ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С ЛИНЕЙНОЙ РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ

Заявленное техническое решение относится к области электротехники и может использоваться в различных технологических процессах, в которых высокая линейность регулировочной характеристики выходной мощности транзисторных преобразователей частоты для индукционного нагрева имеет существенное значение. Техническое решение применяется в конструкции транзисторных преобразователей с трехфазным выпрямителем на входе, звеном постоянного тока, транзисторным инвертором напряжения и трансформаторной гальванической развязкой по выходу, выходная частота которых настроена на резонансную частоту колебательного контура нагрузки. Настройка на резонансную частоту колебательного контура нагрузки обеспечивает минимальные потери в транзисторах инвертора.
Из уровня техники известен транзисторный преобразователь частоты для индукционного нагрева [1], состоящий из мостового трехфазного диодного выпрямителя 1, LC-фильтра звена постоянного тока 2, однофазного мостового транзисторного инвертора 3, выход которого подключается к первичной обмотке однофазного высокочастотного трансформатора 4, а вторичная обмотка высокочастотного трансформатора подключена к последовательно включенному компенсирующему конденсатору и индуктору, схема которого изображена на фиг. 1. Выходная мощность такого преобразователя регулируется способом кодово-импульсной модуляции, при котором мощность регулируется путем пропуска импульсов напряжения на выходе транзисторного инвертора. Регулировочная характеристика по мощности приведена на рис. 4 стр. 195 [1] и является существенно нелинейной, что является одним из недостатков данного преобразователя.
Известен транзисторный преобразователь [2], выполненный по аналогичной схеме с заменой неуправляемого трехфазного диодного выпрямителя 1 на управляемый тиристорный, схема которого изображена на фиг. 2. Выходная частота такого преобразователя настраивается на резонансную частоту резонансного контура, а регулирование мощности производится путем фазоимпульсного регулирования углов отпирания тиристоров. Недостатком такого преобразователя также является существенная нелинейность регулировочной характеристики. Кроме того, недостатками такого преобразователя являются более низкий коэффициент мощности, увеличенные броски токов в выпрямителе и генерация в питающую сеть высших гармоник напряжения.
Линеаризация зависимости выходной мощности от величины сигнала задания мощности в вышеописанных преобразователях представляет собой весьма сложную задачу, в особенности при использовании различных индукторов и тиглей в индукционной установке.
Существуют технологические процессы, в которых линейность зависимости выходной мощности от величины сигнала задания мощности влияет на качество выпускаемой продукции. К таким процессам относятся автоматизированные процессы выращивания монокристаллов из расплавов по методам Степанова и Чохральского. В этих технологических процессах при их качественном проведении заданные дозированные приращения массы монокристаллов обеспечиваются пропорциональными дозированными приращениями мощности, а это значит, что регулировочная характеристика преобразователя должна быть линейной.
За наиболее близкий аналог принято решение, приведенное на схеме, проиллюстрированной на фиг. 1.
Задача полезной модели состоит в разработке схемы транзисторного преобразователя частоты для индукционного нагрева с линейной регулировочной характеристикой мощности. Техническим результатом является повышение качества выпускаемой продукции.
Задача решается конструкцией транзисторного преобразователя частоты для индукционного нагрева, состоящего из мостового трехфазного диодного выпрямителя, LC-фильтра звена постоянного тока, однофазного мостового транзисторного инвертора, выход которого подключается к первичной обмотке однофазного высокочастотного трансформатора, а вторичная обмотка высокочастотного трансформатора подключена к последовательно включенным компенсирующему конденсатору и индуктору, отличающегося тем, что между фильтром звена постоянного тока и транзисторным инвертором расположен понижающий импульсный регулятор напряжения ИРН-1 с линейной регулировочной характеристикой.
Техническое решение иллюстрируется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, цифровые обозначения на которых представляют собой:
1 - мостовой трехфазный полупроводниковый выпрямитель;
2 - LC-фильтр звена постоянного тока;
3 - однофазный мостовой транзисторный инвертор;
4 - согласующий трансформатор.
Суть технического решения состоит в том, что в схему с трехфазным мостовым диодным выпрямителем, приведенную на фиг. 1, между фильтром звена постоянного тока 2 и инвертором 3 встраивается понижающий импульсный регулятор напряжения (ИРН-1) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [3], обладающий свойством линейности зависимости выходного напряжения от скважности ШИМ, пропорциональной входному сигналу задания. Схема преобразователя изображена на фиг. 3. Выходная частота преобразователя настроена на резонансную частоту колебательного контура, поэтому контур представляет собой чисто активную нагрузку. Так как активная мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения, то для линеаризации на вход регулятора напряжения подается сигнал задания, предварительно прошедший через функциональный блок, реализующий функцию корня квадратного. Точная реализация такого блока в современных микропроцессорных системах не представляет сложности и является стандартной подпрограммой.
Число дискрет регулирования в современных 16-разрядных микропроцессорах равно 65536, что позволяет в транзисторных преобразователях с выходной мощностью 100 кВт регулировать мощность с шагом около 1,6 Вт.Такой дискретности задания мощности, как показывает практика, вполне достаточно для обеспечения высокого качества продукции в автоматизированных процессах выращивания монокристаллов.
Заявленное техническое решение реализовано в серийно выпускаемых транзисторных преобразователях частоты, входящих в состав автоматизированных установок выращивания монокристаллов искусственных сапфиров и гранатов.
Источники нформации
1. Земан С.К., Сандырев О.Е. Кодово-импульсный способ регулирования технологического параметра преобразователя частоты установки индукционного нагрева // Известия ТПУ - Томск, 2007. Т. 310 N1 С 191-196
2. Лавлесс Л., Болотовский Ю., Таназлы Г.Обзор полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева, рис. 6, стр. 75 // Силовая электроника. 2007. N4
3. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника, стр. 229-234. Москва: Техносфера, 2006. - 632 с. ISBN 5-94836-051-2