ЦЕПЬ ЗАЩИТЫ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И УСТРОЙСТВО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С ЦЕПЬЮ ЗАЩИТЫ Российский патент 2017 года по МПК H02H7/10 H05B6/06 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области устройств высокочастотного индукционного нагрева, а конкретнее к цепи защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева и устройству высокочастотного индукционного нагрева с цепью защиты.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Когда речь идет об источнике питания устройства высокочастотного индукционного нагрева, например электромагнитной печи или инверторной микроволновой печи, то запуск защитного механизма в целях защиты переключающего элемента и регулирование времени его включения/выключения осуществляется на основании определения и сравнения значений напряжения и фазы на переключающем элементе. Как правило, определение указанных показателей выполняется в определенной точке цепи (см. фиг. 1), а резисторы преобразуют напряжение для получения сигнала сравнения.

Поскольку напряжение достаточно высоко (около 1000 В), цепь должна включать большое количество элементов, что увеличивает ее стоимость и одновременно снижает надежность.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере одной из указанных выше технических проблем.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание практичной и надежной цепи защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева, которая имела бы простую схему и низкую стоимость. То есть целью настоящего изобретения является преодоление недостатков, имеющихся при текущем уровне развития техники.

Для достижения этой цели варианты осуществления настоящего изобретения представляют собой цепь защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева. Цепь защиты включает входную обмотку, соединенную с переключающим элементом устройства высокочастотного индукционного нагрева; контрольную обмотку, расположенную параллельно входной обмотке и выполненную таким образом, чтобы определять поступающее на переключающий элемент напряжение; модуль сравнения фаз и модуль сравнения напряжений, соединенные с контрольной обмоткой в указанном порядке, при этом модуль сравнения фаз выдает первый сигнал сравнения, основанный на фазе входного напряжения, а модуль сравнения напряжений выдает второй сигнал сравнения, основанный на сравнении амплитуды входного напряжения и заданного опорного напряжения; контроллер, соединенный с модулем сравнения фаз, модулем сравнения напряжений и переключающим элементом и выполненный таким образом, чтобы управлять синхронным включением и выключением переключающего элемента в соответствии с первым сигналом сравнения, а также обеспечивать защиту переключающего элемента в соответствии со вторым сигналом сравнения.

Используя цепь защиты, представляющую собой вариант осуществления настоящего изобретения, можно избежать необходимости соединять последовательно большое количества резисторов для деления напряжения и таким образом, сэкономить множество резисторов. Это повышает надежность цепи, снижает накопленню ошибку, являющуюся результатом последовательного соединения большого количества резисторов, а также снижает стоимость цепи. Более того, напряжение, наведенное в контрольной обмотке, соответствует напряжению во входной обмотке, что дает возможность управлять синхронным включением и выключением переключающего элемента и обеспечивать его защиту при повышении или понижении напряжения в соответствии с фазой или амплитудой напряжения в контрольной обмотке.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения второй сигнал сравнения включает в себя сигнал запуска защиты от повышенного напряжения и сигнал запуска защиты от пониженного напряжения.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения цепь защиты дополнительно включает выпрямитель, соединенный с контрольной обмоткой и выполненный таким образом, чтобы преобразовывать выходной сигнал контрольной обмотки для нужд электропитания. При этом выпрямитель может представлять собой однополупериодный выпрямитель или двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Таким образом, представляющая собой вариант осуществления настоящего изобретения цепь защиты может обеспечивать дополнительный источник электропитания. Это позволяет снизить стоимость, мощность и расход энергии источника электропитания цепи управления.

В частности, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения модуль сравнения фаз включает первый резистор и первый конденсатор, соединенные последовательно, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом контрольной обмотки, а второй вывод первого резистора соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора заземлен, между первым резистором и первым конденсатором располагается первый узел; второй резистор, соединенный параллельно с первым конденсатором, при этом его первый вывод соединен с первым узлом, а второй вывод заземлен; первый диод, анод которого заземлен, а катод соединен с первым узлом; и первый компаратор, прямой вход которого соединен с первым узлом, инверсный вход - со вторым выводом контрольной обмотки, тогда как вывод компаратора соединен с контроллером.

Модуль сравнения напряжений включает второй компаратор, прямой вход которого соединен с первым узлом, а инверсный вход - с задатчиком опорного напряжения, тогда как вывод компаратора соединен с контроллером.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения переключающий элемент может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения устройство высокочастотного индукционного нагрева может представлять собой электромагнитную печь или инверторную микроволновую печь, в которых контрольная обмотка является вторичной обмоткой главного трансформатора инверторной микроволновой печи или ферромагнитного сердечника электромагнитной печи. Контрольная обмотка имеет заданное число витков катушки.

В примере осуществления настоящего изобретения заданное число витков катушки может составлять от 1 до 3.

Кроме того, настоящее изобретение также относится к устройству высокочастотного индукционного нагрева, включающему вышеописанную цепь защиты.

Дополнительные аспекты и преимущества настоящего изобретения частично приведены в дальнейшем описании и станут в определенной степени понятны. Также они могут быть выявлены при анализе практического применения вариантов осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Этот и/или другие дополнительные аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными и более понятными из нижеследующего описания, сопровождающегося ссылками на соответствующие чертежи, которые представляют собой следующее:

Фиг. 1 - принципиальная схема синхронной цепи защиты и цепи защиты от перенапряжения на основе БТИЗ в соответствии с текущим уровнем развития техники; и

Фиг. 2 - принципиальная схема цепи защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Номера позиций:

1 входная обмотка

2 контрольная обмотка

3 модуль сравнения фаз

4 модуль сравнения напряжений

5 контроллер

6 выпрямитель

R1 первый резистор

С1 второй конденсатор

R2 второй резистор

D1 первый диод

IC1 первый компаратор

IC2 второй компаратор

7 первичная обмотка

8 вторичная обмотка

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В данном разделе будет представлено подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения; примеры вариантов осуществления изобретения будут продемонстрированы на чертежах, где идентичные или аналогичные номера позиций используются для обозначения идентичных или аналогичных компонентов либо компонентов, имеющих аналогичные функции. Варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе и представленные на чертежах, приведены в качестве примера и исключительно для пояснения сути изобретения, поэтому они не должны рассматриваться как ограничение объема настоящего изобретения.

В нижеследующем описании представлены различные варианты и примеры осуществления изобретения, предназначенные для реализации различных схем настоящего изобретения. В целях упрощения восприятия настоящего изобретения представлено описание некоторых компонентов и параметров. Тем не менее, следует учитывать, что эти компоненты и параметры приведены здесь исключительно в качестве примера и не ограничивают объем притязаний настоящего изобретения. Кроме того, номера позиций в различных примерах осуществления настоящего изобретения могут повторяться. Эти повторения введены для облегчения понимания сути изобретения и обеспечения большей ясности. При этом они никак не отражают связь между различными вариантами осуществления изобретения и/или параметрами. Кроме того, в настоящем изобретении приведены примеры различных процессов и материалов. Однако специалисты в данной области техники должны понимать, что также могут использоваться и другие процессы и/или материалы. Кроме того, схема, в которой присутствует одно устройство, может включать и другое устройство, наличие которого может предполагать такой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором первое устройство непосредственно контактирует со вторым устройством, а может предполагать и другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором наличие промежуточного устройства между первым и вторым устройствами приводит к тому, что первое и второе устройства не имеют прямого контакта.

Следует понимать, что в описании настоящего изобретения, если не указано иное, термины "установленный", "соединенный", "связанный" и их вариации употребляются в широком смысле и могут подразумевать, например, механическое или электрическое соединение; наличие внутренних связей или взаимодействия двух устройств; прямое или непрямое подключение с использованием промежуточных устройств. В каждой конкретной ситуации конкретное значение указанных терминов будет понятно специалистами в данной области техники из контекста.

В нижеследующих описаниях и чертежах эти и другие аспекты вариантов осуществления настоящего изобретения станут очевидны. В этих описаниях и чертежах некоторые специфические подходы к осуществлению настоящего изобретения представлены для того, чтобы показать способы реализации основного принципа настоящего изобретения. Однако следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничивается представленными вариантами его осуществления. Напротив, варианты осуществления настоящего изобретения предполагают все возможные варианты, модификации и их эквиваленты в пределах сущности и объема настоящего изобретения, определяемых формулой изобретения.

Ниже, цепь защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева и устройство высокочастотного индукционного нагрева с цепью защиты, представляющей вариант осуществления настоящего изобретения, будут описаны в соответствии с чертежами.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема цепи защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном варианте осуществления изобретения устройство высокочастотного индукционного нагрева представляет собой инверторную микроволновую печь. Как показано на фиг. 2, цепь защиты включает входную обмотку 1, контрольную обмотку 2, модуль сравнения фаз 3, модуль сравнения напряжений 4 и контроллер 5.

Входная обмотка 1 соединена с переключающим элементом устройства высокочастотного индукционного нагрева. Контрольная обмотка 2 расположена параллельно входной обмотке 1 и выполнена таким образом, чтобы определять поступающее на переключающий элемент напряжение. Модуль сравнения фаз 3 и модуль сравнения напряжений 4 соединены с контрольной обмоткой 2 в указанном порядке, при этом модуль сравнения фаз выдает первый сигнал сравнения, основанный на фазе входного напряжения, а модуль сравнения напряжений выдает второй сигнал сравнения, основанный на сравнении амплитуды входного напряжения и заданного опорного напряжения. Контроллер 5 соединен с модулем сравнения фаз 3, модулем сравнения напряжений 4 и переключающим элементом (не показан на чертеже) и выполнен таким образом, чтобы управлять синхронным включением и выключением переключающего элемента в соответствии с первым сигналом сравнения, а также обеспечивать защиту переключающего элемента в соответствии со вторым сигналом сравнения.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, второй сигнал сравнения включает в себя сигнал запуска защиты от повышенного напряжения и сигнал запуска защиты от пониженного напряжения.

В вариантах осуществления настоящего изобретения сигнал о напряжении на переключающем элементе через контрольную обмотку 2 поступает на главный трансформатор устройства высокочастотного индукционного нагрева; фаза и амплитуда напряжения на переключающем элементе в главной цепи устройства высокочастотного индукционного нагрева отображаются точно; выходной сигнал через контрольную обмотку 2 передается на модуль сравнения напряжений 4 и модуль сравнения фаз 3. Для реализации сравнения фаз выходной сигнал контрольной обмотки 2 сравнивается с выходным сигналом модуля сравнения фаз 3. Модуль сравнения напряжений 4 сравнивает выходной сигнал контрольной обмотки 2 и заданное опорное напряжение с тем, чтобы выдать сигнал запуска защиты от повышенного или пониженного напряжения контроллеру 5. Заданное опорное напряжение, отмеченное на фиг. 2 как "опорное напряжение", может представлять собой значение, заданное программным способом или установленной заранее аппаратной схемой.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, цепь защиты дополнительно включает выпрямитель 6. Выпрямитель 6 соединен с контрольной обмоткой 2 и выполнен таким образом, чтобы преобразовывать выходной сигнал контрольной обмотки 2 для нужд электропитания. При этом выпрямитель может представлять собой однополупериодный выпрямитель или двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Необходимо иметь в виду, что цепь защиты может обеспечивать дополнительный источник электропитания, что позволяет снизить стоимость, мощность и расход энергии источника электропитания цепи управления.

В частности, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, модуль сравнения фаз 3 включает резистор R1, конденсатор С1, резистор R2, диод D1 и компаратор IC1. Резистор R1 и конденсатор С1 соединены последовательно, при этом первый вывод резистора R1 соединен с первым выводом контрольной обмотки 2, а второй вывод резистора R1 соединен с первым выводом конденсатора С1; второй вывод конденсатора С1 заземлен; между резистором R1 и конденсатором С1 располагается узел А. Резистор R2 соединен параллельно с конденсатором С1, при этом первый вывод резистора R2 соединен с узлом А, а второй вывод резистора R2 заземлен. Анод диода D1 заземлен, а катод соединен с узлом А. Прямой вход компаратора IC1 соединен с узлом А, инверсный вход - со вторым выводом контрольной обмотки 2, тогда как вывод компаратора IC1 соединен с контроллером 5.

Как показано на фиг. 2, модуль сравнения напряжений 4 включает компаратор IC2. Прямой вход компаратора IC2 соединен с узлом А, а инверсный вход - с задатчиком опорного напряжения, тогда как вывод компаратора IC2 соединен с контроллером 5.

Следует отметить, что тип схемы модуля сравнения фаз 3, модуля сравнения напряжений 4 и выпрямителя 6 не ограничен схемой, показанной на фиг. 2.

Кроме того, как показано на фиг. 2, цепь защиты дополнительно включает первичную обмотку 7 и соответствующую вторичную обмотку 8.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения переключающий элемент может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).

Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения напряжение, имеющееся на переключающем элементе, через вторичную обмотку (т.е. контрольную обмотку 2) передается на главный трансформатор устройства высокочастотного индукционного нагрева; фаза и амплитуда напряжения на переключающем элементе в главной цепи устройства высокочастотного индукционного нагрева отображаются точно; выходной сигнал используется в цепи сравнения. Обмотка основного трансформатора имеет от 1 до 2 витков и представляет собой контрольную обмотку. При обнаружении в контрольной обмотке фазы наведенного напряжения БТИЗ в главной цепи может быть синхронно включен и выключен, тогда как при обнаружении в контрольной обмотке наведенного напряжения БТИЗ может быть защищен от влияния повышенного или пониженного напряжения. Между тем, для снижения стоимости, мощности и расхода энергии источника электропитания цепи управления предусматривается дополнительный источник электропитания. Во-первых, защита переключающего элемента от повышения напряжения может быть реализована; во-вторых, время включения/выключения переключающего элемента может регулироваться; в-третьих, контрольная обмотка может быть использована в качестве дополнительного источника электропитания цепи управления.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения устройство высокочастотного индукционного нагрева может, как это упоминалось выше, представлять собой инверторную микроволновую печь или электромагнитную печь. Контрольная обмотка 2 является вторичной обмоткой главного трансформатора инверторной микроволновой печи или ферромагнитного сердечника электромагнитной печи с заданным числом витков. В одном из примеров заданное число витков катушки может составлять от 1 до 3. Следует отметить, что контрольная обмотка 2 может быть образована путем намотки нескольких витков на ферромагнитный сердечник, установленный в основании печи, поскольку в электромагнитной печи нет главного трансформатора.

Кроме того, настоящее изобретение также относится к устройству высокочастотного индукционного нагрева, которое включает вышеописанную цепь защиты.

Термины «вариант осуществления изобретения», «некоторые варианты осуществления изобретения», «примеры», «конкретные примеры» или «некоторые примеры», использующиеся во всем настоящем описании, означают, что конкретная характерная особенность, схема, материал или характеристика, описанные в связи с вариантом или примером осуществления настоящего изобретения, включены по меньшей мере в один вариант или пример осуществления настоящего изобретения. Таким образом, эти термины, встречающиеся в настоящем описании, не обязательно относятся к одному варианту или примеру осуществления настоящего изобретения. Кроме того, характерные особенности, схемы, материалы или характеристики могут комбинироваться любым образом в одном или более вариантах или примерах осуществления настоящего изобретения.

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения были показаны и описаны здесь, специалисты в данной области техники должны понимать, что различные изменения, модификации и альтернативные решения могут быть внесены в варианты осуществления настоящего изобретения без отступления от его сущности и объема. Объем настоящего изобретения определяется формулой изобретения и т.п.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности устройства высокочастотного индукционного нагрева, снижение накопленной ошибки, вызванной наличием большого числа последовательно соединенных резисторов, а также снижение стоимости цепи. Цепь защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева включает входную обмотку (1), контрольную обмотку (2), модуль сравнения фаз (3), модуль сравнения напряжений (4) и контроллер (5); входная обмотка (1) соединена с переключающим элементом устройства высокочастотного индукционного нагрева; контрольная обмотка (2) расположена параллельно входной обмотке (1) и выполнена таким образом, чтобы определять поступающее на переключающий элемент напряжение; модуль сравнения фаз (3) и модуль сравнения напряжений (4) соединены с контрольной обмоткой (2) в указанном порядке, при этом модуль сравнения фаз (3) выдает первый сигнал сравнения, основанный на фазе входного напряжения, а модуль сравнения напряжений (4) выдает второй сигнал сравнения, основанный на сравнении амплитуды входного напряжения и заданного опорного напряжения; контроллер (5) управляет синхронным включением и выключением переключающего элемента в соответствии с первым сигналом сравнения, а также обеспечивает защиту переключающего элемента в соответствии со вторым сигналом сравнения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Цепь защиты устройства высокочастотного индукционного нагрева, включающая:

входную обмотку, соединенную с переключающим элементом устройства высокочастотного индукционного нагрева;

контрольную обмотку, расположенную параллельно входной обмотке и выполненную, чтобы определять поступающее на переключающий элемент напряжение;

модуль сравнения фаз и модуль сравнения напряжений, соединенные с контрольной обмоткой, при этом модуль сравнения фаз выдает первый сигнал сравнения, основанный на фазе входного напряжения, а модуль сравнения напряжений выдает второй сигнал сравнения, основанный на сравнении амплитуды входного напряжения и заданного опорного напряжения, при этом входное напряжение, выходящее из контрольной обмотки, сравнивается с выходным сигналом модуля сравнения фаз для реализации сравнения фаз; и

контроллер, соединенный с модулем сравнения фаз, модулем сравнения напряжений и переключающим элементом и выполненный, чтобы управлять синхронным включением и выключением переключающего элемента в соответствии с первым сигналом сравнения, а также обеспечивать защиту переключающего элемента в соответствии со вторым сигналом сравнения;

модуль сравнения фаз включает:

первый резистор и первый конденсатор, соединенные последовательно, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом контрольной обмотки, а второй вывод первого резистора соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора заземлен, между первым резистором и первым конденсатором располагается первый узел;

второй резистор, соединенный параллельно с первым конденсатором, при этом его первый вывод соединен с первым узлом, а второй вывод заземлен;

первый диод, анод которого заземлен, а катод соединен с первым узлом; и

первый компаратор, прямой вход которого соединен с первым узлом, инверсный вход со вторым выводом контрольной обмотки, тогда как вывод компаратора соединен с контроллером.

2. Цепь защиты по п. 1, отличающаяся тем, что второй сигнал сравнения включает в себя сигнал запуска защиты от повышенного напряжения и сигнал запуска защиты от пониженного напряжения.

3. Цепь защиты по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно включает

выпрямитель, соединенный с контрольной обмоткой и выполненный, чтобы преобразовывать выходной сигнал контрольной обмотки для нужд электропитания.

4. Цепь защиты по п. 3, отличающаяся тем, что выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель или двухполупериодный мостовой выпрямитель.

5. Цепь защиты по п. 1, отличающаяся тем, что модуль сравнения напряжений включает

второй компаратор, прямой вход которого соединен с первым узлом, а инверсный вход с задатчиком опорного напряжения, тогда как вывод компаратора соединен с контроллером.

6. Цепь защиты по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что переключающий элемент представляет собой биполярный транзистор с изолированным затвором БТИЗ.

7. Цепь защиты по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что устройство высокочастотного индукционного нагрева представляет собой электромагнитную печь или инверторную микроволновую печь.

8. Цепь защиты по п. 6, отличающаяся тем, что устройство высокочастотного индукционного нагрева представляет собой электромагнитную печь или инверторную микроволновую печь.

9. Цепь защиты по п. 7, отличающаяся тем, что контрольная обмотка является вторичной обмоткой главного трансформатора инверторной микроволновой печи или ферромагнитного сердечника электромагнитной печи с заданным числом витков катушки.

10. Цепь защиты по п. 8, отличающаяся тем, что контрольная обмотка является вторичной обмоткой главного трансформатора инверторной микроволновой печи или ферромагнитного сердечника электромагнитной печи с заданным числом витков катушки.

11. Цепь защиты по п. 9, отличающаяся тем, что заданное число витков катушки может составлять от 1 до 3.

12. Цепь защиты по п. 10, отличающаяся тем, что заданное число витков катушки может составлять от 1 до 3.

13. Устройство высокочастотного индукционного нагрева, включающее цепь защиты согласно любому из пп. 1-12.