ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА Российский патент 1994 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для получения напряжения повышенной частоты, используемого при индукционном нагреве. Изобретение может быть использовано в энергетическом и нефтехимическом машиностроении, например, при монтаже и ремонте трубопроводов и сосудов высокого давления.

Известен преобразователь частоты для индукционного нагрева, содержащий два включенных встречно-параллельно через дроссели трехфазных тиристорных моста, к каждому из которых подключены конденсаторы, соединенные в звезду, общие точки которых образуют выход преобразователя, и входные дроссели, одни концы которых подключены к трехфазной сети переменного тока, а другие концы соединены с входом одного из мостов [1] .

Недостатком известного устройства является ограниченность его технологических возможностей. Это вызвано наличием емкостей, через которые протекает рабочий ток. В связи с этим для обеспечения качественного индукционного нагрева необходимо, чтобы соотношение между емкостью конденсаторов и индуктивностью нагрузки было постоянным. Тогда при осуществлении индукционного нагрева в широком диапазоне изменения температур из-за значительного изменения индуктивности нагрузки возникает необходимость постоянного изменения емкостей конденсаторов, а при работе с низкоомной нагрузкой требуются емкости большой величины, существенно увеличивающие габариты преобразователя. Все это ограничивает применение данных преобразователей.

Известен преобразователь частоты, взятый за прототип, содержащий два трехфазных тиристорных моста, включенных встречно-параллельно через дроссели, средние точки которых образуют выход преобразователя, а входы мостов соединены с трехфазной сетью переменного тока. Дроссели использованы для ограничения сквозных токов [2] .

Недостатком известного устройства является ограниченность его технологических возможностей и низкий коэффициент мощности. Это вызвано наличием дросселей, включенных последовательно с нагрузкой. В связи с этим при низкоомной нагрузке начинает преобладать индуктивность дросселей над активным сопротивлением нагрузки и преобразователь переходит в инверторный режим, т. е. энергия, накопленная в магнитном поле дросселей, начинает возвращаться обратно в сеть. А также дроссели существенно ограничивают ток нагрузки, что снижает коэффициент мощности преобразователя частоты.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей преобразователя частоты и повышение его коэффициента мощности.

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь частоты для индукционного нагрева, содержащий два трехфазных тиристорных моста, входами подключенных к трехфазной сети переменного тока, снабжен трансформатором с двумя парами согласно-последовательно соединенных между собой обмоток, из которых одна пара включена между катодом первого моста и анодом второго, другая пара - между анодом первого моста и катодом второго, а средние точки обмоток образуют выход преобразователя.

Наличие между трехфазными тиристорными мостами трансформатора с двумя парами согласно-последовательно соединенных между собой обмоток обеспечивает выполнение защитной функции - ограничение сквозных токов, так как магнитные поля обмоток, через которые течет сквозной ток, складываются и, таким образом, увеличивается общее сопротивление цепи. И в то же время при прохождении рабочего тока магнитные поля обмоток, через которые течет рабочий ток, взаимно компенсируются и, следовательно, их индуктивное сопротивление становится равным нулю. В результате этого исключается переход работы преобразователя частоты в инверторный режим и, следовательно, снимаются ограничения по использованию преобразователя для низкоомных нагрузок и, таким образом, расширятся технологические возможности, а также исключается ограничение тока нагрузки и, таким образом, повышается коэффициент мощности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый преобразователь частоты отличается от него наличием трансформатора с двумя парами согласно-последовательно соединенных между собой обмоток и связями этих обмоток с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "Новизна".

В результате поиска технических решений в данной области техники преобразователи для индукционного нагрева, у которых для ограничения сквозных токов использован трансформатор, не найдены, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена принципиальная схема преобразователя частоты; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя частоты (α - временные диаграммы фазных напряжений сети, β - временная диаграмма напряжения на нагрузке).

В преобразователь частоты для индукционного нагрева входят тиристоры 1-6,7-12, образующие трехфазные тиристорные мосты и трансформатор 13 с двумя парами согласно-последовательно соединенных между собой обмоток 14-15 и 16-17, средние точки которых образуют выход преобразователя.

Силовые входы трехфазных тиристорных мостов соединены с трехфазной сетью переменного тока. Общая точка соединения катодов тиристоров 1,3,5 подключена к началу обмотки 14, общая точка соединения анодов тиристоров 2,4,6 - к началу обмотки 16, общая точка соединения анодов тиристоров 2,4,6 - к началу обмотки 16, общая точка соединения анодов тиристоров 7,9,11 - к концу обмотки 15, общая точка соединения катодов тиристоров 8,10,12 - к концу обмотки 17. Нагрузкой Z_н является индуктор с батареей конденсаторов для компенсации cos ϕ.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени О открываются тиристоры 1,4 (фиг. 2, α), которые оставляют открытыми до момента а. Остальные тиристоры при этом закрыты. В промежутке О-а ток проходит в следующей последовательности: фаза A - тиристор 1 - обмотка 14 - нагрузка Z_н - обмотка 16 - тиристор 4 - фаза B. В результате на нагрузке Z_н формируется положительная часть кривой выходного напряжения (фиг. 2, β). В момент а закрываются тиристоры 1,4 и открываются тиристоры 8,11 и ток протекает уже по цепи: фаза A - тиристор 8 - обмотка 17 - нагрузка Z_н - обмотка 15 - тиристор 11 - фаза С. В результате на нагрузке формируется отрицательная часть кривой выходного напряжения. В остальные моменты времени происходит поочередное протекание противоположно направленных токов в нагрузке: bc фаза B - тиристор 3 - обмотка 14 - нагрузка Z_н - обмотка 16 - тиристор 6 - фаза С; cd фаза B - тиристор 10 - обмотка 17 - нагрузка Z_н - обмотка 15 - тиристор 7 - фаза A; de фаза С - тиристор 5 - обмотка 14 - нагрузка Z_н - обмотка 16 - тиристор 2 - фаза A; ef фаза С - тиристор 12 - обмотка 17 - нагрузка Z_н - обмотка 15 - тиристор 9 - фаза B. Таким образом, в один период напряжения сети частотой 50 Гц помещается три периода, что означает трехкратное увеличение частоты. Возникающий при переключении тиристоров сквозной ток протекает через последовательно соединенные обмотки 14,15 или 16,17 трансформатора 13, магнитные поля при этом складываются и, следовательно, увеличивается общее сопротивление цепи, по которой течет сквозной ток, благодаря чему ограничивается его величина.

Для согласования преобразователя частоты с нагрузкой Z_н на выходе преобразователя может быть включен однофазный трансформатор.

Таким образом, преобразователь частоты осуществляет преобразование частоты сети 50 Гц в 150 Гц. Особенностью схемы является то, что при прохождении рабочего тока по обмоткам 14,16 или 15,17 их магнитные поля взаимно компенсируются, в результате чего, индуктивное сопротивление становится равным нулю. Благодаря этому, во-первых, исключается переход работы преобразователя частоты в инверторный режим и, следовательно, снимаются ограничения по использованию преобразователя частоты для низкоомных нагрузок и, таким образом, расширяются его технологические возможности, а, во-вторых, исключается снижение тока нагрузки и, таким образом, повышается коэффициент мощности преобразователя. (56) Авторское свидетельство СССР N 868951, кл. H 02 M 5/27, 1979.

"Справочник по преобразовательной технике/Под ред. И. М. Чиженко, Киев, Техника, 1978, с. 159, рис. 3.64д.

Использование: в силовой преобразовательной технике для получения напряжения повышенной частоты, используемого при индукционном нагреве. Может быть использовано в энергетическом и нефтехимическом машиностроении, например, при монтаже и ремонте трубопроводов и сосудов высокого давления. Сущность изобретения: устройство содержит тиристоры (1 - 6, 7 - 12), образующие трехфазные тиристорные мосты и тр-р (13) с двумя парами согласно - последовательно соединенных между собой обмоток (14 - 15 и 16 - 17), средние точки которых образуют выход преобразователя. Силовые входы трехфазных мостов соединены с трехфазной сетью переменного тока. Магнитные поля обмоток тр-ра при прохождении сквозных токов суммируются и общее сопротивление цепи увеличивается, а при прохождении рабочих токов - взаимно компенсируются и индуктивное сопротивление становится равным нулю, благодаря чему устраняются ограничения по применению преобразователей для низкоомных нагрузок. 2 ил.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА, содержащий два трехфазных тиристорных моста, входами подключенных к трехфазной сети переменного тока, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей и повышения коэффициента мощности, он снабжен трансформатором с двумя парами согласно последовательно соединенных между собой обмоток, причем одна пара обмоток включена между катодом первого моста и анодом второго, другая пара обмоток - между анодом первого моста и катодом второго, а средние точки обмоток образуют выход преобразователя.