ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА НА ОСНОВЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО МОСТОВОГО РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА

Предлагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для индукционного нагрева и плавки металла.
Техническим результатом является генерирование преобразовательным устройством высокочастотного однофазного электромагнитного поля на этапе расплавления металла и генерирование тем же самым преобразовательным устройством двухчастотного двухфазного электромагнитного поля на этапе электромагнитного перемешивания расплавленного металла и его подогрева, а также упрощение и снижение потерь.
Известно применение для индукционного нагрева металлов электромагнитного поля, генерируемого промышленной сетью 50 Гц (Л.1 Вайнберг A.M. Индукционные печи. М.: Энергия, 1967 г.) и тиристорных преобразователей повышенной частоты (Л.2 Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е.И.Беркович и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983), что является аналогами предлагаемому изобретению. Оба упомянутых аналога позволяют генерировать лишь одночастотное электромагнитное поле. В то же время известно, что при плавке металла в одночастотном электромагнитном поле металл под действием электромагнитных сил движется по двум контурам в верхней и нижней частях индуктора, что улучшает качество металла, но не достаточно эффективно. Для повышения эффективности нагрева, плавления и улучшения качества металла необходимо многофазное двухчастотное поле, что обеспечивает один общий контур перемешивания металла (Л.3 Приложение 1 Шамов А.Н. и др. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л.: «Машиностроение», (Ленингр. отд-ние), 1974, стр.45, рис.22 стр.46).
d
В Л. 1 для этого предлагается использовать два генератора. Для нагрева металла использовать высокочастотный генератор, а для электромагнитного перемешивания - низкочастотный трехфазный генератор. Однако это требует в течение электротехнологического процесса плавления металла переключений в силовых цепях, что усложняет и удорожает нагревательное оборудование. Таким образом, аналоги предлагаемому изобретению не позволяют достичь заявленного технического результата, т.е. генерировать одним преобразовательным устройством высокочастотное однофазное электромагнитное поле на этапе расплавления металла и генерировать тем же самым преобразовательным устройством двухчастотное двухфазное электромагнитное поле на этапе электромагнитного перемешивания расплавленного металла и его подогрева, а также упрощение и снижение потерь. Поэтому в качестве прототипа выбран параллельный мостовой резонансный инвертор (Л. 2, Приложение 2, стр.16, рис.2.1, стр.30, 31, 32, рис.2.10) На упомянутом рис.2.1 изображен не параллельный резонансный инвертор, а параллельный инвертор тока, но на стр.30, 31 и 32 в Л.2 отмечается, что при изменении параметров параллельного инвертора тока, а именно при уменьшении индуктивности входного дросселя L, параллельный инвертор тока превращается в параллельный резонансный инвертор, в котором ток управляемых вентилей изменяется по колебательному закону и поэтому имеет место режим естественного выключения управляемых вентилей (в данном случае однооперационных тиристоров). В предлагаемом изобретении выбран именно резонансный режим работы прототипа, т.е. уменьшена индуктивность входного дросселя. Кроме того, упомянутая индуктивность выполнена из четырех частей, каждая из которых включена последовательно с одним из четырех тиристоров, при этом режим естественного выключения тиристоров сохраняется. Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного выше упомянутого технического результата.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания преобразовательного устройства на основе параллельного мостового резонансного инвертора, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности генерирования одним преобразовательным устройством высокочастотного однофазного электромагнитного поля на этапе расплавления металла и генерирования тем же самым преобразовательным устройством двухчастотного двухфазного электромагнитного поля на этапе электромагнитного перемешивания расплавленного металла и его подогрева, а также упрощения и снижения потерь.
Сущность предлагаемой полезной модели - преобразовательного устройства для индукционного нагрева - заключается в том, что к первому вентильному мосту, состоящему из четырех управляемых вентилей, четырех дросселей колебательного контура, конденсатора и индуктора, дополнительно введен аналогичный второй вентильный мост, при этом два индуктора двух вентильных мостов объединены в один двухобмоточный индуктор, содержащий две полуобмотки первую и вторую, каждая из которых соединена с одним из конденсаторов двух вентильных мостов и выполнена из двух частей, последовательно соединенных между собой, при этом части первой и второй полуобмоток расположены на поверхности тигля индуктора с чередованием частей первой и второй полуобмоток.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает достижение заявленного технического результата.
На фиг.1 приведено предлагаемое устройство для индукционного нагрева на основе параллельного мостового резонансного инвертора, которое содержит источник постоянного напряжения, два вентильных моста, два конденсатора 9, 20, двухобмоточный индуктор и тигель 23, при этом первый вентильный мост состоит из четырех управляемых вентилей 1, 2, 3, 4, а второй вентильный мост состоит из четырех управляемых вентилей 12, 13, 14, 15, при этом последовательно с каждым из управляемых вентилей первого и второго вентильных мостов 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 соединены соответственно части дросселя колебательного контура 5, 6, 7, 8 и 16, 17, 18, 19, при этом оба упомянутые вентильные мосты имеют диагонали постоянного и диагонали переменного тока, при этом диагонали постоянного тока обоих вентильных мостов подсоединены к источнику постоянного напряжения с такой полярностью, чтобы управляемые вентили 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 были включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом к диагоналям переменного тока первого вентильного моста подсоединен первый конденсатор 9, а к диагоналям переменного тока второго вентильного моста подсоединен второй конденсатор 20, при этом параллельно первому конденсатору 9 подсоединена первая полуобмотка индуктора 10-11, которая состоит из двух последовательно соединенных частей 10 и 11, при этом параллельно второму конденсатору 20 подсоединена вторая полуобмотка индуктора 21-22, которая состоит из двух последовательно соединенных частей 21 и 22, при этом упомянутые части полуобмоток 10, 11 и 21, 22 на боковой поверхности тигля 23 двухобмоточного индуктора 10-21-11-22 начиная с верха этого индуктора расположены вдоль оси упомянутого двухобмоточного индуктора перпендикулярно этой оси в следующем порядке: первая часть 10 первой полуобмотки 10-11, первая часть 21 второй полуобмотки 21-22, вторая часть 11 первой полуобмотки 10-11, вторая часть 22 второй полуобмотки 21-22.
Устройство работает следующим образом, при этом работа устройства состоит из двух режимов. В первом режиме, оптимальном для расплавления шихты тигля 23 формируют высокочастотное однофазное электромагнитное поле, при этом синхронно отпирают со сдвигом в 180° эл. по высокой частоте противофазные вентили 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 двух параллельных вентильных мостов, что обеспечивает максимально возможную мощность двух упомянутых вентильных мостов и быстрое расплавление шихты, находящейся в тигле 23 индуктора. Во втором режиме для подогрева шихты и оптимального электромагнитного перемешивания формируют с помощью вентилей 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 двухчастотное двухфазное электромагнитное поле, для этого сначала многократно открывают и закрывают каждый вентиль одной фазы в первом вентильном мосту, например, вентили 1, 4, затем многократно открывают и закрывают каждый вентиль другой фазы в этом же вентильном мосту, а именно вентили 2, 3, при этом формируют низкочастотное электромагнитное поле с модуляцией по высокой частоте, причем во втором вентильном мосту с помощью вентилей 12, 15 и 13, 14 также подобным образом формируют низкочастотное электромагнитное поле с модуляцией по высокой частоте, сдвинутое на 90° эл. по низкой частоте по отношению к первому вентильному мосту.
Рассмотрим более детально работу устройства в двух упомянутых режимах.
1-й режим. При заданной частоте высокочастотной составляющей электромагнитного поля и заданных параметрах индуктора 10-21-11-22, что определяется типом шихты и ее размерами, конденсаторы 9 и 20, а также дроссели 5, 6, 7, 8 и 16, 17, 18, 19 обоих вентильных мостов выбираются такими, чтобы оба вентильных моста работали в колебательном режиме с примерно синусоидальной формой тока, протекающего через вентили, который обеспечивает естественное выключение управляемых вентилей, в качестве которых использованы однооперационные тиристоры, которые как известно, дешевле двухоперационных тиристоров и транзисторов с одинаковой установленной мощностью. При указанных выше условиях при отпирании управляемых вентилей 1, 4 первого вентильного моста и управляемых вентилей 13, 14 второго вентильного моста, ток, близкий к синусоидальному, протекает в первом вентильном мосту по контурам «+» - 1-5<>8-4 - «-», а во втором вентильном мосту - по контурам «+» - 13-17<>18-14 - «-», при этом примерно через полпериода заданной частоты оба упомянутых тока подходят к нулевому значению, а конденсаторы 9 и 20 первого и второго вентильных мостов заряжаются до напряжения, полярность которого показана на фиг.1 знаками «+» - «-» (конденсатор 9) и «-» - «+» (конденсатор 20), что и обеспечивает естественное выключение управляемых вентилей 1, 4 и 13, 14. На этом синхронно в первом и втором вентильных мостах заканчивается первый полупериод тока заданной частоты и формирование первого полупериода электромагнитного поля в шихте тигля 23 индуктора, при этом части полуобмоток 11, 10 и 22, 21 индуктора формируют одинаковое электромагнитное поле, условно направленное сверху вниз. При отпирании управляемых вентилей 2, 3 первого вентильного моста и управляемых вентилей 12, 15 второго вентильного моста, ток близкий к синусоидальному, протекает в первом вентильном мосту по контурам «+» - 2-6<>-7-3 - «-», а во втором вентильном мосту - по контурам «+» - 12-16<>19-15 - «-», в остальном процессы повторяются, при этом конденсаторы 9 и 20 перезаряжаются соответственно до напряжения противоположной полярности (-)-(+) и (+)-(-), при этом синхронно в первом и втором вентильных мостах заканчивается второй полупериод тока заданной частоты и формирование второго полупериода электромагнитного поля в шихте тигля 23 индуктора, при этом части обмоток 10, 11 и 21, 22 индуктора формируют одинаковое электромагнитное поле, условно направленное снизу вверх. При этом заканчивается полный период тока в вентильных мостах и формирование полного периода высокочастотного однофазного электромагнитного поля, которое обеспечивает интенсивный нагрев шихты в тигле 23 индуктора. Затем снова отпираются управляемые вентили 1, 4 и 13, 14 и процессы полностью повторяются. Поскольку в этом режиме не формируют низкочастотное электромагнитное поле, необходимое для электромагнитного перемешивания, вся установленная мощность двух вентильных мостов обеспечивает интенсивный нагрев шихты в тигле 23 индуктора без затрат электроэнергии на электромагнитное перемешивание, что обеспечивает максимальную мощность для нагрева шихты в тигле 23 при максимальном коэффициенте полезного действия и минимальных потерях, что в свою очередь обеспечивает минимальный удельный расход электроэнергии на расплавление шихты в первом режиме. При этом попеременное размещение на поверхности тигля 23 индуктора частей 10, 11 и 21, 22 первой и второй полуобмоток индуктора обеспечивает наиболее оптимальный режим работы первого и второго вентильных мостов, т.к. эквивалентное сопротивление полуобмоток 10-11 и 21-22 примерно равны, по сравнению с расположением частей полуобмоток индуктора, например, в порядке 10, 11, 21, 22.
вч
нч
2-й режим. В этом режиме формируют двухчастотное двухфазное электромагнитное поле, высокочастотная составляющая которого предназначена для подогрева расплавленного металла, а низкочастотная составляющая электромагнитного поля предназначена для электромагнитного перемешивания упомянутого металла. Для эффективного электромагнитного перемешивания необходимо задать частоту низкочастотной составляющей двухчастотного электромагнитного поля, которая определяется типом расплавленного металла и его массой, а также размерами тигля 23 индуктора. Для проведения второго режима сначала многократно открывают и закрывают вентили 1, 4 одной фазы первого вентильного моста, при этом, во-первых, система управления обеспечивает только отпирание указанных вентилей 1, 4, а закрываются они путем естественной коммутации, как отмечено выше, во-вторых, число отпираний и запираний вентилей 1, 4 одной фазы определяется соотношением частот высокочастотной f и низкочастотной f составляющих. Так, если , то отпирание и запирание указанных управляемых вентилей 1, 4 производится два раза, , то - четыре раза и т.д. Допустим, что вентили 1, 4 отпираются четыре раза. При первом отпирании вентилей 1, 4 первого вентильного моста, ток протекает по следующим контурам «+» - 1-5<>8-4 - «-», одновременно с упомянутыми вентилями отпираются управляемыми вентилями 12, 15 второго вентильного моста и ток протекает по контурам «+» - 12-16<>19-15 - «-», при этом управляемые вентили 1, 4 и 12, 15 запираются путем естественной коммутации, конденсатор 9 заряжается до напряжения с полярностью указанной на фиг.1 знаками «+» - «-», а конденсатор 20 заряжается до напряжения, полярность которого указана на фиг.1 знаками (+) - (-), при этом электромагнитное поле условно направлено от частей 11, 10 полуобмоток индуктора сверху вниз, а от частей 21, 22 полуобмоток индуктора - снизу вверх. После этого снова должны отпираться управляемые вентили 1, 4 первого моста и управляемые вентили 12, 15 второго моста. Однако они не могут открываться, т.к. напряжение на конденсаторах 9 и 20 направлено встречно по отношению к полярности напряжения источника питания постоянного напряжения, при этом напряжение на конденсаторах 9 и 20 в соответствии с принятым колебательным режимом больше напряжения источника постоянного напряжения. Поэтому отпирание управляемых вентилей 1, 4 и 12, 15 осуществляется с интервалом задержки, который необходим для того, чтобы конденсаторы перезарядились по следующим контурам: конденсатор 9 по контуру 9-11-10-9 перезарядится до напряжения, полярность которого обозначена на фиг.1 знаками (-)-(+), а конденсатор 20 по контуру 20-21-22-20 перезарядится до напряжения, полярность которого обозначена знаками «-» - «+».
После этого повторно во второй раз отпираются управляемые вентили 1, 4 первого моста и управляемые вентили 12, 15 второго вентильного моста, при этом электромагнитные процессы полностью повторяются. Далее повторно в третий раз отпираются управляемые вентили 1, 4 первого вентильного моста и процессы полностью повторяются, а во втором вентильном мосту одновременно в первый раз отпираются управляемые вентили 13, 14 и ток протекает по контурам «+» -13-17<>18-14 - «-», при этом конденсатор 20 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена знаками «-» - «+», при этом электромагнитное поле условно направлено сверху вниз, так же как и от протекания тока вентилей первого моста. Затем конденсатор 20 перезаряжается до напряжения, полярность которого обозначена знаками (+) - (-). Затем повторно в четвертый раз отпираются управляемые вентили 1, 4 первого моста и процессы полностью повторяются, а во втором мосту повторно во второй раз отпираются управляемые вентили 13, 14 второго моста и процессы полностью повторяются. После этого в первый раз отпираются управляемые вентили 2, 3 первого моста и ток протекает по контурам «+» - 2-6<>7-3 - «-», при этом конденсатор 9 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена знаками (-) - (+) и перезаряжается по контуру 9 - 10 - 11 - 9 до напряжения, полярность которого обозначена знаками «+» - «-». Одновременно в третий раз отпираются управляемые вентили 13, 14 во втором мосту и процессы полностью повторяются, затем в первом мосту во второй раз отпираются управляемые вентили 2, 3, а во втором мосту одновременно в четвертый раз отпираются управляемые вентили 13, 14, при этом процессы полностью повторяются и и.д. и т.д. Выше приведенное рассмотрение электромагнитных процессов позволяет получить полную временную диаграмму работы всех управляемых вентилей первого и второго вентильных мостов, которая приведена в виде следующих друг за другом вентильных токов на фиг.2 с указанием номеров вентилей. Из этой диаграммы следует, что ток управляемых вентилей 1, 4 и 2, 3 первого моста имеет высокочастотную составляющую за счет неоднократного (четырехкратного) отпирания и запирания сначала управляемых вентилей 1, 4, а затем неоднократного (четырехкратного) отпирания и запирания противофазных управляемых вентилей 2, 3, а также низкочастотную составляющую тока, частота которой в четыре раза меньше частоты высокочастотной составляющей, при этом следует отметить, что ток упомянутых управляемых вентилей 1, 4, 2, 3 есть ток частей 10, 11 первой полуобмотки индуктора. Аналогична диаграмма токов управляемых вентилей 12, 15, 13, 14 второго вентильного моста, при этом ток упомянутых управляемых вентилей 12, 15, 13, 14 есть ток частей 21, 22 второй полуобмотки индуктора. Из временной диаграммы токов первого и второго мостов следует, что низкочастотная составляющая тока второго вентильного моста отстает на 90° эл. от низкочастотной составляющей тока первого вентильного моста, т.е. низкочастотные составляющие токов первого и второго мостов образуют двухчастотную двухфазную систему токов, которая формирует двухчастотное двухфазное электромагнитное поле, обеспечивающее интенсивное одноконтурное электромагнитное перемешивание расплавленного металла и его подогрев, т.е. достигается заявленный технический результат.
В заключение следует заметить:
1. Если в режиме генерирования двухчастотного двухфазного электромагнитного поля при отпирании очередной пары противофазных управляемых вентилей, например, отпирании управляемых вентилей 2, 3 после работы управляемых вентилей 1, 4 первого вентильного моста, напряжение на конденсаторе 9 будет препятствовать отпиранию управляемых вентилей 2, 3, интервал сдвига момента отпирания вентилей 2, 3 может быть увеличен с одного полупериода высокой частоты, как это показано на фиг.2, например до трех или пяти полупериодов высокой частоты, когда конденсатор 9 полностью разрядится и не будет препятствовать протеканию тока через вентили 2, 3. Аналогичная ситуация может иметь место и при отпирании других противофазных вентилей, а именно при отпирании вентилей 1, 4 после работы вентилей 2, 3, при отпирании вентилей 13, 14 после работы вентилей 12, 15, а также при отпирании вентилей 12, 15 после работы вентилей 13, 14. Поскольку частота электромагнитного перемешивания значительно ниже (в десятки раз) частоты индукционного нагрева шихты, этот сдвиг не повлияет существенно на форму низкочастотной составляющей тока и электромагнитного поля. Следует также заметить, что напряжение, например, на конденсаторе 9 после протекания тока вентилей 1, 4, обозначенное на фиг.1 знаками «+» - «-», в колебательном режиме должно быть обязательно больше напряжения источника питания, однако напряжение на этом же конденсаторе 9, обозначенное после перезаряда по контуру 9-11-10-9 знаками (-) - (+), не обязательно должно быть больше напряжения источника питания, т.к. перезаряд происходит с затуханием. Поэтому выше описанная ситуация лишь вероятна, но не обязательна и зависит от параметров цепи колебательного контура преобразовательного устройства.
2. Регулирование процесса подогрева металла и его электромагнитного перемешивания можно осуществлять двумя способами.
НЧ
1-й способ: изменение f с одновременным изменением количества высокочастотных импульсов тока в каждом полупериоде низкой частоты при сохранении режима работы вентилей «импульс тока - пауза, импульс тока - пауза», как это показано на фиг.2, где длительность импульса высокочастотного тока и паузы равны.
нч
2-й способ: уменьшение количества высокочастотных импульсов тока в каждом полупериоде низкой частоты при неизменном значении f за счет изменения длительности паузы между высокочастотными импульсами тока
3. При определении оптимальной формы напряжения на управляемых вентилях часть дросселей колебательных контуров первого и второго вентильных мостов может быть вынесена из плечей, последовательно соединенных с управляемыми вентилями, и включена последовательно с вентильными мостами.
4. При резко неравномерной структуре шихты по оси тигля 23 индуктора в ряде случаев более оптимальным с точки зрения устойчивой работы вентильных мостов расположение частей полуобмоток индуктора по длине тигля 23 начиная сверху в порядке 10, 21, 22, 11 может оказаться более оптимальным.
5. При использовании однооперационных тиристоров предлагаемое преобразовательное устройство и способ его управления могут быть реализованы на основе нулевого параллельного резонансного инвертора, а также параллельного резонансного инвертора с нулевым выводом источника питания.
6. При использовании полностью управляемых вентилей - транзисторов или двухоперационных тиристоров предлагаемое преобразовательное устройство для индукционного нагрева и способ его управления могут быть реализованы на основе параллельного мостового инвертора тока.
7. Для защиты источника постоянного напряжения от высших гармоник при работе преобразовательного устройства на входе преобразовательного устройства может быть включен фильтровый конденсатор.