ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ГРАФИТОВЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, к области полупроводниковой преобразовательной техники, в частности к статическим преобразователям электрической энергии. Полученные результаты могут быть использованы в различных технологических промышленных установках, в которых применяются низковольтные однофазные графитовые нагреватели.
Из уровня техники известно, что для устранения недостатков, имеющихся у эксплуатируемых в промышленности полупроводниковых преобразователей для питания мощных низковольтных однофазных нагревателей в установках выращивания кристаллов, ранее был запатентован способ регулирования напряжения и мощности, а также устройство транзисторного преобразователя (патент на изобретение «Способ регулирования напряжения и мощности» №RU 2600572 от 23.07.2014 г.), схема которого с подключенной резистивной нагрузкой приведена на фиг. 1. На схеме введена следующая нумерация блоков: 1 - мостовой трехфазный выпрямитель, 2 - сглаживающий LC-фильтр звена постоянного тока, 3 - однофазный транзисторный мостовой инвертор, 4 - выходной LC-фильтр переменного тока, 5 - однофазный низкочастотный силовой трансформатор, 6 - однофазная резистивная низковольтная нагрузка. Важная особенность схемы - инвертор работает на низкой частоте 75 Гц. Схема универсальна и подходит как для нагревателей с широким диапазоном изменения сопротивления (у вольфрамовых нагревателей сопротивление при нагреве меняется более чем в 20 раз), так и для нагревателей с небольшим изменением сопротивления (у графитовых нагревателей сопротивление меняется всего на несколько десятков процентов). Выбираем это универсальное техническое решение в качестве наиболее близкого аналога.
Следует отметить, что если отсутствует требование обязательного использования громоздкого низкочастотного трансформатора, а нагреватель должен быть только графитовый (как, например, при выращивании монокристаллов фторидов), то может быть предложена более энергоэффективная схема с использованием высокочастотного силового трансформатора. Переконфигурируем принципиальную схему наиболее близкого аналога, перенеся индуктивность и емкость сглаживающего фильтра 4 в контур нагрузки, а на выход инвертора подключим высокочастотный трансформатор. Принципиальная схема полезной модели изображена на фиг. 2. При этом индуктивность L и емкость С реализуются, естественно, с использованием других типов и номиналов дросселей и конденсаторов.
На фиг. 2 представлен контур нагрузки, который состоит из вторичной обмотки силового высокочастотного трансформатора, индуктивности L, емкости С и резистивной нагрузки Rн и представляет собой колебательный контур с определенной резонансной частотой. Если от транзисторного инвертора 9 с этой частотой на первичную обмотку высокочастотного трансформатора 8 подавать прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярностей одинаковой длительности, то в контуре нагрузки потечет синусоидальный ток, а сопротивление контура будет активным и равным по величине Rн. Синусоидальный ток, совпадающий по фазе с импульсами напряжения, потечет и через инвертор, то есть ключи инвертора будут переключаться в мягком режиме коммутации при нулевых значениях тока и отсутствии динамических потерь, с более высоким кпд. Регулирование мощности в такой схеме осуществляется генерированием (с пропусками) требуемого количества высокочастотных импульсов в единицу времени.
Следует отметить, что использовать такой преобразователь для нагрузок с широким диапазоном изменения сопротивления нельзя, так как в начале процесса нагрева при холодном нагревателе и низком значении его сопротивления импульсный ток в резонансном контуре и в преобразователе будет многократно превышать импульсный ток при горячем нагревателе.
Решаемая полезной моделью задача состоит в снижении потерь в инверторе преобразователя, а технический результат от использования состоит в повышении коэффициента полезного действия преобразователя в целом.
Заявленный результат обеспечивается использованием транзисторного преобразователя, состоящего из входного трехфазного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного инвертора, отличающегося тем, что на его выход подключена первичная обмотка высокочастотного выходного трансформатора, а в контур нагрузки, состоящий из вторичной обмотки высокочастотного трансформатора и графитового нагревателя, добавлены индуктивность и емкость, позволяющие реализовать мягкий режим переключения транзисторных ключей инвертора с более высоким коэффициентом полезного действия.
Заявляемая полезная модель предназначена для использования в составе опытной установки выращивания монокристаллов фторидов "Ника-3Ф" производства ФГУП ЭЗАН.