ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Предлагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для индукционного нагрева и плавки металлов.
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.
d
H
d
H
d
пер
d
d
пер
Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятый в качестве прототипа автономный параллельный инвертор, содержащий входной дроссель L, 4 управляемых вентиля Т1÷Т4, соединенных по мостовой схеме, имеющей диагональ постоянного и переменного тока, активно-индуктивную нагрузку-индуктор Z и коммутирующий конденсатор С, при этом вентильный мост диагональю постоянного тока подсоединен через входной дроссель L к питающему источнику постоянного напряжения таким образом, что управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника питания постоянного напряжения, при этом к диагонали переменного тока подсоединен коммутирующий конденсатор С, параллельно которому подсоединена активно-индуктивная нагрузка-индуктор Z (Л.2. Приложение 1. 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., стр.16, рис.2.1). Подавая на противофазные вентили Т1, Т3 и Т2, Т4 управляющие импульсы, сдвинутые относительно друг друга на 180° эл., в устройстве-прототипе получают переменное напряжение на коммутирующем конденсаторе, а следовательно и на нагрузке-индукторе (Л.2. Приложение 2, стр.17, рис.2.2). Однако в схеме устройства-прототипа достичь заявленный технический результат - одновременное формирование в нагрузке-индукторе тока, содержащего низкочастотную и высокочастотную составляющую - нельзя. Получить такой ток можно было бы при замене управляемых вентилей на полностью управляемые вентили путем многократного открывания и закрывания полностью управляемых вентилей одной фазы, например, Т1, Т3 в течение одного полупериода низкой частоты, а затем многократного открывания и закрывания управляемых вентилей второй фазы - Т2, Т4 в течение второго полупериода низкой частоты. Однако при закрывании полностью управляемых вентилей, например, Т1, Т3, электромагнитная энергия, запасенная во входном дросселе L, вызывает перенапряжения, величина которых U=Ldi/dt возрастает с увеличением индуктивности дросселя L и скорости спада тока di/dt, т.е. при быстром закрывании тиристоров Т1, Т3 или Т2, Т4 перенапряжение U может достигать очень больших значений и разрушать оборудование инвертора, т.к. это перенапряжение к тому же суммируется с напряжением источника питания постоянного напряжения. Авторами предлагается преобразовательное устройство для индукционного нагрева металлов, при осуществлении которого достигается заявленный технический результат, т.е. формирование в нагрузке-индукторе двухчастотной системы токов.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем. В преобразовательное устройство, для индукционного нагрева металлов, содержащее параллельный инвертор, состоящий из 4-х управляемых вентилей, соединенных по схеме вентильного моста, имеющего диагонали постоянного и переменного тока, входной дроссель, конденсатор и активно индуктивную нагрузку, при этом вентильный мост диагональю постоянного тока через входной дроссель подсоединен к источнику питания постоянного напряжения таким образом, что управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника питания постоянного напряжения, а к диагонали переменного тока подсоединен конденсатор, параллельно которому подсоединена активно-индуктивная нагрузка-индуктор, введен аналогичный второй вентильный мост, состоящий из 4-х управляемых вентилей и имеющий диагонали постоянного и переменного тока, конденсатора и активно-индуктивной нагрузки, при этом второй вентильный мост диагональю постоянного тока подсоединен параллельно диагонали постоянного тока первого вентильного моста, причем все вентили выполнены полностью управляемыми. При этом управление полностью управляемыми вентилями двух вентильных мостов осуществляется таким образом, что в каждом вентильном мосту первые синфазные вентили многократно открываются и закрываются на первом полупериоде низкой частоты, а вторые синфазные вентили, противофазные первым, многократно открываются и зыкрываются на втором полупериоде низкой частоты, при этом поочередно открываются и закрываются полностью управляемые вентили первого и второго вентильных мостов, т.е. на каждом интервале времени через входной дроссель протекает постоянный ток, нет его прерывания и нет перенапряжений. Следовательно, достигается заявленный технический результат, т.е. формирование нагрузочного тока, содержащего одновременно низкочастотную и высокочастотную составляющие в индукторах-нагрузках обоих вентильных мостов.
На фиг. изображена электрическая схема предлагаемого преобразовательного устройства, которое содержит два вентильных моста, имеющих диагонали постоянного и переменного тока, первый из которых состоит из 4-х полностью управляемых вентилей 4, 5, 6, 7 и подсоединенных к диагонали переменного тока коммутирующего конденсатора 10 и активно-индуктивной нагрузки-индуктора 9, 8, второй вентильный мост состоит из 4-х полностью управляемых вентилей 11, 12, 13, 14 и подсоединенных к диагонали переменного тока коммутирующего конденсатора 17 и активно-индуктивной нагрузки-индуктора 16, 15. Оба вентильных моста диагоналями постоянного тока соединены параллельно и через входной дроссель 3 подсоединены к источнику питания постоянного напряжения 1, 2 таким образом, что полностью управляемые вентили обоих вентильных мостов 4, 5, 6, 7 и 11, 12, 13, 14 включены в прямом направлении по отношению к полярности источника питания 1, 2 постоянного напряжения.
Устройство работает следующим образом.
В первый момент времени открываются, например, синфазные вентили 4, 7 первого вентильного моста, при этом ток протекает по контуру 1-3-4-8,9, 10-7-2, а конденсатор 10 первого вентильного моста заряжается до напряжения, полярность которого на фиг. показана верхними знаками «+-». Через половину периода частоты высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора 8, 9, 10 вентили 4, 7 первого вентильного моста закрываются и открываются, например, вентили 11, 14 второго вентильного моста, при этом ток вновь протекает по контуру 1-3-11-15, 16, 17-14-2, т.е. через дроссель 3 ток протекает непрерывно и никаких перенапряжений нет, при этом коммутирующий конденсатор 10 первого вентильного моста разряжается в контуре 8, 9, 10, а коммутирующий конденсатор 17 второго вентильного моста заряжается до напряжения, полярность которого на фиг. показана верхними знаками «+-». Через половину периода высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора 15, 16, 17 вентили 11, 14 второго вентильного моста закрываются и вновь открываются вентили 4, 7 первого вентильного моста, при этом ток вновь протекает по контуру 1-3-4-8,9, 10-7-2, конденсатор 10 первого вентильного моста вновь заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг. верхними знаками «+-», а конденсатор 17 второго вентильного моста разряжается в контуре 15, 16, 17, при этом ток через дроссель 3 вновь протекает непрерывно, и никаких перенапряжений нет. После этого аналогичным образом вновь закрываются вентили 4, 7 первого вентильного моста и открываются вентили 11, 14 второго вентильного моста, при этом электромагнитные процессы повторяются. Количество открываний и закрываний синфазных вентилей 4, 7 первого вентильного моста и 11, 14 второго вентильного моста определяется выбранным соотношением частот высокочастотной и низкочастотной составляющих нагрузочного тока. Так, например, если указанное соотношение равно 10, то на периоде низкой частоты будет 10 колебаний высокой частоты, а на полупериоде низкой частоты таких колебаний будет 5, следовательно, 5 открываний и 5 закрываний вентилей. После того, как выбранное соотношение достигнуто, т.е. произведено, например, 5 открываний и 5 закрываний вентилей 4, 7 и 11, 14 заканчивается формирование первого полупериода нагрузочного тока низкой частоты закрыванием вентилей 11, 14 второго вентильного моста. Поэтому открываются вентили 5, 6 первого вентильного моста, при этом ток протекает по контуру 1-3-5-8, 9, 10-6-2, конденсатор 10 первого вентильного моста заряжается до напряжения, полярность которого на фиг. показана нижними знаками «(-)(+)», а конденсатор 17 второго вентильного моста разряжается в контуре 15, 16, 17, при этом через дроссель 3 по-прежнему протекает непрерывно ток и никаких перенапряжений нет. При этом начинается формирование второго полупериода нагрузочного тока низкой частоты. Через половину периода высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора 8,9,10 вентили 5,6 первого вентильного моста закрываются, а вентили 12, 13 второго вентильного моста открываются, при этом ток протекает по контуру 1-3-12-15, 16, 17-13-2, конденсатор 10 первого
вентильного моста разряжается в контуре 8, 9, 10, а конденсатор 17 второго вентильного моста заряжается до напряжения, полярность которого обозначена на фиг. нижними знаками «(-)(+)», при этом ток через дроссель 3 вновь протекает непрерывно и никаких перенапряжений нет. Далее аналогично рассмотренному закрываются вентили 12, 13, одновременно открываются вентили 5, 6 и т.д., до окончания формирования второго полупериода нагрузочного тока низкой частоты, при этом электромагнитные процессы аналогичны рассмотренным. После этого алгоритм управления вентилями первого и второго вентильных мостов полностью повторяется и все рассмотренные электромагнитные процессы также повторяются.
Таким образом, применение двух аналогичных вентильных мостов, выполненных на полностью управляемых вентилях 4, 5, 6, 7 и 11, 12, 13, 14 с многократным открыванием и закрыванием синфазных вентилей вначале одной фазы, а затем синфазных вентилей второй фазы и с поочередным открыванием и закрыванием вентилей первого и второго вентильных мостов позволяет достичь заявленный технический результат, т.е. формирование нагрузочного тока с высокочастотной и низкочастотной составляющими. Индукторы 8, 9 и 15, 16 первого и второго вентильных мостов могут обеспечивать индукционный нагрев как одной индукционной печи, так и двух индукционных печей. Низкочастотные составляющие нагрузочных токов в разных индукторах можно формировать примерно синфазными, а также имеющими некоторый заданный фазовый сдвиг. Применяя «n» двухмостовых преобразовательных устройств, можно получить многофазные системы токов по низкочастотной составляющей нагрузочного тока. Так, например, если использовать 3 двухмостовых преобразовательных устройства, а низкочастотную составляющую тока в каждом последующем преобразовательном устройстве сдвигать на 120° эл., то получится 3-х фазная система низкочастотных токов, которая является наиболее эффективной при электромагнитном перемешивании расплавленного металла.
В заключение необходимо отметить, что для упрощения на фиг. преобразовательного устройства для индукционного нагрева не приведены диоды, которые иногда включают последовательно с полностью управляемыми вентилями, а также включаемые параллельно вентилям шунтирующие RC-цепи, которые применяют для увеличения надежности работы вентилей и преобразовательных устройств.