Двухчастотный инвертор тока (варианты)
DUAL-FREQUENCY CURRENT INVERTER (OPTIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и металлургии, а именно, к источникам электропитания на основе полупроводниковых преобразователей частоты для индукционного нагрева и плавки металлов.
Индукционный нагрев и плавка металлов токами высокой частоты обеспечивает высокую эффективность термической обработки металлов и высокий КПД при оптимальном выборе частоты тока. При плавке металлов в индукционных тигельных печах (ИТП) оптимальный выбор частоты тока будет разным на определенных стадиях плавки металлов. На этапе разогрева твердой шихты целесообразно выбирать повышенную частоту питающего тока, а на этапе технологической обработки жидкого металла питание должно осуществляться многофазными токами низкой частоты для создания одноконтурного гидродинамического перемешивания под воздействием электродинамических сил. Электродинамическое давление на ванну жидкого металла по мере снижения частоты тока увеличивается, а интенсивность нагрева металла падает. Следовательно, для одновременного нагрева и перемешивания металла необходимо осуществлять комбинированное питание индуктора ИТП токами высокой и низкой частоты. Для реализации этого способа электропитания необходимо иметь два раздельных индуктора, один из которых предназначен для нагрева (однофазный), а второй - для перемешивания (двух- или трехфазный) [Л1, с. 213, Приложение 1]. Кроме этого, надо использовать два независимых источника питания токами низкой и высокой частоты, снабженных фильтро-компенсирующими устройствами, исключающими возможность проникновения токов разных частот в источник тока другой частоты. При многофазном питании индуктора ИТП токами низкой частоты под действием электродинамических сил создается одноконтурная циркуляция жидкого металла в тигле печи, что обеспечивает эффективное перемешивание металла, гомогенизацию его химического состава и выравнивание температуры по всему рабочему объему тигля.
Однако, реализация такой системы электропитания ИТП существенно усложняет плавильный комплекс, а его массогабаритные и стоимостные показатели значительно увеличиваются.
В качестве источника электропитания для установок индукционного нагрева и плавки используются полупроводниковые преобразователи частоты, построенные по двухзвенной структурной схеме и состоящие из выпрямителя и автономного инвертора. Наиболее эффективным для преобразования постоянного тока в переменный высокочастотный ток является мостовой параллельный инвертор тока, схема которого взята в качестве прототипа [Л2, рис 2.1, приложение 2].
Предлагаемое изобретение - двухчастотный инвертор тока - позволяет расширить функциональные возможности одновременного питания печи токами высокой и низкой частоты, а так же повысить эффективность системы электропитания на разных стадиях плавки путем управления процессом перемешивания металла токами низкой частоты.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что двухчастотный инвертор тока содержит однофазный вентильный мост, к зажимам переменного тока которого подключен индуктор тигельной печи, зашунтированный компенсирующим конденсатором, а зажимы постоянного тока моста подключены через фильтровый дроссель к выходным зажимам выпрямителя.
Новым является то, что в схему инвертора введен дополнительный конденсатор и два реактора, расположенные между анодом и катодом вентилей соответствующего плеча моста, и подключенные к выходным зажимам, причем обкладки дополнительного конденсатора соединены с общими выводами реакторов и вентилей. Кроме этого, в схему инвертора введен второй дополнительный конденсатор, соединенный последовательно с первым дополнительным конденсатором, общий вывод которых подключен к средней точке индуктора тигельной печи.
На фиг. 1 приведена схема двухчастотного инвертора тока по первому варианту, в которой обозначено:
1, 2 - вентили анодной группы моста инвертора;
3, 4 - вентили катодной группы моста инвертора;
5 - фильтровый дроссель;
6 - компенсирующий конденсатор;
7 - индуктор тигельной печи;
8, 9 - реакторы;
10 - дополнительный конденсатор.
Индуктор печи 7 и компенсирующий конденсатор 6 образуют высокочастотный нагрузочный контур, собственная частота которого выбирается оптимальной для режима нагрева и плавки шихты в ИТП. Низкочастотный нагрузочный контур образован реакторами 8, 9, индуктором печи 7 и шунтирующим их дополнительным конденсатором 10, собственная частота которого выбирается оптимальной для режима перемешивания жидкого металла.
Управление инвертором осуществляется путем подачи импульсов управления на вентили анодной группы 1, 2 на частоте несколько выше резонансной частоты высокочастотного контура, при которой обеспечивается коммутация этих вентилей. Управление на вентили катодной группы 3, 4 осуществляется на частоте несколько выше резонансной частоты низкочастотного контура, при которой обеспечивается коммутация указанных вентилей. В добротных контурах низкой и высокой частоты проявляется эффект резонанса токов, в результате чего по индуктору 7 протекает суммарный ток высокой и низкой частоты синусоидальной формы.
Соотношение величин токов низкой и высокой частоты в индукторе определяется уровнями отстройки частот управления вентилями от резонансных частот колебательных контуров. При увеличении отстройки частоты управления вентилями катодной группы 3, 4 от резонансной частоты низкочастотного контура, уровень низкочастотного тока в индукторе уменьшается. Наоборот, при увеличении отстройки частоты управления вентилями анодной группы 1, 2 от резонансной частоты высокочастотного колебательного контура уровень высокочастотного тока в индукторе уменьшается.
Таким образом, в рабочих режимах работы инвертора по условиям оптимального ведения процессов плавки на этапе разогрева и расплавления шихты целесообразно преобладание тока высокой частоты в индукторе, при котором достигается наибольший КПД индуктора и обеспечивается интенсивный разогрев и плавление шихты. На этапе технологической обработки металла целесообразно преобладание низкочастотного тока, когда увеличиваются электродинамические силы давления на ванну жидкого металла, увеличивается скорость движения металла и повышается интенсивность его перемешивания.
Поскольку по индуктору протекает однофазный ток низкой частоты, циркуляция металла в тигле ИТП осуществляется в двух контурах, в нижней и верхней половинах, металл вращается раздельно, почти без взаимного перемешивания. Для достижения полного перемешивания металла во всем объеме тигля необходимо осуществлять питание индуктора двух- или трехфазным током низкой частоты [Л1].
На фиг. 2 приведена схема двухчастотного инвертора тока по второму варианту, в которой обозначено:
1, 2 - вентили анодной группы моста инвертора;
3, 4 - вентили катодной группы моста инвертора;
5 - фильтровый дроссель;
6 - компенсирующий конденсатор;
7 - индуктор тигельной печи;
8, 9 - реакторы;
10, 11 - дополнительные конденсаторы.
Высокочастотный контур образован индуктором 7 и компенсирующим конденсатором 6. Низкочастотные колебательные контуры образованы: верхний - верхней частью индуктора 7, реактором 8 и дополнительным конденсатором 10, а нижний - нижней частью индуктора 7, реактором 9 и дополнительным конденсатором 11.
Вентили анодной группы 1, 2 моста инвертора работают на частоте несколько выше собственной частоты высокочастотного контура, при которой обеспечивается их коммутация. Резонансная частота верхнего низкочастотного контура должна быть ниже собственной частоты нижнего низкочастотного контура. Тогда в верхней части индуктора будет протекать отстающий по фазе синусоидальный ток низкой частоты по отношению к току в нижней части индуктора, что обуславливает появление аксиальных электродинамических сил, действующих на ванну жидкого металла и направленных вверх вдоль оси тигля печи.
Воздействие аксиальных электродинамических сил меняет характер циркуляции жидкого металла, которая переходит из двухконтурной в одноконтурную с восходящим потоком металла, что обеспечивает перемешивание металла по всему объему тигля.
Изменение резонансной частоты низкочастотных контуров можно производить изменением емкости дополнительных конденсаторов 10, 11. При этом может быть получена одноконтурная циркуляция металла, как с восходящим потоком металла, так и с нисходящим потоком металла. Оба режима циркуляции металла могут использоваться на этапе технологической обработки металла при реализации различных металлургических процессов.
Источники информации
1. Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи. Учебное пособие для вузов М.: Энергия, 1967 г, с 213.
2. Гитгарц Д.А., Иоффе Ю.С. Новые источники питания и автоматика индукционных установок для нагрева и плавки. М.: Энергия, 1972 г.