Инвертор тока с умножением частоты
FREQUENCY MULTIPLIER CURRENT INVERTER

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, обладает высоким КПД по сравнению с другими видами термообработки изделий. При плавке металлов в индукционных тигельных печах (ИТП) выбор частоты питающего тока будет разным на определенных стадиях плавки металла. На этапе разогрева шихтового материала целесообразно выбирать повышенную частоту питающего тока, а на этапе технологической обработки жидкого металла целесообразно при достижении требуемой температуры расплава снижение питающей частоты индуктора при стабилизации тока. В этом случае передаваемая в загрузку мощность снижается, а скорость течения металла в тигле увеличивается. В связи с этим источник электропитания должен обеспечивать возможность изменения частоты тока индуктора на разных стадиях плавки, исходя из критериев наиболее эффективной реализации процессов нагрева и плавки металла.
Индукторы печей и нагревателей представляют собой электрическую нагрузку с низким коэффициентом мощности, для повышения которого подключается либо параллельно, либо последовательно компенсирующий конденсатор. При этом образуется колебательный контур, обладающий высокой добротностью.
В качестве источника питания в настоящее время широко используется полупроводниковые преобразователи частоты на основе автономных инверторов тока (АИТ). Поскольку параметры нагрузки в процессе нагрева и плавки металла изменяются в широких пределах, особенно ферромагнитных металлов, целесообразнее использовать в преобразователях частоты схемы последовательно-параллельного и параллельно-последовательного инверторов тока [1]. Последовательно-параллельный инвертор отличается от параллельного инвертора тока тем, что его выходная цепь представляет собой последовательно-параллельный контур, а резонансная частота контура определяется индуктивностью индуктора и ёмкость только параллельно включенного с индуктором конденсатора. При этом рабочая частота инвертора задаётся примерно равной резонансной частоте нагрузочного контура, на который осуществляется компенсация реактивной мощности индуктора. Параллельно-последовательный инвертор отличается тем, что выходная цепь инвертора представляет собой параллельно-последовательный колебательный контур, а резонансная частота нагрузочного контура определяется ёмкостью последовательно соединенных параллельного (входного) и последовательного (проходного) конденсаторов. При этом и тот и другой конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности индуктора в рабочих режимах инвертора.
При индукционном нагреве ферромагнитных материалов выбор частоты тока индуктора зависит от температуры нагрева, по мере роста которой происходит значительное изменение электрофизических характеристик (наиболее существенно параметры нагрузки изменяются с потерей ферромагнитных свойств при достижении температуры Кюри). При этом требуемое значение частоты тока индуктора, при которой индукционный нагрев будет эффективен, возрастет в 2-3 раза [2]. Изменение электрофизических характеристик в процессе нагрева ферромагнитных материалов влияет также и на глубину проникновения тока в нагреваемый материал, что существенным образом сказывается на распределении мощности по сечению нагреваемых заготовок. Поэтому индукционный нагрев массивных ферромагнитных заготовок с точки зрения обеспечения требований по допустимому перепаду температур в процессе нагрева целесообразно вести до температуры потери магнитных свойств (температуры Кюри) на пониженной частоте, а далее - на повышенной частоте. В этом случае мощность по сечению заготовки распределяется более равномерно, что напрямую влияет на распределение температуры по сечению нагреваемой заготовки, и позволяет исключить возникновение недопустимых перепадов температуры по сечению нагреваемой заготовки на начальном этапе нагрева.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является параллельно - последовательный инвертор тока (см. Л.1 стр.57, рис. 25) который взят в качестве прототипа.
Проблемой указанного прототипа является невозможность автономной работы в двухчастотном режиме. А для такого режима необходимо ручное (механическое) подключение дополнительных компенсирующих конденсаторов емкостью в несколько раз больше емкости основных компенсирующих конденсаторов. В результате чего значительно увеличиваются массогабаритные показатели индукционных установок. Кроме того, при подключении блока дополнительных компенсирующих конденсаторов происходит рассогласование выходных характеристик и параметров нагрузочного контура, что, чаще всего, приводит к остановке технологического процесса плавки металла в ИТП.
В индукционных и плавильных печах для ускорения процессов технологической обработки жидкого металла на финальных этапах обработки расплава (очистка металла от неметаллических включений, легирование) не требуется передача большой мощности в расплав, поскольку требуемая температура расплава уже достигнута, но требуется сохранить или несколько увеличить скорость его движения. Добиться этого можно путем значительного снижения частоты тока индуктора [3]. Для изменения рабочей частоты инвертора необходимо изменить резонансную частоту нагрузочного контура, которая может быть уменьшена путем увеличения ёмкости компенсирующих конденсаторов при подключении части из них. Следовательно, для поддержания оптимальных режимов работы в цикле нагрева металла необходимо осуществлять подключение и отключение дополнительных конденсаторов ёмкостью в 4 - 9 раз больше емкости основных компенсирующих конденсаторов.
Для устранения указанных недостатков авторами предлагается инвертор тока с умножением частоты.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что инвертор тока для электропитания током одной частоты с переключением в режим умножения частоты содержит однофазный вентильный мост, зажимы постоянного тока которого подключены через фильтровый дроссель к источнику постоянного напряжения, а зажимы переменного тока подключены к индуктору нагревателя через Г-образный ёмкостный делитель, состоящий из параллельного конденсатора и соединенного с одной из его обкладок последовательного блока конденсатора.
Новым является то, что в схему инвертора введены силовые двухполюсные контакторы и дополнительные блоки последовательных конденсаторов, соединенные последовательно с индуктором и подключенные ко второй обкладке параллельного конденсатора, а выводы индуктора соединены через контакты силового контактора с противоположными обкладками параллельного конденсатора.
Приведем пример работы схемы инвертора с утроением частоты. На фиг.1 приведена схема такого инвертора тока, в которой обозначено:
1-4 - вентили однофазного моста;
5 - фильтровый дроссель;
6 - параллельный конденсатор;
7 - последовательный конденсатор;
8 - дополнительный последовательный конденсатор;
9 - индуктор;
10, 11 - силовой контактор.
Рассмотрим работу инвертора при включении силового контактора, когда контакты 10, 11 замкнуты. В этом случае все три конденсатора 6, 7, 8 включаются параллельно индуктору и емкость компенсирующего конденсатора становится равной
Если конденсаторы имеют одинаковую ёмкость, то
,
а резонансная частота нагрузочного контура имеет минимальное значение
.
Напряжение на индукторе   равно выходному напряжению инвертора , а величина тока определяется полным сопротивлением индуктора на низкой частоте
.
В отключенном положении силового контактора 10, 11, когда его силовые контакты разомкнуты, ёмкость компенсирующего конденсатора уменьшается и определяется ёмкостями последовательно соединенных конденсаторов 6, 7, 8. При одинаковой ёмкости конденсаторов
,
при этом резонансная частота нагрузочного контура увеличивается в сравнении с резонансной частотой контура с параллельным включением всех конденсаторов в соответствии с формулой
.
Напряжение на индукторе также увеличивается, так как последовательно с индуктором включаются последовательно конденсаторы 7, 8. При этом эквивалентная ёмкость последовательного  конденсатора равна
,
а ёмкость параллельного конденсатора . Напряжение на индукторе может быть определено с учетом коэффициента передачи емкостного делителя как
,
то есть увеличивается в три раза.
Поскольку при переключении силового контактора ёмкость компенсирующего конденсатора изменяется в 9 раз, а резонансная частота нагрузочного контура изменяется в 3 раза, то и рабочая частота инвертора так же будет изменяться примерно в три раза, а рабочая частота инвертора так же будет изменяться примерно в три раза. Следовательно, полное сопротивление индуктора изменяется примерно в три раза, а величина тока индуктора остаётся неизменной, так как напряжение на индукторе так же изменяется в три раза. Таким образом, при переходе из одного режима в другой, частота тока изменяется примерно в три раза, а его величина остаётся неизменной, при этом выходная мощность инвертора изменяется примерно в 1,7 раз, так как при изменении частоты изменяется активная составляющая сопротивления индуктора с металлом. Следовательно, в прилагаемом инверторе достигается поставленная цель - утроение частоты тока индуктора при сохранении согласования параметров инвертора и нагрузки.
На фиг. 2 приведена схема инвертора тока с умножением частоты, в которой обозначено:
1÷4 - вентили однофазного моста инвертора;
5 - фильтровый дроссель;
6 - параллельный (входной) конденсатор;
7.1÷7.N, 8.1÷8.N - проходные конденсаторы в блоках 10.1÷10.N;
9 - индуктор;
11.1÷11.N - силовые контакторы;
Б-1÷Б-N - блоки компенсирующего конденсаторов.
Данная схема инвертора позволяет увеличивать частоту нагрузочного контура в несколько раз, в зависимости от количества блоков компенсирующих конденсаторов. При разомкнутых контактах силовых контакторов все компенсирующие конденсаторы включаются последовательно и суммарная емкость компенсирующего конденсатора при одинаковых емкостях всех конденсаторов (С) равна
,
где N - количество коммутируемых с помощью контакторов цепей (количество двухполюсных контакторов в схеме).
При замыкании контактов силовых контакторов все компенсирующие конденсаторы включаются параллельно индуктору и общая емкость равна:
.
Следовательно, кратность изменения компенсирующего конденсатора определяется как
.
Диапазон измерения резонансной частоты нагрузочного контура примерно равен:
.
Таким образом, кратность изменения рабочей частоты инвертора определяется количеством коммутируемых цепей конденсаторов N, которое может быть определено исходя из требований технологического процесса плавки или нагрева металла.
При переключении силовых контакторов происходит изменения коэффициента умножения напряжения на индукторе
.
Если все конденсаторы в схеме имеют одинаковую емкость:
,
где n – общее количество конденсаторов в схеме.
Таким образом, заявляемый технический результат - повышение эффективности индукционного нагрева и плавки металлов достигается оптимизацией режимов нагрева путем переключения из режима работы на высокой частоте тока в режим работы на низкой частоте на разных стадиях цикла плавки металла. Поскольку при умножении частоты тока увеличивается сопротивление индуктора и пропорционально умножается напряжение на индукторе, величина тока в индукторе остается неизменной при переключении силовых контакторов. Таким образом, автоматически происходит согласование параметров индуктора и инвертора, что позволяет избежать перегрузок оборудования при переходе из режима нагрева на высокой частоте в режим перемешивания металла на низкой частоте и обратно. В результате указанную выше проблему прототипа можно решить применением предложенного технического решения.
Источники информации
1 Гитгарц Д.А., Иоффе Ю.С. Новые источники питания и автоматика индукционных установок для нагрева и плавки. М.: Энергия, 1972.
2 Установки индукционного нагрева: Уч. пособие для вузов / А.Е. Слухоцкий, В.С. Немков, Н.А. Павлов, А.В, Бамунер под ред. А.Е. Слухоцкого. Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. отд-ние. 1981.
3 Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи: Уч. пособие для вузов. М.: Энергия. 1967.