ДВУХЧАСТОТНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
DOUBLE-FREQUENCY RESONANT CONVERSION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металла.
Известны преобразовательные устройства, применяемые для различных целей, параллельного типа, когда нагрузка и коммутирующий конденсатор соединяются параллельно, и последовательного типа, когда нагрузка и коммутирующий конденсатор соединяются последовательно (Л1, Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника». М.: «Высшая школа», 1974). Эти преобразователи являются аналогами предлагаемого изобретения.
Известно также, что при индукционном нагреве и плавке металла с увеличением массы металла увеличивается мощность преобразовательных устройств и снижается их выходная частота (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), при этом в диапазоне 500÷1000 Гц наиболее часто применяется параллельный инвертор как наиболее экономичный на этих частотах, остальные же преобразовательные устройства в этом диапазоне частот имеют повышенную массу и габариты. Поэтому в качестве прототипа выбран наиболее часто применяемый мостовой параллельный инвертор тока (Приложение 1, Л.2. стр.16, рис.2.1).
Известно, что интенсивность индукционного нагрева возрастает с увеличением частоты электромагнитного поля (Л.З, Шамов A.M., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп.и перераб. Л.: «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1974, 280 с.).
Однако при индукционном нагреве массивных деталей в одночастотном электромагнитном поле этот фактор не удается использовать полностью, т.к. с увеличением частоты электромагнитного поля уменьшается глубина проникновения этого поля в деталь и увеличивается неравномерность нагрева детали. Для повышения равномерности нагрева массивных деталей целесообразно применение двухчастотного электромагнитного поля, при этом высокочастотная составляющая поля увеличивает интенсивность индукционного нагрева, а низкочастотная составляющая поля увеличивает равномерность индукционного нагрева, в частности обеспечивает нагрев глубинных слоев металла.
Известно также, что при плавке металла 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 по оси индуктора снизу вверх, т.е. создается два контура циркуляции. В результате этого движения происходит перемешивание жидкого металла, что улучшает его качество. Однако при двух контурах циркуляции перемешивание металла не эффективно. Для повышения эффективности электромагнитного перемешивания необходимо многофазное низкочастотное электромагнитное поле, а для повышения эффективности индукционного нагрева необходимо высокочастотное электромагнитное поле [Л. 3]. Таким образом, для повышения эффективности индукционного нагрева и плавки металла необходимо применение двухчастотного электромагнитного поля.
В Л. 4 предлагается для этого использовать два генератора - один высокочастотный, а второй низкочастотный трехфазный (Л. 4. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967). Однако это увеличивает установленную мощность нагревательного оборудования и требует в течение электротехнологического процесса переключений в силовых цепях.
Таким образом, аналоги и прототип имеют недостаток, который заключается в том, что они не могут генерировать одновременно высокочастотное электромагнитное поле и 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 низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания двухчастотного преобразовательного устройства для индукционного нагрева, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности одновременного генерирования высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее источник постоянного напряжения, первый и второй дроссели, первый управляемый вентиль, первую обмотку нагрузки-индуктора и первый конденсатор, при этом с первым полюсом источника постоянного напряжения соединен первый вывод первого дросселя, второй вывод которого соединен с первым выводом первого управляемого вентиля, второй вывод которого соединен с соединенными между собой первыми выводами первого конденсатора и первой обмотки нагрузки-индуктора, вторые выводы которых также соединены между собой, дополнительно введены третий и четвертый дроссели, второй управляемый вентиль, вторая обмотка нагрузки-индуктора, второй конденсатор, а также первый и второй диоды, при этом со вторым выводом первого дросселя соединены первые выводы третьего и четвертого дросселей, при этом второй вывод третьего дросселя соединен с первым выводом первого управляемого вентиля, а второй вывод четвертого дросселя соединен с первыми выводом второго управляемого вентиля, второй вывод которого соединен с соединенными между собой первыми выводами второго конденсатора и второй обмотки нагрузки-индуктора, вторые выводы которых соединены между собой и подсоединены к вторым выводам первого конденсатора и первой обмотки нагрузки-индуктора, а также подсоединены к первому выводу второго дросселя, второй вывод которого соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом первый и второй диоды подсоединены параллельно соответственно первому и второму управляемым вентилям, при этом управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, а диоды включены в обратном направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом первая и вторая обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой.
Заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение - достигается следующим образом. Наличие двух управляемых вентилей, обеспечивающих питание первой и второй обмоток нагрузки-индуктора, позволяет, применяя предложенный алгоритм управления управляемыми вентилями, а именно вначале несколько раз отпирается и запирается первый управляемый вентиль, при этом в колебательном режиме первый конденсатор при отпирании первого управляемого вентиля заряжается, обеспечивая запирание этого вентиля, а затем перезаряжается на первую обмотку нагрузки-индуктора, отдавая избыточную энергию в питающий источник постоянного напряжения через первый встречный диод и первый, второй и третий дроссели, формировать в первой обмотке нагрузки-индуктора несколько высокочастотных периодов электромагнитного поля и один (например, положительный) полупериод низкочастотного электромагнитного поля, затем столько же раз отпирается второй управляемый вентиль, при этом по аналогии с работой первого управляемого вентиля во второй обмотке нагрузки-индуктора также формируется столько же высокочастотных периодов электромагнитного поля и второй (отрицательный) полупериод низкочастотного электромагнитного поля. Таким образом, заявленное двухчастотное резонансное преобразовательное устройство обеспечивает достижение заявленного технического результата -одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей при индукционном нагреве массивных деталей.
В ряде случаев при индукционном нагреве и плавке металлов для их электромагнитного перемешивания, что повышает качество металлов и сплавов, предлагается формировать многофазное низкочастотное электромагнитное поле за счет применения двух или трех описанных выше резонансных преобразовательных устройств, назовем их преобразовательными блоками, и формирование в каждом из них низкочастотной составляющей с фазовым сдвигом либо на 90° эл. (в этом случае формируется двухфазное низкочастотное электромагнитное поле), либо на 120° эл. (в этом случае формируется трехфазное низкочастотное электромагнитное поле). Таким образом, в этих устройствах формируется одновременно и высокочастотное электромагнитное поле, и низкочастотное многофазное электромагнитное поле, что, в целом, позволяет увеличить эффективность индукционного нагрева и повысить качество металлов и сплавов.
На фиг.1, 2 и 3 показаны варианты предложенных двухчастотных резонансных преобразовательных устройств.
Преобразовательное устройство, приведенное на фиг.1, содержит источник постоянного напряжения, первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 дроссели, первый 5 и второй 6 управляемые вентили, первый 7 и второй 8 встречные диоды, первую 9 и вторую 10 обмотки нагрузки-индуктора, а также первый 11 и второй 12 конденсаторы, при этом с первым полюсом источника постоянного напряжения соединен первый вывод первого дросселя 1, второй вывод которого соединен с первыми выводами третьего 3 и четвертого 4 дросселей, вторые выводы которых соединены с первыми выводами первого 5 и второго 6 управляемых вентилей, второй вывод первого управляемого вентиля 5 соединен с соединенными между собой первыми выводами первого конденсатора 11 и первой обмотки нагрузки-индуктора 9, вторые выводы которых также соединены между собой и соединены с первым выводом второго дросселя 2, второй вывод которого соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом второй вывод второго управляемого вентиля 6 соединен с соединенными между собой первыми выводами второго конденсатора 12 и второй обмотки 10 нагрузки-индуктора, вторые выводы которых соединены между собой и подсоединены к вторым выводам первого конденсатора 11 и первой обмотки 9 нагрузки индуктора, при этом первый 7 и второй 8 диоды подсоединены параллельно соответственно первому 5 и второму 6 управляемым вентилям, при этом управляемые вентили 5 и 6 включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, а диоды 7 и 8 включены в обратном направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом первая 9 и вторая 10 обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой.
Резонансное преобразовательное устройство, приведенное на фиг.1, работает следующим образом. Параметры дросселей 1, 2, 3 и 4, конденсаторов 11 и 12 и нагрузочных обмоток 9 и 10 выбираются таким образом, чтобы при отпирании управляемого вентиля, например первого 5, имел место колебательный режим, при котором первый конденсатор 11 заряжается до напряжения большего, чем напряжение источника постоянного напряжения, а также чтобы собственная частота этого колебательного контура была равна частоте отпирания и запирания этого первого управляемого вентиля 5, при этом сказанное относится и ко второму управляемому вентилю 6.
При отпирании первого управляемого вентиля 5 ток, имеющий форму демпфированной синусоиды, протекает по контуру:
при этом первый конденсатор 11 заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.1 знаками «+», «-», а значение больше, чем напряжение источника постоянного напряжения, поэтому ток первого управляемого вентиля 5 подходит к нулю и вентиль 5 запирается. После этого первый конденсатор 11 перезаряжается в контуре 11 - 9 - 11 до напряжения, полярность которого показана на фиг 1 знаками «(-)», «(+)», при этом если в конденсаторе 11 имеет место избыточная энергия, не отданная первой обмотке 9 нагрузки-индуктора (это может быть при изменении параметров в процессе нагрева металла первой нагрузочной обмотки 9, схемой замещения которой является последовательная или параллельная RL-цепь [Л.2]), то эта избыточная энергия возвращается в источник постоянного напряжения по цепи: 11 - 7 - 3 - 1 - «+»-«-»-2 - 11.
Затем снова отпирается первый управляемый вентиль 5, при этом процессы повторяются, и так несколько раз. В результате этого в первой нагрузочной обмотке 9 нагрузки-индуктора формируется несколько высокочастотных периодов электромагнитного поля и один (например, положительный) полупериод низкочастотного электромагнитного поля. После этого отпирается второй управляемый вентиль 6, и происходят аналогичные описанным процессы. Ток, имеющий форму демпфированной синусоиды, протекает по контуру:
при этом второй конденсатор 12 заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.1 знаками «(-)», «(+)», а значение больше, чем напряжение источника постоянного напряжения, поэтому ток второго управляемого вентиля 6 подходит к нулю и вентиль 6 запирается. После этого второй конденсатор 12 в контуре 12 - 10 - 12 перезаряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.1 знаками «+», «-», при этом, если в конденсаторе 12 имеет место избыточная энергия, не отданная второй обмотке 10 нагрузки-индуктора, то эта избыточная энергия возвращается в источник постоянного напряжения по цепи: 12 - 8 - 4 - 1 - «+»-«-»-2 - 12. Затем снова отпирается второй управляемый вентиль 6 столько же раз, как и первый управляемый вентиль 5. В результате этого во второй нагрузочной обмотке 10 нагрузки-индуктора формируется столько же высокочастотных периодов электромагнитного поля, как и в первой обмотке 9 нагрузки-индуктора, и второй (отрицательный) полупериод низкочастотного электромагнитного поля. После этого снова отпирается первый управляемый вентиль 5 и процессы полностью повторяются. В результате этого в первой 9 и второй 10 обмотках нагрузки-индуктора формируется электромагнитное поле с высокочастотной и низкочастотной составляющими, при этом высокочастотная составляющая обеспечивает повышение эффективности индукционного нагрева, а низкочастотная составляющая обеспечивает индукционный нагрев глубинных слоев массивных деталей, т.е. повышает равномерность индукционного нагрева и тем самым повышает качество массивных деталей. Соотношение между частотами высокочастотной и низкочастотной составляющих определяется количеством высокочастотных периодов в одном низкочастотном полупериоде в соответствии с выражениями:
в
где f - частота высокочастотной составляющей электромагнитного поля;
н
f - частота низкочастотной составляющей электромагнитного поля;
n - коэффициент соотношения частот;
в
Т - период высокочастотной составляющей электромагнитного поля;
ив
t - длительность импульса тока высокочастотной составляющей электромагнитного поля;
пв
t - длительность паузы между импульсами высокочастотного тока;
н
Т - период низкочастотной составляющей электромагнитного поля.
Двухчастотное резонансное преобразовательное устройство, приведенное на фиг.2, кроме элементов, показанных на фиг.1, содержит дополнительно введенные пятый 13 и шестой 14 дроссели, третий 15 и четвертый 16 управляемые вентили, третий 17 и четвертый 18 диоды, третью 19 и четвертую 20 обмотки нагрузки-индуктора, а также третий 21 и четвертый 22 конденсаторы, при этом к второму выводу первого дросселя 1 подсоединены первые выводы пятого 13 и шестого 14 дросселей, при этом второй вывод пятого дросселя 13 соединен с первым выводом третьего управляемого вентиля 15, а второй вывод шестого дросселя 14 соединен с первым выводом четвертого управляемого вентиля 16, при этом второй вывод третьего управляемого вентиля 15 соединен с соединенными между собой первыми выводами третьего конденсатора 21 и третьей обмотки 19 нагрузки-индуктора, вторые выводы которых также соединены между собой и подсоединены к первому выводу второго дросселя 2, при этом второй вывод четвертого управляемого вентиля соединен с соединенными между собой первыми выводами четвертого конденсатора 22 и четвертой обмотки 20 нагрузки-индуктора, вторые выводы которых соединены между собой и подсоединены к первому выводу второго дросселя 2, при этом третий 17 и четвертый 18 диоды подсоединены параллельно соответственно третьему 15 и четвертому 16 управляемым вентилям, при этом третий 15 и четвертый 16 управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, а третий 17 и четвертый 18 диоды включены в обратном направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом третья 19 и четвертая 20 обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой и включены согласно с первой 9 и второй 10 обмотками нагрузки-индуктора, а также все обмотки 9, 10, 19 и 20 расположены соосно по длине индуктора.
Устройство работает следующим образом. Сначала несколько раз отпирается и запирается первый управляемый вентиль 5, процессы, происходящие при этом, описаны выше. Затем столько же раз отпирается и запирается управляемый вентиль 15, параметры дросселей 13, 14, конденсаторов 21, 22 и нагрузочных обмоток 19, 20 выбираются таким же образом, как описано выше. При отпирании третьего управляемого вентиля 15 ток, имеющий форму демпфированной синусоиды, протекает по контуру:
при этом третий конденсатор 21 заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.2 знаками «+», «-», а значение больше, чем напряжение источника постоянного напряжения, поэтому ток третьего управляемого вентиля 15 подходит к нулю, и вентиль 15 запирается. После этого третий конденсатор 21 перезаряжается в контуре 21 - 19 - 21 до напряжения, полярность которого показана на фиг.2 знаками «(-)», «(+)», при этом если в конденсаторе 21 имеет место избыточная энергия, не отданная третьей обмотке 19 нагрузки-индуктора, то эта избыточная энергия возвращается в источник постоянного напряжения по цепи 21 - 17 - 13 - 1 - «+»-«-»-2 - 21. Затем снова отпирается третий управляемый вентиль 15, при этом процессы повторяются, и так столько же раз, сколько отпирается первый управляемый вентиль 5. В результате этого в третьей обмотке 19 нагрузки-индуктора формируется несколько высокочастотных периодов электромагнитного поля и один (положительный) полупериод низкочастотного электромагнитного поля. После этого столько же раз отпирается и запирается второй управляемый вентиль 6, процессы, происходящие при этом, описаны выше. Затем столько же раз отпирается и запирается четвертый управляемый вентиль 16. При отпирании четвертого управляемого вентиля 16 ток, имеющий форму демпфированной синусоиды, протекает по контуру:
при этом четвертый конденсатор 22 заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.2 «(-)», «(+)», а значение больше, чем напряжение источника постоянного напряжения, поэтому ток четвертого управляемого вентиля 16 подходит к нулю, и вентиль 16 запирается. После этого четвертый конденсатор 22 перезаряжается в контуре 22 - 20 - 22 до напряжения, полярность которого показана на фиг.2 знаками «+», «-», при этом если в конденсаторе 22 имеет место избыточная энергия, не отданная четвертой обмотке 20 нагрузки-индуктора, то эта избыточная энергия возвращается в источник постоянного напряжения по цепи: 22 - 18 - 14 - 1 - «+»-«-»-2 - 22. Затем снова отпирается четвертый управляемый вентиль 16, при этом процессы повторяются, и так столько же раз, сколько отпирался первый управляемый вентиль 5. В результате этого в четвертой обмотке 20 нагрузки-индуктора формируется несколько высокочастотных периодов электромагнитного поля и второй (отрицательный) полупериод низкочастотного электромагнитного поля. Таким образом, в первой 9 и второй 10 обмотках нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля и низкочастотная составляющая электромагнитного поля. Точно так же в третьей 19 и четвертой 20 обмотках нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного и низкочастотная составляющая электромагнитного поля. Но низкочастотная составляющая электромагнитного поля в обмотках 19, 20 нагрузки-индуктора сдвинута по фазе в сторону отставания на 90° эл. по отношению к низкочастотной составляющей электромагнитного поля в обмотках 9, 10 нагрузки-индуктора, т.е. в целом в обмотках 9, 120, 19, 20 нагрузки-индуктора формируется одновременно высокочастотное электромагнитное поле, которое обеспечивает эффективный индукционный нагрев, и двухфазное низкочастотное электромагнитное поле, которое обеспечивает эффективное электромагнитное перемешивание жидкого расплавленного металла. Соотношение частот высокочастотного и низкочастотного электромагнитного поля определяется по аналогии с вышеописанным.
Двухчастотное резонансное преобразовательное устройство, приведенное на фиг.3, кроме элементов, показанных на фиг.2, содержит дополнительно введенные седьмой 23 и восьмой 24 дроссели, пятый 25 и шестой 26 управляемые вентили, пятый 27 и шестой 28 диоды, пятую 29 и шестую 30 обмотки нагрузки-индуктора, а также пятый 31 и шестой 32 конденсаторы, при этом ко второму выводу первого дросселя 1 подсоединены первые выводы седьмого 23 и восьмого 24 дросселей, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами пятого 25 и шестого 26 управляемых вентилей, при этом второй вывод пятого управляемого вентиля 25 соединен с соединенными между собой первыми выводами пятой обмотки 29 нагрузки-индуктора и пятого конденсатора 31, вторые выводы которых также соединены между собой и подсоединены к первому выводу второго дросселя 2, при этом второй вывод шестого управляемого вентиля 26 соединен с соединенными между собой первыми выводами шестой обмотки 30 нагрузки-индуктора и шестого конденсатора 32, вторые выводы которых также соединены между собой и подсоединены к первому выводу второго дросселя 2, при этом пятый 27 и шестой 28 диоды подсоединены параллельно соответственно пятому 25 и шестому 26 управляемым вентилям, при этом пятый 25 и шестой 26 управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, а пятый 27 и шестой 28 диоды включены в обратном направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом пятая 29 и шестая 30 обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой и включены согласно с третьей 19 и четвертой 20 обмотками нагрузки-индуктора, а также все обмотки 9, 10, 19, 20, 29 и 30 расположены соосно по длине индуктора.
Для сокращения описания работы устройства, приведенного на фиг.3, отметим, что работа этого устройства аналогична работе устройства, приведенного на фиг.2, которая выше уже описана. Отличие заключается в том, что в последнем устройстве поочередно работают шесть управляемых вентилей, а именно 5, 8, 15, 16, 25 и 26, и они обеспечивают формирование высокочастотной и низкочастотной составляющих электромагнитного поля в шести обмотках нагрузки-индуктора, а именно в обмотках 9, 10, 19, 20, 29 и 30, при этом управляемые вентили работают в следующем порядке: 5, 15, 25, 6, 16 и 26, что позволяет формировать в обмотках 9, 10, 19, 20, 29 и 30 высокочастотную составляющую электромагнитного поля, которая обеспечивает эффективный индукционный нагрев, а также низкочастотную трехфазную составляющую электромагнитного поля, которая обеспечивает эффективное электромагнитное перемешивание металла, т.к. эта низкочастотная составляющая электромагнитного поля в обмотках 19, 20 нагрузки-индуктора отстает на 120° эл. от низкочастотной составляющей электромагнитного поля в обмотках 9, 10 нагрузки индуктора, а низкочастотная составляющая электромагнитного поля в обмотках 29, 30 нагрузки-индуктора отстает на 120° эл. от низкочастотной составляющей электромагнитного поля в обмотках 19, 20 нагрузки-индуктора.
Соотношение частот между высокочастотной и низкочастотной составляющими электромагнитного поля определяется по аналогии с вышеописанными. В связи с тем, что формирование высокочастотных импульсов в течение каждого низкочастотного полупериода происходит только в одной обмотке нагрузки-индуктора, количество этих высокочастотных импульсов в каждом низкочастотном полупериоде составляет для однофазного устройства (фиг.1) , для двухфазного устройства (фиг.2) , для трехфазного устройства (фиг.3) , где n - введенный выше коэффициент соотношения частот.
В заключение необходимо отметить, что при изменении полярности источника напряжения изменяется направление включения управляемых вентилей и диодов. Управляемые вентили могут быть снабжены защитными демпфирующими цепями из резисторов, конденсаторов, варисторов, диодов.