Последовательный инвертор для индукционного нагрева Советский патент 1984 года по МПК H02M7/515 H05B6/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть исполь зовано в качестве источника питания электротермических устройств. Известен последовательный инвертор, содержащий два тиристора с обратными диодами, два дросселя фильтра, две или. одну коммутирующие це- почки и двухобмоточный трансформатор (без нагрузочной обмотки) Л, Недостатком такого устройства Является относительно большое количество дросселей: два дроЬселя фильт ра и два (первый вариант) или один (второй вариант) коммутирующий дроссель в LC-цепочках, . Наиболее близким к изобретению является устройство электропитания с резонансным инвертором, содержащим двухсекционный дроссель, подсоединенный через тиристоры с обратными диодами к источнику постоянного тока к которому также подсоединены последовательно включенные два основных конденсатора, между которыми и между дросселем подсоединен выходной трансформатор с нагрузкой, параллельно первичной обмотке которого Подключен добавочный конденсатор 21 Недостатками известного инвертора являются относительно узкая возможность регулирования напряжения, а именно только за счет различия между частотой задающего генератора и соб ственной частотой колебательного кон тура в инверторе, а также недостаточ ная, равномерность нагрева заготовок по объему. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования выход, ного напряжения и повышение равномер ности нагрева по объему. , . Поставленная цель достигает я тем, что в последовательном инвертор для индукхщонного нагрева, содержаще двухсекционный дроссель, секции кото рого связаны с шинами питания через два управляемых вентиля, два основны конденсатора, одни обкладки которых подключены к разноименным шинам пита ния, а также дополнительный конденсатор и выходной трансформатор, дополнительный конденсатор включен между другими обкладками двух основных конденсаторов, первичная обмотка выходного трансформатора выполнена из двух секций, причем одни одноимен ные концы секций обмотки подключены к разноименным концам обмоток двух- , секционного дросселя, а другие одноименные концы этих секций через два управляемых и два введенных управляемых вентиля подсоединены к обкладкам дополнительного конденсатора. На фиг.1 дана принципиальная, схема силовой части устройства; на фиг.2 - функциональная блок-схема управления устройством; на фиг.З временные диаграммы схемы управления и силовой части устройства. К выводам 1 и 2 источника питания постоянного тока подсоединен двухсекционный дроссель 3 (фиг.1). К тем же выводам 1 и 2 подключены последовательно соединенные три конденсатора 4-6. При этом к среднему из них, конденсатору 5, подключен переключатель 7, состоящий из четьфех управляемых вентилей 8 11. Вторые , выводы переключателя 7 через две первичные обмотки 12 и 13 выходного трансформатора 14 подсоединены ко вторым выводам разъединенных секций обмотки дросселя 5. Ко вторичной обмотке трансформатора 14 подключена нагрузка 15. От задающего генератора 16 питаются формирователи 17 и 18 импульсов причем формирователь 18 включен после делителя частоты 19 (фиг.2). На выходе формирователя 17 импульсов подсоединены 5 R -триггеры 20 и 21, тактируемые импульсом. На выходе формирователя 18 импульсов подключен коль цевой счетчик 22 с выходами для импульсов Q, - Q. Выходы импульсов ( и Q л через разделительные диоды 23 подсоединены непосредственно на тактирующие входы соответственнобРтриггеров 20 и 21. Выходы импульсов Q и 9л подсоединены на входы соответственно О -триггеров 24 и 25, тактируемых импульсов. Тактирующий вход 3}-триггеров 24 и 25 подсоединен через размыкающие контакты соответственно 26 и 27. ВыходыD-триггеров 24 и 25 через разделительные диоды 23 подсоединены на тактирующие входы соответственно 58-триггеров 20 и 21. На выходе триггера 20 подсоединены епи управления вентилями 8 и 9, на выходе триггера 21 - аналогичые цепи вентилей 10 и 11. На фиг.3 приняты следующиедополительные обозначения: U Ч ;,g импульсы на выходе формирователей соответственно 17 и 18 (фиг.2); Q - 4- прямоугольные длительные импульсы на выходе кольцевого счетчика 22; Ug - и, - импульсы в цепях управления вентилей 8-11; 1 сумма токов в первичных обмотках 12 и 13 трансформатора 14 (пунктиром показано на участке, где в процессе ступен чатого регулирования ток может становиться равным нулю); U - U мгновенные значения напряжений соответственно на конденсаторах 4-6,показанные с учетом работы предложенного устройства.

Предложенный последовательный инвертор, когда в нем три конденса-г тора одинаковы, работает следующим образом,.

Его управляющее устройство (фиг.2 осуществляет два вида управления: переход от работы, например, первой пары вентилей (8 и 9) к работе второй пары (вентили 10 и 1 Л; очередное открывание управляемых вентилей в каждой паре.

Рассмотрим режим работы первой пары из вентилей 8 и 9. Если работа начинается, например, с, открытия вентиля 8, то под воздействием нап.ряжения включения, равного 0,66 U/jj где напряжение источника постоянного Тока (на выводах 1 и 2), происходит однополярный колебательный импульс через левую секцию обмот ки дросселя 3, первичную обмотку 12 трансформатора 14, вентиль 8, далее импульс разветвляется-: две трети ,его подзаряжает конденсатор 6, а одн треть в разрядном направлении проходит через последовательно включенные конденсаторы 5 и 4. После прекращения однополярного импульса в вентиле 8 и необходимой малой паузы для вос становления его запирающих способнос тей (ввиду малой величины эти паузы на фиг.4 не показаны) происходит открытие управляемого вентиля 9. Теперь под воздействием напряжения включения, равного приблизительно 0, происходит второй однополярный колебательный импульс, которы разветвляется: две трети его подзаряжает конденсатор 4, а одна треть в разрядном направлении проходит через последовательно соединенные конденсаторы 5 и 6, затем зтот колебательный импульс проходит через вентиль 9 и в обратном направлении через первичную обмотку 13 трансформатора 14, далее - через вторую секцию обмотки дросселя 3.

Таким образом,при работе, первой пары из вентилей 8 и 9 под воздействием напряжения включения, равного . и j , за два такта получаем один период колебаний переменного тока в первичных обмотках выходного трансформатора 14, но восстановление исходных напряжений на конденсаторах не происходит: на конденсаторах 6 и 4 остается подзаряд током в одну треть однополярного колебательного импульса, а конденсатор 5 совсем не подзаряжается и у него за два такта происходит только разряд два раза током в одну треть упомянутого импульса.

Аналогичный анализ показывает, что при работе второй пары вентилей 10 и 11 под воздействием напряжения включенияj равного 0,33 yt з два такта получаем один период колебаний переменного тока в первичных обмотках выходного трансформатора 14, причем отклонение от исходных иапря, жений на конденсаторах происходит такое, что компенсирует отклонение, возникшее при работе первой пары вентилей 8 и 9,

Соответствующая этому анализу сумма токов i 4 в первичных обмотках 12 и 13 трансформатора 14 показана на фиг,4. Мгновенные значения напряжений 1/4 - (If, иа конденсаторах .; ; при работе вентилей .8 и 9 колеблятся относительно постоянного напряжения 0,33 U|2 показанного пунктирной прямой на фиг.4, при работе вентилей 10 и 11 упомянутые колебания происходят относительно напряжения 0,66 U (также показанного пунктирной прямой) между двумя этими режимШ4и имеем плавный переход напряжений на конденсаторах 4 и 6, а на конденсаторе 5 напряжение изменяется под воздействием ко.лебательных полуволн Ш4пульсов, которые сопровождаются двумя разрядами, двумя зарядами и переходами работы от одной пары вентилей к другой.

Таким образом, при непрерывной поочередной работе то пары вентилей В и 9, то пары 10 и 11, получаем на нагрузке верхний предел регулируемого напряжения, пропорционального току1: | с частотой сОл собственных колебаний элементов устройства и нагрузки, пр чем это напряжение амплитудно модулировано переменным напряжением, /близким к прямоугольной фЬрме и с частотой (Оп), 0,5 Ыр, при коэффициенте модуляции, равным т, 0,166/0,5. Если в модулирующем на пряжений уче.сть только первую гармо лику, то получим следующее выражени для выходного напряжения . ,5-«-0,166 - sinfi где Тс - коэффициент. После преобразования второго слагаемого получаем: ,o,5 sinoo.,t+0,105 cos -|- -0,105 cos Следовательно, в условиях верхнего предела регулируемое напряжение состоит в основном из суммы трех гармоник: резонансной половинной и полуторной с отношением амплитуд 0,5: :0,105:0,105. В условиях электротермической нагрузки мощность пропорциональна квадрату тока или квадрату напряжения и поэтому упомянутая модуляция при трех одинаковых конденсаторах повышает на 11% отдаваемую мощность по сравнению с немодулированным сигналом ср дней величины ({.0,666 + + 0,33322/2. 0,5j2 1,11). Характерное для предложенного устройства регулирование напряжения является ступенчатым и заключается в том, что после каждых четырех тактов, СОСТОЯ1ЦИХ из поочередной работы то пары вентилей 8 и 9, то пары так тов 10 и 11, производится пропуск четырех тактов. Осуществляется это одновременным длительным разрвгеом тактирующих входов у D-триггеров 24 ,и 25 при помощи размьпсания контактов 26 и 27 (Лиг.2). Благодаря этому импульсы Q.|, 2° кольцевого счетчика 22 не могут вызвать открытие вентилей 8-11, эти запрещаемые импульсы а также соответствующий им ток 1.x. (сумма токов в первичных обмотках 12 и 13 выходного трансформатора 14) показаны на фиг.4 пунктиром. При таком ступенчатом регулировании (с пропуском четырех тактов после каждых четырех рабочих) происходит дополнительное амплитудное модулирование: упомянутое напряжение при верхнем пределе регулирования модулируется переменным напряжением прямоугольной формы с частотой Q 0,25 Up при коэффициенте модуляции, равном 17)2 0,5/0,5. На нижнем пределе ступенчатого регулирования у выходного напряжения упомянутые три гармоники (резонансная СОр, половинная и полуторная) уменьшаются вдвое (с отношением амплитуд 0,25:0,52: :0,52), причем дополнительно появляются гармоники с частотами 1,25(0р и 0,75 со л при относительных амплитудах 0,16:0,16. Таким образом, при регулировании напряжения инвертора путем амплитудного модулирования резонансная гармоника всегда остается преобладающей, а частоты боковых гармоник отличаются от резонансной не более, чем на ±50%.. В инверторе можно также проводить плавное регулирование (уменьшение) напряжения, которое присуще известному устройству и заключается в уменьшении частоты GOj- задающего генератора по сравнению с Qp - собственной частотой колебательного контура в инверторе, включая нагрузку. При таком регулировании, когда оно проводится без других видов регулирования, в вькодном напряжении всегда преобладает по величине первая гармоника с частотой Ci)|. задающего генератора, затем с уменьшающимися амплитудами идут гармоники ЗЫр, другие высшие нечетные гармоники, которые даже при наиболее благоприятных для себя соотношениях не могут превысить по амплитуде гармонику с меньшим номером. В предложенном устройстве можно создавать два режима: верхний предел регулирования с полной отдачей мощности, когда вследствие амплитудной модуляции, выходные напряжения состоят из гармоник с кратностью частот 1:0,5:1,5 (основная, половинная, полуторная) , причем соотношение амплитуд составляет 0,5:0,105:0,105; нижний предел регулирования с отдачей половины мощности, когда выходное напряжение состоит из гармоник с кратностью частот 1:0,5:1,5:0,75:1,25, Причем соотношение амплитуд составляет 0,25:0,052:0,052:0,16:0,16. Отношение суммы квадратов амплитуд, например, нижних боковых частот к квадрату амплитуды основной частот составляет 0,,5 0,044 при верхнем пределе регулирования и (0,162 + 0,0522)70,252 0,452 при нижнем пределе регулирования. В предложенном устройстве регули рование нагрева нагрузки производит ся путем комбинирова.ния работы при верхнем или при нижнем пределах регулирования, а также известным приемом отключения устройства. Наличие нижних боковых частот увеличивает глубину проникновения индуктированного тока в загот.овку без значительного уменьшения выделяе мой мощности в слоях у поверхности, нагрев которьк обеспечивают основная частота и верхние боковые частоты. Следовательно, наличие нижних боковых -.частот ускоряет установление заданного режима равномерного распреде ления температуры в заготовке. При нижнем пределе регулирования относительная интенсивность боковых частот в несколько раз больше, чем при верхнем пределе регулирования. Боковые частоты не оказываются далеко от основной, частоты в зоне со седних стандартных частот, выбранных из оптимальных условий, причем эти боковые частоты делают более плавными, переходы условий между соседними . стандартными частотами. В устройстве, у которого выходное напряжение имеет основную и высшие гармоники, преобладающая из высших третья гармоника уже оказывается далеко от основной гармоники в зоне такой стандартной частоты, которая значительно отличается от оптимальной для данного диаметра заготовки. Таким образом, особенности предложенного устройства создают .ему следующие преимущества. Регулирование нагрева нагрузки производится не только известньм приемом отключения.устройства, но еще работой при верхнем пределе регулирования с обеспечением полной мощности или при нижнем пределе регулирования с обеспечением половинной мощности. Наличие нижних боковых частот увеличивает глубину проникновения индуктированного тока в заготовку без значительного уменьшения выделяемой мощности в слоях поверхности, нагрев которых обеспечивают основная частота и верхние боковые частоты. Это ускоряет установле- , ние заданного равномерного распределения температуры в заготовке.

j

ач

Фиг.З

Wv;%

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА,содержащий двухсекционный дроссель, секции . которого связаны с шинами питания через два управляемых вентиля, два основных конденсатора, одни обкладк которых подключены к разноименным шинам питания, а также дополнительн конденсатор и выходной трансформатор, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования напряжения и повьшёния равномерности нагрева по объему, дополнительный конденсатор включен между другими обкладками двух основных конденсаторов, первичная обмотка выходного трансформатора выполнена из двух секций, причем одни одноименные концы секций обмотки подключены к разноименным концам обмоток двухсекционного дросселя, а другие одноименные концы этих секций через два управляемых и два введенных управляемых вентиля подсоединены к обкладкам до- Р полнительного конденсатора.