ДВУХЧАСТОТНОЕ ДВУХКАСКАДНОЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
TWO-FREQUENCY TWO-CASCADE CONVERTER FOR INDUCTION HEATER

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов.
Известно, что для индукционного нагрева металлов применяется либо одночастотное низкочастотное электромагнитное поле с частотой 50 Гц, когда индуктор подключается к промышленной сети переменного тока ([1] Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967), что является аналогом предлагаемому изобретению, либо одночастотное высокочастотное электромагнитное поле, когда индуктор подключается к выходным зажимам вентильного преобразователя либо последовательного, либо параллельного типа ([2] Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника». - М.: «Высшая школа», 1974), что также является аналогом предлагаемому изобретению.
Однако в ряде случаев для индукционного нагрева требуется двухчастотное электромагнитное поле. Так, при индукционном нагреве металлов массивных заготовок для повышения эффективности индукционного нагрева необходимо увеличивать частоту электромагнитного поля, а для равномерного глубинного прогрева необходимо уменьшать частоту электромагнитного поля, при этом для каждого диаметра заготовки имеется оптимальная частота (Шамов А.Н. и др. Проектирование и эксплуатации высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. и перераб. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974, стр.86, табл.24). В этом случае двухчастотное электромагнитное поле позволяет увеличить эффективность индукционного нагрева и увеличить равномерность нагрева заготовки.
В [1] для этого предлагается использовать два генератора: один высокочастотный, а второй низкочастотный. Однако это увеличивает установленную мощность нагревательного оборудования и требует в течение электротехнологического процесса индукционного нагрева металла переключений в силовых цепях, что усложняет нагревательное оборудование.
Таким образом, известные аналоги предлагаемому изобретению не обеспечивают достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение. Поэтому в качестве прототипа выбран параллельный инвертор тока ([4] Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Е.И.Беркович и др. - 3-е изд. доп. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983, стр.16, рис.2.1.). Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного выше технического результата.
Таким образом, известные аналоги и известный прототип имеют недостатки, которые заключаются в том, что они не могут генерировать одновременно высокочастотное и низкочастотное электромагнитные поля, либо рекомендуют для этого применение двух генераторов, т.е. они не обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в одновременном генерировании высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания двухчастотного преобразовательного устройства, 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 преобразовательное устройство, содержащее источник постоянного напряжения, первый входной дроссель, первый и второй управляемые вентили первого каскада, а также третий и четвертый управляемые вентили второго каскада, первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивную нагрузку-индуктор, при этом к первому полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого входного дросселя, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого и второго управляемых вентилей, к вторым выводам которых подсоединены параллельно соединенные первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивная нагрузка-индуктор, при этом вторые выводы третьего и четвертого управляемых вентилей соединены с вторым полюсом источника постоянного напряжения, дополнительно введены второй входной дроссель, первый и второй подстроечные дроссели, а также второй коммутирующий конденсатор, при этом с крайними выводами активно-индуктивной нагрузки-индуктора соединены первые выводы первого и второго подстроечных дросселей, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами третьего и четвертого управляемых вентилей, причем к этим же выводам подсоединен второй коммутирующий конденсатор, при этом к вторым выводам третьего и четвертого управляемых вентилей подсоединен первый вывод второго входного дросселя, второй вывод которого соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом первый и второй подстроечные дроссели являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора.
Переключение первого и второго управляемых вентилей первого каскада с высокой частотой обеспечивает формирование в активно-индуктивной нагрузке-индукторе высокочастотного электромагнитного поля, а переключение третьего и четвертого управляемых вентилей второго каскада с низкой частотой обеспечивает формирование в активно-индуктивной нагрузке-индукторе низкочастотного электромагнитного поля, т.е. достигается заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства.
Двухчастотное двухкаскадное преобразовательное устройство для индукционного нагрева, приведенное на фиг.1, состоит из двух каскадов и содержит источник постоянного напряжения, первый 1 и второй 2 входные дроссели, первый 3 и второй 4 управляемые вентили первого каскада, а также третий 5 и четвертый 6 управляемые вентили второго каскада, в качестве которых использованы однооперационные тиристоры, первый 7 и второй 8 коммутирующие конденсаторы, активно-индуктивную нагрузку-индуктор 9, а также первый 10 и второй 11 подстроечные дроссели, при этом к первому (положительному) полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого входного дросселя 1, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого 3 и второго 4 управляемых вентилей, к вторым выводам которых подсоединены параллельно соединенные первый коммутирующий конденсатор 7 и активно-индуктивная нагрузка-индуктор 9, при этом с крайними выводами активно-индуктивной нагрузки-индуктора 9 соединены первые выводы первого 10 и второго 11 подстроечных дросселей, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей, причем к этим же выводам подсоединен второй коммутирующий конденсатор 8, при этом к вторым выводам третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей подсоединен первый вывод второго входного дросселя 2, второй вывод которого соединен с вторым (отрицательным) полюсом источника постоянного напряжения, при этом все управляемые вентили 3, 4, 5 и 6 включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, а первый 10 и второй 11 подстроечные дроссели являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора 9.
Устройство работает следующим образом.
вч
вч
нч
нч
вч
вч
нч
нч
Для пояснения работы необходимо ввести следующие обозначения: Т=1/f; Т=1/f, где Т - период высокочастотного электромагнитного поля, которое формируется открыванием и закрыванием первого 3 и второго 4 управляемых вентилей первого каскада; f - частота высокочастотного электромагнитного поля; Т - период низкочастотного электромагнитного поля, которое формируется открыванием и закрыванием третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей второго каскада; f - частота низкочастотного электромагнитного поля.
нч
вч
вч
нч
нч
вч
нч
вч
нч
вч
вч
нч
нч
вч
вч
вч
нч
нч
вч
нч
Для пояснения работы устройства целесообразно принять соотношение: Т=2n·Т, где n - натуральное число. Примем n=5. Допустим, открываются первый вентиль 3 и четвертый вентиль 6, при этом пусковые устройства, для упрощения не показанные на фиг.1, должны обеспечить заряд первого 7 и второго 8 коммутирующих конденсаторов с полярностью «-, +», показанной на фиг.1, при этом ток будет протекать по контурам, как это показано на фиг.2, при этом первый 7 и второй 8 коммутирующие конденсаторы будут перезаряжаться соответственно с частотой Т и f до напряжений с полярностью «(+), (-)», показанной на фиг.1. Поскольку емкость второго конденсатора 8 в несколько раз больше емкости первого конденсатора 7, перезаряд второго конденсатора 8 будет происходить с частотой f в несколько раз медленней. Поэтому перезаряд с частотой f до напряжения с полярностью «(+), (-)» первого конденсатора 7 заканчивается раньше, чем перезаряд с частотой f второго конденсатора 8 и при отпирании второго управляемого вентиля 4 первый управляемый вентиль 3 закрывается напряжением на конденсаторе 7, а ток протекает по контурам, как показано на фиг.3, при этом первый конденсатор 7 будет перезаряжаться с частотой f от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +», а второй конденсатор 8 будет по-прежнему перезаряжаться с частотой f от полярности «-, +» до полярности «(+), (-)». После перезаряда первого конденсатора 7 с частотой f до полярности «-, +» снова открывается первый управляемый вентиль 3, а управляемый вентиль 4 закрывается напряжением на конденсаторе 7, и процесс полностью повторяется. После нескольких открываний и закрываний первого 3 и второго 4 управляемых вентилей с частотой f, которые формируют в нагрузке-индукторе 9 однофазное электромагнитное поле высокой частоты, второй конденсатор 8 перезаряжается с частотой f до напряжения «(+), (-)», при этом в нагрузке-индукторе 9 формируется первый полупериод электромагнитного поля низкой частоты f и после этого отпирается третий управляемый вентиль 5, при этом управляемый вентиль 6 запирается напряжением на коммутирующем конденсаторе 8. При отпирании первого управляемого вентиля 3 ток в этом случае протекает по контурам, как показано на фиг.4, при этом первый конденсатор 7 перезаряжается с частотой f от полярности «-, +» до полярности «(+), (-)», а второй конденсатор 8 медленно с частотой f перезаряжается от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +». При отпирании второго управляемого вентиля 4 ток протекает по контурам, как показано на фиг.5, при этом первый конденсатор 7 перезаряжается с частотой f от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +», а второй конденсатор 8 по-прежнему медленно с частотой f перезаряжается от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +». После нескольких открываний и закрываний первого 3 и второго 4 управляемых вентилей второй конденсатор 8 перезаряжается с частотой f от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +», при этом заканчивается второй полупериод низкочастотного электромагнитного поля в нагрузке-индукторе 9. После этого все электромагнитные процессы повторяются, при этом открывание и закрывание первого 3 и второго 4 управляемых вентилей с частотой f обеспечивает формирование в нагрузке-индукторе 9 высокочастотной составляющей электромагнитного поля, а открывание и закрывание третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей с низкой частотой f обеспечивает формирование в нагрузке-индукторе 9 низкочастотной составляющей электромагнитного поля, т.е. достигается заявленный технический результат, а именно одновременное формирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение, что позволяет увеличить эффективность индукционного нагрева массивных металлических деталей. Запирание первого 3 и второго 4 управляемых вентилей первого каскада обеспечивается перезарядом первого коммутирующего конденсатора 7, а запирание третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей второго каскада обеспечивается перезарядом второго коммутирующего конденсатора 8.
В заключение необходимо заметить, что при смене полярности источника постоянного напряжения необходимо сменить направления прямого включения управляемых вентилей, в качестве которых использованы однооперационные тиристоры.