УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ ИНВЕРТОРОМ ТОКА ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПРИ СИЛЬНО ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ НАГРУЗКЕ

Предлагаемое устройство относится к индукционному нагреву и может быть использовано в качестве источника питания для индукционного нагрева и плавки металлов и сплавов.
Известен перестраиваемый инвертор тока, содержащий неуправляемый трехфазный выпрямитель, подключенный к входным выводам инвертора тока через первый и второй дроссели, однофазный мост на тиристорах, первый коммутирующий конденсатор, подключенный одним концом к первому выходу однофазного тиристорного инвертора тока, а другим - к первому выводу индуктора и второго коммутирующего конденсатора, подключенного одним концом к первому выводу индуктора, а другим - ко второму выходу однофазного тиристорного инвертора тока. Устройство снабжено компенсирующим конденсатором, первым плечом из двух последовательно соединенных тиристоров, включенных параллельно однофазному тиристорному инвертору тока, вторым плечом из двух последовательно соединенных тиристоров, включенных параллельно однофазному тиристорному инвертору тока, третьим коммутирующим конденсатором, причем компенсирующий конденсатор включен между вторым выводом индуктора и вторым выходом однофазного тиристорного инвертора тока, при этом средний вывод второго плеча подсоединен ко второму выводу третьего компенсирующего конденсатора, первый вывод которого подключен ко второму выходу однофазного тиристорного инвертора тока (RU, №157187 U1, опубл. 27.11.2015).
Этот инвертор рассматривается в качестве прототипа. Недостатком прототипа является низкая управляемость, дискретность. В связи с этим наблюдается большая ошибка при регулировании при изменениях параметров нагрузки в широких пределах, что отрицательно сказывается на энергоэффективности процесса плавки металла.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении управляемости параметров инвертора тока при нерегулируемом напряжении питания с уменьшением ошибки регулирования выходной мощности и повышении энергоэффективности.
Технический эффект, заключающийся в повышении управляемости инвертора, достигается тем, что известное устройство управления перестраиваемым инвертором тока для индукционного нагрева при сильно изменяющейся нагрузке, содержащее трехфазный мостовой выпрямитель, подключенный к входным выводам инвертора тока через первый и второй дроссели, однофазный тиристорный инвертор тока, первый коммутирующий конденсатор, подключенный одним концом к первому выходу однофазного тиристорного инвертора тока, а другим - к первому выводу индуктора и второго коммутирующего конденсатора, подключенного одним концом к первому выводу индуктора, а другим - ко второму выходу однофазного тиристорного инвертора тока, компенсирующий конденсатор, первое плечо из двух последовательно соединенных тиристоров, включенных параллельно однофазному тиристорному инвертору тока, второе плечо из двух последовательных соединенных тиристоров, включенных параллельно однофазному тиристорному инвертору тока, третий коммутирующий конденсатор, причем компенсирующий конденсатор включен между вторым выводом индуктора и вторым выходом однофазного тиристорного инвертора тока, при этом средний вывод первого плеча соединен со вторым выводом индуктора, средний вывод второго плеча подсоединен ко второму выводу третьего компенсирующего конденсатора, первый вывод которого подключен ко второму выходу однофазного тиристорного инвертора тока, согласно полезной модели, снабжено демультиплексором, датчиком тока, включенным последовательно первому дросселю фильтра, и датчиком напряжения, включенным параллельно инвертору тока, перемножителем сигналов, входы которого подсоединены к выходам датчиков напряжения и тока, блоком уставки, трехпозиционным регулятором, причем выходы перемножителя и блока уставки подключены ко входам трехпозиционного регулятора, датчиком частоты, подключенным параллельно индуктору, усилителем с ограничителем, первый вход которого подключен к выходу блока уставки, а второй вход подключен к выходу перемножителя, устройством фазового управления, входы которого соединены с выходом датчика частоты и выходом усилителя с ограничением, при этом выходы устройства фазового управления, трехпозиционного регулятора подключены ко входам демультиплексора, выходы которого соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров перестраиваемого инвертора тока, сигналов, входы которого подсоединены к выходам датчиков напряжения и тока, блоком уставки, трехпозиционным регулятором, причем выходы перемножителя и блока уставки подключены ко входам трехпозиционного регулятора, датчиком частоты, подключенным параллельно индуктору, усилителем с ограничителем, первый вход которого подключен к выходу блока уставки, а второй вход подключен к выходу перемножителя, устройством фазового управления, входы которого соединены с выходом датчика частоты и выходом усилителя с ограничением, при этом выходы устройства фазового управления, трехпозиционного регулятора подключены ко входам демультиплексора, выходы которого соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров перестраиваемого инвертора тока.
На рисунке представлена структурная схема предлагаемого устройства управления перестраиваемым инвертором тока.
Перестраиваемый инвертор тока содержит: неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель, состоящий из диодов 1-6, подключенный к входным выводам инвертора тока через первый и второй дроссели 7, 8, однофазный тиристорный инвертор тока на тиристорах 9, 10, 11, 12, последовательную цепь из конденсатора 13, параллельного контура из индуктора 14, конденсаторов 15 и 16, причем конденсатор 15 включен последовательно с индуктором 14, конденсатор 13 подключен к точке соединения индуктора 14 и конденсатора 16, параллельно тиристорному мосту подключены первое коммутирующее плечо из тиристоров 17 и 18, присоединенное к точке соединения индуктора 14 и конденсатора 15, второе коммутирующее плечо из тиристоров 19 и 20, присоединенное через конденсатор 21 к точке соединения индуктора 14 и конденсатора 15, датчик напряжения 22, подключенный параллельно инвертору тока, датчик тока 23, включенный последовательно с первым дросселем фильтра 7, перемножитель сигналов 24, входы которого соединены с выходами датчиков напряжения 22 и тока 23, блок уставки 25 трехпозиционный регулятор 26, входы которого соединены с выходами перемножителя 24 и блока уставки 25, усилитель ошибки с ограничением 27, вход которого соединен с выходом перемножителя 24, датчик частоты 28, подключенный к индуктору 14, устройство фазового управления 29, входы которого соединены с выходами датчика частоты 28 и усилителя ошибки с ограничением 27, демультиплексор 30, вход которого подключен к выходу устройства фазового управления 29, а адресные входы подключены к выходу трехпозиционного регулятора 26, выходы демультиплексора подключены к соответствующим управляющим выводам тиристоров инвертора тока и коммутирующих тиристоров первого и второго плеча.
Перестраиваемый инвертор тока работает следующим образом.
Тиристоры диагоналей моста инвертора 9, 10 и 17, 18 включаются поочередно с частотой, равной частоте выходного напряжения инвертора тока, определяемой собственной частотой параллельного колебательного контура, образованного индуктором 14 и конденсаторами 15 и 16. Причем включение очередной пары тиристоров 9, 10 или 17, 18 происходит с опережением момента перехода мгновенного значения напряжения на последовательно включенных конденсаторах 15 и 16 параллельного колебательного контура через нулевое значение. Указанный контур обладает высокой добротностью 3-10, в результате чего напряжение на индукторе 14 и конденсаторах 15 и 16 имеет форму, близкую к синусоидальной. Индуктивность дросселей фильтра 7, 8 имеет большую величину и выбирается из условия обеспечения сглаживания пульсаций входного тока. Входной ток инвертора тока сглажен, а ток, протекающий через тиристоры 9, 10 и 11, 12, имеет форму, близкую к прямоугольной. Полный период выходного напряжения состоит из двух интервалов полупериодов, соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояний тиристоров однофазного моста 9, 10 и 17, 18. Электромагнитные процессы в каждом из полупериодов протекают аналогично. При отпирании тиристоров 9 и 18 осуществляется перезаряд коммутирующих конденсаторов 15 и 16 по цепи 7-9-13-16-15-12-8, 7-9-13-14-12-8. От трехфазного выпрямителя происходит непрерывный перезаряд конденсаторов 15 и 16 через коммутирующий конденсатор 13 по цепям 7-9-13-16-15-18-8, 7-9-13-14-18-8 и 7-17-15-16-13-10-8, 7-17-14-13-10-8. К индуктору 14 прикладывается напряжение условно положительной полярности. В момент включения тиристоров 9 и 18 напряжение на коммутирующих конденсаторах 15 и 16 условно отрицательное, т.е. "+" на левой обкладке на фиг. 1.
В момент включения тиристоров 9, 18 конденсаторы 15, 16 также начинают перезаряжаться по цепи 7-9-13-16-15-12-8, 7-9-13-14-12-8. Ток тиристоров 10, 17 спадает от максимального значения до нулевого, а ток тиристоров 9, 18 нарастает от нулевого значения до максимального. Таким образом, осуществляется коммутация тиристоров 9, 10 и 17, 18. Конденсатор 13 в диагонали моста позволяет сохранять угол запирания тиристоров однофазного моста в допустимых пределах в рабочем диапазоне изменения активного сопротивления нагрузки индуктора 14, обеспечивая надежность инвертирования моста, а также облегчает пуск инвертора.
Автоматическое регулирование инвертором тока осуществляется следующим образом. Сигналы с датчиков тока 23 и напряжения 22 поступают на умножитель 24, формирующий сигнал потребляемой активной мощности, после которого сигнал поступает на трехпозиционный регулятор 26 и усилитель сигнала ошибки с ограничением 27, где сравнивается с уставкой по мощности, задаваемой в блоке 25. Выходной сигнал с усилителя ошибки с ограничением 27 поступает на устройство фазового управления 29, своим уровнем задавая угол опережения управления тиристорами инвертора. С датчика частоты 28 прямоугольный сигнал поступает на устройство фазового управления 29, синхронизируясь на частоте выше резонансной частоты нагрузочного контура, состоящего из индуктора 14 и конденсаторов 15 и 16, которая определяется углом опережения. С выхода трехпозиционного регулятора 26 поступает сигнал на демультиплексор 30, который распределяет импульсы управления на соответствующие тиристоры инвертора. Трехпозиционный регулятор 26 позволяет переключаться между тремя режимами работы схемы инвертора тока: 1-ый режим - поочередное переключение тиристоров 9, 18 и 10, 17; 2-ой режим - 9, 12 и 10, 11; 3-ий режим - 11, 20 и 12, 19, причем 1-ый режим обеспечивает минимальную мощность в нагрузке, а 3-ий - максимальную.
Электрические процессы во 2-м и 3-м режимах в схеме инвертора протекают аналогично 1-му, изменяются лишь точки подключения колебательного контура, состоящего из индуктора 14 и конденсаторов 15 и 16, к диагонали инверторного моста, повышая при этом напряжение на индукторе 14.
Таким образом, благодаря частотному регулированию в каждом режиме, решена поставленная техническая задача по повышению точности регулирования выходной мощности при сильно изменяющейся нагрузке и неизменном напряжении питания.