Последовательный инвертор для индукционного нагрева

(19) (11) д Н 02 М Н 05 В 6/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ Н АВТОРСКОМУ ВУ Т ния равдопол онодно е ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Авторское свидетельство СССР У 807467, кл. Н 02 М 7/515, 1979.2. Патент США У 4323959, кл, Н 02 М 3/315, 1982.(54)(57) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА,содержащий двухсекционный дроссель, секции ,которого связаны с шинами питания через два управляемых вентиля, два основных конденсатора, одни обкладки которых подключены к разноименным шинам питания, а также дополнительный конденсатор и выходной трансформаторо т л и ча ю щ и й с я тем, что,с целью расширения диапазона регулирования напряжения и повышеномерности нагрева по объему,нительный конденсатор включен междудругими обкладками двух основных кденсаторов, первичная обмотка выхго трансФорматора выполнена из двсекций, причем одни одноименные концы секций обмотки подключены к разноименным концам обмоток двухсекционного дросселя, а другие одноименныконцы этих секций через два управляемых и два введенных управляемых вентиля подсоединены к обкладкам дополнительного конденсатора.1120468 Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть испольэовано в качестве источника питанияэлектротермических устройств. 5Известен последовательный инвертор, содержащий два тиристора с обратными диодами, два дросселя фильтра, две или. одну коммутирующие це-.почки и двухобмоточный трансформатор 10(без нагрузочной обмотки) Ц .Недостатком такого устройстваявляется относительно большое количество дросселей: два дросселя фильтра и два (первый вариант) или один 15, Наиболее близким к изобретениюявляется устройство электропитанияс резонансным инвертором, содержащим 20двухсекционный дроссель, подсоединенный через тиристоры с обратньвидиодами к источнику постоянного тока,к которому также подсоединены после 1 довательно включенные два основных 25конденсатора, между которыми и междудросселем подсоединен выходнойтрансформатор с нагрузкой, параллельно первичной обмотке которого подключен добавочный конденсатор 12, З 0Недостатками известного инвертора являются относительно узкая возможность регулирования напряжения, а именно только за счет различия между частотой задающего генератора и соб. ственной частотой колебательного контура в инверторе, а также недостаточная, равномерность нагрева заготовок по объему.Целью изобретения является расши рение диапазона регулирования выход. ного напряжения и повышение равномер" ности нагрева по объему.Доставленная цель достигаетя тзм, что в последовательном инвертореф 5 для индукционного нагрева, содержащем двухсекционный дроссель, секции которого связаны с шинами питания через два управляемых вентиля, два основных конденсатора, одни обкладки которых 50 подключены к разноименным шинам питания, а также дополнительный конденсатор и выходной трансформатор, дополнительный конденсатор включен между другими обкладками двух основ ных конденсаторов, первичная обмотка выходного трансформатора выполнена из двух секций, причем одни одноимен. 2ные концы секций обмотки подключены к разноименным концам обмоток двух-, секционного дросселя, а другие одноименные концы этих секций через два управляемыхи два введенных управляе мых вентиля подсоединены к обкладкам дополнительного конденсатора.На фиг.1 дана принципиальная схе" ма силовой части устройства; на фиг.2 - Функциональная блок-схема управления устройством; на фиг.З- временные диаграммы схемы управления и силовой части устройства.К выводам 1 и 2 источника питания постоянного тока подсоединен двух- секционный дроссель 3 (фиг.1). К тем же выводам 1 и 2 подключены последовательно соединенные три конденсатора 4 - 6. При этом к среднему из них, конденсатору 5, подключен переключатель 7, состоящий из четырех управляемых вентилей 8 - 11. Вторые выводы переключателя 7 через две пер. вичные обмотки 12 и 13 выходного трансформатора 14 подсоединены ко вторым выводам разъединенных секций обмотки дросселя 5. Ко вторичной обмотке трансформатора 14 подключена нагрузка 15.От задающего генератора 16 питаются Формирователи 17 и 18 импульсов причем формирователь 18 включен после делителя частоты 19 (Фиг.2). На выходе формирователя 17 импульсов под- соединеныбР-триггеры 20 и 21, тактируемые импульсом. На выходе формирователя 18 импульсов подключен коль. цевой счетчик 22 с выходами для импульсов Й, - О. Выходы импульсов 6 и 6 через разделительные диоды 23 подсоединены непосредственно на так тирующие входы соответственно 5 0- триггеров 20 и 21. Выходы импульсов Ци 9 подсоединены на входы соот" ветственно 0 -триггеров 24 и 25, тактируемых импульсов. Тактирующий вход 3-триггеров 24 и 25 подсоединен через размыкающие контакты соответственно 26 и 27. Выходы 3-триггеров 24 и 25 через разделительные диоды 23 подсоединены на тактирующие входы соответственно бй-триггеров 20 и 21, На выходе триггерй 20 подсоединены цепи управления вентилями 8 и 9, а на выходе триггера 21 - аналогичные цепи вентилей 10 и 11. На Фиг.З приняты следующиедополнительные обозначения: 0, 0 483 11204импульсы на выходе формирователейсоответственно 17 и 18 (фиг.2);Ц 1 - 4 прямоугольные длительные импульсы на выходе кольцевого счетчика22; 08 - Оц - импульсы в цепях управления вентилей 8-11; 114 - сумматоков в первичных обмотках 12 и 13трансформатора 14 (пунктиром показано на,участке, где в процессе ступенчатого регулирования ток может становиться равным нулю); 04 - 06мгновенные значения напряжений соответственно на конденсаторах 4 - 6,показанные с учетом работы предложенного устройства. 15Предложенный последовательныйинвертор, когда в нем три конденса-.тора одинаковы, работает следующимобразом,Его управляющее устройство (фиг.2 щосуществляет два вида управления:переход от работы, например, первойпары вентилей (8 и 9) к работе второй пары (вентили 10 и 1 ф по-,;очередное открывание управляемых 25вентилей в каждой паре. Рассмотрим режим работы первой пары из вентилей 8 и 9. Если работа начинается, например, с, открытия вентиля 8, то под воздействием нап- З 0 ,ряжения включения, равного 0,66 01, где 0 - напряжение источника постоянного тока (на выводах 1 и 2), происходит однополярный колебательный импульс через левую секцию обмот 35 ки дросселя 3, первичную обмотку 12 трансформатора 14, вентиль 8, далее импульс разветвляется: две трети ,его подзаряжает конденсатор 6, .а .одна треть в разрядном направлении прохо дит через последовательно включенные конденсаторы 5 и 4, После прекраще-. ния однополярного импульса в вентиле 8 и необходимой малой паузы для восстановления его запирающих способностей (ввиду малой величины эти паузы на фиг.4 не показаны) происходит открытие управляемого вентиля 9. Теперь под воздействием напряжения включения, равного приблизительно 50 0,66 01, происходит второй однополярный колебательный импульс, который разветвляется: две трети его подзаряжает конденсатор 4, а одна треть в разрядном направлении проходит 55 через последовательно соединенные конденсаторы 5 и 6, затем этот колебательный импульс проходит через вен 68 4 тиль 9 н в обратном направлении через первичную обмотку 13 трансформатора 14, далее - через вторую секцию обмотки дросселя 3.Таким образом, при работе. первой пары иэ вентилей 8 и 9 под воздействием напряжения включения, равного 0,66 0, за два такта получаем один период колебаний переменного тока в первичных обмотках выходного трансформатора 14, но восстановление исходных напряжений на конденсаторах не происходит: на конденсаторах 6 и 4 остается подзаряд током в одну треть однополярного колебательного импульоа, а конденсатор 5 совсем не подзаряжается и у него за два такта происходит только разряд два раза током в одну треть упомянутого импульса.Аналогичный анализ показывает, что при работе второй пары вентилей 10 и 11 под воздействием напряжения включения, равного 0,33 01, за два такта получаем один период колебаний переменного тока в первичных обмотках выходного трансформатора 14, .причем отклонение от исходных напря" жений на.конденсаторах происходит такое что компенсирует отклонение, возникшее при работе первой пары вентилей 8 и 9.Соответствующая этому анализу суьг ма токов 11 в первичных обмотках 12 и 13 трансформатора 14 показана на фиг.4. Мгновенные значения напряжений 0 - 0 на конденсаторах; при работе вентилей 8 и 9 колеблятся относительно постоянного напряжения 0,33 01, показанного пунктирной прямой на фиг.4, при работе вентилей 10 и 11 упомянутые колебания происходят 1относительно напряжения 0,66 01 (также показанного пунктирной прямой) между двумя этими режимами имеем плавный переход напряжений на конденсаторах 4 и 6, а на конденсаторе 5 напряжение изменяется под воздействием ко.лебательных полуволн импульсов, которые сопровождаются двумя разрядами, двумя зарядами и переходами работы от одной пары вентилей к другой. Таким образом, при непрерывной поочередной работе то пары вентилей 8 и 9, то пары 10 и 11,получаем на на-грузке верхний предел регулируемого напряжения, пропорционального току 1.1 с частотой я, собственных колебанийСледовательно, в условиях верхнегопредела регулируемое напряжение состоит в основном из суммы трех гармоник: резонансной половинной и полуторной с отношением амплитуд 0,5::0,105:0,105.В условиях электротермической нагрузки мощность пропорциональна квадрату тока или квадрату напряжения и поэтому упомянутая модуляция при трех одинаковых конденсаторах повышает на 113 отдаваемую мощность по сравнению с немодулированным сиг налом средней величины ( 0,666 +35+ О, 333 Д /2 ф О, 53 = 1, 11) .Характерное для предложенного устройства регулирование напряжения является ступенчатым и заключается40 в том, что после каждых четырех тактов, состоящих из поочередной работы то пары вентилей 8 и 9, то пары тактов 10 и 11, производится пропуск четырех тактов. Осуществляется это45 одновременным длительным разршвом тактирующих входов у Р-триггеров 24 ,и 25 при помощи размыкания контактов 26 и 27 (Лиг.2). Благодаря этому импульсы Я Й 2 от кольцевого счетчи 150 ка 22 не могут вызвать открытие вентилей 8 - 11, эти запрещаемые импульсы а также соответствующий им ток 1 (сумма токов в первичных обмотках 12 и 13 выходного трансформа" тора 14) показаны на фиг.4 пункти"5 ром. При таком ступенчатом регулировании (с пропуском четырех тактов после каждых четырех рабочих) проис 30 элементов устройства и нагрузки, причем это напряжение амплитудно модулировано переменным напряжением, /близким к прямоугольной форме и с частотой (д щ, = 0,5 ы р, при коэффи циенте модуляции, равным т, =0,166/0,5. Если в модулирующем напряжении учесть только первую гармонику, то получим следующее выражение для выходного напряжения0 = 0,5+0,166 - зхп - Ю зп7где Х - коэффициент.После преобразования второго сла"гаемого получаем:ЯоС-0 105 созФ220 ходит дополнительное амплитудное модулирование: упомянутое напряжение при верхнем пределе регулирования модулируется переменным напряжением прямоугольной формы с частотой Я0,25 ур при коэффициенте модуляции, равном п 12 = 0,5/0,5, На нижнем пределе ступенчатого регулирования у выходного напряжения упомянутые три гармоники (резонансная Я, половинная и полуторная) уменьшаются вдвое (с отношением амплитуд 0,25:0,52: :0,52), причем дополнительно появляются гармоники с частотами 1,25 и и 0,75 ыр при относительных амплитудах О, 16:0,16.Таким образом, при регулировании напряжения инвертора путем амплитудного модулирования резонансная гармоника всегда остается преобладающей, а частоты боковых гармоник отличаются .от резонансной не более, чем на х 50 Ж.В инверторе можно также проводить плавное. регулирование (уменьшение) напряжения, которое присуще известному устройству и заключается в уменьшении частоты Я задающего генератора по сравнению с Цр - собственной частотой колебательного контура в инверторе, включая нагрузку. При таком регулировании, когда оно проводится без других видов регулирования, в выходном напряжении всегда преобладает по величине первая гармоника с частотой Я задающего генератора, затем с уменьшающимися амплитудами идут гармоники Зц, 5 и и другие высшие нечетные гармоники, которые даже при наиболее благоприятных для себя соот ношениях не могут превысить по амплитуде гармонику с меньшим номером.В предложенном устройстве можно создавать два режима: верхний предел регулирования с полной отдачей мощности, когда вследствие амплитудной модуляции. выходные напряжения состоят из гармоник с кратностью частот 1:0,5: 1,5 (основная, половинная, полуторная), причем соотношение амплитуд составляет 0,5.0,105:0,105; нижний предел регулирования с отдачей половины мощности, когда выходное напряжение состоит из гармоник с крат ностью частот 1:0,5:1,5:0,75:1,25, причем соотношение амплитуд составляет 0,25:0,052:0,052:0,16;0,16.Отношение суммы квадратов амплитуд, например, нижних боковых"частотк квадрату амплитуды основной частотысоставляет 0,105/0,5 = 0,044при верхнем пределе регулирования и(О 16 г . 0 052 г)/О 25 г - 0 452 принижнем пределе регулирования,В предЛоженном устройстве регулирование нагрева нагрузки производится путем комбинирования работы при10верхнем или при нижнем пределах регулирования, а также известным приемом отключения устройства,Наличие нижних боковых частотувеличивает глубину проникновенияиндуктированного тока в заготовкубез значительного уменьшения выделяемой мощности в слоях у поверхности,нагрев которых обеспечивают основнаячастота и верхние боковые частоты.Следовательно, наличие нижних боковых частот ускоряет установление заданного режима равномерного распределения температуры в заготовке. Принижнем пределе регулирования относительная интенсивность боковых частот в несколько раз больше, чемпри верхнем пределе регулирования.Боковые частоты не оказываютсядалеко от основной. частоты в зоне со- З 0седних стандартных частот, выбранных нз оптимальных условий, причем эти боковые частоты делают более плавными. переходы условий между соседними стандартными частотами.В устройстве, у которого выходное напряжение имеет основную и высшие гармоники, преобладающая из высших третья гармоника уже оказывается далеко от основной гармоники в зоне такой стандартной частоты, которая значительно отличается от оптимальной для данного диаметра заготовки.Таким образом, особенности предложенного устройства создают ему следующие преимущества. Регулирование нагрева нагрузки производится не толь. ко известным приемом отключения устройства, но еще работой при верхнем пределе регулирования с обеспечением полной мощности или при нижнем пределе регулирования с обеспечением половинной мощности. Наличие нижних боковых частот увеличивает глубину проникновения индуктированного тока в заготовку без значительного уменьшения выделяемой мощности в слоях поверхности, нагрев которых обеспечивают основная частота и верхние боковые частоты. Это ускоряет установление заданного равномерного распределения температуры в заготовке.1120468 ы 17 1Составитель Г. Мыцыкактор Л, Лосева Техред С.Легеза Корре Максимишинец Заказ 77 Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 иал Тираж 666 ВНИИПИ Государственно по делам изобретен 113035, Москва, Ж, Подписноо комитета СССй и открытийРаущская наб