ДВУХЧАСТОТНОЕ АПЕРИОДИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
DOUBLE-FREQUENCY APERIODIC CONVERSION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металла.
Известны преобразовательные устройства, применяемые для различных целей, параллельного типа, когда нагрузка и коммутирующий конденсатор соединяются параллельно, и последовательного типа, когда нагрузка и коммутирующий конденсатор соединяются последовательно (Л1, Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника», М.: Высшая школа, 1974). Эти преобразователи являются аналогами предлагаемому изобретению.
Известно также, что при индукционном нагреве и плавке металла с увеличением массы металла увеличивается мощность преобразовательных устройств и снижается их выходная частота (Л.2, Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Е.И.Беркович и др. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983), при этом в диапазоне 500-1000 Гц наиболее часто применяется параллельный инвертор как наиболее экономичный на этих частотах, остальные же преобразовательные устройства в этом диапазоне частот имеют повышенную массу и габариты. Поэтому в качестве прототипа выбран наиболее часто применяемый мостовой параллельный инвертор тока (Приложение 1, Л.2. стр.16, рис.2.1).
Известно, что интенсивность индукционного нагрева возрастает с увеличением частоты электромагнитного поля (Л.З, Шамов A.M., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974, 280 с).
Однако при индукционном нагреве массивных деталей в одночастотном электромагнитном поле этот фактор не удается использовать полностью, т.к. с увеличением частоты электромагнитного поля уменьшается глубина проникновения этого поля в деталь и увеличивается неравномерность нагрева детали. Для повышения равномерности нагрева массивных деталей целесообразно применение двухчастотного электромагнитного поля, при этом высокочастотная составляющая поля увеличивает интенсивность индукционного нагрева, а низкочастотная составляющая поля увеличивает равномерность индукционного нагрева, в частности обеспечивает нагрев глубинных слоев металла.
Известно также, что при плавке металла 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 по оси индуктора снизу вверх, т.е. создается два контура циркуляции. В результате этого движения происходит перемешивание жидкого металла, что улучшает его качество. Однако при двух контурах циркуляции перемешивание металла не эффективно. Для повышения эффективности электромагнитного перемешивания необходимо многофазное низкочастотное электромагнитное поле, а для повышения эффективности индукционного нагрева необходимо высокочастотное электромагнитное поле (Л. 3). Таким образом, для повышения эффективности индукционного нагрева и плавки металла необходимо применение двухчастотного электромагнитного поля.
В Л. 4 предлагается для этого использовать два генератора - один высокочастотный, а второй низкочастотный трехфазный. (Л. 4. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967). Однако это увеличивает установленную мощность нагревательного оборудования и требует в течение электротехнологического процесса переключений в силовых цепях.
Таким образом, аналоги и прототип имеют недостаток, который заключается 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 низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания двухчастотного преобразовательного устройства для индукционного нагрева, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности одновременного генерирования высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.
Сущность предлагаемого изобретения - двухчастотного апериодического преобразовательного устройства для индукционного нагрева массивных деталей заключается в том, что в устройство, содержащее источник постоянного напряжения, два дросселя, два управляемых вентиля, первую обмотку нагрузки-индуктора и первый конденсатор, при этом к первому полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого дросселя, второй вывод которого соединен с первыми выводами двух управляемых вентилей, при этом второй вывод первого управляемого вентиля соединен с соединенными вместе первыми выводами первой обмотки нагрузки-индуктора и первого конденсатора, вторые выводы которых также соединены между собой и подсоединены к второму выводу второго управляемого вентиля, при этом второй вывод второго дросселя соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом дополнительно введены третий управляемый вентиль и второй конденсатор, а нагрузка-индуктор выполнена из двух обмоток, расположенных по длине нагрузки-индуктора, при этом ко второму выводу второго управляемого вентиля подсоединены соединенные между собой первые выводы второй обмотки нагрузки-индуктора и второго конденсатора, вторые выводы которых соединены между собой и подсоединены к второму выводу третьего управляемого вентиля, при этом второй вывод второго управляемого вентиля соединен с первым выводом второго дросселя, при этом обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой, а управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения. Заявленный технический результат -одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей, и упрощение достигается следующим образом. Введение третьего управляемого вентиля, второй обмотки нагрузки-индуктора и второго конденсатора позволяет неоднократно отпирать и запирать первый и второй управляемые вентили, при этом формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, которая определяется частотой отпирания и запирания первого и второго управляемых вентилей и один полупериод (например, положительный) низкочастотной составляющей электромагнитного поля, длительность которого определяется количеством включений и выключений первого и второго управляемых вентилей, затем неоднократно отпирать и запирать второй и третий управляемые вентили, при этом также формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, которая определяется частотой отпирания и запирания второго и третьего управляемых вентилей, и второй полупериод (отрицательный) низкочастотной составляющей электромагнитного поля, длительность которого также определяется количеством включений и выключений второго и третьего управляемых вентилей.
Применение дополнительного контура, состоящего из последовательно соединенных емкости и индуктивности с резонансной частотой, равной частоте низкочастотной составляющей электромагнитного поля, позволяет усилить низкочастотную составляющую электромагнитного поля и способствует достижению технического результата.
Сущность предлагаемого изобретения - двухчастотного апериодического преобразовательного устройства для индукционного нагрева и плавки металлов заключается в том, что к сложному вентильному мосту, состоящему из трех управляемых вентилей, двух конденсаторов и двух обмоток нагрузки-индуктора дополнительно вводится либо один, либо два подобных вентильных моста.
В первом случае для двух вентильных мостов высокочастотная составляющая в первом и втором вентильных мостах формируется аналогично тому, как это было описано для первого вентильного моста, а низкочастотная составляющая во втором вентильном мосту формируется аналогично тому, как и в первом вентильном мосту, но со сдвигом в 90° эл., т.е. в первой, второй, третьей и четвертой обмотках нагрузки-индуктора формируется низкочастотное двухфазное электромагнитное поле.
Во втором случае для трех вентильных мостов высокочастотная составляющая в первом, втором и третьем вентильных мостах формируется аналогично тому, как это было описано для первого вентильного моста, а низкочастотная составляющая во втором и третьем вентильных мостах формируется аналогично тому, как и в первом вентильном мосту, но со сдвигом во втором вентильном мосту на 120° эл. по отношению к первому вентильному мосту, а в третьем вентильном мосту со сдвигом на 120° эл. по отношению к второму вентильному мосту, т.е. в первой, второй, третьей, четвертой, пятой и шестой обмотках нагрузки-индуктора формируется низкочастотное трехфазное электромагнитное поле. И двухфазное и трехфазное низкочастотные электромагнитные поля позволяют увеличить интенсивность электромагнитного перемешивания жидкого металла.
На фиг.1, 2, 3 и 4 приведены варианты предложенных преобразовательных устройств.
Преобразовательное устройство, приведенное на фиг.1, содержит источник постоянного напряжения, первый фильтровый дроссель 1 и второй фильтровый дроссель 2, первый 3, второй 4 и третий 5 управляемые вентили, первую 6 и вторую 7 обмотки нагрузки-индуктора, а также первый 8 и второй 9 конденсаторы, при этом к первому полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого фильтрового дросселя 1, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого 3, второго 4 и третьего 5 управляемых вентилей, при этом второй вывод первого управляемого вентиля 3 соединен с соединенными вместе первыми выводами первой обмотки 6 нагрузки-индуктора и первого конденсатора 8, вторые выводы которых также соединены между собой и подсоединены к второму выводу второго управляемого вентиля 4, который соединен с первым выводом второго фильтрового дросселя 2, второй вывод которого соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом к второму выводу второго управляемого вентиля 4 подсоединены соединенные между собой первые выводы второй обмотки 7 нагрузки-индуктора и второго конденсатора 9, вторые выводы которых соединены между собой и подсоединены к второму выводу третьего управляемого вентиля 5, при этом первая 6 и вторая 7 обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой, а управляемые вентили первый 3, второй 4 и третий 5 включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения.
Преобразовательное устройство работает следующим образом.
В установившемся режиме через фильтровые дроссели протекает постоянный ток. При отпирании первого управляемого вентиля 3 постоянный ток протекает по контуру: «+»-1-3<>2-«-», при этом первый конденсатор 8 заряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 обозначена знаками: «+», «-». Затем, отпирается второй управляемый вентиль 4, при этом в контуре 8-3-4-8 к первому управляемому вентилю 3 прикладывается обратное напряжение, и он запирается, при этом постоянный ток начинает протекать по контуру: «+»-1-4-2-«-», а в контуре 8-6-8 первый конденсатор 8 перезаряжается до напряжения, полярность которого указана на фиг.1 знаками «(-)», «(+)». После этого вновь отпирается первый управляемый вентиль 3 и постоянный ток вновь протекает по контуру: «+»-1-3<>2-«-», и первый конденсатор 8 вновь заряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками «+», «-». Далее вновь отпирается второй управляемый вентиль и процессы повторяются. В процессе нескольких отпираний и запираний первого 3 и второго 4 управляемых вентилей в первой обмотке 6 нагрузки-индуктора формируется несколько высокочастотных периодов электромагнитного поля, частота которых определяется частотой переключения управляемых вентилей 3 и 4, а также первый полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля, частота которой определяется числом переключений указанных вентилей 3 и 4.
После этого несколько раз отпираются и запираются второй 4 и третий 5 управляемые вентили. При отпирании третьего управляемого вентиля 5 постоянный ток протекает по контуру: «+»-1-5<>2-«-», при этом второй конденсатор заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.1 знаками: «(-)», «(+)». После этого отпирается второй управляемый вентиль 4, при этом постоянный ток протекает по контуру: «+»-1-4-2-«-», в контуре 4-9-5-4 к третьему управляемому вентилю 5 прикладывается обратное напряжение и вентиль 5 запирается, а второй конденсатор 9 в контуре 9-7-9 перезаряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками «+», «-». После этого вновь отпирается третий управляемый вентиль 5 и все процессы повторяются. В процессе нескольких отпираний и запираний второго 4 и третьего 5 управляемых вентилей во второй обмотке 7 нагрузки-индуктора формируется несколько высокочастотных периодов электромагнитного поля, частота которых определяется частотой переключения управляемых вентилей 4 и 5, а также второй полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля, частота которой определяется числом переключений указанных вентилей. Таким образом, в первой 6 и второй 7 обмотках нагрузки-индуктора формируется одновременно электромагнитное поле, а следовательно, и токи с высокочастотной и низкочастотной составляющими, соотношения между которыми определяются следующими выражениями:
в
где f - частота высокочастотной составляющей электромагнитного поля;
н
f - частота низкочастотной составляющей электромагнитного поля;
n - коэффициент соотношения частот;
в
Т - период высокочастотной составляющей электромагнитного поля;
ив
t - длительность импульса тока высокочастотной составляющей электромагнитного поля;
пв
t - длительность паузы между импульсами высокочастотного тока;
н
Т - период низкочастотной составляющей электромагнитного поля. Преобразовательное устройство, приведенное на фиг.2, содержит кроме элементов, показанных на фиг.1, дополнительно введенные третий конденсатор 10 и третий дроссель 11, при этом к второму выводу третьего управляемого вентиля 5 подсоединен первый вывод третьего конденсатора 10, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего дросселя 11, второй вывод которого соединен с вторым выводом первого управляемого вентиля 3, при этом третий дроссель 11 выполнен в виде третьей обмотки нагрузки-индуктора. Параметры третьего конденсатора 10 и третьего дросселя 11 выбираются такими, чтобы резонансная частота этого контура была равна частоте низкочастотной составляющей электромагнитного поля, формируемой алгоритмом управления управляемыми вентилями 3, 4 и 5.
Преобразовательное устройство работает следующим образом. Управляемые вентили 3, 4 и 5 управляются в соответствии с вышеописанным алгоритмом, при котором, как показано выше, формируется высокочастотная и низкочастотная составляющие в обмотках 6 и 7 нагрузки-индуктора. Поэтому в контуре 10, 11 будет протекать ток с частотой, равной низкочастотной составляющей электромагнитного поля, который будет усиливать низкочастотную составляющую этого электромагнитного поля, что увеличивает эффективность индукционного нагрева массивных деталей.
Преобразовательное устройство, приведенное на фиг.3, кроме элементов, показанных на фиг.1, содержит дополнительно введенные четвертый 10, пятый 11 и шестой 12 управляемые вентили, третью 13 и четвертую 14 обмотки нагрузки-индуктора, а также третий 15 и четвертый 16 конденсаторы, при этом с вторым выводом первого фильтрового дросселя 1 соединены первые выводы четвертого 10, пятого 11 и шестого 12 управляемых вентилей, второй вывод четвертого управляемого вентиля 10 соединен с первыми выводами третьего конденсатора 15 и третьей обмотки 13 нагрузки-индуктора, вторые выводы которых соединены со вторым выводом пятого управляемого вентиля 11 и первыми выводами четвертого конденсатора 15 и четвертой обмотки 14 нагрузки-индуктора, вторые выводы которых соединены с вторым выводом шестого управляемого вентиля 12, при этом второй вывод пятого управляемого вентиля 11 соединен с первым выводом второго фильтрового дросселя 2, при этом нагрузка-индуктор выполнена из четырех обмоток 6, 7, 13 и 14, расположенных по длине нагрузки-индуктора, при этом третья 13 и четвертая 14 обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой и включены согласно с первой 6 и второй 7 обмотками нагрузки-индуктора, при этом все управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения.
Преобразовательное устройство работает следующим образом. После нескольких срабатываний первого 3 и второго 4 управляемых вентилей столько же раз отпираются и запираются четвертый 10 и пятый 11 управляемые вентили. При отпирании четвертого управляемого вентиля 10 постоянный ток протекает по контуру: «+»-1-10<>2-«-», а третий конденсатор 15 заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.3 знаками «+», «-». При отпирании пятого управляемого вентиля 11, постоянный ток протекает по контуру: «+» -1-11-2- «-», четвертый управляемый вентиль 10 запирается, а третий конденсатор 15 перезаряжается до напряжения, полярность которого на фиг.3 показана знаками: «(-)», «(+)». После этого отпирается четвертый управляемый вентиль 10 и процессы повторяются.
В процессе нескольких отпираний и запираний четвертого 10 и пятого 11 управляемых вентилей в третьей обмотке 13 формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля и первый полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля, соотношение между которыми описано выше. После нескольких отпираний и запираний четвертого 10 и пятого 11 управляемых вентилей столько же раз отпираются и запираются второй 4 и третий 5 управляемые вентили, аналогично тому, как это было описано выше, при этом во второй обмотке 7 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля и второй полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля. После этого столько же раз отпираются и запираются пятый 11 и шестой 12 управляемые вентили, при этом в четвертой обмотке 14 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля и второй полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля.
Таким образом, в преобразовательном устройстве, приведенном на фиг.3 управляемые вентили работают в следующей последовательности 6 вначале несколько раз отпираются и запираются управляемые вентили 3 и 4, при этом в первой обмотке 6 нагрузки-индуктора наряду с высокочастотной составляющей электромагнитного поля формируется первый полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля, затем столько же раз отпираются и запираются управляемые вентили 10 и 11, при этом в третьей обмотке 13 нагрузки-индуктора наряду с высокочастотной составляющей электромагнитного поля формируется первый полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля, затем столько же раз отпираются и запираются управляемые вентили 4 и 5, при этом во второй обмотке 7 нагрузки-индуктора наряду с высокочастотной составляющей электромагнитного поля формируется второй полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля. Затем столько же раз отпираются и запираются управляемые вентили 11 и 12, при этом в четвертой обмотке 14 нагрузки-индуктора наряду с высокочастотной составляющей электромагнитного поля формируется второй полупериод низкочастотной составляющей электромагнитного поля. Таким образом, в обмотках 6, 7, 13 и 14 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, которая обеспечивает эффективный индукционный нагрев и плавку металла, а также низкочастотная составляющая электромагнитного поля, которая в обмотках 13 и 14 нагрузки-индуктора сдвинута в сторону запаздывания на 90° эл. по отношению к обмоткам 6, 7, т.е. формируется двухфазное электромагнитное поле, которое обеспечивает эффективное электромагнитное перемешивание жидкого металла.
Преобразовательное устройство, приведенное на фиг.4, кроме элементов, приведенных на фиг.3, содержит дополнительно введенные седьмой 17, восьмой 18 и девятый 19 управляемые вентили, пятую 20 и шестую 21 обмотки нагрузки-индуктора, а также пятый 22 и шестой 23 конденсаторы, при этом с вторым выводом первого фильтрового дросселя 1 соединены первые выводы седьмого 17, восьмого 18 и девятого 19 управляемых вентилей, второй вывод седьмого управляемого вентиля 17 соединен с первыми выводами пятого конденсатора 22 и пятой обмотки 20 нагрузки-индуктора, вторые выводы которых соединены с вторым выводом восьмого управляемого вентиля 18 и первыми выводами шестого конденсатора 23 и шестой обмотки 21 нагрузки-индуктора, вторые выводы которых соединены с вторым выводом девятого управляемого вентиля 19, при этом второй вывод восьмого управляемого вентиля 18 соединен с первым выводом второго фильтрового дросселя 2, при этом нагрузка-индуктор выполнена из шести обмоток 6, 7, 13, 14, 20 и 21, расположенных по длине нагрузки0-индуктора, при этом пятая 20 и шестая 21 обмотки нагрузки-индуктора соединены согласно последовательно между собой и включены согласно с третьей 13 и четвертой 14 обмотками нагрузки-индуктора, при этом все управляемые вентили включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения.
Преобразовательное устройство работает следующим образом. По аналогии с тем, как это описано выше, вначале несколько раз отпираются и запираются первый 3 и второй 4 управляемые вентили, при этом в первой обмотке 6 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля и тока, а также первый полупериод низкочастотной составляющей этого электромагнитного поля, затем со сдвигом в 60° эл. (по отношению к периоду низкочастотной составляющей электромагнитного поля) столько же раз отпираются и запираются третий 10 и четвертый 11 управляемые вентили, при этом в третьей обмотке 13 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, а также первый полупериод низкочастотной составляющей этого электромагнитного поля, затем со сдвигом 60° эл. столько же раз отпираются и запираются седьмой 17 и восьмой 18 управляемые вентили, при этом в пятой обмотке 20 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, а также первый полупериод низкочастотной составляющей этого электромагнитного поля, затем со сдвигом 60° эл. столько же раз отпирается и запирается второй 4 и третий 5 управляемые вентили, при этом во второй обмотке 7 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, а также второй полупериод низкочастотной составляющей этого электромагнитного поля, затем со сдвигом 60° эл. столько же раз отпираются и запираются пятый 11 и шестой 12 управляемые вентили, при этом в четвертой обмотке 14 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, а также второй полупериод низкочастотной составляющей этого электромагнитного поля, наконец, со сдвигом 60° эл. столько же раз отпираются и запираются восьмой 18 и девятый 19 управляемые вентили, при этом в шестой обмотке 21 нагрузки-индуктора формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, а также второй полупериод низкочастотной составляющей этого электромагнитного поля.
Следует заметить, что электромагнитные процессы при отпирании и запирании управляемых вентилей 17, 18 и 18, 19 полностью аналогичны процессам в устройствах, приведенных на фиг.1 и 3.
Таким образом, в рассматриваемом устройстве при переключениях управляемых вентилей 3, 4; 10, 11; 17, 18; 4, 5; 11, 12 и 18, 19 непрерывно формируется высокочастотная составляющая электромагнитного поля, которая обеспечивает эффективный индукционный нагрев и плавку металла, а также трехфазная низкочастотная составляющая электромагнитного поля, которая обеспечивает эффективное электромагнитное перемешивание жидкого металла.
Следовательно, в предложенных вариантах устройств достигается заявленный технический результат, заключающийся в одновременном генерировании высокочастотной и низкочастотной составляющих электромагнитного поля и упрощении, т.к. это генерирование осуществляется с помощью одного преобразовательного устройства и не требует переключений в силовых цепях при проведении электротехнологического процесса индукционного нагрева. В связи с тем, что формирование высокочастотных импульсов в течение каждого низкочастотного полупериода происходит только в одной обмотке нагрузки-индуктора, количество этих высокочастотных импульсов в каждом низкочастотном полупериоде составляет для однофазного устройства (фиг.1) , для двухфазного устройства (фиг.3) , для трехфазного устройства (фиг.4) , где n - введенный выше коэффициент соотношения частот.
В заключение необходимо заметить, что при изменении полярности источника постоянного напряжения изменяется направление включения управляемых вентилей. Управляемые вентили могут быть снабжены защитными цепями из резисторов, конденсаторов, диодов и варисторов.