SU1120468A1 - Последовательный инвертор дл индукционного нагрева - Google Patents

Abstract

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА,содержащий двухсекционный дроссель, секции . которого св заны с шинами питани  через два управл емых вентил , два основных конденсатора, одни обкладк которых подключены к разноименным шинам питани , а также дополнительн конденсатор и выходной трансформатор, отличающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона регулировани  напр жени  и повьшёни  равномерности нагрева по объему, дополнительный конденсатор включен между другими обкладками двух основных конденсаторов , первична  обмотка выходного трансформатора выполнена из двух секций, причем одни одноименные концы секций обмотки подключены к разноименным концам обмоток двухсекционного дроссел , а другие одноименные концы этих секций через два управл емых и два введенных управл емых вентил  подсоединены к обкладкам до- Р полнительного конденсатора.

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к преобразовательной технике, и может быть исполь зовано в качестве источника питани  электротермических устройств. Известен последовательный инвертор , содержащий два тиристора с обратными диодами, два дроссел  фильтра , две или. одну коммутирующие це- почки и двухобмоточный трансформатор ( без нагрузочной обмотки) Л, Недостатком такого устройства Явл етс  относительно большое количество дросселей: два дроЬсел  фильт ра и два (первый вариант) или один (второй вариант) коммутирующий дроссель в LC-цепочках, . Наиболее близким к изобретению  вл етс  устройство электропитани  с резонансным инвертором, содержащим двухсекционный дроссель, подсоединенный через тиристоры с обратными диодами к источнику посто нного 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  вл ютс  относительно узка  возможность регулировани  напр жени , а именно только за счет различи  между частотой задающего генератора и соб ственной частотой колебательного кон тура в инверторе, а также недостаточ на , равномерность нагрева заготовок по объему. Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона регулировани  выход , ного напр жени  и повышение равномер ности нагрева по объему. , . Поставленна  цель достигает   тем, что в последовательном инвертор дл  индукхщонного нагрева, содержаще двухсекционный дроссель, секции кото рого св заны с шинами питани  через два управл емых вентил , два основны конденсатора, одни обкладки которых подключены к разноименным шинам пита ни , а также дополнительный конденсатор и выходной трансформатор, дополнительный конденсатор включен между другими обкладками двух основных конденсаторов, первична  обмотка выходного трансформатора выполнена из двух секций, причем одни одноимен ные концы секций обмотки подключены к разноименным концам обмоток двух- , секционного дроссел , а другие одноименные концы этих секций через два управл емых и два введенных управл емых вентил  подсоединены к обкладкам дополнительного конденсатора. На фиг.1 дана принципиальна , схема силовой части устройства; на фиг.2 - функциональна  блок-схема управлени  устройством; на фиг.З временные диаграммы схемы управлени  и силовой части устройства. К выводам 1 и 2 источника питани  посто нного 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, состо щий из четьфех управл емых вентилей 8 11. Вторые , выводы переключател  7 через две первичные обмотки 12 и 13 выходного трансформатора 14 подсоединены ко вторым выводам разъединенных секций обмотки дроссел  5. Ко вторичной обмотке трансформатора 14 подключена нагрузка 15. От задающего генератора 16 питаютс  формирователи 17 и 18 импульсов причем формирователь 18 включен после делител  частоты 19 (фиг.2). На выходе формировател  17 импульсов подсоединены 5 R -триггеры 20 и 21, тактируемые импульсом. На выходе формировател  18 импульсов подключен коль цевой счетчик 22 с выходами дл  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 управлени  вентил ми 8 и 9, на выходе триггера 21 - аналогичые цепи вентилей 10 и 11. На фиг.3 прин ты следующиедополительные обозначени : U Ч ;,g импульсы на выходе формирователей соответственно 17 и 18 (фиг.2); Q - 4- пр моугольные длительные импульсы на выходе кольцевого счетчика 22; Ug - и, - импульсы в цеп х управлени  вентилей 8-11; 1 сумма токов в первичных обмотках 12 и 13 трансформатора 14 (пунктиром показано на участке, где в процессе ступен чатого регулировани  ток может становитьс  равным нулю); U - U мгновенные значени  напр жений 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 управл ющее устройство (фиг.2 осуществл ет два вида управлени : переход от работы, например, первой пары вентилей (8 и 9) к работе второй пары (вентили 10 и 1 Л; очередное открывание управл емых вентилей в каждой паре.

Рассмотрим режим работы первой пары из вентилей 8 и 9. Если работа начинаетс , например, с, открыти  вентил  8, то под воздействием нап .р жени  включени , равного 0,66 U/jj где напр жение источника посто нного Тока (на выводах 1 и 2), происходит однопол рный колебательный импульс через левую секцию обмот ки дроссел  3, первичную обмотку 12 трансформатора 14, вентиль 8, далее импульс разветвл етс -: две трети ,его подзар жает конденсатор 6, а одн треть в разр дном направлении проходит через последовательно включенные конденсаторы 5 и 4. После прекращени  однопол рного импульса в вентиле 8 и необходимой малой паузы дл  вос становлени  его запирающих способнос тей (ввиду малой величины эти паузы на фиг.4 не показаны) происходит открытие управл емого вентил  9. Теперь под воздействием напр жени  включени , равного приблизительно 0, происходит второй однопол рный колебательный импульс, которы разветвл етс : две трети его подзар жает конденсатор 4, а одна треть в разр дном 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 дроссел  3.

Таким образом,при работе, первой пары из вентилей 8 и 9 под воздействием напр жени  включени , равного . и j , за два такта получаем один период колебаний переменного тока в первичных обмотках выходного трансформатора 14, но восстановление исходных напр жений на конденсаторах не происходит: на конденсаторах 6 и 4 остаетс  подзар д током в одну треть однопол рного колебательного импульса, а конденсатор 5 совсем не подзар жаетс  и у него за два такта происходит только разр д два раза током в одну треть упом нутого импульса .

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

Соответствующа  этому анализу сумма токов i 4 в первичных обмотках 12 и 13 трансформатора 14 показана на фиг,4. Мгновенные значени  напр жений 1/4 - (If, иа конденсаторах .; ; при работе вентилей .8 и 9 колебл тс  относительно посто нного напр жени  0,33 U|2 показанного пунктирной пр мой на фиг.4, при работе вентилей 10 и 11 упом нутые колебани  происход т относительно напр жени  0,66 U (также показанного пунктирной пр мой) между двум  этими режимШ4и имеем плавный переход напр жений на конденсаторах 4 и 6, а на конденсаторе 5 напр жение измен етс  под воздействием ко .лебательных полуволн Ш4пульсов, которые сопровождаютс  двум  разр дами, двум  зар дами 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 напр жени , пропорционального току1: | с частотой сОл собственных колебаний элементов устройства и нагрузки, пр чем это напр жение амплитудно модулировано переменным напр жением, /близким к пр моугольной фЬрме и с частотой (Оп), 0,5 Ыр, при коэффициенте модул ции, равным т, 0,166/0,5. Если в модулирующем на пр жений уче.сть только первую гармо лику, то получим следующее выражени дл  выходного напр жени  . ,5-«-0,166 - sinfi где Тс - коэффициент. После преобразовани  второго слагаемого получаем: ,o,5 sinoo.,t+0,105 cos -|- -0 ,105 cos Следовательно, в услови х верхнего предела регулируемое напр жение состоит в основном из суммы трех гармоник: резонансной половинной и полуторной с отношением амплитуд 0,5: :0,105:0,105. В услови х электротермической нагрузки мощность пропорциональна квадрату тока или квадрату напр жени  и поэтому упом нута  модул ци  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 дл  предложенного устройства регулирование напр жени   вл етс  ступенчатым и заключаетс  в том, что после каждых четырех тактов , СОСТОЯ1ЦИХ из поочередной работы то пары вентилей 8 и 9, то пары так тов 10 и 11, производитс  пропуск четырех тактов. Осуществл етс  это одновременным длительным разрвгеом тактирующих входов у D-триггеров 24 ,и 25 при помощи размьпсани  контактов 26 и 27 (Лиг.2). Благодар  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: упом нутое напр жение при верхнем пределе регулировани  модулируетс  переменным напр жением пр моугольной формы с частотой Q 0,25 Up при коэффициенте модул ции, равном 17)2 0,5/0,5. На нижнем пределе ступенчатого регулировани  у выходного напр жени  упом нутые три гармоники (резонансна  СОр, половинна  и полуторна ) уменьшаютс  вдвое ( с отношением амплитуд 0,25:0,52: :0,52), причем дополнительно по вл ютс  гармоники с частотами 1,25(0р и 0,75 со л при относительных амплитудах 0,16:0,16. Таким образом, при регулировании напр жени  инвертора путем амплитудного модулировани  резонансна  гармоника всегда остаетс  преобладающей, а частоты боковых гармоник отличаютс  от резонансной не более, чем на ±50%.. В инверторе можно также проводить плавное регулирование (уменьшение) напр жени , которое присуще известному устройству и заключаетс  в уменьшении частоты GOj- задающего генератора по сравнению с Qp - собственной частотой колебательного контура в инверторе, включа  нагрузку. При таком регулировании , когда оно проводитс  без других видов регулировани , в вькодном напр жении всегда преобладает по величине перва  гармоника с частотой Ci)|. задающего генератора, затем с уменьшающимис  амплитудами идут гармоники ЗЫр, другие высшие нечетные гармоники, которые даже при наиболее благопри тных дл  себ  соотношени х не могут превысить по амплитуде гармонику с меньшим номером. В предложенном устройстве можно создавать два режима: верхний предел регулировани  с полной отдачей мощности , когда вследствие амплитудной модул ции, выходные напр жени  состо т из гармоник с кратностью частот 1:0,5:1,5 (основна , половинна , полуторна ) , причем соотношение амплитуд составл ет 0,5:0,105:0,105; нижний предел регулировани  с отдачей половины мощности, когда выходное напр жение состоит из гармоник с кратностью частот 1:0,5:1,5:0,75:1,25, Причем соотношение амплитуд составл ет 0,25:0,052:0,052:0,16:0,16. Отношение суммы квадратов амплитуд , например, нижних боковых частот к квадрату амплитуды основной частот составл ет 0,,5 0,044 при верхнем пределе регулировани  и (0,162 + 0,0522)70,252 0,452 при нижнем пределе регулировани . В предложенном устройстве регули рование нагрева нагрузки производит с  путем комбинирова.ни  работы при верхнем или при нижнем пределах регулировани , а также известным приемом отключени  устройства. Наличие нижних боковых частот увеличивает глубину проникновени  индуктированного тока в загот.овку без значительного уменьшени  выдел е мой мощности в сло х у поверхности, нагрев которьк обеспечивают основна  частота и верхние боковые частоты. Следовательно, наличие нижних боковых -.частот ускор ет установление заданного режима равномерного распреде лени  температуры в заготовке. При нижнем пределе регулировани  относительна  интенсивность боковых частот в несколько раз больше, чем при верхнем пределе регулировани . Боковые частоты не оказываютс  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 напр жение имеет основную и высшие гармоники, преобладающа  из высших треть  гармоника уже оказываетс  далеко от основной гармоники в зоне такой стандартной частоты, котора  значительно отличаетс  от оптимальной дл  данного диаметра заготовки. Таким образом, особенности предложенного устройства создают .ему следующие преимущества. Регулирование нагрева нагрузки производитс  не только известньм приемом отключени .устройства , но еще работой при верхнем пределе регулировани  с обеспечением полной мощности или при нижнем пределе регулировани  с обеспечением половинной мощности. Наличие нижних боковых частот увеличивает глубину проникновени  индуктированного тока в заготовку без значительного уменьшени  выдел емой мощности в сло х поверхности, нагрев которых обеспечивают основна  частота и верхние боковые частоты. Это ускор ет установле- , ние заданного равномерного распределени  температуры в заготовке.

j

ач

Фиг.З

Wv;%

Claims (1)

1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА,'содержащий двухсекционный дроссель, секции . которого связаны с шинами питания через два управляемых вентиля, два основных конденсатора, одни обкладки которых подключены к разноименным шинам питания, а также дополнительный конденсатор и выходной трансформатор, отличающийся тем, что, с цёлью расширения диапазона регулирования напряжения и повышения 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 разно. именным концам обмоток двухсекционного дросселя, а другие одноименные концы этих секций через два управляемых и два введенных управляемых вентиля подсоединены к обкладкам до- g полнительного конденсатора.