УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА Российский патент 2007 года по МПК H02M7/523 

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в преобразовательных устройствах для индукционного нагрева металлов и сплавов с помощью индуктора.

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 известны 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 имеются 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, так как 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 для индукционного нагрева является принятый в качестве прототипа параллельный инвертор тока, содержащий один инверторный мост, состоящий из двух полуобмоток фильтрового дросселя, четырех управляемых вентилей и конденсатора (Л.2., Приложение 1. Ситник Н.Х. Силовая полупроводниковая техника. М.: Энергия, 1968, стр.229, рис.5-3,а и 5-3,б, при этом на рис.5-3,а изображен обычный параллельный инвертор, состоящий из фильтрового дросселя L_d, четырех управляемых вентилей Т1-Т4, соединенных в виде вентильного моста и конденсатора С, параллельно которому подсоединяется нагрузка, а вентильный мост из управляемых вентилей Т1-Т4 через фильтровой дроссель L_d подсоединен в прямом направлении к источнику питания постоянного напряжения U_d, а на рис.5-3,6 изображен так называемый параллельный инвертор с ограниченной емкостью, который также содержит вентильный мост из 4-х управляемых вентилей Т1÷Т4, который также подсоединен в прямом направлении к источнику питания постоянного напряжения через две полуобмотки фильтрового дросселя L_d), причем с первым полюсом питающего источника постоянного напряжения соединен первый вывод первой полуобмотки фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с первыми выводами первых двух управляемых вентилей инвертора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами вторых двух управляемых вентилей, вторые выводы которых соединены с первым выводом второй полуобмотки фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с вторым полюсом питающего источника постоянного напряжения, при этом к точкам последовательного соединения двух пар управляемых вентилей инвертора подсоединен конденсатор, а параллельно конденсатору подсоединена нагрузка, при этом управляемые вентили инвертора включены в прямом направлении по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения, а полуобмотки фильтрового дросселя соединены последовательно согласно между собой.

Таким образом, в выявленном при патентном поиске аналоге можно генерировать двухчастотное электромагнитное поле и, соответственно, двухчастотный ток, однако при достаточно низкой частоте низкочастотной составляющей электромагнитного поля и, соответственно, тока, а именно значительно ниже частоты 50 Гц, существенно возрастают масса и габариты низкочастотного резонансного колебательного LC-контура, что практически исключает возможность применения упомянутого аналога для генерации двухчастотного электромагнитного поля и, соответственно, тока при частотах низкочастотной составляющей тока значительно ниже 50 Гц. Выявленный при патентном поиске прототип позволяет генерировать при соответствующем управлении вентилями инвертора электромагнитное поле любой частоты, в том числе и значительно меньшей, чем 50 Гц, так как в нем отсутствует низкочастотный колебательный LC-контур, при этом верхняя граница частотного диапазона, как известно, ограничивается только динамическими параметрами управляемых вентилей, а именно, прежде всего, временем, необходимым для восстановления управляющих свойств этих вентилей.

Известен способ управления автономного параллельного инвертора, заключающийся в том, что формируют импульсы управления и подают их поочередно вначале на пару тиристоров T1, T4, а затем на противофазную пару тиристоров Т2, Т3, затем снова - на T1, T4 и т.д., в результате чего на конденсаторе, а следовательно, и на нагрузке напряжение будет изменяться с частотой, соответствующей частоте управляющих импульсов (Л.2., Приложение 2, стр.229, 230, рис.5-4), т.е. при этом формируется только одночастотное электромагнитное поле и, соответственно, одночастотный ток.

Наиболее близким к заявленному является способ управления работой автономного полумостового инвертора (Л.1), заключающийся в том, что формируют прямую и обратную полуволны напряжения низкой частоты в нагрузке-индукторе, при этом в течение каждого полупериода этой низкой частоты формируют импульсы управления с частотой, равной высокой частоте (по крайней мере, превышающей в несколько раз низкую частоту), в результате чего в нагрузке-индукторе формируется ток, содержащий одновременно низкочастотную и высокочастотную составляющие. Однако упомянутый способ управления может быть использован только в последовательных инверторах, к которым относится аналог - автономный полумостовой инвертор (Л.1). В параллельном же инверторе, который выбран в предлагаемом изобретении в качестве прототипа, прерывание тока в проводящих вентилях инвертора, а следовательно, и в дросселе фильтра приводит к огромным перенапряжениям, которые могут вывести из строя все управляемые вентили инвертора, независимо от их типа, и другое оборудование инвертора.

Таким образом, выявленные при патентном поиске аналоги и прототипы заявленных устройства и способа управления его работой не обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в возможности независимого формирования в активно-индуктивной нагрузке-индукторе сигнала, содержащего одновременно высокочастотный и низкочастотный токи при любой частоте этих составляющих.

Предлагаемое изобретение - устройство для индукционного нагрева и способ управления работой устройства для индукционного нагрева - решает задачу создания устройства для индукционного нагрева, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности независимого формирования в активно-индуктивной нагрузке-индукторе сигнала, содержащего одновременно высокочастотный и низкочастотный токи при предельно низкой частоте низкочастотной составляющей тока.

Сущность предлагаемого изобретения - устройства для индукционного нагрева - заключается в том, что в устройство для индукционного нагрева, выполненное на основе параллельного инвертора, содержащего две полуобмотки фильтрового дросселя, четыре управляемых вентиля с системой управления и конденсатор, при этом с первым полюсом питающего источника постоянного напряжения соединен первый вывод первой полуобмотки фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с первыми выводами первых двух управляемых вентилей инвертора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами вторых двух управляемых вентилей, вторые выводы которых соединены с первым выводом второй полуобмотки фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с вторым полюсом питающего источника постоянного напряжения, при этом к точкам последовательного соединения двух пар управляемых вентилей инвертора подсоединен конденсатор, а параллельно конденсатору подсоединена нагрузка-индуктор, при этом выходные выводы системы управления инвертором подсоединены к управляющим выводам соответствующих вентилей инвертора, причем упомянутые управляемые вентили инвертора включены в прямом направлении по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения, а полуобмотки фильтрового дросселя соединены последовательно согласно между собой, дополнительно введены два управляемых вентиля и система управления этими вентилями, при этом каждый дополнительный управляемый вентиль подсоединен параллельно одной из полуобмоток фильтрового дросселя, а выходные выводы системы управления дополнительными вентилями подсоединены к управляющим выводам этих двух вентилей, причем упомянутые дополнительные управляемые вентили включены встречно по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения, а вентили инвертора выполнены полностью управляемыми.

Заявленный технический результат достигается следующим образом. Последовательно согласно включенные полуобмотки фильтрового дросселя зашунтированы управляемыми вентилями, например тиристорами, которые включены встречно по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения. Вентили инвертора выполнены полностью управляемыми, например, транзисторами или запираемыми тиристорами При этом низкочастотная составляющая тока нагрузки обеспечивается частотой формирования широких низкочастотных управляющих импульсов для противофазных полностью управляемых вентилей инвертора, а высокочастотная составляющая тока нагрузки обеспечивается частотой формирования высокочастотных отпирающих и запирающих импульсов управления для тех же полностью управляемых вентилей инвертора в течение каждого полупериода низкой частоты, при этом частота высокочастотной составляющей тока нагрузки должна быть в несколько раз выше частоты его низкочастотной составляющей, причем при каждом запирании полностью управляемых вентилей инвертора отпираются дополнительные управляемые вентили, подсоединенные параллельно полуобмоткам фильтрового дросселя, что предотвращает появление недопустимых перенапряжений на полуобмотках фильтрового дросселя, а следовательно, и на оборудовании инвертора и тем самым обеспечивает формирование в нагрузке-индукторе сигнала, содержащего низкочастотную и высокочастотную составляющие тока.

Таким образом, заявленное устройство для индукционного нагрева при осуществлении обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в возможности формирования в нагрузке-индукторе сигнала, содержащего одновременно низкочастотный и высокочастотный токи при предельно низкой частоте низкочастотной составляющей тока, в том числе значительно меньшей, чем 50 Гц.

Сущность предлагаемого изобретения - способа управления работой устройства для индукционного нагрева - заключается в том, что формируют две серии широких низкочастотных отпирающих и запирающих импульсов управления для двух противофазных групп полностью управляемых вентилей инвертора, причем одна серия импульсов управления обеспечивает одну полуволну тока нагрузки-индуктора низкой частоты, назовем ее положительной полуволной, а вторая серия импульсов управления - вторую отрицательную полуволну тока нагрузки-индуктора низкой частоты, при этом в течение каждого полупериода тока низкой частоты формируют несколько высокочастотных (3 и более) отпирающих и запирающих импульсов управления для тех же полностью управляемых вентилей инвертора, которые в течение полупериода низкой частоты несколько раз открываются и закрываются, что обеспечивает формирование высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора, кроме того, формируют серию высокочастотных отпирающих импульсов управления для дополнительных управляемых вентилей, включенных параллельно полуобмоткам фильтрового дросселя, причем каждый отпирающий импульс для упомянутых дополнительных управляемых вентилей формируют в момент начала формирования запирающих импульсов для полностью управляемых вентилей параллельного инвертора, при этом величину емкости конденсатора С_н, включенного параллельно нагрузке-индуктору, выбирают такой, чтобы она обеспечивала заданное соотношение низкочастотной и высокочастотной составляющих тока нагрузки-индуктора, при этом выполняют условие С_нвч<С_н<С_ннч, где С_нвч - емкость конденсатора при резонансе в нагрузочном контуре на высокой частоте, а С_ннч - емкость конденсатора при резонансе в нагрузочном контуре на низкой частоте.

Заявленный технический результат достигается следующим образом. Низкая частота низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора обеспечивается частотой формирования широких низкочастотных отпирающих и запирающих импульсов управления для противофазных групп полностью управляемых вентилей параллельного инвертора, а высокая частота высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора обеспечивается частотой формирования высокочастотных отпирающих и запирающих импульсов для тех же полностью управляемых вентилей параллельного инвертора в течение каждого полупериода низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора, при этом защита оборудования инвертора от перенапряжений в момент запирания полностью управляемых вентилей параллельного инвертора обеспечивается формированием в этот же момент высокочастотных отпирающих импульсов управления для дополнительных управляемых вентилей, включенных параллельно полуобмоткам фильтрового дросселя.

Таким образом, заявленное устройство для индукционного нагрева и заявленный способ управления работой устройства для индукционного нагрева при осуществлении обеспечивают заявленный технический результат, т.е. обеспечивают возможность независимого формирования в нагрузке-индукторе одновременно низкочастотной и высокочастотной составляющих тока при предельно низкой частоте низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора, в том числе значительно меньшей чем 50 Гц.

На фиг.1 изображена электрическая схема предлагаемого устройства для индукционного нагрева, а на фиг.2 приведены временные диаграммы его работы.

Устройство содержит инвертор И параллельного типа с системой управления 11, при этом инвертор состоит из четырех полностью управляемых вентилей 1, 2, 3 и 4 (например, запираемых тиристоров или транзисторов), полуобмоток фильтрового дросселя 5, 6, управляемых вентилей 7, 8 (например, тиристоров) и системы управления этими вентилями 12, конденсатора 9 и нагрузки-индуктора 10, при этом с первым - положительным - полюсом питающего источника постоянного напряжения соединен первый вывод первой полуобмотки 5 фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с первыми выводами первых двух полностью управляемых вентилей 1 и 3 инвертора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами вторых двух полностью управляемых вентилей инвертора соответственно 2 и 4, вторые выводы которых соединены с первым выводом второй полуобмотки 6 фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с вторым - отрицательным полюсом питающего источника постоянного напряжения, при этом к точкам последовательного соединения двух полностью управляемых вентилей параллельного инвертора 1, 3 и соответственно 2, 4 подсоединен конденсатор 9, а параллельно этому конденсатору подсоединена нагрузка-индуктор 10, при этом выходные выводы системы управления 11 параллельного инвертора И подсоединены к управляющим выводам соответствующих полностью управляемых вентилей инвертора 1, 4 и противофазных вентилей 3, 2, причем упомянутые полностью управляемые вентили 1, 2, 3, 4 инвертора включены в прямом направлении по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения, а полуобмотки 5 и 6 фильтрового дросселя соединены последовательно согласно между собой, при этом полуобмотки 5 и 6 фильтрового дросселя зашунтированы соответственно управляемыми вентилями 7 и 8, при этом выходные выводы системы управления 12 управляемыми вентилями 7 и 8 подсоединены к управляющим выводам этих вентилей, при этом упомянутые управляемые вентили 7 и 8 включены встречно по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения.

Работа предложенного устройства для индукционного нагрева происходит следующим образом. Система управления 11 формирует две серии низкочастотных широких импульсов управления для двух групп противофазных полностью управляемых вентилей инвертора, при этом одну серию i_{у 1, 4} (фиг.2) формируют для вентилей 1, 4, а вторую - i_{y 3, 2} - для вентилей 3, 2, при этом при работе вентилей 1, 4 генерируется одна - положительная - полуволна низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора, а при работе вентилей 3, 2 генерируется вторая - отрицательная - полуволна этой же низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора, при этом длительность этих низкочастотных импульсов управления определяет частоту низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора. Так, например, если длительность низкочастотного импульса управления составляет Т/2_нч=50,0 мс, как это показано на фиг.2, то низкочастотная составляющая тока нагрузки будет иметь частоту f_нч=10 Гц. Частота низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора может быть еще ниже и составлять доли Гц.

В течение времени каждого низкочастотного импульса управления формируют несколько отпирающих и запирающих (3 и более) импульсов для тех же полностью управляемых вентилей инвертора с частотой, которая должна определять частоту высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора. Так, если в течение времени каждого низкочастотного импульса управления i_{y 1, 4} или i_{y 3, 2} формируют по 3 высокочастотных отпирающих и запирающих импульса (фиг.2), то длительность периода этих импульсов составит Т_вч=16,66 мс, а следовательно, частота высокочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора составит f_вч=30 Гц. На фиг.2 дополнительно обозначено: i_{yo1, 4} - отпирающие высокочастотные импульсы управления для полностью управляемых вентилей инвертора 1, 4; i_{уз 1, 4} - запирающие высокочастотные импульсы управления для полностью управляемых вентилей инвертора 1, 4; отпирающие i_{yo 3, 2} и запирающие i_{у3 3, 2} высокочастотные импульсы управления для полностью управляемых вентилей 3, 2 аналогичны отпирающим и запирающим импульсам управления для вентилей инвертора 1, 4; i_{yo 7, 8} - отпирающие высокочастотные импульсы управления для управляемых вентилей 7, 8.

Электромагнитные процессы в предложенном устройстве для индукционного нагрева протекают следующим образом. При подаче отпирающих импульсов от 11 на полностью управляемые вентили инвертора 1, 4 в момент времени t₁ (фиг.2) эти вентили открываются и ток протекает по контуру: «+» (источника питания) - - «-» (источника питания), при этом конденсатор 9 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена на фиг.1 знаками «+», «-». При подаче запирающих импульсов от 11 на полностью управляемые вентили инвертора 1, 4 в момент времени t₂ вентили 1, 4 закрываются, при этом конденсатор 9 перезаряжается через нагрузку-индуктор 10 по контуру 9-10-9 до напряжения, полярность которого обозначена на фиг.1 знаками «(-)», «(+)», т.е. на нагрузке-индукторе формируется период высокочастотного напряжения и, соответственно, тока. Одновременно в момент времени t₂ системой 12, которая синхронизирована с системой 11, что на фиг.1 показано пунктирной линией, соединяющей 11 и 12, формируют отпирающий высокочастотный управляющий импульс для управляемых вентилей 7, 8, шунтирующих полуобмотки фильтрового дросселя 5, 6, при этом они отпираются под воздействием ЭДС самоиндукции полуобмоток 5, 6, полярность которой на фиг.1 показана знаками «-», «+», по контурам 5-7-5 и 6-8-6 начинают протекать токи, что предотвращает нарастание напряжения на элементах инвертора. Следует заметить, что напряжение на конденсаторе 9 после перезаряда этого конденсатора через нагрузку-индуктор 10 при закрытых полностью управляемых вентилях инвертора 1, 4 равно напряжению на этом конденсаторе после его заряда при работе полностью управляемых вентилей 1, 4 только при отсутствии потерь в нагрузке-индукторе 10, т.е. при отсутствии в схеме замещения индуктора активного сопротивления. В реальных же условиях индукционного нагрева потери в индукторе есть и напряжение на конденсаторе 9 после его перезаряда через нагрузку-индуктор 10 всегда меньше начального напряжения на этом конденсаторе. При подаче следующих отпирающих импульсов на те же полностью управляемые вентили инвертора 1, 4 в момент времени t₃ они вновь открываются и ток вновь протекает по контуру «+» - - «-», при этом конденсатор 9 вновь заряжается до напряжения, полярность которого вновь обозначена на фиг.1 знаками «+», «-». При отпирании вентилей инвертора 1, 4 в момент времени t₃ одновременно изменяется напряжение на полуобмотках 5, 6, полярность которого на фиг.1 обозначена знаками «(+)», «(-)», что обеспечивает обратное напряжение на управляемых вентилях 7, 8 и их запирание. После подачи запирающих импульсов от 11 на те же полностью управляемые вентили инвертора 1, 4 в момент времени t₄ эти вентили закрываются, при этом конденсатор 9 вновь перезаряжается через нагрузку-индуктор 10 по контуру 9-10-9 до напряжения, полярность которого обозначена на фиг.1 знаками «(-)», «(+)», т.е. на нагрузке-индукторе при работе вентилей 1, 4 инвертора вновь формируется период высокочастотного тока. Одновременно в момент времени t₄ системой 12 вновь формируют отпирающий управляющий импульс для управляемых вентилей 7, 8, при этом они открываются и под воздействием ЭДС самоиндукции полуобмоток 5, 6, полярность которой на фиг.1 показана знаками «-», «+», по контурам 5-7-5 и 6-8-6 вновь начинают протекать токи, что вновь предотвращает нарастание напряжения на элементах инвертора.

После этого отпирающие i_{yo 1, 4} и запирающие i_{y3 1, 4} импульсы для полностью управляемых вентилей инвертора 1, 4 будут формироваться до истечения первого положительного полупериода низкой частоты Т/2_нч=50 мс (+), как это показано на фиг.2, при этом одновременно с формированием запирающих импульсов для полностью управляемых вентилей инвертора 1, 4 каждый раз формируются отпирающие импульсы i_{yo 7, 8} для управляемых вентилей 7, 8. При этом на полупериоде низкой частоты формируется столько высокочастотных отпирающих импульсов, во сколько раз полупериод низкой частоты больше периода высокой частоты. В примере, изображенном на фиг.2, полупериод низкой частоты Т/2_нч=50 мс, что соответствует частоте 10 Гц, а период высокой частоты Т_вч=16,66 мс, что соответствует частоте 30 Гц, поэтому в течение полупериода тока низкой частоты формируется 3 периода тока высокой частоты, что обеспечивается управляющими импульсами i_{yo 1, 4} и i_{уз 1, 4} для полностью управляемых вентилей инвертора 1, 4. После этого формируется второй отрицательный полупериод тока низкой частоты на интервале времени Т/2 _нч=50 мс (-). Для этого отпирают и запирают полностью управляемые вентили инвертора 3, 2 соответственно высокочастотными отпирающими импульсами i_{yo 3, 2} и запирающими импульсами i_{уз 3, 2} и при каждом запирании полностью управляемых вентилей инвертора 3, 2 одновременно формируют управляющие высокочастотные отпирающие импульсы i_{yo 7, 8} для управляемых вентилей 7, 8, шунтирующих соответственно полуобмотки фильтрового дросселя 5, 6. Электромагнитные процессы при этом аналогичны электромагнитным процессам, которые имели место в 1-м полупериоде низкой частоты за исключением того, что высокочастотные импульсы тока в нагрузке-индукторе формируются путем отпирания и запирания полностью управляемых вентилей инвертора 3, 2. Так, например, при формировании высокочастотных управляющих отпирающих i_{yo 3, 2} импульсов в момент времени t₁' для полностью управляемых вентилей инвертора 3, 2 ток протекает по контуру «+» (источника питания) - - «-» (источника питания), при этом конденсатор 9 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена на фиг.2 знаками «(-)», «(+)». При формировании высокочастотных управляющих запирающих импульсов i_{уз 3, 2} в момент времени t₂′ для полностью управляемых вентилей инвертора 3, 2 эти вентили запираются и конденсатор 9 перезаряжается через нагрузку-индуктор 10 по контуру 9-10-9 до напряжения, полярность которого обозначена на фиг.2 знаками «+», «-». В этот же момент времени t₂′ формируются одновременно высокочастотные управляющие отпирающие импульсы i_yo 7,8 для управляемых вентилей 7, 8, шунтирующих полуобмотки фильтрового дросселя 5, 6, и по ним протекают токи соответственно по контурам 5-7-5 и 6-8-6, предотвращая, как и в первом полупериоде низкой частоты, повышение напряжения на элементах инвертора. Далее при формировании высокочастотных управляющих отпирающих и запирающих импульсов для полностью управляемых вентилей инвертора 3, 2 до момента времени t=Т_нч=100 мс электромагнитные процессы полностью повторяются и при этом формируется 3 высокочастотных импульса тока нагрузки-индуктора и один полупериод низкочастотного тока нагрузки-индуктора 10. После этого вновь формируются высокочастотные управляющие отпирающие i_{yo 1,4} и запирающие i_{уз 1,4} импульсы для полностью управляемых вентилей инвертора 1, 4 и управляемых вентилей 7, 8, и процессы полностью повторяются.

Необходимо отметить, что на фиг.2 показаны диаграммы импульсов управления только для одного случая, а именно когда отпирающие и запирающие импульсы по их длительности равны. В ряде случаев для повышения эффективности технологического процесса индукционного нагрева это соотношение может быть изменено при его постоянном значении в течение полупериода низкой частоты, что достигается ШИР -регулированием, либо оно на интервале полупериода низкой частоты может изменяться по какому-то закону, например по закону «синуса», что достигается ШИМ-регулированием и т.д.

Необходимо также заметить, что для увеличения надежности последовательно как с управляемыми, так и с полностью управляемыми вентилями могут быть включены диоды в прямом направлении по отношению к тиристорам, параллельно как управляемым, так и полностью управляемым вентилям могут быть включены защитные RC-цепи, или варисторы, или то и другое вместе, а для уменьшения влияния на питающую сеть устройства для индукционного нагрева параллельно выводам питающего источника постоянного напряжения может быть включен конденсатор.

Предлагаемое изобретение - устройство для индукционного нагрева относится к преобразовательной технике и может быть использовано в преобразовательных устройствах для индукционного нагрева металлов и сплавов с помощью индуктора. Техническим результатом является формирование в нагрузке-индукторе тока, содержащего две составляющих - низкочастотную и высокочастотную. Устройство для индукционного нагрева содержит автономный инвертор параллельного типа и систему управления вентилями этого инвертора, при этом инвертор состоит из 2-х полуобмоток фильтрового дросселя, четырех управляемых вентилей, соединенных по мостовой схеме, имеющей выводы постоянного и переменного тока, при этом выводами постоянного тока образованный вентильный мост через соединенные последовательно согласно полуобмотки фильтрового дросселя подсоединен к источнику питания постоянного напряжения в прямом направлении, а к выводам переменного тока подсоединен конденсатор, параллельно которому подсоединена нагрузка-индуктор, параллельно полуобмоткам фильтрового дросселя подсоединены управляемые вентили с системой управления встречно по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения, а вентили инвертора выполнены полностью управляемыми. В нагрузке-индукторе формируют одновременно низкочастотный и высокочастотный токи, для чего импульсы управления вентилями инвертора формируют в виде двух серий низкочастотных отпирающих и запирающих управляющих импульсов для двух противофазных групп полностью управляемых вентилей инвертора, при этом низкочастотные отпирающие и запирающие импульсы управления формируют положительную и отрицательную полуволны низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора, при этом на интервале каждого низкочастотного управляющего импульса для полностью управляемых вентилей инвертора формируют несколько высокочастотных отпирающих и запирающих импульсов управления для тех же вентилей инвертора, причем высокочастотные отпирающие и запирающие импульсы управления формируют высокочастотную составляющую тока нагрузки-индуктора. Кроме этого формируют одну серию высокочастотных отпирающих импульсов для управляемых вентилей, включенных параллельно полуобмоткам фильтрового дросселя, причем каждый отпирающий импульс для упомянутых управляемых вентилей формируют в момент начала формирования запирающих импульсов для полностью управляемых вентилей инвертора, при этом величину емкости конденсатора, включенного параллельно нагрузке-индуктору выбирают такой, чтобы она вместе с нагрузкой-индуктором образовывала колебательный контур с резонансной частотой, промежуточной между частотами низкочастотной и высокочастотной составляющих тока нагрузки-индуктора и обеспечивала заданное соотношение значений токов указанных составляющих. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для индукционного нагрева, содержащее автономный инвертор параллельного типа и систему управления вентилями этого инвертора, при этом инвертор состоит из двух полуобмоток фильтрового дросселя, четырех управляемых вентилей с системой управления для этих вентилей и конденсатора, причем с первым полюсом питающего источника постоянного напряжения соединен первый вывод первой полуобмотки фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с первыми выводами первых двух управляемых вентилей инвертора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами вторых двух управляемых вентилей, вторые выводы которых соединены с первым выводом второй полуобмотки фильтрового дросселя, второй вывод которой соединен с вторым полюсом питающего источника постоянного напряжения, при этом к точкам последовательного соединения двух пар управляемых вентилей инвертора подсоединен конденсатор, а параллельно конденсатору подсоединена нагрузка-индуктор, при этом выходные выводы системы управления инвертором подсоединены к управляющим выводам соответствующих вентилей инвертора, причем упомянутые управляемые вентили инвертора включены в прямом направлении по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения, а полуобмотки фильтрового дросселя соединены последовательно согласно между собой, отличающееся тем, что дополнительно введены два управляемых вентиля и система управления этими вентилями, при этом каждый дополнительный управляемый вентиль подсоединен параллельно одной из полуобмоток фильтрового дросселя, выходные выводы системы управления дополнительными вентилями подсоединены к управляющим выводам этих двух вентилей, причем упомянутые дополнительные управляемые вентили включены встречно по отношению к полярности питающего источника постоянного напряжения, а вентили инвертора выполнены полностью управляемыми.2. Способ управления работой устройства для индукционного нагрева по п.1, заключающийся в том, что формируют две серии низкочастотных отпирающих и запирающих импульсов управления для двух противофазных групп полностью управляемых четырех вентилей параллельного инвертора, при этом низкочастотные отпирающие и запирающие импульсы управления формируют положительную и отрицательную полуволны низкочастотной составляющей тока нагрузки-индуктора, отличающийся тем, что на интервале каждого низкочастотного управляющего импульса для полностью управляемых вентилей параллельного инвертора формируют несколько высокочастотных отпирающих и запирающих управляющих импульсов для тех же вентилей параллельного инвертора, при этом высокочастотные отпирающие и запирающие импульсы управления формируют высокочастотную составляющую тока нагрузки-индуктора, кроме того, формируют одну серию высокочастотных управляющих отпирающих импульсов для дополнительных управляемых вентилей, включенных параллельно полуобмоткам фильтрового дросселя, причем каждый отпирающий импульс для упомянутых дополнительных управляемых вентилей формируют в момент начала формирования запирающих импульсов для полностью управляемых вентилей параллельного инвертора, при этом величину емкости конденсатора, включенного параллельно нагрузке-индуктору, выбирают такой, чтобы она вместе с нагрузкой-индуктором образовывала колебательный контур с резонансной частотой, промежуточной между частотами низкочастотной и высокочастотной составляющих тока нагрузки-индуктора, и обеспечивала заданное соотношение значений токов указанных составляющих.