ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Предлагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для индукционного нагрева и плавки металлов и сплавов с помощью индуктора.
В ряде электротехнологических установок и процессов для повышения эффективности их работы целесообразно применение двухчастотного электромагнитного поля, обеспечивающего двухчастотную систему токов, например, при плавке металлов, когда плавка металла производится на высокой частоте, а его перемешивание - на низкой 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
y1
y3
y2
y4
Наиболее близким к предлагаемому преобразователю является принятый в качестве прототипа однофазный параллельный инвертор содержащий входной дроссель и 4 управляемых вентиля, соединенных по схеме вентильного моста, имеющего первую диагональ постоянного тока для подсоединения к источнику питания постоянного напряжения и вторую диагональ переменного тока, к которой подсоединена активно-индуктивная нагрузка-индуктор, зашунтированная коммутирующим конденсатором (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, стр.16 и 17, рис.2.1 и 2.2). Высокочастотное напряжение «u» на коммутирующем конденсаторе «С» и активно-индуктивной нагрузке 2, например индукторе, формируется путем поочередного со сдвигом 180° эл. отпирания импульсами управления i=i и i=i тиристоров соответственно Т1, Т3 и Т2, Т4. Частота управления тиристорами, а следовательно, и частота выходного напряжения «u» обычно определяется из условия эффективного нагрева металла в индукторе в зависимости от его свойств (медь, алюминии, сталь) и массы. Для выбранной частоты определяют рациональные параметры оборудования преобразователя. Обычно для массы металла несколько тонн рациональной частотой для индукционного нагрева металла считаются частоты 0,5÷1,0 к Гц, которые могут быть получены в преобразователях частоты, выполненных по схеме параллельного инвертора (Л.2. Приложение 2, стр.184 и 185). Однако для эффективного электромагнитного перемешивания металла массой в несколько тонн, частота электромагнитного поля существенно снижается и может составлять 50 Гц. Снижение выходной частоты преобразователя частоты, выполненного в соответствии с прототипом, приводит к существенному увеличению индуктивности входного дросселя и емкости коммутирующего конденсатора, что приводит к существенному возрастанию габаритов и массы оборудования преобразователя.
Таким образом, выявленные при патентном поиске аналог и прототип заявленного устройства не обеспечивают заявленного технического результата, заключающегося в возможности независимого поочередного формирования в активно-индуктивной нагрузке-индукторе высокочастотного или низкочастотного тока.
Предлагаемая полезная модель - преобразователь частоты для индукционного нагрева решает задачу создания устройства, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности независимого поочередного формирования в активно-индуктивной нагрузке-индукторе высокочастотного или низкочастотного тока.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в преобразователь частоты для индукционного нагрева металлов, содержащий входной дроссель и 4 первых управляемых вентиля, соединенных по схеме
вентильного моста, имеющего первую диагональ постоянного тока для подсоединения к источнику питания постоянного напряжения и вторую диагональ переменного тока, к которой подсоединена активно-индуктивная нагрузка-индуктор, зашунтированная компенсирующим конденсатором, введены 4 дополнительных полностью управляемых вентиля, при этом каждый дополнительный полностью управляемый вентиль подсоединен встречно-параллельно одному из первых четырех управляемых вентилей, которые также выполнены полностью управляемыми, а первая диагональ вентильного моста подсоединена к источнику питания переменного напряжения.
Заявленный технический результат, т.е. поочередное формирование в нагрузке-индукторе токов высокой или низкой частоты при осуществлении предложенного преобразователя частоты достигается следующим образом. Полностью управляемые вентили первой и второй групп могут работать в двух режимах: первый режим - это режим формирования тока высокой частоты в нагрузке-индукторе; второй режим - это режим формирования тока низкой частоты в нагрузке-индукторе.
В первом режиме в первом полупериоде частоты питающего переменного напряжения многократно открываются и закрываются первые противофазные полностью управляемые вентили, для которых в этом полупериоде обеспечивается прямое напряжение. В первом режиме во втором полупериоде частоты питающего переменного напряжения многократно открываются и закрываются вторые противофазные полностью управляемые вентили, для которых в этом полупериоде обеспечивается прямое напряжение. Таким образом, в этом режиме в оба полу периода частоты питающего переменного напряжения через нагрузку-индуктор протекает ток высокой частоты.
Во втором режиме в первом полупериоде частоты питающего переменного напряжения однократно открываются первые синфазные полностью управляемые вентили, для которых в этом полупериоде обеспечивается прямое напряжение. Во втором режиме во втором полупериоде частоты питающего переменного напряжения однократно открываются вторые встречно параллельно включенные первым синфазные полностью управляемые вентили, для которых в этом полупериоде обеспечивается прямое напряжение. Таким образом, в этом режиме в оба полупериода частоты питающего переменного напряжения через нагрузку-индуктор протекает ток низкой частоты, равной частоте питающего переменного напряжения.
На фиг. приведена электрическая схема предлагаемого преобразователя частоты, который содержит четыре первых полностью управляемых вентиля 1, 2, 3, 4, соединенных по схеме вентильного моста, имеющего первую диагональ постоянного тока для подсоединения к источнику питания постоянного напряжения и вторую диагональ переменного тока для подсоединения активно-индуктивной нагрузки -индуктора 11, 12, четыре вторых полностью управляемых вентиля 5, 6, 7, 8,
каждый из которых подсоединен встречно-параллельно к одному из четырех первых полностью управляемых вентилей 1, 2, 3, 4, при этом первая диагональ вентильного моста подсоединена к источнику питания 9, 10 переменного напряжения через входной дроссель 14, а к второй диагонали этого моста подсоединена активно-индуктивная нагрузка - индуктор 11, 12, зашунтированная конденсатором 13.
Схема преобразователя может работать в двух режимах. Первый режим - это режим формирования в активно-индуктивной нагрузке-индукторе 11, 12 тока высокой частоты, второй режим - это режим формирования в активно-индуктивной нагрузке-индукторе 11, 12 тока низкой частоты.
В первом режиме в первом полупериоде низкой частоты питающего переменного напряжения 9, 10 при положительном напряжении многократно открываются и закрываются противофазные полностью управляемые вентили, например 1, 4 и 2, 3, со сдвигом в половину периода высокой частоты аналогично тому, как это происходит в схеме параллельного инвертора. Так, например, в первый полупериод низкой частоты питающего переменного напряжения при полярности питающего переменного напряжения 9, 10, обозначенной на фиг.знаками «+-», вначале открываются например, вентили 1, 4, и ток протекает по контуру 9-14-1-11, 12, 13-4-10, а конденсатор 13 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена верхними знаками «+-», затем открываются вентили 2, 3 и ток протекает по контуру 9-14-2-12, 11, 13-3-10, при этом вентили 1, 4 закрываются, а конденсатор 13 перезаряжается до напряжения, полярность которого обозначена верхними знаками «(-)(+)», затем снова открываются вентили 1, 4, затем 2, 3 и так несколько раз до конца полупериода низкой частоты питающего переменного напряжения. Количество открываний и закрываний вентилей 1, 4 и 2, 3 в течение первого полупериода низкой частоты питающего переменного напряжения зависит от того, во сколько раз частота высокочастотного тока выше частоты низкочастотного тока, определяемой частотой питающего переменного напряжения. Во втором полупериоде низкой частоты питающего переменного напряжения 9, 10 при смене полярности этого напряжения многократно открываются и закрываются противофазные полностью управляемые вентили 7, 6 и 8, 5 аналогично тому, как это происходит в первом полупериоде низкой частоты питающего переменного напряжения 9, 10. При полярности питающего переменного напряжения 9, 10 обозначенной на фиг. знаками «(-)(+), вначале открываются, например, вентили 7, 6 и ток протекает по контуру: 10-7-11, 12, 13-6-14-9, а конденсатор 13 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена нижними знаками «+-», затем открываются вентили 8, 5 и ток протекает по контуру 10-8-12, 11, 13-5-14-9, при этом вентили 7, 6 закрываются, а конденсатор 13 перезаряжается до напряжения, полярность которого обозначена нижними знаками «(-)(+). После этого вновь открываются вентили 7, 6, затем 8, 5 и т.д. до конца второго полупериода низкой частоты питающего переменного напряжения 9, 10. Далее электромагнитные процессы повторяются. Таким образом, в нагрузке-
индукторе 11, 12 формируется ток высокой частоты, определяемой частотой открываний и закрываний противофазных вентилей сначала 1, 4 и 2, 3, а затем 7, 6 и 8, 5, при этом частота этих открываний и закрываний равна собственной частоте высокочастотного колебательного контура 11, 12, 13.
Во втором режиме в первом полупериоде низкой частоты питающего переменного напряжения 9, 10 при полярности, обозначенной знаками «+-» однократно открываются полностью управляемые вентили, например, 1, 4 и ток протекает по контуру: 9-14-1-11, 12, 13-4-10. Во втором полупериоде низкой частоты питающего напряжения 9, 10 при смене полярности этого напряжения, обозначенной знаками «(-)(+)», однократно открываются полностью управляемые вентили 8, 5 и ток протекает по контуру: 10-8-12, 11, 13-5-14-9. Таким образом, в нагрузке-индукторе 11, 12 формируется ток низкой частоты, определяемой частотой питающего переменного напряжения 9, 10. Следовательно, изменяя режим управления полностью управляемыми вентилями 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, можно поочередно формировать в нагрузке-индукторе 11. 12, либо ток высокой частоты, либо ток низкой частоты. Длительность существования того или иного режима (высокой или низкой частоты тока) определяется видом металла (сплава), массой металла и заданным технологическим процессом.
Таким образом, если ввести в схему параллельного инвертора 4 дополнительных управляемых вентиля и подсоединить полученный вентильный мост к питающему источнику переменного напряжения, а все вентили выполнить полностью управляемыми можно достичь заявленный технический результат, т.е. обеспечить поочередное формирование в нагрузке-индукторе 11, 12 тока высокой и низкой частоты, без переключении в силовых целях. Для увеличения эффективности электромагнитного перемешивания металлического расплава можно использовать «m» преобразователей выполненных в соответствии с фиг. и включить нагрузки-индукторы этих преобразователей по m-фазной схеме, например по 3-х фазной схеме.