СДВОЕННЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННО-ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Предлагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для индукционного нагрева и плавки металлов.
В ряде электротехнологических установок и процессов для повышения эффективности их работы целесообразно применение двухчастотного электромагнитного поля, обеспечивающего двухчастотную систему токов, например: при индукционном нагреве зубчатых колес, когда индукционный нагрев основной массы колеса производится на низкой частоте, а поверхность зубьев закаливается на высокой частоте; при плавке металлов, когда плавка металла производится на высокой частоте, а его перемешивание - на низкой частоте; в электромагнитном насосе для перекачивания жидкого металла, когда перекачивание металла осуществляется на низкой частоте, а его подогрев для предотвращения затвердевания - на высокой частоте.
Для генерирования двухчастотного электромагнитного поля, а следовательно, и двухчастотной системы токов известен автономный полумостовой инвертор и способ управления его работой. Упомянутый инвертор содержит полумостовую схему из управляемых ключей, шунтированных диодами, фильтровый конденсатор и разделительные конденсаторы, подключенные параллельно источнику питания постоянного напряжения. Нагрузка инвертора выполнена в виде высокочастотного параллельного резонансного колебательного контура, а с общей точкой разделительных конденсаторов и последовательно с высокочастотным LC-контуром соединен низкочастотный дроссель. Таким образом, в инверторе имеется последовательный низкочастотный резонансный колебательный LC-контур и параллельный высокочастотный резонансный колебательный LC-контур, в результате чего посредством управления управляемыми ключами полумостового инвертора формируют систему двухчастотного тока (Л.1 Патент №2231906).
Упомянутый аналог позволяет генерировать двухчастотные электромагнитные поля, а следовательно, двухчастотные системы токов в широком диапазоне изменения частоты, как низкочастотной, так и высокочастотной составляющих электромагнитного поля, при этом предельная высокая частота высокочастотной составляющей электромагнитного поля определяется только динамическими параметрами управляемых ключей, используемых в автономном инверторе, прежде всего временем включения и выключения управляемых ключей, а также допустимыми скоростями изменения токов и напряжений этих ключей. При этом габариты и масса высокочастотного
колебательного контура с повышением частоты уменьшаются. Однако при предельной низкой частоте низкочастотной составляющей электромагнитного поля и соответственно тока существенно возрастают габариты и масса низкочастотного колебательного контура, т.к. чем ниже частота низкочастотной составляющей электромагнитного поля и соответственно тока, тем больше емкость С и индуктивность L низкочастотного колебательного LC-контура. Это приводит к существенному ухудшению массогабаритных показателей устройства-аналога.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является принятый в качестве прототипа тиристорный регулятор, содержащий 2 встречно-параллельно включенных тиристора VT1, VT2 и индуктивно-активную нагрузку LR, при этом нагрузка LR и встречно-параллельно включенные тиристоры VT1, VT2 соединены последовательно между собой и подсоединены к питающему источнику переменного напряжения u (Л.2, Приложение 1. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 2001. - 464 с., стр.440, рис.10.2). Подавая на противофазные тиристоры VT1, VT2 управляющие импульсы, сдвинутые на 180° эл. таким образом, чтобы открывающий импульс управления поступал на каждый тиристор при прямом напряжении на этом тиристоре, можно получить переменное напряжение на нагрузке LR с частотой, равной частоте питающего источника переменного напряжения. Однако в схеме устройства-прототипа заявленный технический результат - одновременное формирование в нагрузке-индукторе тока, содержащего низкочастотную и высокочастотную составляющие - достичь нельзя. Получить такой ток можно было бы при замене управляемых вентилей тиристоров VT1, VT2 на полностью управляемые вентили путем многократного открывания и закрывания полностью управляемого вентиля одной фазы, например VT1, в течение одного полупериода низкой частоты, в данном случае частоты питающего источника переменного напряжения, а затем многократного открывания и закрывания полностью управляемого вентиля VT2 второй фазы в течение второго полупериода низкой частоты, как это предложено в [Л1]. Однако в схеме прототипа осуществлять это неэффективно, т.к. ведет к возникновению повышенного содержания высших гармоник в токе, потребляемом из сети переменного напряжения. Это связано с тем, что на интервале времени при открытых вентилях VT1 или VT2 из сети переменного напряжения потребляется полный ток, соответствующий мощности нагрузки, а на интервале времени при закрытых тех же вентилях VT1 или VT2 потребляемый ток из сети переменного напряжения равен нулю, т.е. в этом токе имеют место большие пульсации. Авторами предлагается устройство для индукционного нагрева металлов, при осуществлении которого достигается заявленный технический результат, т.е. формирование в нагрузке-индукторе двухчастотной
системы токов при минимальном содержании высших гармоник в токе, потребляемом из сети переменного напряжения.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем. В первый вентильный регулятор тока, содержащий два встречно-параллельно включенных управляемых вентиля и индуктивно-активную нагрузку, при этом встречно-параллельно включенные управляемые вентили соединены последовательно с нагрузкой и подсоединены к питающей сети переменного напряжения, введены второй вентильный регулятор, идентичный первому, содержащий встречно-параллельно включенные управляемые вентили, и последовательно соединенную с ними индуктивно-активную нагрузку, а также два конденсатора, при этом вентили обоих регуляторов выполнены полностью управляемыми, а индуктивно-активные нагрузки 1-го и 2-го регуляторов зашунтированы конденсаторами. При этом управление полностью управляемыми вентилями двух регуляторов осуществляется таким образом, что в каждом регуляторе за счет многократного открывания и закрывания полностью управляемых вентилей одной фазы в течение одного полупериода низкой частоты, а затем за счет многократного открывания и закрывания полностью управляемых вентилей второй фазы в течение второго полупериода низкой частоты формируются высокочастотные составляющие нагрузочных токов этих регуляторов, а за счет переключения противофазных полностью управляемых вентилей с частотой питающей сети переменного напряжения формируются низкочастотные составляющие нагрузочных токов упомянутых регуляторов, при этом полностью управляемые вентили первого и второго регуляторов открываются и закрываются поочередно, т.е. когда на полностью управляемый вентиль первого регулятора подается открывающий сигнал управления, на полностью управляемый вентиль второго регулятора подается закрывающий сигнал управления, и наоборот, когда на полностью управляемый вентиль первого регулятора подается закрывающий сигнал, на полностью управляемый вентиль второго регулятора подается открывающий сигнал.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого вентильного однофазного сдвоенного регулятора переменно-переменного тока СДРППТ, а на фиг.2 приведен вариант исполнения вентильного трехфазного сдвоенного регулятора переменно-переменного тока СДРППТ1, СДРППТ2, СДРППТЗ для индукционного нагрева и плавки металлов.
Схема однофазного сдвоенного регулятора переменно-переменного тока СДРППТ, обведенного штрих-пунктирной линией, состоит из двух регуляторов переменно-переменного тока РППТ1 и РППТ2, обведенных пунктирной линией, при этом регулятор РППТ1 содержит полностью управляемые встречно-параллельно включенные вентили 3, 4, индуктивно-активную нагрузку 5, 6 и компенсирующий конденсатор 7, при этом нагрузка 5, 6 зашунтирована компенсирующим конденсатором 7
и соединена последовательно с встречно-параллельно включенными вентилями 3, 4, а полученная последовательная цепь подсоединена к источнику переменного напряжения 1, 2, при этом регулятор РППТ2 выполнен аналогично регулятору РППТ1, а именно содержит полностью управляемые встречно-параллельно включенные вентили 8, 9, индуктивно-активную нагрузку 10, 11 и компенсирующий конденсатор 12, при этом нагрузка 10, 11 зашунтирована компенсирующим конденсатором 12 и соединена последовательно с встречно-параллельно включенными вентилями 8, 9, а полученная последовательная цепь также подсоединена к источнику переменного напряжения 1, 2.
Схема работает следующим образом. В первом полупериоде низкой частоты, например, когда источник питающего переменного напряжения 1, 2 имеет полярность, показанную на фиг.1 знаками «+-», открывается например, полностью управляемый вентиль 3 первого регулятора РППТ1, при этом ток протекает по контуру: 1-3-5, 6, 7-2, а компенсирующий конденсатор 7 заряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками «+-». Через некоторый интервал времени, длительность которого равна полупериоду частоты высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора 5, 6, полностью управляемый вентиль 3 первого регулятора РППТ1 закрывается и в этот же момент времени открывается полностью управляемый вентиль 8 второго регулятора РППТ2, при этом ток протекает по контуру 1-8-10, 11, 12-2, конденсатор 7 разряжается в контуре 7, 5, 6, а конденсатор 12 заряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками «+-», при этом ток, потребляемый из питающей сети 1, 2 не прекращается несмотря на прекращение тока через вентиль 3. Через упомянутый выше интервал времени полностью управляемый вентиль 8 второго регулятора РППТ2 закрывается и в этот же момент времени открывается вновь полностью управляемый вентиль 3 первого регулятора РППТ1, при этом ток вновь протекает по контуру 1-3-5, 6, 7-2, компенсирующий конденсатор 7 вновь заряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 обозначена знаками «+-», а компенсирующий конденсатор 12 разряжается в контуре 12, 10, 11, при этом ток, потребляемый из питающей сети 1, 2 не прекращается несмотря на прекращение тока через вентиль 8. Затем снова закрывается вентиль 3, одновременно открывается вентиль 8, и так до конца первого полупериода низкой частоты, равной частоте питающего источника переменного напряжения 1, 2. Во втором полупериоде низкой частоты, равной частоте питающего источника переменного напряжения 1, 2 при полярности этого напряжения, показанной на фиг.1 знаками «(-)(+)», открывается, например, полностью управляемый вентиль 4 первого регулятора РППТ1, при этом ток протекает по контуру 2-6, 5, 7-4-1, а компенсирующий конденсатор 7 заряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками «(-)(+)». Через упомянутый выше интервал времени полностью управляемый вентиль 4 первого регулятора
РППТ1 закрывается и в этот же момент времени открывается полностью управляемый вентиль 9 второго регулятора РППТ2, при этом ток протекает по контуру 2-11, 10, 12-9-1, конденсатор 7 разряжается в контуре 7, 6, 5, а конденсатор 12 заряжается до напряжения, полярность которого на фиг.1 обозначена знаками «(-)(+)», при этом ток, потребляемый из питающей сети 1, 2 не прекращается несмотря на прекращение тока через вентиль 4. Через упомянутый выше интервал времени полностью управляемый вентиль 9 второго регулятора РППТ2 закрывается и одновременно вновь открывается вентиль 4 первого регулятора РППТ1, при этом ток вновь протекает по контуру 2-6, 5, 7-4-1, конденсатор 7 вновь заряжается до напряжения, полярность которого показана на фиг.1 знаками «(-)(+)», а конденсатор 12 разряжается в контуре 12, 11, 10, при этом ток, потребляемый из питающей сети 1, 2 не прекращается несмотря на прекращение тока через вентиль 9. Затем вновь закрывается вентиль 4 и открывается вентиль 9 и так до конца второго полупериода низкой частоты, равной частоте питающего источника переменного напряжения 1, 2. Таким образом, в обоих нагрузках-индукторах 5, 6 и 10, 11 обеспечивается формирование высокочастотной составляющей нагрузочного тока за счет многократного открывания и закрывания полностью управляемых вентилей 3, 4, 8, 9 обоих регуляторов РППТ1 и РППТ2 на каждом полупериоде низкой частоты, а низкочастотная составляющая нагрузочного тока в обеих нагрузках-индукторах формируется за счет переключения противофазных вентилей тех же регуляторов РППТ1 и РППТ2 в соответствии с частотой питающей сети переменного напряжения 1, 2, а минимальное содержание высших гармоник в токе, потребляемом из питающей сети переменного напряжения 1, 2 обеспечивается поочередным открыванием и закрыванием полностью управляемых вентилей первого РППТ1 и второго РППТ2 вентильных регуляторов переменно-переменного тока, т.к. при этом ток из питающей сети потребляется непрерывно. Таким образом, в предложенной полезной модели достигается заявленный технический результат - одновременное формирование высокочастотной и низкочастотной составляющих тока нагрузок-индукторов при минимальном содержании высших гармоник в токе, потребляемом из питающей сети переменного напряжения. Первая 5, 6 и вторая 10, 11 нагрузки-индукторы могут быть применены как индукторы для двух отдельных индукционных печей, так и для одной индукционной печи.
Применение 3-х сдвоенных вентильных регуляторов переменно-переменного тока СДРППТ1, СДРППТ2 и СДРППТЗ, каждый из которых выполнен в соответствии с фиг.1, позволяет получить сдвоенную трехфазную систему вентильных регуляторов переменно-переменного тока. Пример такой системы, построенной из трех сдвоенных вентильных регуляторов переменно-переменного тока СДРППТ1, СДРППТ2 и СДРППТЗ, подсоединенной к трехфазной сети АВС
переменного напряжения, приведен на фиг.2. Индукторы нагрузки в такой системе могут быть индукторами как для двух трехфазных индукционных печей, так и для одной сдвоенной трехфазной индукционной печи. Низкочастотная составляющая токов как в случае двух трехфазных индукционных печей, так и в случае одной сдвоенной трехфазной индукционной печи обеспечивает трехфазную систему токов низкой частоты, равной частоте питающего источника переменного напряжения, которая является наиболее эффективной для электромагнитного перемешивания расплавленного металла.
В заключение необходимо отметить, что, во-первых для упрощения на фиг.1 и фиг.2 не показаны диоды, включаемые иногда последовательно с полностью управляемыми вентилями, а также включаемые параллельно вентилям защитные RC-цепи, применяемые для повышения надежности работы вентилей. Во-вторых, каждая пара встречно-параллельно включенных полностью управляемых вентилей, например 3, 4 или 8, 9 (см. фиг.1), может быть заменена одним полностью управляемым вентилем, включенным через состоящий из 4-х диодов диодный мост, имеющий диагонали переменного и постоянного тока, при этом диагональю переменного тока упомянутый диодный мост включается в цепь переменного тока, т.е. последовательно с нагрузочным контуром, например 5, 6, 7, а к диагонали постоянного тока упомянутого диодного моста подсоединяется в прямом направлении упомянутый один полностью управляемый вентиль. В третьих, источник питания 1, 2 переменного напряжения на фиг.1 показан идеальным, т.е. с нулевым внутренним сопротивлением, тогда как в реальной сети переменного напряжения внутреннее сопротивление источника питания всегда отлично от нулевого значения.