ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ДВУХЧАСТОТНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА (ВАРИАНТЫ)
THREE-PHASE BRIDGE TWO-FREQUENCY CURRENT INVERTER FOR INDUCTION HEATING (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов.
Известно, что при индукционном нагреве и плавке металлов широко применяется параллельный инвертор, который является аналогом предлагаемому изобретению (Приложение 1. Л.1. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Е.И.Беркович и др. - 2-е изд., доп. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983, стр.16, рис.2.1).
Известно, что 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 около оси индуктора - снизу вверх, т.е. создается два контура циркуляции. В результате этого движения происходит перемешивание жидкого металла, что улучшает его качество (Приложение 2. Л.2. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: «Машиностроение», (Ленингр. отд-ние), 1974, стр.45, рис.22). Однако при двух контурах циркуляции перемешивание металла неэффективно, поэтому для повышения эффективности электромагнитного перемешивания металла целесообразно применение наряду с высокочастотным электромагнитным полем низкочастотного многофазного электромагнитного поля (Л.2). В Л.3 для этого предлагается использовать два генератора - один высокочастотный для индукционного нагрева и плавки металла, а второй низкочастотный трехфазный - для электромагнитного перемешивания этого металла (Л.3. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967), что также является аналогом предлагаемому изобретению. Однако это увеличивает установленную мощность нагревательного оборудования и требует в течение электротехнологического процесса плавки металла переключений в силовых цепях, что усложняет нагревательное оборудование.
Таким образом, известные аналоги предлагаемого изобретения не обеспечивают достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение. Поэтому в качестве прототипа выбран трехфазный мостовой инвертор тока (Приложение 3. Л.4. Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К.Розанов, М.В.Рябчицкий, А.А.Кваснюк. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007, стр.379, рис.7.19, а). Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного выше упомянутого технического результата.
Таким образом, известные аналоги и известный прототип имеют недостатки, которые заключаются в том, что они не могут генерировать одновременно высокочастотное электромагнитное поле и многофазное 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 многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания многофазного двухчастотного инвертора тока для индукционного нагрева, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности одновременного генерирования высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощении.
Сущность предлагаемого трехфазного мостового двухчастотного инвертора тока для индукционного нагрева, выполненного по первому варианту, заключается в том, что в инвертор, содержащий источник постоянного напряжения, первый входной дроссель, шесть транзисторов, шесть диодов и три однофазных активно-индуктивных нагрузки, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых содержит два первых и вторых последовательно соединенных транзистора, последовательно согласно с каждым из которых соединен диод, при этом первые выводы постоянного тока трех однофазных инверторов соединены с вторым выводом входного дросселя, первый вывод которого соединен с первым (положительным) полюсом источника постоянного напряжения, вторые выводы постоянного тока упомянутых однофазных инверторов соединены с вторым (отрицательным) полюсом источника постоянного напряжения, а к выводам переменного тока, т.е. к средним точкам цепей последовательно соединенных транзисторов подсоединена состоящая из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок трехфазная активно-индуктивная нагрузка, соединенная, например, по схеме «звезда», при этом все транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, введены второй входной дроссель и три компенсирующих конденсатора, при этом вторые выводы постоянного тока однофазных инверторов соединены с первым выводом второго входного дросселя, второй вывод которого соединен со вторым (отрицательным) полюсом источника постоянного напряжения, а каждый из трех компенсирующих конденсаторов подсоединен параллельно одной из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.
Сущность предлагаемого изобретения, выполненного по второму варианту, заключается в том, что в инвертор, выполненный по первому варианту, введены три дополнительных конденсатора и три дополнительных дросселя, при этом к выводам переменного тока трех однофазных инверторов подсоединены первыми выводами три дополнительных конденсатора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом к первым выводам трех упомянутых конденсаторов подсоединены первыми выводами три дополнительных дросселя, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.
Сущность предлагаемого изобретения, выполненного по третьему варианту, заключается в том, что в инвертор, выполненный по первому варианту, введены три дополнительных дросселя и три дополнительных конденсатора, при этом с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок соединены первые выводы трех дополнительных дросселей, вторые выводы которых соединены с первым выводами трех дополнительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.
Заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощение (т.к. эти поля генерируются одним инвертором) - достигается следующим образом. Каждый из шести транзисторов в первом варианте инвертора неоднократно открывается и закрывается, формируя в нагрузке пачки высокочастотных импульсов тока, в которых частота высокочастотного электромагнитного поля определяется частотой отпирания и запирания транзисторов, при этом в одном из наиболее вероятных режимов длительность пачки высокочастотных импульсов тока равна длительности первого полупериода частоты низкочастотного электромагнитного поля, при этом в течение всего второго полупериода низкочастотного электромагнитного поля транзистор закрыт, при этом каждый транзистор работает с двумя другими транзисторами, при этом режимы работы изменяются три раза в течение каждого полупериода низкой частоты, а каждый последующий транзистор начинает работу через 60° эл. по низкой частоте, что обеспечивает трехфазное низкочастотное электромагнитное поле. Во втором и третьем вариантах исполнения инвертора за счет добавления контуров из конденсаторов и дросселей, собственная частота которых равна частоте низкочастотного электромагнитного поля, это низкочастотное электромагнитное поле усиливается, Таким образом, заявленный трехфазный мостовой двухчастотный инвертор тока для индукционного нагрева обеспечивает достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение.
На фиг.1, 2 и 3 приведены соответственно первый, второй и третий варианты предложенных инверторов тока.
Трехфазный инвертор, выполненный по первому варианту и приведенный на фиг.1, содержит источник постоянного напряжения, шесть транзисторов 2, 3, 4, 8, 9 10, два входных дросселя 1 и 14, шесть диодов 5, 6, 7, 11, 12, 13, три однофазных активно-индуктивных нагрузки 15-18, 16-19, 17-20, а также три компенсирующих конденсатора 21, 22, 23, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых содержит два первых 2, 3, 4 и вторых 8, 9, 10 последовательно соединенных транзистора, последовательно согласно с каждым из которых соединены диоды соответственно 5, 6, 7 и 11, 12, 13, при этом первые выводы постоянного тока трех однофазных инверторов соединены со вторым выводом первого входного дросселя 1, первый вывод которого соединен с первым (положительным) полюсом источника постоянного напряжения, вторые выводы постоянного тока трех упомянутых однофазных инверторов соединены с первым выводом второго входного дросселя 14, второй вывод которого соединен со вторым (отрицательным) полюсом источника постоянного напряжения, а к выводам переменного тока подсоединена состоящая из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19 и 17-20 трехфазная активно-индуктивная нагрузка, соединенная, по схеме «звезда», при этом все транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом каждый из трех компенсирующих конденсаторов 21, 22, 23 подсоединен параллельно соответственно одной из однофазных активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19 и 17-20.
нч
нч
вч
вч
вч
вч
нч
нч
Инвертор работает следующим образом. Рассмотрим один из возможных режимом, когда каждый транзистор работает на интервале π или 180° эл. по низкой частоте f=1/Т, при этом имеется шесть сочетаний трех одновременно работающих транзисторов: 2, 10, 3; 10, 3, 8; 3, 8, 4; 8, 4, 9; 4, 9, 2; 9, 2, 10, причем эти сочетания сменяют друг друга через π/3 или через 60° эл. по низкой частоте. На каждом интервале π/3 по низкой частоте три соответствующих транзистора неоднократно открываются и закрываются с высокой частотой f=1/T. Высокая частота f, равная частоте высокочастотной составляющей электромагнитного поля, выбирается из условия эффективного нагрева и расплавления металла и зависит от типа металла (черный, цветной и т.д.) и его массы, а низкая частота, равная частоте низкочастотной составляющей электромагнитного поля, выбирается из условия эффективного электромагнитного перемешивания расплавленного металла и зависит в основном от массы этого металла и конструкции индукционной печи. В соответствии с описанным режимом работы инвертора соотношение f/f не может быть произвольным, а должно соответствовать ряду чисел 6, 12, 18 и т.д. Рассмотрим электромагнитные процессы на интервале π/3 по низкой частоте f для первого сочетания, когда работают транзисторы 2, 10, 3. При одновременном отпирании этих транзисторов ток протекает по контурам:
вч
вч
вч
нч
вч
нч
нч
вч
нч
при этом параметры входных дросселей 1, 14, активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19, 17-20 и компенсирующих конденсаторов 21, 22, 23 должны выбираться такими, чтобы протекающий через транзисторы ток был близок к синусоидальному, при этом компенсирующие конденсаторы 21, 22, 23 зарядятся до напряжений, полярности которых на фиг.1 показаны знаками «+», «-». Через 0,5 Т транзисторы 2, 10, 3 закрываются и компенсирующие конденсаторы 21, 22, 23 в течение интервала 0,5 Т, отдавая энергию нагрузке, будут перезаряжаться по контурам 21-15-18-21, 22-16-19-22 и 23-20-17-23 до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками «(-)», «(+)». После этого транзисторы 2, 10, 3 вновь открываются, вновь закрываются в соответствии с выше приведенным рядом чисел 6, 12, 18 и т.д., а именно при f/f=6 транзисторы 2, 10, 3 на интервале π/3 по низкой частоте открываются и закрываются один раз, при f/f=12 транзисторы 2, 10, 3 открываются и закрываются два раза и т.д. В следующий интервал π/3 по низкой частоте работают транзисторы 10, 3, 8, затем 3, 8, 4 и т.д., при этом на каждом интервале π/3 по низкой частоте f электромагнитные процессы аналогичны рассмотренным. Таким образом, в трехфазной активно-индуктивной нагрузке 15-18, 16-19, 17-20 за счет многократного включения и выключения транзисторов 2, 3, 4, 8, 9, 10 с высокой частотой f на интервале π/3 по низкой частоте f, а также за счет вышеуказанной смены сочетаний одновременно работающих трех транзисторов одновременно формируется высокочастотное электромагнитное поле и трехфазное низкочастотное электромагнитное поле, т.е. достигается заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и трехфазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение.
нч
Трехфазный инвертор, выполненный по второму варианту, приведенный на фиг.2, содержит кроме элементов первого варианта, приведенного на фиг.1, три дополнительных конденсатора 24, 25, 26 и три дополнительных дросселя 27, 28, 29, при этом к выводам переменного тока трехфазного инвертора подсоединены первыми выводами три дополнительных конденсатора 24, 25, 26, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19, 17-20, при этом к первым выводам трех упомянутых дополнительных конденсаторов 24, 25, 26 подсоединены первыми выводами три дополнительных дросселя 27, 28, 29, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19, 17-20. Алгоритм работы транзисторов 2, 3, 4, 8, 9, 10 трехфазного инвертора, выполненного по второму варианту, полностью совпадает с алгоритмом работы этих же транзисторов 2, 3, 4, 8, 9, 10 трехфазного инвертора, выполненного по первому варианту (фиг.1). Однако дополнительные контуры 24-27, 25-28, 26-29, собственная частота которых совпадает с частотой f низкочастотной составляющей электромагнитного поля, усиливают эту низкочастотную составляющую. Низкочастотные токи однофазных активно-индуктивных нагрузок протекают в основном по контурам:
при этом по низкочастотной составляющей эти токи сдвинуты относительно друг друга на 120° эл. или на 2π/3, что обеспечивает усиление трехфазного низкочастотного электромагнитного поля.
нч
Трехфазный инвертор, выполненный по третьему варианту и приведенный на фиг.3, содержит кроме элементов первого варианта, приведенного на фиг.1, три дополнительных дросселя 30, 31, 32 и три дополнительных конденсатора 33, 34, 35, при этом с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19, 17-20 соединены первые выводы трех дополнительных дросселей 30, 31, 32, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех дополнительных конденсаторов 33, 34, 35, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19, 17-20. Алгоритм работы транзисторов 2, 3, 4, 8, 9, 10 трехфазного инвертора, выполненного по третьему варианту, полностью совпадает с алгоритмом работы этих же транзисторов 2, 3, 4, 8, 9, 10 трехфазного инвертора, выполненного по первому варианту (фиг.1). Однако дополнительные контуры 30-33, 31-34, 32-35, собственная частота которых совпадает с частотой f низкочастотной составляющей электромагнитного поля, усиливают эту низкочастотную составляющую. Низкочастотные токи однофазных активно-индуктивных нагрузок 15-18, 16-19, 17-20 протекают в основном по контурам:
при этом по низкочастотной составляющей эти токи сдвинуты относительно друг друга на 120° эл. или на 2π/3, что обеспечивает усиление трехфазного низкочастотного электромагнитного поля.
Таким образом, во всех трех вариантах заявленный трехфазный двухчастотный мостовой инвертор тока обеспечивает достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощение.
В заключение необходимо заметить, что при смене полярности источника постоянного напряжения изменяется направление включения транзисторов и диодов; транзисторы и диоды могут быть снабжены известными защитными цепями: резисторными, емкостными, варисторными; активно-индуктивная нагрузка может соединяться не только по схеме «звезда», но и по схеме «треугольник».