторы, подключенные параллельно источнику питания постоянного напряжения. Нагрузка инвертора выполнена в виде высокочастотного параллельного резонансного колебательного контура, а с общей точкой разделительных конденсаторов и последовательно с высокочастотным LC-контуром соединен низкочастотный дроссель. Таким образом, в инверторе имеется последовательный низкочастотный резонансный колебательный LC-контур и параллельный высокочастотный резонансный колебательный LC-контур, в результате чего посредством управления управляемыми ключами полумостового инвертора формируют систему двухчастотного тока (Л.1 Патент №2231906).
Упомянутый аналог позволяет генерировать двухчастотные электромагнитные поля, а следовательно, двухчастотные системы токов в широком диапазоне изменения частоты, как низкочастотной, так и высокочастотной составляющих электромагнитного поля, при этом предельная высокая частота высокочастотной составляющей электромагнитного поля определяется только динамическими параметрами управляемых ключей, используемых в автономном инверторе, прежде всего временем включения и выключения управляемых ключей, а также допустимыми скоростями изменения токов и напряжений этих ключей. При этом габариты и масса высокочастотного колебательного контура с повышением частоты уменьшаются. Однако при предельной низкой частоте низкочастотной составляющей электромагнитного поля и соответственно
тока существенно возрастают габариты и масса низкочастотного колебательного контура, т.к. чем ниже частота низкочастотной составляющей электромагнитного поля и соответственно тока, тем больше емкость С и индуктивность L низкочастотного колебательного LC-контура. Это приводит к существенному ухудшению массогабаритных показателей устройства-аналога.
н
н
н
н
н
н
н
н
н
Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятый в качестве прототипа автономный мостовой инвертор, содержащий 4 транзистора и 4 диода, при этом транзисторы соединены по схеме вентильного моста, имеющего диагонали постоянного и переменного тока, при этом вентильный мост диагональю постоянного тока подсоединен к источнику питания постоянного напряжения таким образом, что транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника питания постоянного напряжения и каждый транзистор зашунтирован встречно включенным диодом, при этом к диагонали переменного тока подсоединена индуктивно-активная нагрузка (Л.2 Приложение 1. Энергетическая электроника. Справочное пособие: Пер. с нем. / Под ред. В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987 - 464 с.: ил., стр.122, рис.3.33,б). Соответствующим управлением транзисторов можно обеспечить переменное напряжение на нагрузке, состоящее из двух полуволн - положительной и отрицательной, с частотой, определяемой частотой переключения противофазных транзисторов (Л.2 Приложение 1. стр.122, рис.3.33,в), либо то же переменное напряжение пониженной частоты на нагрузке с его модуляцией на высокой частоте путем многократного открывания и закрывания одних и тех же транзисторов на полупериоде низкой частоты (Л.2 Приложение 1. стр.122, рис.3.33,г). Однако обеспечить достижение заявленного технического результата - формирование в нагрузке-индукторе двухчастотной системы токов не возможно по той причине, что в индукционной плавильной печи соотношение между реактивным х=ωL и активным i-н сопротивлениями при последовательной схеме замещения нагрузки-индуктора составляет Q=x/к 4÷20 (Л.З Приложение 2. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. / Е.И.Беркович и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. - 208 с., ил., стр.9, стр.11). Это значит, что для повышения активной мощности в активном сопротивлении R (Л2) или r (Л3) необходимо значительно увеличить переменный ток в диагонали переменного тока вентильного моста, образованного транзисторами (Л.2), а при большом значении L (Л.2) или х (Л3) необходимо значительно увеличивать напряжение источника питания постоянного тока, что автоматически значительно увеличивает прямое напряжение на транзисторах и ток этих транзисторов, что и препятствует достижению заявленного технического результата. Авторами предлагается автономный инвертор для индукционного нагрева и плавки металла, в котором достигается заявленный технический результат, т.е. формирование в нагрузке-индукторе двухчастотной системы токов.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем. В схему инвертора введены дополнительный дроссель и конденсатор, при этом дроссель соединен с индуктивно-активной нагрузкой, а конденсатор подсоединен параллельно индуктивно-активной нагрузке. При этом емкость конденсатора выбирается такой, чтобы она обеспечивала резонанс токов в контуре индуктивно-активная нагрузка-конденсатор на высокой частоте, определяемой частотой многократного открывания и закрывания синфазных транзисторов, что обеспечивает выделение активной мощности в индуктивно-активной нагрузке-индукторе, разгружает источник питания постоянного напряжения и транзисторы от повышенной реактивной мощности и обеспечивает достижение заявленного технического результата, т.е. формирование двухчастотной системы токов в нагрузке-индукторе, а дроссель, включенный последовательно с индуктивно-активно-емкостным нагрузочным контуром предотвращает скачки емкостного тока при очередном открывании транзисторов.
На фиг.изображена электрическая схема предлагаемого инвертора, который состоит из 4-х транзисторов 1, 2, 3, 4 и 4-х диодов 5, 6, 7, 8, причем транзисторы соединены по схеме вентильного моста, который имеет диагонали постоянного и переменного тока, при этом диагональю постоянного тока вентильный мост подсоединен к источнику питания постоянного напряжения 9, 10 таким образом, что транзисторы 1-4 включены в прямом направлении по отношению к полярности источника питания постоянного напряжения 9, 10 и каждый транзистор 1, 2, 3, 4 зашунтирован соответственно встречным диодам 5, 6, 7, 8. К диагонали переменного тока вентильного моста подключена индуктивно-активная нагрузка-индуктор 11, 12 через дроссель 14, при этом параллельно нагрузке-индуктору 11, 12 подключен конденсатор 13.
Инвертор работает следующим образом. При открывании транзисторов 1, 4 ток протекает по контуру: 9-1-11, 12, 13-14-4-10, а конденсатор 13 заряжается до напряжения, полярностью которого показана на фиг. верхними знаками «+-». После закрывания транзисторов 1, 4 конденсатор 13 разряжается в контуре 11, 12, 13. На этом заканчивается формирование первого периода высокой частоты тока и напряжения на нагрузке-индукторе 11, 12, при этом избыточная энергия в реактивных элементах 11, 13, 14, если таковая имеется, возвращается в источник постоянного напряжения через встречные диоды 5, 6, 7, 8. После этого вновь открываются транзисторы 1, 4 и процессы полностью повторяются.
После нескольких циклов открывания и закрывания транзисторов 1, 4 они полностью закрываются и на этом заканчивается формирование первого полупериода низкой частоты токов и напряжений на нагрузке-индукторе 11, 12. Для формирования второго полупериода низкой частоты тока и напряжения на нагрузке-индукторе 11, 12 открываются транзисторы 2, 3 и ток протекает по контуру 9-2-14-12, 11, 13-3-10, а конденсатор 13 заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг. нижними знаками «-+». После закрывания транзисторов 2, 3 конденсатор 13
разряжается в контуре 11, 12, 13. На этом заканчивается формирование первого периода высокой частоты тока и напряжения на нагрузке-индукторе 11, 12. При этом избыточная энергия в реактивных элементах 11, 13, 14, если таковая имеется, возвращается в источник постоянного напряжения через встречные диоды 5, 6, 7, 8. После этого вновь открываются транзисторы 2, 3 и процессы полностью повторяются. После нескольких циклов открывания и закрывания транзисторов 2, 3 они полностью закрываются и на этом заканчивается формирование второго полупериода низкой частоты токов и напряжений на нагрузке-индукторе 11, 12, а, следовательно и полного периода низкой частоты. После этого снова несколько раз открываются и закрываются транзисторы 1, 4, затем 2, 3 и т.д. Таким образом, формируется двухчастотная система токов и напряжений в нагрузке-индукторе 11, 12, при этом высокая частота определяется частотой многократных открываний и закрываний одних и тех же транзисторов, например 1, 4, а низкая частота определяется частотой переключении разных групп транзисторов 1, 4 и 2, 3, т.е. достигается заявленный технический результат. Для достижения этого технического результата необходимо дополнительно ввести дроссель 14 и конденсатор 13, при этом дроссель 14 необходимо последовательно соединить с индуктивно-активной нагрузкой 11, 12, а конденсатор 13 подсоединить параллельно индуктивно-активной нагрузке 11, 12.
Для увеличения эффективности электромагнитного перемешивания металлического расплава можно использовать три автономных инвертора для индукционного нагрева, каждый из которых выполнен в соответствии с фиг., к которым подсоединить три нагрузки-индуктора и соединить их по 3-х фазной схеме, а низкочастотную составляющую тока в каждой нагрузке-индукторе формировать со сдвигом 120° эл, чтобы получить 3-х фазную систему этих низкочастотных токов в упомянутых нагрузках-индукторах.