ТРЕХФАЗНЫЙ С НУЛЕВЫМ ВЫВОДОМ ДВУХЧАСТОТНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
THREE-PHASE DOUBLE-FREQUENCY CURRENT INVERTER WITH ZERO OUTPUT FOR INDUCTION HEATING

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов.
Известно, что при индукционном нагреве и плавке металлов широко применяется параллельный инвертор, который является аналогом предлагаемому изобретению (Приложение 1, Л.1. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Е.И.Беркович и др. - 2-е изд. доп. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1983, стр. 16, рис. 2.1).
Известно, что в одночастотном электромагнитном поле расплавленный металл в нагрузке-индукторе под действием электромагнитных сил движется в нижней части индуктора около стенок снизу вверх, а около оси индуктора - сверху вниз, в верхней же 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 2. Л.2. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, (Ленингр. отд.), 1974, стр.45, рис.22). Однако при двух контурах циркуляции перемешивание металла не эффективно, поэтому для повышения эффективности электромагнитного перемешивания металла целесообразно применение наряду с высокочастотным электромагнитным полем низкочастотного многофазного электромагнитного поля (Л.2). В Л.3 для этого предлагается использовать два генератора - один высокочастотный для индукционного нагрева и плавки металла, а второй низкочастотный трехфазный - для электромагнитного перемешивания этого металла (Л.3. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967), что также является аналогом предлагаемому изобретению. 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 предлагаемому изобретению не обеспечивают достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение. Поэтому в качестве прототипа выбран трехфазный с нулевым выводом инвертор (Приложение 3. Л.4. Чиженко И.М., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника», М., Высшая школа, 1974, стр.227, рис. 8.4,е). Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного выше упомянутого технического результата.
Таким образом, известные аналоги и известный прототип имеют недостатки, которые заключаются в том, что они не могут генерировать одновременно высокочастотное электромагнитное поле и многофазное низкочастотное электромагнитное поле, либо рекомендуют для этого применение двух генераторов, т.е. они не обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в одновременном генерировании и высокочастотного и многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания многофазного двухчастотного инвертора тока для индукционного нагрева, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности одновременного генерирования высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощении.
Сущность предлагаемого изобретения - трехфазного с нулевым выводом двухчастотного инвертора тока для индукционного нагрева, выполненного по первому варианту, заключается в том, что в инвертор, содержащий источник постоянного напряжения, три управляемых вентиля и три однофазные активно-индуктивные нагрузки, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных однотактных инверторов, каждый из которых состоит из управляемого вентиля, последовательно с которым соединена однофазная активно-индуктивная нагрузка, при этом все однофазные однотактные инверторы подсоединены к источнику постоянного напряжения с образованием из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок трехфазной активно-индуктивной нагрузки, включенной, например, по схеме «звезда», при этом все управляемые вентили заменены полностью управляемыми, например, транзисторами и включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, дополнительно введены входной дроссель, три диода и три компенсирующих конденсатора, при этом входной дроссель включен между первым (положительным) полюсом источника постоянного напряжения и общей точкой первых выводов трех транзисторов, каждый из трех диодов соединен согласно последовательно с одним из трех транзисторов, а каждый компенсирующий конденсатор подсоединен параллельно одной из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.
Сущность предлагаемого изобретения, выполненного по второму варианту, заключается в том, что в инвертор, выполненный по первому варианту, введены три дополнительных конденсатора и три дополнительных дросселя, при этом с вторыми выводами трех диодов соединены первые выводы трех дополнительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом к первым выводам трех дополнительных конденсаторов подсоединены первые выводы трех дополнительных дросселей, вторые выводы которых соединены со вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.
Заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощение (т.к. эти поля генерируются одним инвертором), достигается следующим образом. В каждом однофазном однотактном инверторе путем многократного открывания и закрывания транзисторов в первом варианте формируются пачки высокочастотных импульсов тока, в которых частота высокочастотного электромагнитного поля определяется частотой отпирания и запирания транзисторов, а количество пачек в единицу времени определяет частоту низкочастотного электромагнитного поля, при этом сдвиг во времени формирования пачек высокочастотных импульсов тока в разных однофазных инверторах, в данном случае в трех инверторах, обеспечивает многофазное, в данном случае трехфазное низкочастотное электромагнитное поле. Во втором варианте за счет введения контуров из дополнительных конденсаторов и дросселей, собственная частота которых равна частоте низкочастотного электромагнитного поля, это низкочастотное электромагнитное поле усиливается.
Таким образом, заявленный трехфазный с нулевым выводом двухчастотный инвертор тока для индукционного нагрева металлов обеспечивает достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение.
На фиг.1. и 2 приведены соответственно первый и второй варианты предложенных инверторов тока.
Трехфазный инвертор, приведенный на фиг 1, содержит источник постоянного напряжения, входной дроссель 1, первый 2, второй 3 и третий 4 транзисторы, первый 5, второй 6 и третий 7 диоды, первую 8-11, вторую 9-12 и третью 10-13 однофазные активно-индуктивные нагрузки, а также первый 14, второй 15 и третий 16 компенсирующие конденсаторы, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных однотактных инверторов, первого, содержащего элементы 1, 2, 5, 8-11, 14, второго, содержащего элементы 1, 3, 6, 9-12, 15 и третьего, содержащего элементы 1, 4, 7, 10-13, 16, при этом к первому (положительному) полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первым выводом входной дроссель 1, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого 2, второго 3 и третьего 4 транзисторов, вторые выводы которых соединены с первыми выводами первого 5, второго 6 и третьего 7 диодов, вторые выводы которых соединены с первыми выводами однофазных активно-индуктивных нагрузок 8-11, 9-12 и 10-13, вторые выводы которых соединены с вторым (отрицательным) полюсом источника постоянного напряжения, при этом однофазные активно-индуктивные нагрузки 8-11, 9-12 и 10-13 образуют трехфазную активно-индуктивную нагрузку, включенную по схеме «звезда», транзисторы 2, 3 и 4 включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, диоды 5, 6 и 7 включены согласно-последовательно с транзисторами 2, 3 и 4, а компенсирующие конденсаторы 14, 15 и 16 включены параллельно соответственно однофазным активно-индуктивным нагрузкам 8-11, 9-12 и 10-13.
Инвертор работает следующим образом. Вначале открывается первый транзистор 2 и ток протекает по контуру:
вч
вч
вч
вч
1
вч
2
вч
нч
при этом компенсирующий конденсатор 14 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена знаками +, -. Транзистор 2 находится в открытом состоянии в течение полупериода частоты 0,5 Т высокочастотной составляющей электромагнитного поля, а затем в течение того же полупериода 0,5 Т транзистор 2 находится в закрытом состоянии. Параметры упомянутой цепи 1, 8, 11, 14 подбираются такими, чтобы к концу высокочастотного полупериода 0,5 Т ток через транзистор 2 был равен нулевому значению, а при закрытом состоянии транзистора 2 компенсирующий конденсатор 14 по контуру 14-8-11-14 перезаряжался до напряжения, полярность которого обозначена знаками (-), (+). Затем транзистор 2 вновь открывается и вновь закрывается с той же частотой и т.д. Длительность открытого и закрытого состояний 0,5 Т транзистора 2, а также количество открываний и закрываний n транзистора 2 определяется тремя факторами: во-первых, принятой частотой f высокочастотной составляющей электромагнитного поля; во-вторых, принятым соотношением n частот высокочастотной составляющей электромагнитного поля f и низкочастотной составляющей электромагнитного поля f:
;
3
нч
3
в-третьих, принятым алгоритмом генерирования низкочастотной составляющей электромагнитного поля, а именно относительной долей n длительности пачки высокочастотных импульсов тока от длительности периода Т низкочастотной составляющей электромагнитного поля, при этом n может изменяться в пределах .
вч
нч
вч
вч
вч
2
нч
2
вч
Частота f высокочастотной составляющей электромагнитного поля определяется типом металла или сплава и его массой, а частота f низкочастотной составляющей электромагнитного поля определяется массой этого металла или сплава. Так, например, если принять f=1000 Гц, то Т=0,001 С, а 0,5 Т=0,0005 С. Если принять n=60, то Т=nТ=60·0,001=0,06 С. Если принять , то количество открываний и закрываний транзистора 2 составит
нч
нч
вч
нч
После окончания работы транзистора 2 точно по такому же закону работает транзистор 3, а затем транзистор 4. Таким образом, в трехфазной активно-индуктивной нагрузке 8-11, 9-12, 10-13 формируется трехфазное низкочастотное электромагнитное поле частотой f=16,666 Гц, что обеспечивает электромагнитное перемешивание металла, при этом в течение каждой 1/3 периода низкой частоты f=16,666 Гц формируется 20 периодов высокочастотной составляющей электромагнитного поля частотой f=1000 Гц, что обеспечивает индукционный нагрев металла. Второй вариант трехфазного инвертора тока приведен на фиг. 2 и содержит кроме элементов первого варианта, приведенного на фиг. 1, три дополнительных конденсатора 17, 18 и 19, а также три дополнительных дросселя 20, 21 и 22, при этом с вторыми выводами трех диодов 5, 6 и 7 соединены первые выводы трех дополнительных конденсаторов 17, 18, и 19, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 8-11, 9-12 и 10-13, при этом к первым выводам трех дополнительных конденсаторов 17, 18 и 19 подсоединены первые выводы трех дополнительных дросселей 20, 21 и 22, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 8-11, 9-12 и 10-13. Алгоритм работы транзисторов 2, 3 и 4 трехфазного инвертора, выполненного по второму варианту, полностью совпадает с алгоритмом работы этих же транзисторов 2, 3 и 4 трехфазного инвертора, выполненного по первому варианту (фиг.1). Однако дополнительные контуры 17-20, 18-21 и 19-22, собственная частота которых совпадает с частотой f низкочастотной составляющей электромагнитного поля, усиливают эту низкочастотную составляющую. Так, например, при работе транзистора 2 наряду с высокочастотной составляющей тока, пути протекания которого рассмотрены выше, протекает низкочастотный ток по контуру:
Аналогично протекают низкочастотные токи при работе транзистора 3 по контуру
и при работе транзистора 4 по контуру
вч
нч
Все упомянутые низкочастотные токи, т.е. пачки высокочастотных импульсов тока сдвинуты относительно друг друга на 120° эл. по низкой частоте, т.е. они образуют трехфазное низкочастотное электромагнитное поле. Таким образом, в соответствии с заявленным техническим результатом в каждой из однофазных активно-индуктивных нагрузок 8-11, 9-12 и 10-13 формируется обеспечивающее интенсивное плавление металла высокочастотное электромагнитное поле при неоднократном открывании и закрывании соответствующего транзистора с частотой f, а именно при работе транзистора 2 в обмотке 8-11, при работе транзистора 3 в обмотке 9-12 и при работе транзистора 4 в обмотке 10-13, и одновременно во всех трех обмотках 8-11, 9-12 и 10-13 формируется трехфазное низкочастотное электромагнитное поле с частотой f, которое обеспечивает эффективное электромагнитное перемешивание расплавленного металла, т.к. создает один контур циркуляции этого металла по всей высоте плавильной печи.
В заключение следует заметить: при изменении полярности источника постоянного напряжения изменяется направление включения транзисторов и диодов; транзисторы и диоды могут быть снабжены известными защитными демпфирующими цепями; трехфазная активно-индуктивная нагрузка может быть включена по схеме «звезда» или «треугольник»; количество фаз низкочастотного электромагнитного поля может изменяться в пределах m=2, 3, 4 … и т.д.