ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С АВТОНОМНЫМ ИНДУКТОРОМ Российский патент 2007 года по МПК H02M5/44 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания автономных индукционных нагревателей.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное (авт.св. №851700, СССР, Н 02 М 7/515, 1979), содержащий автономный резонансный инвертор, имеющий в выходной цепи резонансный контур с конденсатором и датчиком тока, блок управления, включающий датчик фазы, регулятор частоты, задающий генератор, формирователь и распределитель импульсов управления.

Главной функциональной особенностью данного преобразователя является наличие в его составе автономного резонансного инвертора. Максимальная эффективность использования преобразователей с резонансными инверторами в качестве источников питания индукционных нагревателей достигается при резонансе токов в контуре, состоящем из параллельно включенных индуктора и конденсатора. При постоянно меняющихся параметрах контура, сердечником которого является нагреваемый металл, настройка на резонанс токов производится путем подбора емкости контура или подстройкой частоты.

Основными недостатками известного устройства являются сложность, низкая надежность, большие энергетические потери в контуре и коммутирующих элементах при преобразовании энергии и ограниченные эксплуатационные возможности.

Сложность обусловлена наличием в резонансном инверторе большого количества управляемых вентилей и коммутирующих элементов.

Низкая надежность обусловлена сквозными токами, возникающими в тиристорных парах (плечах) инвертора при переключении диагоналей вентильного моста, и отсутствием эффективной защиты управляемых вентилей при коротком замыкании в нагрузке.

Сквозные токи возникают в случае, если хотя бы в одном из плеч вентильного моста попадутся тиристоры с малым временем включения и большим временем выключения. При переключении вентилей диагонального моста в промежутке между включением одного и выключением другого тиристора через верхнее и нижнее плечо соответствующей тиристорной пары протекает сквозной ток, уровень которого, в зависимости от длительности переключения тиристоров, может достигать значения тока короткого замыкания. При высокой частоте переключения диагоналей вентильного моста сквозные токи могут привести к пробою тиристоров. На практике, при отсутствии короткого замыкания в нагрузке, проявление этого эффекта является основной причиной пробоя тиристоров.

Большие энергетические потери обусловлены тем, что конденсатор контура и коммутирующие элементы подвергаются в процессе формирования в нагрузке электрических колебаний воздействию полного размаха переменного напряжения. При максимальном размахе переменного напряжения потери в контурном конденсаторе и коммутирующих элементах также достигают максимального значения, что в свою очередь приводит к их интенсивному разогреву и последующему разрушению. Во избежание этого явления во всех промышленных индукционных установках с резонансными инверторами, используемых для разогрева и плавки металлов, все элементы контура, включая контурные провода, связывающие параллельно включенные индуктор и конденсатор, охлаждаются водой. Обязательное использование жидкостного охлаждения практически всех элементов резонансного инвертора требует жестко регламентированных условий эксплуатации, что в значительной степени ограничивает эксплуатационные возможности преобразователя.

Существенным недостатком преобразователей с автономными резонансными инверторами является также отсутствие эффективной защиты индуктора от межвиткового короткого замыкания. Это в значительной степени сказывается на надежности индукционных плавильных печей и безопасности плавки. В случае преждевременного износа футеровки тигля расплавленный металл попадает на индуктор, что приводит к межвитковому замыканию, еще более интенсивному разогреву расплавленного металла и короткозамкнутых витков, и в конечном счете, разрушению индуктора, соприкосновению расплавленного металла с водой и далее разрушению и даже взрыву плавильной печи. В большинстве случаев этого можно избежать, если в момент возникновения межвиткового замыкания автоматически блокировать работу инвертора и, тем самым, исключить дальнейший разогрев металла в зоне межвиткового замыкания (зона максимальной индукции).

Еще одним недостатком преобразователей с резонансными инверторами является то, что управление мощностью преобразователя производится путем пропуска (вычитания) соответствующего количества управляющих импульсов, то есть вентильный мост с резонансной нагрузкой всегда функционирует с максимальной в условиях резонанса амплитудой тока, независимо от генерируемой мощности.

Известен также преобразователь постоянного напряжения в переменное (авт.св. №851699, СССР, Н 02 М 7/515, 1979), содержащий блок управления и защиты, дифференциальный датчик тока с двумя первичными обмотками и автономный инвертор, состоящий из преобразовательного моста на тиристорах, зашунтированных обратными диодами, а также дополнительный датчик тока, включенный последовательно с коммутирующим конденсатором.

Аналогу присущи те же недостатки, что и известному устройству. В то же время аналог отличается от известного устройства наличием в диагоналях вентильного моста датчиков тока, предназначенных для защиты управляемых вентилей от перегрузки по току. Однако эффективность такой защиты от короткого замыкания в нагрузке очень низкая. Это обусловлено задержкой выключения управляемых вентилей резонансного инвертора при коротком замыкании в нагрузке из-за инерционности последовательной цепи (нагрузка - защитный конденсатор и дроссель - датчик тока - блок защиты и управления - управляемые вентили) формирования блокирующих сигналов, присущей практически всем системам с многозвенной обратной связью. В лучшем случае быстродействие такой защиты составляет не менее 3-5 микросекунд. Большинство силовых вентилей не выдерживают пиковых токов в таком временном интервале.

Для надежной защиты силовых вентилей реакция всей системы на короткое замыкание в нагрузке должна быть на порядок выше. Этого можно добиться только в том случае, если датчик тока функционально будет являться неотъемлемой частью управляемого вентиля, причем формируемый датчиком тока признак перегрузки и короткого замыкания воздействует в первую очередь непосредственно на управляемый вентиль, а затем через элементы гальванической развязки на схему управления вентилями. В этом случае задержка блокировки управляемого вентиля при перегрузке может достигать 50-100 наносекунд, что является приемлемым практически для всех типов управляемых вентилей.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является преобразователь частоты с блоком конденсаторной защиты (SU №1543512, Н 02 М 5/42, 1987), содержащий выпрямитель, тиристорный ключ, зашунтированный первым резистором, конденсаторный выключатель, состоящий из коммутирующего тиристора и конденсатора, блок пуска, состоящий из порогового элемента и элемента задержки, элемент памяти, датчик напряжения, элемент совпадения, второй резистор, блок управления и защиты, управляемый выключатель и инвертор.

Однако, при использовании в качестве нагрузки индукционного нагревателя прототип обладает всеми недостатками, присущими преобразователям с резонансными инверторами, и, кроме того, низкой эффективностью конденсаторной защиты. Эффективность, качество защиты преобразователя оцениваются, прежде всего, скоростью воздействия управляющих (запрещающих) сигналов на инвертор при возникновении нештатных ситуаций - сквозных токов при переключении диагоналей вентильного моста и короткого замыкания в нагрузке, - с целью предотвращения пробоя вентилей инвертора. Ни одному из этих требований прототип не соответствует. Конденсаторная защита ориентирована на контроль параметров управляющих сигналов и, в случае их несоответствия заданным нормам, блокирует работу управляемых вентилей инвертора, но не является защитным инструментом самих вентилей.

Еще одним недостатком такой защиты является большая инерционность, обусловленная низким быстродействием управляемых выключателей переменного тока, которое даже у самых современных электронных выключателей переменного тока (оптосимисторов) составляет единицы миллисекунд и при возникновении нештатных ситуаций в управляющих цепях не может гарантировать своевременное надежное отключение преобразователя и его работоспособность при повторном включении. Более того, даже при нормальном функционировании схемы управления и возникновении нештатных ситуаций в работе самого инвертора (короткое замыкание, высокий уровень сквозных токов) эффективность конденсаторной защиты практически сводиться к нулю.

Технической задачей изобретения является повышение надежности, безопасности эксплуатации, коэффициента полезного действия и упрощение устройства.

Техническая задача достигается тем, что в преобразователь частоты, содержащий блок управления, выход которого соединен с первым входом инвертора, блок пуска, блок зарядных резисторов, датчик напряжения, пороговое устройство, автономный индуктор, подключенный к выходу инвертора, второй вход которого подключен к первому выводу блока разрядных резисторов и первому выходу выпрямителя, третий вход подключен к выходу датчика тока, вход которого подключен ко второму выходу выпрямителя, вход которого подключен через группу нормально разомкнутых контактов управляемого выключателя к сети переменного тока, введены формирователь признака неисправности индуктора и второй управляемый выключатель, вход управления которого подключен к первому выходу блока пуска, первый вывод нормально замкнутой пары контактов соединен со вторым выводом блока разрядных резисторов, а второй вывод, соединенный с входом датчика тока, подключен ко второму выходу выпрямителя, первый вывод нормально разомкнутой пары контактов подключен к выходу порогового устройства, второй вывод соединен с входом управления первого управляемого выключателя, первые выводы группы нормально разомкнутых контактов, объединенные, соответственно, со вторыми выводами группы нормально разомкнутых контактов первого управляемого выключателя, подключены к сети переменного тока, вторые выводы группы нормально разомкнутых контактов соединены, соответственно, через блок зарядных резисторов с первыми выводами группы нормально разомкнутых контактов первого управляемого выключателя и входом выпрямителя, первый выход которого соединен с первым входом порогового устройства, второй вход которого, объединенный с третьим входом инвертора, подключен к первому выходу датчика тока, второй выход которого, объединенный со вторыми выходами блока пуска и инвертора, соединен с первым входом блока управления, второй вход которого подключен к выходу датчика напряжения, третий вход подключен к выходу формирователя признака неисправности индуктора, первый вход которого, объединенный со входами датчика напряжения и автономного индуктора, подключен к первому выходу инвертора, второй вход подключен к отводу автономного индуктора.

Введение в инвертор однотактного моста, выполненного на двух управляемых транзисторных модулях со встроенными датчиками тока и двух демпфирующих диодах, позволяет в значительной степени не только упростить преобразователь, но и полностью исключить сквозные токи при коммутации транзисторных модулей и тем самым повысить надежность инвертора.

Введение в инвертор сглаживающего фильтра, выполненного на полярных (электролитических) конденсаторах, позволяет не только минимизировать амплитуду ЭДС самоиндукции, но и существенно уменьшить энергетические потери при преобразовании энергии и, тем самым, повысить коэффициент полезного действия преобразователя, а также уменьшить его вес и габариты.

Введение в блок управления формирователя длительности активной фазы управляющего сигнала, блока регулирования мощности и селектора признака короткого замыкания нагрузки обеспечивает защиту инвертора от короткого замыкания нагрузки, автоматическое регулирование временных параметров генерируемой импульсной последовательности и оптимизацию энергетических режимов инвертора при изменении параметров нагрузки, пропорциональное токовое регулирование активной мощности и тем самым повышает надежность преобразователя.

Введение связи второго выхода датчика тока с первым входом блока управления обеспечивает защиту выпрямителя от перегрузки по току без прерывания технологического цикла плавки или нагрева металла, что, в первую очередь, не только повышает надежность преобразователя, но и улучшает его эксплуатационные характеристики.

Введение в преобразователь частоты второго управляемого выключателя обеспечивает вспомогательное защитное отключение преобразователя от сети переменного тока при недопустимом снижении напряжения питающей сети, пропадании одной из фаз, неисправном выпрямителе или инверторе, что также повышает надежность преобразователя.

Введение в преобразователь частоты формирователя неисправности индуктора и дополнительного отвода в автономный индуктор позволяет в значительной степени уменьшить риск разрушения индуктора при преждевременном износе футеровки плавильной печи и межвитковом замыкании индуктора расплавленным металлом и, тем самым, повысить безопасность эксплуатации индукционной установки.

Инвертор выполнен по схеме однотактного моста и содержит сглаживающий фильтр, два управляемых вентиля, два встречно-последовательно включенных с ними демпфирующих диода и четыре транзисторные оптопары, причем управляемые вентили моста выполнены на транзисторных модулях со встроенными датчиками тока, а сглаживающий фильтр - на полярных конденсаторах, анод первого демпфирующего диода, соединенный с коллектором первого транзисторного модуля, и катод второго демпфирующего диода, соединенный с эмиттером второго транзисторного модуля, являются первым выходом инвертора, объединенные и гальванически развязанные через первую и вторую оптопары входы первого и второго управляемых вентилей являются первым, эмиттер первого транзисторного модуля, объединенный с анодом второго демпфирующего диода и шиной «минус» сглаживающего фильтра, - вторым, а коллектор второго транзисторного модуля, объединенный с катодом первого демпфирующего диода и шиной «плюс» сглаживающего фильтра, - третьим входами инвертора, входы третьей и четвертой оптопар соединены соответственно с выходами датчика тока первого и второго транзисторных модулей, а объединенные выходы являются вторым выходом инвертора.

Блок управления содержит формирователь длительности активной фазы управляющего сигнала, блок регулирования мощности и селектор признака короткого замыкания, объединенные первые входы которых подключены к выходу формирователя синхронизирующих импульсов, первый вход которого, объединенный со вторым входом блока регулирования мощности, подключен к первому выходу формирователя длительности активной фазы управляющего сигнала, второй выход которого соединен с третьим входом блока регулирования мощности, второй вход, объединенный с четвертым входом блока регулирования мощности и вторым входом селектора признака короткого замыкания нагрузки, является первым входом блока управления, пятый вход блока регулирования мощности, объединенный со вторым входом формирователя синхронизирующих импульсов, является вторым входом блока управления, шестой вход блока регулирования мощности, являющийся третьим входом блока управления, подключен к выходу селектора признака короткого замыкания нагрузки, а выход блока регулирования мощности является выходом блока управления.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя частоты с автономным индуктором.

На фиг.2 представлена структурная схема блока 1 пуска.

На фиг.3 представлена структурная схема инвертора 5.

На фиг.4 представлена структурная схема блока 6 управления.

На фиг.5 представлена структурная схема формирователя 8 признака неисправности индуктора.

На фиг.6 представлена структурная схема формирователя 37 синхронизирующих импульсов.

На фиг.7 представлена структурная схема формирователя 38 длительности активной фазы управляющего сигнала.

На фиг.8 представлена структурная схема блока 39 регулирования мощности.

На фиг.9 представлена структурная схема селектора 40 признака короткого замыкания нагрузки.

На фиг.10 и 11 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя частоты.

Преобразователь частоты с автономным индуктором (фиг.1) содержит блок 1 пуска, вход которого соединен с нормально разомкнутой парой контактов управляемого выключателя 2, первый выход соединен с входом управления управляемого выключателя 3, а второй выход, объединенный со вторыми выходами датчика 4 тока и инвертора 5, соединен с первым входом блока 6 управления, второй вход которого подключен к выходу датчика напряжения 7, третий вход - к выходу формирователя 8 признака неисправности индуктора, второй вход которого подключен к отводу автономного индуктора 9, а первый вход, объединенный с входами датчика 7 напряжения и автономного индуктора 9, подключен к первому выходу инвертора 5, первый вход которого подключен к выходу блока 6 управления, третий вход, объединенный со вторым входом порогового устройства 10, подключен к первому выходу датчика 4 тока, вход которого, объединенный со вторым выводом нормально замкнутой пары контактов управляемого выключателя 3, подключен ко второму выходу выпрямителя 11, первый выход которого соединен со вторым входом инвертора 5, первым входом порогового устройства 10 и первым выводом блока 12 разрядных резисторов, второй вывод которого соединен со вторым выводом нормально замкнутой пары контактов управляемого выключателя 3, первый вывод нормально разомкнутой пары контактов которого подключен к выходу порогового устройства 10, второй вывод соединен с входом управления управляемого выключателя 2, вторые выводы группы нормально разомкнутых контактов управляемого выключателя 3 соединены, соответственно, с первыми выводами блока 13 зарядных резисторов, вторые выводы которого, объединенные, соответственно, с входом выпрямителя 11, соединены, соответственно, с первыми выводами группы нормально разомкнутых контактов управляемого выключателя 2, вторые выводы группы нормально разомкнутых контактов которого, объединенные, соответственно, с первыми выводами нормально разомкнутых контактов управляемого выключателя 3, подключены к сети переменного тока.

Блок 1 пуска (фиг.2) содержит RS-триггер 14, D-триггер 15, таймер 16, элемент 17 НЕ с открытым коллектором, кнопки 18 и 19 соответственно пуска и отключения преобразователя частоты, индикатор 20 включения, дифференцирующую цепь 21, резисторы 22, 23 и элемент 24 И.

Инвертор 5 (фиг.3) содержит сглаживающий фильтр 25, транзисторные модули 26 и 27 со встроенными датчиками тока, демпфирующие диоды 28 и 29, оптопары 30...33 и резисторы 34...36.

В качестве транзисторных модулей могут использоваться интеллектуальные IGBT-модули PM800HSA120 фирмы MITSUBISHI ELECTRIC со встроенной защитой от короткого замыкания и перегрузки по току.

Блок 6 управления (фиг.4) содержит формирователь 37 синхронизирующих импульсов, формирователь 38 длительности активной фазы управляющего сигнала, блок 39 регулирования мощности, селектор 40 признака короткого замыкания нагрузки.

Формирователь 8 признака неисправности индуктора (фиг.5) содержит компаратор 41, транзисторную оптопару 42, D-триггер 43, элемент 44 НЕ с открытым коллектором, индикатор 45 межвиткового замыкания, резисторы 46...51 и интегрирующую цепь 52.

Формирователь 37 синхронизирующих импульсов (фиг.6) содержит генератор 53 тактовых импульсов, элемент 54 ИЛИ, вычитающий счетчик 55, делитель 56 частоты, D-триггер 57.

Формирователь 38 длительности активной фазы управляющего сигнала (фиг.7) содержит таймер 58, D-триггер 59, элементы 60 и 61 И-НЕ, реверсивный счетчик 62, одновибраторы 63 и 64 и интегрирующую цепь 65.

Блок 39 регулирования мощности (фиг.8) содержит элементы 66 ИЛИ, вычитающие счетчики 67 и 68, D-триггер 69, элементы 70 и 71 И и RS-триггер 72.

Селектор 40 признака короткого замыкания нагрузки (фиг.9) содержит D-триггеры 73 и 74, элементы 75 и 76 И-НЕ, элементы 77...79 НЕ, делитель 80 частоты, индикатор 81 признака короткого замыкания нагрузки, кнопку 82 сброса и резистор 83.

В качестве датчика 4 тока может использоваться балластный резистор, включенный между выпрямителем 11 и инвертором 5, и компаратор с гальванически развязанным выходом. При достижении напряжения на балластном резисторе заданного порога компаратора на его выходе появится сигнал, соответствующий признаку перегрузки выпрямителя.

В качестве датчика 7 напряжения может использоваться транзисторная оптопара, вход которой подключается к выходу 1 инвертора 5, а выход соединяется со входом 2 блока 6 управления.

В качестве порогового устройства 10 может использоваться компаратор, на один из входов которого, относительно выхода выпрямителя 11, подается опорное напряжение, соответствующее порогу срабатывания, а на второй вход с выхода 1 датчика 4 тока поступает выпрямленное напряжение. При достижении выпрямленного напряжения заданного порога на выходе порогового устройства 10 появится сигнал, управляющий включением управляемого выключателя 2.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

При включении источников питания преобразователя и поступлении во все блоки и узлы соответствующих питающих напряжений дифференцирующая цепь 21 в блоке 1 пуска (БП1) формирует одиночный положительный импульс, ориентирующий RS-триггер 14, а затем D-триггер 15 в нулевое состояние, при этом таймер 16 находится в заблокированном состоянии, а индикатор 20 включения преобразователя погашен. На выходах 1 и 2 БП1 присутствуют низкие уровни.

Управляемые выключатели 2 и 3 (УВ2, УВ3) находятся в отключенном состоянии.

Реверсивный счетчик 62 кода длительности управляющего сигнала формирователя 38 длительности активной фазы управляющего сигнала (ФДАФ 38) блока 6 управления (БУ6) ориентируется в момент включения источников питания в нулевое состояние положительным импульсом, формируемым интегрирующей цепью 65 и элементом 61 И-НЕ.

Формирователь 37 синхронизирующих импульсов (ФСИ37) БУ6 вырабатывает импульсы тактовой частоты и короткие нормированные по длительности импульсы управляющей частоты, синхронизирующие работу всех узлов БУ6. Длительность управляющих импульсов определяется коэффициентом деления делителя 56 частоты, а период их следования кодом счетчика 62 ФДАФ38.

При ориентации счетчика 62 в нулевое состояние на инверсном выходе D-триггера 57 ФСИ37 формируются отрицательные синхронизирующие импульсы максимальной частоты, поступающие на входы 1 ФДАФ38, блока 39 регулирования мощности (БРМ39) и селектора 40 признака короткого замыкания нагрузки (СПК340). Синхроимпульсы ориентируют D-триггер 73 СПК340 в нулевое состояние. По заднему фронту синхроимпульса на R-входе делителя 80 частоты устанавливается низкий уровень и начинается отсчет импульсов тактовой частоты, по окончании которого D-триггер 73 ориентируется в исходное состояние, при этом на инверсном выходе D-триггера 73 и первом входе элемента 76 И-НЕ формируется короткий положительный импульс.

Длительность этого импульса соответствует временному интервалу, в котором наличие признака перегрузки инвертора 5 (ИНВ5) классифицируется как короткое замыкания нагрузки. На втором входе элемента 76 И-НЕ присутствует высокий уровень, так как на входе 2 СПК340 присутствует высокий уровень, поступающий с выхода 2 БП1, ориентирующий D-триггер 76 в нулевое состояние, при этом засвечивается индикатор 80 признака короткого замыкания нагрузки. На входе элемента 79 НЕ СПК340 и входе 6 БРМ39 устанавливается низкий уровень, блокирующий элемент 71 И БРМ39 и ориентирующий RS-триггер 72 в единичное состояние, при этом на выходе БРМ39 и БУ6 устанавливается низкий уровень, блокирующий вход 1 управления ИНВ 5.

В момент включения электропитания RS-триггер 43 формирователя 8 признака неисправности индуктора (ФПНИ8) ориентируется одиночным отрицательным импульсом, формируемым интегрирующей цепью 52, в нулевое состояние, при этом индикатор 45 погашен.

Таким образом, при подаче питающих напряжений все блоки и устройства преобразователя частоты устанавливаются в исходное состояние.

При нажатии кнопки 18 «Пуск» в БП1 RS-триггер 14 ориентируется в единичное состояние, при этом запускается таймер 16, на выходах 1 и 2 БП1 устанавливаются высокие уровни (фиг.10а, б) и засвечивается индикатор 20 включения преобразователя. Высокий уровень на выходе 1 БП1 (фиг.10б) включает УВ3, при этом размыкается нормально замкнутая пара контактов и замыкаются нормально разомкнутые пара и группа контактов УВ3. С этого момента времени напряжение сети переменного тока поступает через группу замкнутых контактов УВ3 и блок зарядных резисторов 13 (БЗР13) на вход выпрямителя 11 (В11).

Выпрямленное напряжение с выхода 2 В11 поступает через датчик 4 тока (ДТ4) на вход 3 ИНВ5 и вход 2 порогового устройства 10 (ПУ10). В ИНВ 5 начинается заряд конденсаторов сглаживающего фильтра 25 (СФ25) (фиг.10д). По мере заряда СФ25 напряжение на выходе 1 ДТ4 и входе 2 ПУ10 растет. При достижении выпрямленного напряжения на СФ25 заданного порога (фиг.10г, 1) на выходе ПУ10 появится высокий уровень (фиг.10д), включающий УВ2 через замкнутую пару контактов УВЗ, при этом, замыкающаяся нормально замкнутая группа контактов УВ2 закорачивает соответствующие резисторы БЗР13, после чего в форсированном режиме производится окончание заряда конденсаторов СФ25. При замкнутой паре контактов УВ2 на D-входе триггера 15 БП1 будет нулевой уровень и при поступлении на его С-вход периодически повторяющихся импульсов таймера 16 D-триггер 15 будет всегда находиться в нулевом состоянии, соответствующем включенному состоянию УВ3.

В случае, если по какой-либо причине (недопустимо пониженное напряжение сети, отсутствие одной из фаз или неисправный выпрямитель) напряжение на СФ25 не достигает за время, задаваемое таймером 16 от начала пуска БП1, заданного порога U_пор (фиг.10г, 2) на выходе ПУ10 не появится сигнал включения УВ2 (фиг.10д), при этом импульс таймера 16 ориентирует D-триггер 15 в единичное состояние и на выходе 1 БП1 появится низкий уровень, отключающий УВ3.

В случае, если во время работы преобразователя напряжение на СФ25 снизится до заданного порога ПУ10 (фиг.10г, 3) на выходе ПУ10 (фиг.10д) пропадает сигнал включения УВ2. После отключения УВ2 и размыкания контактов на D-входе D-триггера 15 БП1 устанавливается высокий уровень, после чего первый импульс, поступающий на его С-вход с выхода таймера 16, ориентирует D-триггер 15 в единичное состояние, при этом на выходе 1 БП1 устанавливается низкий уровень, выключающий УВ3. Через нормально замкнутую пару контактов УВ3 к выходу В11 подключается блок 12 разрядных резисторов (БРР12) и начинается разряд конденсаторов СФ25. Санкционированное отключение преобразователя производится кнопкой 19 «Откл» в БП1.

Таким образом, обеспечивается защитное отключение преобразователя от сети переменного тока при несоответствии напряжения на выходе В11 и СФ25 требуемым нормам.

Во время генерации в нагрузке (индукторе) мощных импульсов тока постоянное напряжение на выходе В11 и СФ25 имеет пульсирующий характер.

Частота пульсаций равна частоте генерируемых импульсов, а их амплитуда пропорциональна току в нагрузке.

После включения УВ2 и окончательного заряда СФ25 преобразователь готов к началу генерации мощных импульсов тока.

При нажатии кнопки 82 «Сброс К3» в СПК340 D-триггер 74 ориентируется в единичное состояние, при этом гасится индикатор 81 признака короткого замыкания, а на выходе элемента 79 НЕ, объединенного с выходом элемента 44 НЕ ФПНИ8 в проводное ИЛИ-НЕ и входе 6 БРМ39 устанавливается высокий уровень, так как RS-триггер 43 ФПНИ8 при включении уже ориентирован в нулевое состояние и на входе элемента 44 НЕ присутствует низкий уровень. На входах 4 и 5 БРМ39 также присутствуют высокие уровни, так как в момент включения преобразователя на выходе 2 ИНВ5 и выходе датчика 7 напряжения (ДН7) отсутствуют отрицательные сигналы импульсов, соответственно, перегрузки ИНВ5 по току и ЭДС самоиндукции. С этого момента времени элемент 71 И БРМ39 разблокируется и на S-входе RS-триггера 72 устанавливается высокий уровень. Первый отрицательный синхроимпульс управляющей частоты (фиг.11а) блокирует элемент 70 И, ориентирует RS-триггер 72 в нулевое состояние и производит запись в вычитающий счетчик 68 нулевого кода, поступающего с выхода 1 ФДАФ38. Одновременно с момента пуска преобразователя таймер 58 и D-триггер 59 ФДАФ38 разблокируются. Так как на входе 2 D-триггера 59 присутствует высокий уровень, то он остается в нулевом состоянии, а на выходе 2 ФДАФ38, входе 3 БРМ39 и вторых входах элементов 66 ИЛИ присутствует низкий уровень, при этом на D-входах вычитающего счетчика 67 устанавливается заданный на первых входах элементов 66 ИЛИ код длительности активной фазы управляющего сигнала, максимальное значение которого τ_акт.max всегда соответствует половине периода следования синхронизирующих импульсов, формируемых ФСИ37:

где Т_упр и F_упр - соответственно период и частота следования управляющих (синхронизирующих) импульсов.

Вычитающий счетчик 67 и D-триггер 69 формируют, в соответствии с заданным кодом длительности активной фазы управляющего сигнала, масштабную частоту обратно пропорциональную коду длительности активной фазы, а вычитающий счетчик 68, элемент 71 И формируют в соответствии с кодом, пропорциональным периоду следования управляющих импульсов и масштабной частотой, временной интервал, соответствующий длительности активной фазы управляющего сигнала:

где n - значение кода периода следования управляющих импульсов;

Т_u и F_u - соответственно период следования и частота масштабных импульсов;

τ_акт. - текущее значение длительности активной фазы управляющих импульсов;

τ_акт.min - минимальная длительность активной фазы управляющих импульсов;

F_u.min, F_u.max - соответственно минимальная и максимальная частота масштабных импульсов.

После окончания отрицательного синхроимпульса разблокируется элемент 70 И, на выходе БРМ39 устанавливается высокий уровень (фиг.11б), счетчик 68 начинает отсчет импульсов масштабной частоты, в ИНВ5 отпираются транзисторные модули 26 и 27 (фиг.11г), при этом начинается заряд индуктивности, формирование в АИ9 мощного импульса тока экспоненциальной формы (фиг.11д) и частичный разряд СФ25 (фиг.11е).

При достижении нулевого кода на BR-выходе вычитающего счетчика 68 появляется импульс переноса, ориентирующий RS-триггер 72 в единичное состояние. Низкий уровень на инверсном выходе RS-триггера 72 блокирует элемент 70 И, вычитающий счетчик 68, а на выходах БРМ39, БУ6, входе 1 ИНВ5 устанавливается низкий уровень, блокирующий транзисторные модули 26, 27. В этот момент прекращается активная фаза формирования в нагрузке мощного импульса тока, то есть заряда индуктивности АИ9. В момент запирания транзисторов 26 и 27 в АИ9 возникает ЭДС самоиндукции, которая меняет полярность напряжения на АИ9 (фиг.11г) и начинается разряд индуктивности АИ9 через демпфирующие диоды 28 и 29, при этом полярность импульса тока в АИ9, в отличие от напряжения, не меняется (фиг.11д). ЭДС самоиндукции гасится СФ25 непосредственно в ИНВ5. Амплитуда пульсаций СФ25 пропорциональна току в АИ9, а частота соответствует частоте генерируемых импульсов (фиг.11е).

Для исключения сбоев, возможного перезапуска ИНВ5 и, соответственно, повышения помехоустойчивости преобразователя начало и время действия ЭДС самоиндукции фиксируется ДН7, включенным в цепь обратной связи между АИ9 и БУ6. ДН7 формирует импульс, длительность которого соответствует длительности ЭДС самоиндукции. Импульс ДН7 блокирует до окончания ЭДС самоиндукции RS-триггер 72 в БРМ39 и формирование управляющих синхроимпульсов в ФСИ37. При практически полном разряде индуктивности АИ9 и, соответственно, окончании ЭДС самоиндукции импульс на выходе ДН7 исчезает, в ФСИ37 и в БУ6 начинается формирование следующего управляющего импульса.

При изменении в БРМ39 кода длительности активной фазы управляющего импульса меняется, соответственно, масштабная частота на выходе D-триггера 69 и длительность положительного управляющего импульса на выходе RS-триггера 72 и выходе БРМ39, при этом меняется длительность ЭДС самоиндукции, амплитуда тока в АИ9, амплитуда пульсаций В11 и СФ25 (фиг.11г, д, е) и, соответственно, генерируемая преобразователем мощность.

После пуска преобразователя таймер 58 в ФДАФ38 вырабатывает импульсы низкой частоты, каждый из которых является временной меткой начала формирования и коррекции кода длительности активной фазы управляющего сигнала. При плавке (медленном разогреве) металлов эта частота находится в пределах (0,01-0,5 Гц).

Первый импульс таймера 58 ориентирует D-триггер 59 в единичное состояние, при этом разблокируется элемент 60 И, на вторых входах элементов 66 ИЛИ и на D-входах вычитающего счетчика 67 БРМ39 присутствуют высокие уровни. С этого времени вычитающий счетчик 67 и D-триггер 69 формируют минимальную масштабную частоту, соответствующую максимальной длительности активной фазы управляющего сигнала.

Первый отрицательный синхроимпульс управляющей частоты, формируемый в ФСИ37, поступает через элемент 60 И-НЕ на суммирующий вход реверсивного счетчика 62 ФДАФ38 и увеличивает код счетчика 62 на единицу. По заднему фронту синхроимпульса установившийся код счетчика 62 записывается в вычитающие счетчики 55 и 68 соответственно ФСИ37 и БРМ39.

С этого момента времени вычитающий счетчик 55 и D-триггер 57 формируют период следования синхроимпульса, соответствующий увеличенному коду реверсивного счетчика 62 ФДАФ38. Одновременно вычитающий счетчик 68 и D-триггер 72 формируют управляющий импульс с возрастающей, в соответствии с увеличенным на D-входе счетчика 68 кодом, максимальной длительностью активной фазы, равной половине периода следования синхроимпульса ФСИ37.

В соответствии с длительностью управляющего импульса в ИНВ5 и АИ9 формируется импульс постоянного тока экспоненциальной формы. Аналогичный процесс формирования возрастающей длительности активной фазы и периода следования управляющего импульса произойдет при формировании в ФСИ37 следующего синхроимпульса. Это будет происходить до тех пор, пока импульс тока в АИ9 не достигнет значения порога перегрузки транзисторных модулей 26 и 27, при этом один из датчиков тока транзисторных модулей 26, 27 формирует нормированный по длительности отрицательный импульс признака перегрузки по току, который через 50-100 наносекунд блокирует соответствующий транзисторный модуль и одновременно через оптопару 31 или 33 поступает на вход 1 БУ6, при этом в БРМ39 блокируется RS-триггер 72, прекращается формирование длительности активной фазы управляющего сигнала и на выходе БРМ39 устанавливается низкий уровень, блокирующий вход 1 ИНВ5.

Одновременно импульс признака перегрузки поступает в ФДАФ38, блокирует таймер 58 и ориентирует D-триггер 59 в нулевое состояние, при этом блокируется элемент 60 И и, соответственно, поступление на суммирующий вход реверсивного счетчика 62 синхроимпульсов ФСИ37.

По заднему фронту отрицательного импульса признака перегрузки код счетчика 62 уменьшается на единицу, при этом в БРМ39 уменьшается длительность активной фазы управляющих импульсов и, соответственно, ток в АИ9, то есть транзисторные модули 26 и 27 ИНВ5 выходят из зоны перегрузки в зону безопасной работы.

Таким образом, ФСИ37, ФДАФ38, БРМ39 автоматически формируют с интервалом времени, задаваемым таймером 58 ФДАФ38, оптимальные, с точки зрения энергетических возможностей ИНВ5, длительность активной фазы и период следования управляющих импульсов.

Если на первых входах элементов 66 ИЛИ БРМ39 установлен код длительности активной фазы управляющего сигнала меньше максимального, то после окончания импульса признака перегрузки в БРМ39 формируются управляющие импульсы, длительность которых соответствует коду, установленному на первых входах элементов 66 ИЛИ, а период их следования соответствует оптимальному, сформированному в предшествующем интервале времени таймера 58.

Если в процессе работы преобразователя перегрузка модулей 26 и 27 ИНВ5 возникает из-за изменения параметров нагрузки, а не из-за увеличения длительности активной фазы управляющего сигнала, то код счетчика 62 будет уменьшаться на единицу с каждым импульсом признака перегрузки, поступающим на его вычитающий вход до тех пор, пока ИНВ5 не выйдет из зоны перегрузки. Аналогичным образом происходит оптимизация длительности активной фазы и периода следования управляющих сигналов при наличии признака перегрузки выпрямителя, формируемого датчиком 4 тока (ДТ4), выход которого объединен в проводное ИЛИ с выходом 2 ИНВ5. Одновибраторы 1 и 2 (ОВ1 и ОВ2) ФДАФ38 формируют нормированные по длительности импульсы переносов, предназначенные для ориентации и удержания кода счетчика 62, в пределах его граничных значений.

При наличии признаков перегрузки, которые могут классифицироваться как короткое замыкание нагрузки, скорость изменения состояния счетчика 62 ФДАФ38 и, соответственно, скорость уменьшения активной фазы управляющего сигнала недостаточны для надежной защиты транзисторных модулей 26 и 27 ИНВ5 от пробоя. Поскольку датчики тока модулей 26 и 27 формируют совокупный признак перегрузки, то есть признак короткого замыкания нагрузки и перегрузки ИНВ5 по току выдаются во внешние устройства по однопроводной линии, возникает необходимость дополнительной классификации состояния модулей 26 и 27 ИНВ5.

Временной интервал, в котором признак перегрузки классифицируется как короткое замыкание нагрузки, формируется делителем 80 и D-триггером 73. При наличии признака перегрузки в этом интервале на выходе элемента 76 И-НЕ возникает отрицательный импульс, ориентирующий D-триггер 74 в нулевое состояние, при этом засвечивается индикатор 81 признака короткого замыкания нагрузки, а на выходе СПК340 устанавливается низкий уровень, блокирующий формирование в БРМ39, а затем и в ИНВ5 управляющих сигналов. При пробое одного из демпфирующих диодов 28 или 29 датчик тока транзисторного модуля соответствующего плеча при отпирании транзистора формирует импульс признака перегрузки, который также классифицируется СПК340 как короткое замыкание нагрузки.

При нормальном функционировании преобразователя частоты на вход 1 ФПНИ8 с выхода 1 ИНВ5 поступают генерируемые преобразователем импульсы напряжения с амплитудой U₁₂, являющиеся источником опорного напряжения компаратора 41 ФПНИ8. Уровень опорного напряжения:

U_on˜U₁₂, U_on=K_∂12U₁₂,

где К_∂12 - коэффициент деления делителя напряжения 46/47;

U_on устанавливается на прямом входе компаратора 41 делителем напряжения 46/47. Одновременно с отвода АИ9 на вход 2 ФПНИ8 поступают импульсы напряжения с амплитудой U₁₃. На инверсном входе компаратора 41 делителем напряжения 48/49 устанавливается уровень напряжения U'₁₃:

где К_∂13 - коэффициент деления делителя напряжения 48/49;

n₁₃ - количество витков, ограниченное отводом АИ9;

n₁₂ - общее количество витков АИ9.

В нормальном состоянии, то есть при отсутствии в АИ9 короткозамкнутых витков уровень напряжения U₁₃ должен соответствовать приведенному выше соотношению, при этом на выходе компаратора 41, выходе оптопары 51 и S-входе RS-триггера 43 должны быть высокие уровни, а RS-триггер 43 ориентирован в момент включения в нулевое состояние. Меньшая часть витков n₁₃ АИ9, ограниченная отводом, размещается в зоне, не подверженной разрушительному воздействию расплавленного металла, а большая часть витков n₂₃ АИ9 находится в зоне разогрева и плавки металла, т.е. в зоне возможного соприкосновения с расплавленным металлом.

При попадании расплавленного металла на индуктор и возникновения в зоне n₂₃ АИ9 межвиткового короткого замыкания число витков n₂₃, а значит и общее число витков n₁₂ АИ9 уменьшится, а число витков n₁₃, ограниченное отводом, остается прежним, при этом активная мощность преобразователя (мощность, отдаваемая в нагрузку - нагреваемый металл и, соответственно, короткозамкнутые витки) увеличится, а напряжение генерируемых импульсов на выходе 2 останется неизменным. Отсюда следует, что при уменьшении n₁₂ напряжение U₁₃ увеличится и, соответственно, превысит порог U_on компаратора 41. На выходах компаратора 41 и оптопары 42 устанавливается низкий уровень, ориентирующий RS-триггер 43 в единичное состояние, при этом засвечивается индикатор 45 межвиткового короткого замыкания, а на выходе элемента 44 НЕ, объединенного с выходом элемента 79 НЕ СПК340 в проводное ИЛИ, устанавливается низкий уровень, блокирующий формирование в БРМ39 управляющих импульсов.

Разблокирование БРМ39 может произойти только после устранения неисправности (межвиткового короткого замыкания) АИ9 и повторном включении преобразователя частоты с автономным индуктором.

Таким образом, предлагаемый преобразователь частоты с автономным индуктором обеспечивает формирование в нагрузке мощных импульсов тока и одновременно позволяет добиться повышения надежности, безопасности эксплуатации, коэффициента полезного действия и упрощения.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания автономных индукционных нагревателей. Принцип действия преобразователя с автономным индуктором основан на нескольких характерных отличительных особенностях. Главной отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что формирование временных и оптимизация энергетических параметров преобразователя частоты производится не в режиме резонанса токов, а за счет раздельного формирования оптимальных для данного индукционного нагревателя и нагрузки длительности активной фазы управляющего сигнала, в течение которой происходит заряд индуктивности (индуктора с нагреваемым металлом) до заданного значения тока и далее длительности ЭДС самоиндукции, возникающей после запирания управляемых вентилей инвертора и определяющей время разряда индуктивности. Эти две жестко связанные, следующие одна за другой фазы генерируемых преобразователем импульсов постоянного тока экспоненциальной формы, являются оптимальными с энергетической точки зрения времязадающими составляющими, определяющими в совокупности частоту следования импульсов, которая автоматически меняется при изменении параметров индуктора. Второй важной отличительной особенностью предлагаемого изобретения является практически безинерционная защита управляемых вентилей инвертора от короткого замыкания нагрузки (индуктора), защита индуктора от межвиткового замыкания и защита выпрямителя от перегрузки по току, то есть функционирование защиты в предлагаемом изобретении основано не только на анализе состояния управляющих сигналов, а в первую очередь является ответной реакцией всей системы на состояние самой дорогостоящей ее части - управляемых вентилей, выпрямителя и индуктора. Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой замкнутую систему формирования временных и, соответственно, оптимизации энергетических параметров автономных индукционных нагревателей, автоматически адаптируемую к изменяющимся параметрам нагрузки. Технический результат - повышение надежности, безопасности эксплуатации, коэффициента полезного действия и упрощение устройства. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Преобразователь частоты с автономным индуктором, содержащий блок управления, выход которого соединен с первым входом инвертора, блок пуска, блок зарядных резисторов, датчик напряжения, пороговое устройство, автономный индуктор, подключенный к выходу инвертора, второй вход которого подключен к первому выводу блока разрядных резисторов и первому выходу выпрямителя, а третий вход инвертора подключен к датчику тока, вход которого подключен ко второму выходу выпрямителя, вход которого подключен через группу нормально разомкнутых контактов управляемого выключателя к сети переменного тока, отличающийся тем, что в него введены формирователь признака неисправности индуктора и второй управляемый выключатель, вход управления которого подключен к первому выходу блока пуска, первый вывод нормально замкнутой пары контактов соединен со вторым выводом блока разрядных резисторов, а второй вывод, соединенный с входом датчика тока, подключен ко второму выходу выпрямителя, первый вывод нормально разомкнутой пары контактов второго управляемого выключателя подключен к выходу порогового устройства, а второй вывод нормально разомкнутой пары контактов второго управляемого выключателя соединен с входом управления первого управляемого выключателя, первые выводы группы нормально разомкнутых контактов второго управляемого выключателя, объединенные соответственно со вторыми выводами группы нормально разомкнутых контактов первого управляемого выключателя, подключены к сети переменного тока, вторые выводы группы нормально разомкнутых контактов второго управляемого выключателя соединены соответственно через блок зарядных резисторов с первыми выводами группы нормально разомкнутых контактов первого управляемого выключателя и входом выпрямителя, первый выход которого соединен с первым входом порогового устройства, второй вход которого, объединенный с третьим входом инвертора, подключен к первому выходу датчика тока, второй выход которого, объединенный со вторыми выходами блока пуска и инвертора, соединен с первым входом блока управления, второй вход которого подключен к выходу датчика напряжения, а третий вход блока управления подключен к выходу формирователя признака неисправности индуктора, первый вход которого, объединенный со входами датчика напряжения и автономного индуктора, подключен к первому выходу инвертора, а второй вход формирователя признака неисправности индуктора подключен к отводу автономного индуктора.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что инвертор выполнен по схеме однотактного моста и содержит сглаживающий фильтр, два управляемых вентиля, два встречно-последовательно включенных с ними демпфирующих диода и четыре транзисторные оптопары, причем управляемые вентили моста выполнены на транзисторных модулях со встроенными датчиками тока, а сглаживающий фильтр на полярных конденсаторах, анод первого демпфирующего диода, соединенный с коллектором первого транзисторного модуля, и катод второго демпфирующего диода, соединенный с эмиттером второго транзисторного модуля, являются первым выходом инвертора, объединенные и гальванически развязанные через первую и вторую оптопары входы первого и второго транзисторных модулей являются первым, эмиттер первого транзисторного модуля, объединенный с анодом второго демпфирующего диода и шиной "минус" сглаживающего фильтра - вторым, а коллектор второго транзисторного модуля, объединенный с катодом первого демпфирующего диода и шиной "плюс" сглаживающего фильтра - третьим входами инвертора, входы третьей и четвертой оптопар соединены соответственно с выходами датчика тока первого и второго транзисторных модулей, а объединенные выходы третьей и четвертой оптопар являются вторым выходом инвертора.3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит формирователь длительности активной фазы управляющего сигнала, блок регулирования мощности и селектор признака короткого замыкания, объединенные первые входы которых подключены к выходу формирователя синхронизирующих импульсов, первый вход которого, объединенный со вторым входом блока регулирования мощности, подключен к первому выходу формирователя длительности активной фазы управляющего сигнала, второй выход которого соединен с третьим входом блока регулирования мощности, а второй вход формирователя длительности активной фазы управляющего сигнала, объединенный с четвертым входом блока регулирования мощности и вторым входом селектора признака короткого замыкания нагрузки, является первым входом блока управления, пятый вход блока регулирования мощности, объединенный со вторым входом формирователя синхронизирующих импульсов, является вторым входом блока управления, шестой вход блока регулирования мощности, являющийся третьим входом блока управления, подключен к выходу селектора признака короткого замыкания нагрузки, а выход блока регулирования мощности является выходом блока управления.