ИНДУКЦИОННОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
INDUCTION HEATING DEVICE

Область техники и назначение
Изобретение относится к электротехнике, а именно к индукционном нагревательным устройствам специального назначения, и может быть использовано для термообработки изделий.
Уровень техники
Известна индукционная установка для термообработки железобетона, содержащая многопроводный индуктор, подключенный к клеммам для соединения с трехфазной сетью через ключи, выполненные на управляемых вентилях, при выполнении индуктора двухпроводным в установку введен управляемый трехфазный мостовой выпрямитель, анод которого через первый включенный в проводящем направлении вентиль соединен с началом первого провода индуктора, а второй - с концом второго провода и через встречно включенный третий вентиль - с нулевым проводом сети, конец первого провода соединен с катодом моста и началом второго провода непосредственно, а с нулевым проводом сети - через четвертый вентиль, включенный в проводящем направлении (Авторское свидетельство СССР №1451877, Н05В 6/10, опубликовано 15.01.1989).
Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в наличии индуктора и управляемых вентилей.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в неравномерной загрузке фаз питающей сети, а также в неполной загрузке фаз питающей сети.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является индукционная установка для термообработки изделий, содержащая блок электронных ключей, блок управления электронными ключами, аналоговое устройство, 3-фазный трансформатор, вторичная обмотка которого соединена по схеме "зигзаг", выход которого подключен к электронным ключам, включенным в одной проводимости, причем один из 2-х ключей каждой обмотки подсоединен к концам первичной обмотки однофазного трансформатора, средняя точка которого подсоединена на среднюю точку вторичной обмотки 3-фазного трансформатора, через дроссель, причем магнитный поток, протекающий по обмоткам магнитопровода, замыкается через нагреваемое изделие (Патент RU №2251226 С1, М.кл. Н05В 6/10, опубликовано 27.04.2005, Бюл. №12).
Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в наличии индуктора, электронных ключей и трансформатора.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается изобретением, заключается в использовании только положительных (или только отрицательных) полупериодов тока питающей сети, что является причиной неравномерной загрузки фаз питающей сети и снижения мощности.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении равномерности загрузки фаз и повышении мощности.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в использовании обоих (положительных и отрицательных) полупериодов питающей трехфазной сети.
Достигается технический результат тем, что индукционное нагревательное устройство содержит трансформатор, предназначенный для подключения к трехфазной сети переменного тока, индуктор, электронные ключи односторонней проводимости и блок управления электронными ключами, при этом трансформатор выполнен в виде замкнутого Ш-образного сердечника с первичными обмотками, расположенными на его крайних стержнях, и вторичной обмоткой, расположенной на его среднем стержне, первичные обмотки имеют средние выводы, соединенные между собой для подключения через резистор к нулевому проводу трехфазной сети переменного тока, одна первичная обмотка предназначена для прохождения по ней положительных полупериодов переменного тока, а ее крайние выводы подсоединены к катодам соответствующих электронных ключей, предназначенных для подключения этих крайних выводов через указанные ключи к фазам трехфазной сети переменного тока, другая первичная обмотка предназначена для прохождения по ней отрицательных полупериодов переменного тока, а ее крайние выводы подсоединены к анодам соответствующих электронных ключей, предназначенных для подключения этих крайних выводов через указанные ключи к фазам трехфазной сети переменного тока, индуктор подключен в выводам вторичной обмотки трансформатора, а блок управления выполнен с возможностью включения любого электронного ключа, подключенного своим свободным выводом к соответствующей фазе трехфазной сети переменного тока, в момент перехода через нуль напряжения предыдущей фазы трехфазной сети переменного тока.
Новые признаки заявленного технического решения заключаются в том, что трансформатор выполнен в виде замкнутого Ш-образного сердечника с первичными обмотками, расположенными на его крайних стержнях, и вторичной обмоткой, расположенной на его среднем стержне, при этом первичные обмотки имеют средние выводы, соединенные между собой для подключения через резистор к нулевому проводу трехфазной сети переменного тока, одна первичная обмотка предназначена для прохождения по ней положительных полупериодов переменного тока, а ее крайние выводы подсоединены к катодам соответствующих электронных ключей, предназначенных для подключения этих крайних выводов через указанные ключи к фазам трехфазной сети переменного тока, другая первичная обмотка предназначена для прохождения по ней отрицательных полупериодов переменного тока, а ее крайние выводы подсоединены к анодам соответствующих электронных ключей, предназначенных для подключения этих крайних выводов через указанные ключи к фазам трехфазной сети переменного тока, индуктор подключен в выводам вторичной обмотки трансформатора, а блок управления выполнен с возможностью включения любого электронного ключа, подключенного своим свободным выводом к соответствующей фазе трехфазной сети переменного тока, в момент перехода через нуль напряжения предыдущей фазы трехфазной сети переменного тока.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 показана электрическая схема индукционного нагревательного устройства; на фиг.2 - графики, иллюстрирующие работу устройства (изменение основных параметров устройства во времени t).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Индукционное нагревательное устройство содержит:
1) трансформатор 1, который выполнен в виде замкнутого Ш-образного сердечника с первичными обмотками 2 и 3, расположенными на крайних стержнях 4 и 5 его сердечника, и вторичной обмоткой 6, расположенной на среднем стержне 7 его сердечника;
2) индуктор 8, соединенный в выводами вторичной обмотки 6;
3) постоянный резистор 9 с клеммой 10 для подключения одного вывода этого резистора к нулевому проводу трехфазной сети переменного тока;
4) электронные (полупроводниковые) ключи односторонней проводимости 11-22, выполненные в виде тиристоров;
5) клеммы 23, 24 и 25 для подключения свободных выводов (анодов или катодов) указанных тиристоров к фазам трехфазной сети переменного тока;
6) блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих тиристоров (ключей) 11-22, а входы предназначены для подключения к фазам и нулевому проводу трехфазной сети переменного тока (блок управления не показан).
вкл
вкл
Первичные обмотки 2 и 3 трансформатора 1 имеют средние выводы, которые соединены между собой и через резистор 9 соединены с клеммой 10, предназначенной для подключения к нулевому проводу трехфазной сети переменного тока. Резистор 9 необходим для поддержания минимально необходимого тока во включенных тиристорах 11÷22 в процессе работы устройства на холостом ходу (т.е. без нагрузки). Величина сопротивления R резистора 9 определяется маркой тиристора и составляет R=220/I, где I - минимальный ток, протекающий через тиристор, при котором он не выключается (составляет несколько ампер - паспортная характеристика тиристора). При подключении нагрузки, когда ток в первичных обмотках 2 и 3 составляет сотни ампер, происходит симметрирование средних точек этих обмоток относительно нуля сети и ток через резистор 9 практически не течет.
Крайние выводы первичной обмотки 2 трансформатора 1 через тиристоры 11÷16 соединены с клеммами 23, 24 и 25, предназначенными для подключения к соответствующим фазам «А», «В» и «С» трехфазной сети переменного тока. Конкретно, нижний крайний вывод обмотки 2 соединен с катодами тиристоров 11, 13 и 15, верхний крайний вывод обмотки 2 соединен с катодами тиристоров 12, 14 и 16; при этом аноды тиристоров 11 и 12 соединены между собой и с клеммой 23 для подключения к фазе «А», аноды тиристоров 13 и 14 соединены между собой и с клеммой 24 для подключения к фазе «В», аноды тиристоров 15 и 16 соединены между собой и с клеммой 25 для подключения к фазе «С» трехфазной сети переменного тока.
Крайние выводы первичной обмотки 3 трансформатора 1 через тиристоры 17÷22 соединены с клеммами 23, 24 и 25, предназначенными для подключения к соответствующим фазам «А», «В» и «С» трехфазной сети переменного тока. Конкретно, верхний крайний вывод обмотки 3 соединен с анодами тиристоров 17, 19 и 21, нижний крайний вывод обмотки 3 соединен с анодами тиристоров 18, 20 и 22; при этом катоды тиристоров 17 и 18 соединены между собой и с клеммой 23 для подключения к фазе «А», катоды тиристоров 19 и 20 соединены между собой и с клеммой 24 для подключения к фазе «В», катоды тиристоров 21 и 22 соединены между собой и с клеммой 25 для подключения к фазе «С» трехфазной сети переменного тока.
Работа индукционного нагревательного устройства заключается в следующем.
1
2
1
2
3
1
2
3
1
2
1
2
3
Клеммы 23, 24 и 25 подключают к фазам «А», «В» и «С» соответственно трехфазной сети, а клемму 10 подключают к нулевому проводу трехфазной сети. Кроме того, к этим фазам и нулевому проводу подключают блок управления (не показан), который вырабатывает соответствующие импульсы в моменты перехода напряжения каждой фазы через нуль, предназначенные для управления тиристорами 11÷22. Эти импульсы поступают на управляющие входы тиристоров 11÷22 так, что обеспечивают включение тиристора определенной фазы в момент перехода через нуль напряжения предыдущей фазы. При этом тиристоры разделены на две группы: тиристоры 11÷16 пропускают на первичную обмотку 2 в ее верхнюю и нижнюю части положительные полупериоды тока фаз «А», «В» и «С» (графики «а», «b», «с» на фиг.2), а тиристоры 17÷22 пропускают на первичную обмотку 3 в ее верхнюю и нижнюю части отрицательные полупериоды тока фаз «А», «В» и «С» (графики «g», «h», «i» на фиг.2). При этом тиристоры 11÷16 при помощи упомянутого блока управления включаются в определенной последовательности (с углом отсечки 60°) с периодом 240°, так что в обмотке 2 создается переменный магнитный поток Ф (график «d» на фиг.2), который замыкается через средний стержень 7 Ш-образного сердечника трансформатора 1. Те же процессы происходят и с отрицательными полупериодами фазных токов. При этом тиристоры 17÷22 при помощи упомянутого блока управления включаются в определенной последовательности (с углом отсечки 60°) с периодом 240°, так что в обмотке 3 создается переменный магнитный поток Ф (график «f» на фиг.2), который также замыкается через средний стержень 7 Ш-образного сердечника трансформатора 1. Поскольку потоки Ф и Ф замыкаются на один и тот же средний стержень 7, то в этом стержне происходит алгебраическое суммирование этих двух потоков (так как они сдвинуты относительно друг друга на 60°) с образованием результирующего потока Ф (график «е» на фиг.2). Суммарная алгебраическая величина потоков Ф и Ф равна полуторакратной величине каждого из этих потоков, т.е. Ф=1,5Ф=1,5Ф, так как Ф=Ф. По этой причине сечение среднего стержня 7 выбирают по крайней мере в 1,5 раза больше сечения каждого крайнего стержня 4 или 5. Указанный результирующий магнитный поток Ф индуцирует ток во вторичной обмотке 6, протекающий далее через индуктор 8. Таким образом, происходит преобразование трехфазного напряжения частотой 50 Гц в однофазное частотой 75 Гц, что позволяет, во-первых, устранить неравномерность загрузки фаз трехфазной сети, во-вторых, значительно увеличить выходную мощность при частоте 75 Гц однофазной нагрузки.