УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИНДУКЦИОННОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВА
INDUCTION ELECTRIC HEATING TEMPERATURE CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области электротехники, электроники, автоматического регулирования и может быть использовано для управления температурными режимами промышленных и бытовых нагревательных устройств, использующих индукционный электронагрев.
Известен «Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией» (патент на изобретение РФ №2453976, заявл. 27.07.2009 г., МПК Н02М 7/523), содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с выходным выводом инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором.
Недостатком является то, что при работе автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией на изменяющуюся в широких пределах электромагнитную нагрузку (индукционный нагреватель) возможно появление больших (сквозных) токов, способных вывести из строя транзисторы в плечах мостовой схемы.
Известен «Способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией» (патент на изобретение РФ №2453977, заявл. 27.07.2009 г., МПК Н02М 7/523), реализованный на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью, подключенного к выходу инвертора через дополнительный дроссель.
Недостатком является то, что при реализации способа управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией на управляемых вентилях достаточно сложно определить моменты перехода через нуль мгновенного значения переменного напряжения на изменяющейся в широких пределах электромагнитной нагрузке, на основании которых формируются импульсы управления силовыми вентилями. Так же затруднительно рассчитать опережение при формировании управляющих импульсов на управляемые вентили относительно моментов перехода через нуль мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке. Кроме того, решение уравнения для вычисления моментов перехода через нуль мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке требует вычислительных ресурсов и обеспечения точности измерения напряжения питания и мгновенное значения переменного тока нагрузки, что является проблемным из-за наличия электромагнитных промышленных помех.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является «Устройство индукционного нагрева» (патент на изобретение РФ №2380862, заявл. 17.12.2008 г., МПК H05G 6/10), принятое за прототип, содержащее основной полумост, выполненный на двух полевых транзисторах с микросхемой управления, подключенный через конденсаторы к первичной обмотке разделительного трансформатора, выполненного с двумя вторичными обмотками, подключенными через токоограничивающие резисторы к полевым транзисторам, образующими дополнительный полумост, одна из вторичных обмоток разделительного трансформатора подключена между затвором одного из полевых транзисторов и точкой его соединения со вторым полевым транзистором, а другая - между затвором второго полевого транзистора и общим проводом, при этом параллельно полевым транзисторам включены два последовательно соединенных конденсатора, между общей точкой которых и точкой соединения выводов полевых транзисторов включена нагревательная катушка.
Недостатками этого устройства являются:
- разрядно-зарядные токи последовательного колебательного контура дополнительного каскада, протекающие через нагревательную катушку, постепенно нагревают пару последовательно соединенных конденсаторов, в результате чего повышается вероятность выхода этих элементов схемы из строя из-за перегрева,
- подбор частоты генерации драйвера управления основного полумоста предполагает наличие дополнительных измерительных приборов и проведение регулировочных работ для настройки частоты колебаний последовательного LC-контура дополнительного каскада,
- разделительный трансформатор вносит «завал фронтов» в формы прямоугольных управляющих сигналов силовых транзисторов дополнительного полумоста, что вызывает искажения токов, протекающих через нагревательную катушку в некотором диапазоне частот.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности устройства за счет исключения возможности появления больших токов в сток-истоковых переходах при переключении полевых транзисторов и расширения диапазона их токовых нагрузок, а также повышение энергоэффективности за счет снижения потерь мощности при использовании параллельного LC-контура самовозбуждения в резонансном режиме.
Это достигается тем, что устройство регулирования температуры индукционного электронагрева состоит из полевых транзисторов с микросхемой управления, нагревательной катушки, источника постоянного тока. Предложенное решение содержит индукционный электронагреватель в виде параллельного LC-контура с сердечником в катушке индуктивности контура в форме металлического тонкостенного тугоплавкого тигля, причем один полюс этого контура подсоединен к стокам первой группы полевых транзисторов и одновременно к первой клемме первой катушки индуктивности и катоду первого диода, анод которого связан через первый резистор с положительным потенциалом батареи электролитических конденсаторов и второй клеммой первой катушки индуктивности, а непосредственно с затворами второй группы полевых транзисторов и коллекторным выводом второй оптопары, при этом второй полюс параллельного LC-контура соединен со стоками второй группы полевых транзисторов и одновременно через вторую катушку индуктивности с положительным потенциалом батареи электролитических конденсаторов, а также с катодом второго диода, анод которого связан через второй резистор с положительным потенциалом батареи электролитических конденсаторов, а непосредственно - с затворами первой группы полевых транзисторов и коллекторным выводом первой оптопары, причем эмиттерные выводы обеих оптопар подсоединены к корпусу, к которому подсоединены также истоки всех полевых транзисторов обеих групп, а последовательно соединенные светодиодные оптопары связаны анодом светодиода первой оптопары через третий резистор с положительным потенциалом источника питания промышленного контроллера, а катодом светодиода второй оптопары с управляющим дискретным выходом промышленного контроллера, первый и второй аналоговые входы которого соединены с выходами нормирующего преобразователя, подключенного своими клеммными входами к термопаре.
Предложенное устройство позволит расширить диапазон рабочих токов групп полевых транзисторов с увеличением мощности электронагрева за счет пропорционального количественного увеличения полевых транзисторов и их параллельного включения в каждой группе, причем частоту генерации устройства задает включенный в диагональ моста параллельный LC-контур, одновременно являющийся нагрузкой, при этом плечи моста состоят из двух катушек индуктивности и двух групп управляемых полевых транзисторов, а сигналы управления группами полевых транзисторов задаются напряжениями, возникающими в параллельном LC-контуре и формируются схемой поочередно в плечах моста в моменты срабатывания встречно включенных диодов Шотки при достижении нулевого значения переменного напряжения на изменяющейся электромагнитной нагрузке, что делает невозможным при переключении силовых транзисторов появление в их переходах сток-исток больших токов, и позволяет повысить надежность устройства. Использование в схеме параллельного LC-контура самовозбуждения позволит снизить энергопотребление за счет его работы в резонансном режиме, при этом электроэнергия, потребляемая от внешнего источника, будет затрачиваться преимущественно на поддержание резонансных колебаний, благодаря изменению длительности широтно-импульсного сигнала управления параллельным LC-контуром, появляется возможность поддерживать нужную мощность электронагрева при значительно меньшем потреблении электроэнергии.
Для пояснения описываемого устройства на фиг. 1. приведена электрическая схема устройства регулирования температуры индукционного электронагрева. Устройство регулирования температуры индукционного электронагрева содержит параллельный LC-контур 1 с сердечником в катушке индуктивности в форме металлического тонкостенного тугоплавкого тигля, один полюс этого контура подсоединен к стокам группы полевых транзисторов 2 и одновременно к первой клемме катушки индуктивности 3 и катоду диода Шотки 4, анод которого связан через резистор 5 с положительным потенциалом батареи электролитических конденсаторов 6 и второй клеммой катушки индуктивности 3, а непосредственно с затворами группы полевых транзисторов 7 и коллекторным выводом оптопары 8, при этом второй полюс параллельного LC-контура 1 соединен со стоками группы полевых транзисторов 7 и одновременно через катушку индуктивности 9 с положительным потенциалом батареи электролитических конденсаторов 6, а также с катодом диода Шотки 10, анод которого связан через резистор 11 с положительным потенциалом батареи электролитических конденсаторов 6, а непосредственно - с затворами группы полевых транзисторов 2 и коллекторным выводом оптопары 12, причем эмиттерные выводы обеих оптопар 8 и 12 подсоединены к корпусу, к которому подсоединены также истоки всех полевых транзисторов обеих групп 2 и 7, а последовательно соединенные светодиодные оптопары 8 и 12 связаны анодом светодиода оптопары 12 через резистор 13 с положительным потенциалом блока питания 14 микросхемы управления, в качестве которой, например, используется промышленный контроллер 15, а катодом светодиода оптопары 8 с управляющим дискретным выходом промышленного контроллера 15, первый и второй аналоговые входы которого соединены с выходами нормирующего преобразователя 16, подключенного своими клеммными входами к термопаре 17. Питание устройства осуществляется от трехфазной сети 18, к которой подключены первичные обмотки трехфазного трансформатора 19, средние точки вторичных обмоток которого, соединены между собой и с корпусом, а в каждой из шести их выходных цепей включены диоды 20 с катодами, связанными с положительными обкладками батареи электрических конденсаторов 6, отрицательные обкладки которых замкнуты на корпус.
Предложенное устройство работает следующим образом. При подключении устройства к трехфазной сети 18 запитываются первичные обмотки трехфазного трансформатора 19 и далее с его вторичных обмоток пониженное до необходимой амплитуды напряжение посредством группы выпрямительных диодов 20 преобразуется в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются при помощи батареи электролитических конденсаторов 6, и подается в силовую часть устройства через катушки индуктивности 3 и 9, используемые в качестве реактивных сопротивлений плеч моста с целью ограничения зарядных токов параллельного LC-контура 1. Одновременно с этим блок питания 14 осуществляет подачу напряжения к контроллеру 15. Контроллер 15 активизирует свой выход DO0, обеспечивая протекание тока от блока питания 14 через резистор 13 и диоды оптопар 8, 12, тем самым подключая затворы групп полевых транзисторов 2, 7 к корпусу, создавая в их сток-истоковых переходах высокое сопротивление, закрывающее группы полевых транзисторов 2, 7 для прохождения токов, чем блокирует самовозбуждение параллельного LC-контура 1, подключая его посредством батареи электролитических конденсаторов 6 к положительному полюсу источника питания.
Для активизации процесса нагрева выход DO0 контроллера 15 отключается, на затворы групп полевых транзисторов 2, 7 через резисторы 5, 11 подводится напряжение питания, переводящее полевые транзисторы обеих групп 2 и 7 в состояние открытия. В силу разброса параметров элементов схемы, одна из групп полевых транзисторов 2, 7 откроется раньше другой и обеспечит заряд параллельно соединенных для уменьшения нагрева конденсаторов параллельного LC-контура 1. На выходе параллельного LC-контура 1 появится напряжение заряда его параллельно соединенных конденсаторов экспоненциальной формы, нарастающее до величины напряжения питания. После чего произойдет разряд параллельно соединенных конденсаторов через индуктивность параллельного LC-контура 1. Возникшее в параллельном LC-контуре 1 и передаваемое через диоды Шотки 4, 10 напряжение является управляющим для попеременного открывания-закрывания групп полевых транзисторов 2, 7. Включение диодов Шотки 4, 10 своими анодами к затворам соответствующих групп полевых транзисторов 2, 7, а катодами к стокам противоположных групп полевых транзисторов 7, 2 соответственно позволяет определить моменты нулевого значения, возникающего в параллельном LC-контуре 1, переменного напряжения управления полевыми транзисторными группами 2, 7 и сформировать сигналы управления для соответствующих групп полевых транзисторов 2, 7, исключив этим возможность появления больших токов в сток-истоковых переходах при переключении групп полевых транзисторов 2, 7 и обеспечив самовозбуждение и работу в резонансном режиме параллельного LC-контура 1, позволив снизить энергопотребление. В катушку индуктивности параллельного LC-контура 1 помещен сердечник в виде тигля с исходным материалом, где за счет электромагнитных колебаний, пронизывающих тигель, осуществляется индукционный нагрев. Для регулирования температуры в тигле, значение которой с помощью термопары 17 через нормирующий преобразователь 16 подается в контроллер 15, достаточно включать или отключать параллельный LC-контур 1 в определенные промежутки времени, в соответствии с заданным алгоритмом работы.
Описанное устройство реализовано в качестве опытного образца.
Таким образом, предлагаемое устройство позволит:
- рассчитав значения емкости конденсаторов колебательного контура и индуктивности бескаркасной катушки, задать частоту колебаний параллельного колебательного контура, обеспечивая незатухающие колебания параллельного LC-контура и используя параллельную группу конденсаторов, шунтирующих бескаркасную катушку индуктивности, уменьшить нагрев конденсаторов;
- получить разрядно-зарядные токи параллельного LC-контура экспоненциальной формы;
- расширить диапазон рабочих токов групп полевых транзисторов с увеличением мощности электронагрева;
- посредством схемного решения определить моменты нулевого значения переменного напряжения на изменяющейся электромагнитной нагрузке для формирования сигналов управления группами полевых транзисторов;
- повысить надежность устройства, исключив возможность появления больших токов в сток-истоковых переходах при переключении групп полевых транзисторов;
- снизить энергопотребление, за счет использования параллельного LC-контура в резонансном режиме.