источник питания для индукционного нагрева или плавления с использованием подстроечного конденсатора

Формула изобретения

1. Источник питания для индуктивного нагрева или плавления электропроводного материала, содержащий:

выпрямитель для преобразования входной мощности переменного тока в выходную мощность постоянного тока на выходе выпрямителя;

инвертор, вход которого соединен с выходом выпрямителя, причем инвертор преобразует выходную мощность постоянного тока выпрямителя в выходной переменный ток, подаваемый на выход источника питания,

имеющий частоту, равную рабочей частоте инвертора;

по меньшей мере, один подстроечный конденсатор, подключенный к выходу выпрямителя и входу инвертора;

автотрансформатор, подключенный к выходу источника питания, имеющий первый выходной вывод автотрансформатора и множество вторых выходных выводов автотрансформатора, причем множество вторых выходных выводов автотрансформатора содержит, по меньшей мере, два отвода автотрансформатора; и

по меньшей мере, один индуктор, подключенный между первым выходным выводом автотрансформатора и одним из множества вторых выходных выводов автотрансформатора, причем, по меньшей мере, один индуктор, в комбинации с соединенным с ним автотрансформатором, имеет полное внутреннее сопротивление, обеспечивающее, по меньшей мере, приблизительно резонанс, по меньшей мере, с одним подстроечным конденсатором на рабочей частоте инвертора, в результате чего электропроводный материал индуктивно нагревается или расплавляется магнитным полем, создаваемым при протекании выходного переменного тока, по меньшей мере, через один индуктор.

2. Способ индуктивного нагрева или плавления электропроводного материала, содержащий этапы:

выпрямление входной мощности переменного тока в выходную мощность постоянного тока на выходе выпрямителя;

обратного преобразования выходной мощности постоянного тока для получения выходного переменного тока с инвертора на рабочей частоте инвертора;

подача выходного переменного тока в автотрансформатор, причем автотрансформатор содержит первый вывод автотрансформатора и множество вторых выводов автотрансформатора, содержащих, по меньшей мере, два отвода автотрансформатора;

соединение, по меньшей мере, одного индуктора с первым выводом автотрансформатора и одним из множества вторых выводов автотрансформатора для создания магнитного поля, которое образует магнитную связь с электропроводным материалом для индуктивного нагрева или плавления электропроводного материала; и

формирование, по меньшей мере, приблизительно резонансного контура на рабочей частоте инвертора, по меньшей мере, с одним индуктором в комбинации со связанным полным внутренним сопротивлением автотрансформатора и, по меньшей мере, одним подстроечным конденсатором, подключенным между выходами постоянного тока.

3. Источник питания для индуктивного нагрева или плавления электропроводного материала, содержащий:

выпрямитель для преобразования входной мощности переменного тока в выходную мощность постоянного тока на выходе выпрямителя, причем выход выпрямителя содержит положительную шину постоянного тока и отрицательную шину постоянного тока;

инвертор, вход постоянного тока которого соединен с выходом выпрямителя, причем инвертор содержит первую пару из первой и третьей сборок переключатель/диод и вторую пару из второй и четвертой сборок переключатель/диод, эти четыре сборки переключатель/диод формируют инвертор, построенный по схеме полного моста, причем каждая первая и вторая сборка переключатель/диод имеет первый вывод, в комбинации эти два первых вывода формируют положительный вход постоянного тока инвертора, причем положительный вход постоянного тока инвертора соединен с положительной шиной постоянного тока, каждая третья и четвертая сборка переключатель/диод имеет первый вывод, в комбинации эти два первых вывода формируют отрицательный вход постоянного тока инвертора, причем отрицательный вход постоянного тока инвертора соединен с отрицательной шиной постоянного тока, вторые выводы первой и четвертой сборок переключатель/диод соединены вместе для формирования первого выходного соединения переменного тока инвертора, вторые выводы второй и третьей сборок переключатель/диод соединены вместе для формирования второго выходного соединения переменного тока инвертора, инвертор преобразует выходную мощность выпрямителя с постоянным током в выходной переменный ток, подаваемый на выход источника питания, причем выходной переменный ток имеет частоту, равную рабочей частоте инвертора;

по меньшей мере, один подстроечный конденсатор, имеющий первый и второй выводы подстроечного конденсатора, первый и второй выводы подстроечного конденсатора подключены к положительному входу постоянного тока инвертора и отрицательному входу постоянного тока инвертора соответственно, соединение между первым выводом подстроечного конденсатора и положительным входом постоянного тока инвертора сформировано из тонкого электропроводного листа, соединение между вторым выводом подстроечного конденсатора и отрицательным входом постоянного тока инвертора сформировано из второго тонкого электропроводного листа, причем первый и второй электропроводные листы разделены тонким слоем изолятора с высокой диэлектрической прочностью и соединены так, что формируется соединение с малой индуктивностью; и

по меньшей мере, один индуктор, подключенный к первому и второму выводам переменного тока инвертора, причем, по меньшей мере, один индуктор имеет такую индуктивность, что обеспечивается, по меньшей мере, приблизительно режим резонанса, по меньшей мере, с одним подстроечным конденсатором на рабочей частоте инвертора, в результате чего электропроводный материал индуктивно нагревается или плавится магнитным полем, создаваемым выходным переменным током, при протекании его, по меньшей мере, через один индуктор.

4. Источник питания по п.3, в котором, по меньшей мере, один индуктор содержит активный индуктор и, по меньшей мере, один пассивный индуктор, причем, по меньшей мере, один пассивный индуктор не соединен с активным индуктором, по меньшей мере, один пассивный индуктор подключен параллельно, по меньшей мере, одному подстроечному конденсатору пассивного резонансного контура для формирования параллельного резонансного контура, пассивный индуктор магнитно связан с активным индуктором, когда переменный ток протекает через активный индуктор для индуцирования вторичного переменного тока в параллельном резонансном контуре, причем импеданс комбинации из активного индуктора и параллельного резонансного контура обеспечивает, по меньшей мере, приблизительно резонанс с полным внутренним сопротивлением, по меньшей мере, одного подстроечного конденсатора на рабочей частоте инвертора.

5. Источник питания по п.3, в котором, по меньшей мере, один подстроенный конденсатор содержит множество скрученных пленочных конденсаторов, причем каждый из множества скрученных пленочных конденсаторов имеет первый и второй проводники конденсатора, все первые проводники конденсатора соединены с первым электропроводным листом конденсатора, и все вторые проводники конденсатора соединены со вторым электропроводным листом конденсатора, первый и второй электропроводные листы конденсатора разделены тонким слоем изолятора с высокой диэлектрической прочностью и соединены так, что формируется соединение с малой индуктивностью, причем первый электропроводный лист конденсатора образует первый вывод подстроечного конденсатора, а второй электропроводный лист конденсатора образует второй вывод подстроечного конденсатора.

6. Источник питания по п.5, в котором множество скрученных пленочных конденсаторов содержит первую группу скрученных пленочных конденсаторов, причем первые проводники конденсаторов первой группы скрученных пленочных конденсаторов находятся в контакте с первым электропроводным листом конденсатора, и вторую группу скрученных пленочных конденсаторов, причем первые проводники конденсаторов второй группы скрученных пленочных конденсаторов находятся в контакте со вторым электропроводным листом конденсатора, вторые проводники каждого из первой группы скрученных пленочных конденсаторов находятся в контакте со вторым электропроводным листом конденсатора, а первые проводники (каждого) из второй группы скрученных пленочных конденсаторов находятся в контакте со вторым электропроводным листом конденсатора.

7. Источник питания по п.6, в котором, по меньшей мере, первый или второй электропроводный лист конденсатора обжат, по меньшей мере, частично вокруг каждого из множества скрученных пленочных конденсаторов.

8. Способ индуктивного нагрева или плавления электропроводного материала, содержащий этапы:

выпрямление выходной мощности переменного тока в выходную мощность постоянного тока на выходе выпрямителя, причем выход выпрямителя содержит положительную шину постоянного тока и отрицательную шину постоянного тока;

формирование инвертора из первой пары - первой и третьей сборок переключатель/диод, и второй пары - второй и четвертой сборок переключатель/диод, причем из четырех сборок переключатель/диод формируют инвертор, построенный по схеме полного моста, с первой и второй сборками переключатель/диод, каждая из которых имеет первый вывод, эти два первых вывода в комбинации формируют положительный вход постоянного тока инвертора, причем положительный вход постоянного тока инвертора соединен с положительной шиной постоянного тока, и с третьей и четвертой сборками переключатель/диод, каждая из которых имеет отрицательный вход постоянного тока инвертора, причем отрицательный вход постоянного тока инвертора соединен с отрицательной шиной постоянного тока, с первой и четвертой сборками переключатель/диод, вторые выводы которых соединены вместе для формирования первого выходного соединения переменного тока инвертора, со второй и третьей сборками переключатель/диод, вторые выводы которых соединены вместе для формирования второго выходного соединения переменного тока инвертора, при этом инвертор преобразует выходную мощность постоянного тока выпрямителя в переменный выходной ток, подаваемый на выход источника питания, причем переменный выходной ток имеет частоту, равную рабочей частоте инвертора;

соединение, по меньшей мере, одного подстроечного конденсатора, имеющего первый и второй выводы подстроечного конденсатора, с положительным и отрицательным входами постоянного тока инвертора, причем первое соединение между первым выводом подстроечного конденсатора и положительным входом постоянного тока инвертора сформировано из первого тонкого электропроводного листа, второе соединение между вторым выводом подстроечного конденсатора и отрицательным входом постоянного тока инвертора сформировано из второго тонкого электропроводного листа;

разделение первого и второго тонких электропроводных листов, отделенных тонким слоем изолятора с высокой диэлектрической прочностью;

соединение первого и второго тонких электропроводных листов вместе с промежуточным тонким слоем изолятора с высокой диэлектрической прочностью для формирования соединения с малой индуктивностью; соединение первого и второго выходов переменного тока инвертора, по меньшей мере, с одним индуктором для создания магнитного поля, которое обеспечивает магнитную связь индуктора с электропроводным материалом для индуктивного нагрева или плавления электропроводного материала; и

формирование, по меньшей мере, приблизительно резонансного контура на рабочей частоте инвертора, по меньшей мере, с одним индуктором и, по меньшей мере, одним подстроечным конденсатором.

9. Способ по п.8 дополнительно содержащий этапы: формирование индуктивной связи пассивного индуктора с магнитным полем, создаваемым, по меньшей мере, одним индуктором, причем пассивный индуктор подключен параллельно, по меньшей мере, одному подстроечному конденсатору пассивного резонансного контура для формирования параллельного резонансного контура; и формирование, по меньшей мере, приблизительно резонансного контура на рабочей частоте инвертора с импедансом комбинации из, по меньшей мере, одного индуктора и параллельного резонансного контура, и, по меньшей мере, с одним подстроечным конденсатором.

10. Способ по п.8 дополнительно содержащий этапы: формирование, по меньшей мере, одного подстроечного конденсатора из множества скрученных пленочных конденсаторов; соединение первого вывода скрученного пленочного конденсатора каждого из множества скрученных пленочных конденсаторов с первым соединительным проводником подстроечного конденсатора, причем первый соединительный проводник подстроечного конденсатора сформирован из третьего тонкого электропроводного листа; соединение второго вывода скрученного пленочного конденсатора каждого из множества скрученных пленочных конденсаторов со вторым соединительным проводником подстроечного конденсатора, причем второй соединительный проводник подстроечного конденсатора сформирован из четвертого тонкого электропроводного листа; разделение третьего и четвертого тонких диэлектропроводных листов, отделенных тонким слоем изолятора с высокой электрической прочностью; соединение третьего и четвертого тонких электропроводных листов вместе с промежуточным тонким слоем изолятора с высокой диэлектрической прочностью для формирования соединения с малой индуктивностью; формирование первого вывода подстроечного конденсатора из третьего тонкого электропроводного листа; и формирование второго вывода подстроечного конденсатора из четвертого тонкого электропроводного листа.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к источнику питания переменного тока, предназначенному для индукционного нагрева или плавления, в котором индукционная силовая цепь настроена резонансно.

Уровень техники

На фиг.1 представлен обычный источник 110 питания, который используется при индукционном нагреве или плавлении. Источник питания состоит из выпрямителя переменного тока в постоянный ток и блока 112 фильтра, блока 120 преобразователя постоянного тока в переменный и блока 130 подстроечного конденсатора. В источнике питания, изображенном на фиг.1, трехфазный диодный выпрямитель 114, построенный по мостовой схеме, преобразует трехфазную (А, В, С) мощность переменного тока линии энергосистемы в мощность постоянного тока. Дроссель L₁₀₈ ограничения тока сглаживает неравномерности постоянного тока на выходе выпрямителя, и конденсатор С₁₀₈ , отфильтровывает переменную составляющую от постоянного напряжения на выходе выпрямителя. Отфильтрованный выходной постоянный ток выпрямителя преобразуют в переменный ток с использованием обратного преобразователя, построенного по схеме полного моста, состоящего из полупроводниковых переключателей S₁₀₁, S₁₀₂ , S₁₀₃ и S₁₀₄ и соответствующих включенных встречно-параллельно диодов D₁₀₁, D₁₀₂, D₁₀₃ и D₁₀₄, соответственно. В результате чередования циклов включения/выключения пар переключателей S ₁₀₁/S₁₀₃, и S₁₀₂/S₁₀₄ генерируют синтезированный выход инвертора переменного тока на выводах 3 и 4.

Катушка L₁₀₁ индуктивной нагрузки представляет собой индуктор высокочастотной индукционной печи, используемой при индукционном нагреве или плавлении. Например, в индукционной печи индуктор L₁₀₁ электронагревателя намотан снаружи тигля, в который помещена металлическая шихта. При индукционном нагреве металлическую заготовку, такую как полоса или проволока, перемещают через спиральную обмотку индуктора L₁₀₁ или перемещают вблизи катушки для индуктивного нагрева заготовки. Ток, подаваемый от источника питания и протекающий через индуктор L₁₀₁, создает магнитное поле, которое за счет магнитной индукции нагревает либо непосредственно металлическую шихту, либо заготовку, или нагревает заготовку в результате передачи тепла от токоприемника, который нагревается за счет магнитной индукции. Индуктор L₁₀₁ может быть выполнен в виде одной катушки или в виде узла взаимно соединенных блоков катушек, и он имеет очень низкий рабочий коэффициент мощности. Из-за этого в схеме индуктора необходимо использовать подстроечный конденсатор (или батарею конденсаторов), такой как конденсатор С₁₀₁ , предназначенный для улучшения полного коэффициента мощности схемы индуктора. Такие подстроечные конденсаторы составляют существенную часть стоимости источника питания и представляют собой объемный компонент. Таким образом, существует потребность в источнике питания для индуктивного нагрева или плавления, в котором используют подстроечные конденсаторы с меньшими размерами и меньшей стоимостью.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать источник питания для индуктивного нагрева или плавления, в котором используется конденсатор, подключенный между выходом выпрямителя и входом инвертора, для формирования резонансно настроенной схемы с индуктором, используемым для нагрева или плавления.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте настоящее изобретение касается устройства и способа выполнения источника питания с блоками выпрямителя и обратного преобразователя, предназначенного для использования с индуктором, в источнике питания подстроечный конденсатор подключен к выходу выпрямителя и входу инвертора для формирования резонансного- контура с индуктором. Индуктор может содержать активную нагрузочную катушку, соединенную с выходом индуктора, и пассивную нагрузочную катушку, подключенную параллельно конденсатору, для формирования параллельного резонансного контура. Другие аспекты изобретения сформулированы в данном описании и приложенной формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Для иллюстрации изобретения на чертежах представлена предпочтительная в настоящее время схема; следует, однако, понимать, что настоящее изобретение не ограничено точной компоновкой и изображенным инструментарием.

На фиг.1 показана принципиальная схема источника питания предшествующего уровня техники с инвертором, построенным по схеме полного моста, который используется при индукционном нагреве и плавлении.

На фиг.2 показана принципиальная схема примера источника питания в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для использования при индукционном нагреве или плавлении.

На фиг.3 представлена временная диаграмма сигналов, иллюстрирующая выходное напряжение и ток инвертора для примера источника питания в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 представлена временная диаграмма сигналов, иллюстрирующая напряжение на подстроенном конденсаторе и ток через фильтрующий дроссель цепи, используемый в примере источника питания в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 представлена временная диаграмма сигналов, иллюстрирующая напряжение и ток устройства переключения, используемого в инверторе в примере источника питания в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.6 показана принципиальная схема другого примера источника питания в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для использования при индукционном нагреве или плавлении.

На фиг.7 показана векторная схема, иллюстрирующая преимущества устройства индукционного нагрева или плавления с источником питания в соответствии с настоящим изобретением, используемого с устройством индуктора, представленным на фиг.6.

На фиг.8 показана принципиальная схема другого примера источника питания в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для использования при индукционном нагреве или плавлении.

На фиг.9 представлен вид в перспективе первого примера физической компоновки инвертора и подстроечного конденсатора, используемых в источнике питания в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.10 показан вид сверху первого примера физической компоновки инвертора, используемого в источнике питания в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.11 (а) представлен вид в разрезе по линии А-А физической компоновки инвертора, изображенного на фиг.10.

На фиг.11 (b) подробно показан с увеличением вид в разрезе по фиг.11 (а).

На фиг.12 (а) представлен вид в перспективе типичного пленочного конденсатора.

На фиг.12 (b) представлен вид в разрезе пленочного конденсатора, изображенного на фиг.12 (а).

На фиг.13 (а) и на фиг.13 (b) показан пример физической компоновки подстроечного конденсатора, изображенного на фиг.9.

На фиг.14 показан другой пример физической компоновки подстроечного конденсатора, изображенного на фиг.9.

На фиг.15 представлен еще один пример физической компоновки подстроечного конденсатора, изображенного на фиг.9.

На фиг.16 представлен еще один пример физической компоновки подстроенного конденсатора, изображенного на фиг.9.

Осуществление изобретения

Как показано на чертежах, на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы, на фиг.2 представлена иллюстрация первого примера источника 10 питания в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для использования при индукционном нагреве или плавлении. Выпрямитель переменного тока в постоянный ток и блок 12 фильтра включают в себя выпрямитель переменного тока в постоянный ток. В этом не ограничивающем примере изобретения используется многофазный выпрямитель, который представляет собой трехфазный выпрямитель 14 на основе диодного моста, предназначенный для преобразования трехфазного напряжения (А, В, С) линии энергосистемы переменного тока в постоянное напряжение. Используемый в случае необходимости дроссель L₈ ограничения тока сглаживает пульсации постоянного тока на выходе выпрямителя. В блоке 16 источника питания схематично представлен подстроечный конденсатор C₁ катушки, который может быть одним конденсатором или батареей соединенных конденсаторов, которые формируют емкостный элемент.

Как показано на фиг.2, постоянный ток с выхода выпрямителя подают на входы 1 и 2 инвертора, построенного по схеме полного моста, блока инвертора 20. Инвертор состоит из полупроводниковых переключателей S₁, S₂ , S₃ и S₄ и соединенных с ними встречно-параллельно диодов D₁, D₂, D₃ и D₄ , соответственно. В результате чередующихся циклов включения/выключения пар переключателей S₁/S₃ и S₃ /S₄ получают синтезированное выходное напряжение инвертора переменного тока на выводах 3 и 4. Предпочтительно, но без ограничений, в качестве компонента для полупроводникового переключателя выбирают биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT, БТИЗ), который имеет требуемые характеристики мощных биполярных транзисторов и мощных полевых МОП-транзисторов (MOS-FET) при высоких рабочих напряжениях и больших токах. В одном примере изобретения в инверторе используют схему со сдвигом фазы (управление длительностью импульса) циклов включения/выключения двух пар переключателей, в соответствии с чем используют изменение степени перекрытия времени включения для двух пар переключателей для изменения эффективного среднеквадратичного действующего значения выходного напряжения инвертора.

Катушка L₉ индуктивной нагрузки представляет собой индуктор высокочастотной индукционной печи, используемый в устройстве индукционного нагрева или плавления.

Емкость конденсатора C₁ выбирают такой, чтобы сформировать резонансный контур с полным сопротивлением индуктора L₉ на рабочей частоте инвертора, которая представляет собой частоту переключения пар переключателей, используемых в инверторе. Следовательно, подстроечный конденсатор не требуется на выходе инвертора. Выбор доступных компонентов для схемы, возможно, не позволяет обеспечить точный резонанс при работе, но режим работы, близкий к резонансу, достижим при использовании доступных компонентов. Переменный ток, протекающий через индуктор L₉ с выхода инвертора, взаимодействует через магнитное поле с электропроводным материалом, который может представлять собой, например, проводящий металл или токоприемник.

На фиг.3-5 представлены рабочие характеристики источника 10 питания в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.2, энергия на вход которого поступает по линии энергосистемы (А, В, С) 480 вольт между фазами, 60 Гц, и инвертора 20, работающего с выходной частотой 60 Гц. Для этого конкретного не ограничивающего примера значение L ₈ выбрали равным 5000 мкГн (полное внутреннее сопротивление 3,77 Ом на выходной частоте пульсаций выпрямителя 120 Гц); значение C₁ выбрали равным 5000 мкФ (полное внутреннее сопротивление 0,27 Ом на выходной частоте пульсаций выпрямителя 120 Гц) и значение L₉ выбрали равным 1000 мкГн (полное внутреннее сопротивление 0,38 Ом на выходной частоте пульсаций инвертора 60 Гц). Хотя на фиг.2 это не показано, в данном типовом исследовании использовали сопротивление 0,16 Ом для индуктора L₉. При работе схемы C₁/L₉ в режиме резонанса на выходной частоте инвертора 20 получают, по существу, синусоидальное выходное напряжение инвертора V_out и выходной ток I_out (на выводах 3 и 4), как графически показано на фиг.3. На фиг.4 графически представлено, что напряжением на конденсаторе C ₁, а именно, V_C1, управляют так, чтобы привести его к нижнему ограничительному значению ноль вольт, в результате чего конденсатор C₁ обеспечивает резонанс с катушкой L₉ на частоте пульсаций 120 Гц. V_C1 представляет собой напряжение, приложенное ко входу инвертора 20 (на выводах 1 и 2). На фиг.4 также представлен ток пульсаций, I_L8 через дроссель L₈. Полное внутреннее сопротивление дросселя L₈ обычно выбирают таким, чтобы оно было намного больше полного внутреннего сопротивления C₁ , чтобы блокировать обратную связь по гармоникам в цепи от инвертора к источнику питания выпрямителя. На фиг.5 графически представлены напряжение V_S на одном из полупроводниковых переключателей инвертора 20 и ток I_S через один из переключателей при максимальной выходной мощности, когда существует нулевой угол перекрытия между V_S и I_S. Отключение переключающего устройства при нулевом напряжении V_S , когда пульсации постоянного тока равны нулю (например, в 240,0 миллисекунд (мс) на фиг.4 и на фиг.5), минимизирует потери на переключение. Кроме того, поскольку в этом примере коммутации переключения происходят при нулевом напряжении, любые выбросы из-за, паразитной индуктивности цепи будут значительно меньше, чем в обычном инверторе, имеющем малый ток пульсаций переменного напряжении в цепи постоянного напряжении. Этот конкретный пример представлен для иллюстрации применения изобретения на практике, которое не ограничено конкретными элементами и значениями, используемыми в этом примере.

На фиг.6 представлен второй пример осуществления настоящего изобретения. В этом примере индуктор состоит из активной катушки L₁ и, по меньшей мере, одной пассивной катушки L₂. Катушки L₁ и L₂ могут быть намотаны в одной из различных конфигураций, например, последовательно или с перекрытием для обеспечения магнитной связи катушек, как описано ниже. Катушка L₁ соединена с выходом инвертора 20. Катушка L₂ включена параллельно резонансному подстроечному конденсатору С₂ для формирования параллельного резонансного контура. Катушка L₂ физически не соединена с катушкой L₁. Энергия в параллельный резонансный контур поступает от катушки L₂, магнитно связанной с магнитным полем, созданным в катушке L₁ , когда ток, поступающий с выхода инвертора 20, протекает через катушку L₁.

Преимущество использования отдельных активных и пассивных катушек может быть дополнительно представлено в соответствии с векторной схемой, изображенной на фиг.7. На чертеже для цепи активной катушки вектор OV представляет ток I₁ в активной катушке L₁, как показано на фиг.6. Вектор ОА представляет резистивный компонент напряжения активной катушки, I₁R₁ (R₁ не показан на чертежах). Вектор АВ представляет индуктивный компонент напряжения активной катушки, L₁I₁ (где значение равно произведению 2 и f - рабочей частоты источника питания). Вектор ВС представляет напряжение, MI₂, индуцируемое пассивной катушкой L₁ в активной катушке L₁. Напряжение V_С1 полуволны пульсаций на конденсаторе C₁ и функция переключения двух пар переключателей S₁/S₃ и S₃ /S₄ производят эффект псевдоконденсатора C₁ ', соединенного последовательно с L₁, в результате чего возникает синусоидальное напряжение на выводах 5 и 6, как показано на фиг.6. Вектор CD представляет напряжение I₁ / C₁', которое возникло бы на этом последовательном псевдоконденсаторе C₁'. Вектор OD представляет выходное напряжение V_inv инвертора (выводы 3 и 4 на фиг.6).

Что касается цепи пассивной катушки, вектор OW представляет ток I₂ в пассивной катушке L₂ , индуцированный магнитным полем, произведенным током I₁ . Вектор OF представляет резистивный компонент напряжения I ₂R₂ пассивной катушки (R₂ не показан на чертежах). Вектор FE представляет индуктивный компонент напряжения L₂I₂ активной катушки. Вектор EG представляет напряжение MI₁, индуцируемое активной катушкой L₁ в пассивной катушке L₂. Вектор GO представляет напряжение I₂/ С₂ на конденсаторе С₂, который подключен параллельно пассивной катушке L₂.

Схему активной катушки возбуждает источник напряжения V_inv , который представляет собой выход инвертора 20, в то время как контур пассивной катушки не соединен с активным источником энергии. Так как активная и пассивная катушки взаимно связаны, вектор ВС суммируется с вектором OB, V'_LOAD, который представляет напряжение на активной катушке индуктора в отсутствие пассивной емкостной цепи индуктора, в результате чего получается вектор ОС, V_LOAD, который представляет собой напряжение на активном индукторе с пассивной емкостной цепью индуктора в соответствии с настоящим изобретением. Полученное напряжение V_LOAD нагрузки имеет меньший угол отставания коэффициента мощности (угол против часовой стрелки между осью х и вектором ОС), чем в обычном индукторе, как представлено вектором OВ. Как показано на фиг.7, происходит улучшение угла коэффициента мощности.

В настоящем изобретении индуктивное сопротивление пассивной катушки, по существу, компенсируют емкостным сопротивлением (то есть, L₂, I/ C₂). Некомпенсированный резистивный элемент R₂ в цепи пассивной катушки отражается в цепи активной катушки из-за взаимной индуктивности между этими двумя цепями, и эффективное сопротивление цепи активной катушки увеличивается, что улучшает угол коэффициента мощности или эффективность системы катушек.

Кроме того, угол коэффициента мощности для выхода инвертора улучшается на , как показано углом между вектором OJ, V'_inv (результирующий вектор вектора ОА резистивного компонента и вектора AJ емкостного компонента в отсутствие пассивной цепи индуктора) и вектором OD, V_jnv (результирующий вектор вектора ОН резистивного компонента и вектора HD емкостного компонента с пассивной цепью индуктора в соответствии с настоящим изобретением).

В других примерах изобретения можно использовать множество цепей с активными и/или пассивными катушками для получения требуемой компоновки из множества катушек для конкретного варианта применения.

На фиг.8 представлен другой пример источника питания в соответствии с настоящим изобретением. В этом примере автотрансформатор 80 соединен с выходом переменного тока инвертора. Автотрансформатор имеет первый выходной вывод и множество (по меньшей мере, два) вторых выходных выводов, типично представленных на фиг.8 выводами 100, 110 и 120 автотрансформатора. Первый вывод индуктора L₉ соединен с первым выходным выводом автотрансформатора. Второй вывод индуктора поочередно подключают к одному из множества вторых выходных выводов автотрансформатора. Импеданс цепи автотрансформатора изменяется в соответствии с подключенным выводом, который изменяет импеданс цепи нагрузки, что позволяет обеспечить выборочную работу источника питания по фиг.8 приблизительно в резонансном режиме на разных выходных частотах источника питания. Такой подход имеет преимущество, например, при индуктивном нагреве электропроводного материала. Как известно из уровня техники, индукционный нагрев на разных частотах позволяет изменять глубину проникновения индуцированного тепла в материал. Когда требуется обеспечить разную глубину нагрева, можно переключать вывод автотрансформатора для достижения этого результата, при этом источник питания работает приблизительно на резонансной частоте.

На фиг.9 представлен один пример физической компоновки подстроечного конденсатора C ₁ катушки и элементов инвертора, а именно полупроводниковых переключателей S₁, S₂, S₃ и S₄ и включенных встречно-параллельно диодов D ₁, D₂, D₃ и D₄, соответственно, для источника питания в соответствии с настоящим изобретением. Эта компоновка особенно предпочтительна для минимизации паразитной индуктивности выводов подстроечного конденсатора катушки и выводов постоянного тока элементов инвертора. В этой компоновке подстроенный конденсатор C₁ катушки содержится внутри корпуса 22, как подробно описано ниже. На фиг.9 один или несколько выводов 24 представляют электрический вывод 60 конденсатора C₁ , как показано на фиг.2; аналогично, один или несколько выводов 26 (лучше всего показано на фиг.11 (а)) представляют электрический вывод 62 конденсатора C₁. Могут быть предусмотрены электрические изоляторы 25 для электрической изоляции между электрическими проводниками и корпусом 22. Каждый полупроводниковый переключатель и соединенный с ним встречно-параллельно диод можно физически изготовить в форме пакетированного переключателя/диодной сборки 28а, 28b, 28с и 28d как показано на фиг.9 и на фиг.2. Четыре сборки переключатель/диод соединены так, чтобы сформировать инвертор по схеме полного моста. Первая сборка 28а переключатель/диод и вторая сборка 28b переключатель/диод формируют первую пару сборок переключатель/диод, причем первый вывод обеих сборок соединен с положительным соединением подстроечного конденсатора C ₁ катушки; третья сборка 28с переключатель/диод и четвертая сборка 28d переключатель/диод формирует вторую пару сборок переключатель/диод, первый вывод которых соединен с отрицательным соединением подстроечного конденсатора C₁ катушки. Первые выводы первой и второй пар сборок переключатель/диод формируют вход постоянного тока инвертора. Вторые выводы первой и четвертой сборок переключатель/диод соединены с первым выходом (АС1) переменного тока инвертора; вторые выводы второй и третьей сборок переключатель/диод соединены со вторым выходом (АС2) переменного тока инвертора. На фиг.9 физический электрический проводник 30, представленный выводом 1 схемы на фиг.2, соединяет положительные выводы 24 конденсатора (электрический вывод 60) с выводами сборок 28а и 28b переключатель/диод, которые соответствуют электрическим выводам 1 на фиг.2. Аналогично, электрический проводник 34, представленный выводом 2 схемы на фиг.2, соединяет отрицательные выводы 26 конденсатора (электрический вывод 62) с выводами сборок 28 с и 28d переключатель/диод, которые соответствуют электрическим выводам 2 на фиг.2. Электрический проводник 36 (через промежуточные электрические проводники 36а и 36b, соединенные электропроводным соединением 36с, как показано на фиг.11 (а) в этом не ограничивающем примере изобретения) представлен выводом 3 схемы, показанной на фиг.2, и соединяет выводы сборок 28а и 28d переключатель/диод (соответствуют первому электрическому выводу 3 переменного тока на фиг.2) с первым выводом индуктора L₉ (не показана на фиг.9). Аналогично, электрический проводник 38 (через промежуточные электрические проводники 38а и 38b, соединенные соответствующим электропроводным соединением, не показанным на чертежах, в этом не ограничивающем примере инвертора) представлен выводом 4 схемы на фиг.2 и соединяет выводы сборок 28b и 28 с переключатель/диод (соответствуют второму электрическому выводу 4 переменного тока на фиг.2) со вторым выводом индуктора L₉ (не показан на фиг.10). При этом одна из целей настоящего изобретения состоит в поддержании как можно меньшей индуктивности физических соединений между подстроечным конденсатором и входом постоянного тока инвертора. Поэтому проводники 30 и 34 предпочтительно формируют из тонкого листового материала, такого как медь, и складывают слоями вместе с тонкослойным материалом 33 с высокой электрической прочностью (таким как диэлектрик на основе материала МАЙЛАР), расположенным между ними. Минимальная толщина проводников и изолятора сводит паразитную индуктивность к минимуму. Также предпочтительно поддерживать все размеры проводников 30 и 34 минимально необходимыми для обеспечения соответствующих соединений.

Аналогично предпочтительно поддерживать малую индуктивность в цепи подстроечного конденсатора С₁ катушки. В одной не ограничивающей компоновке изобретения подстроечный конденсатор C₁ катушки содержит один или несколько ленточных пленочных конденсаторов 60, изображенных в типичной компоновке на фиг.12 (а) и в частичном разрезе на фиг.12 (b). Первый проводник 61 конденсатора отделен от расположенного рядом с ним второго проводника 63 конденсатора слоями 62 и 64 диэлектрика. Первый проводник 61 конденсатора проходит до верха рулонного конденсатора, в то время как второй проводник 63 конденсатора продолжается до низа рулонного конденсатора. Первый электрический проводник, находящийся в контакте с верхом рулонного пленочного конденсатора, формирует первый вывод конденсатора, а второй электрический проводник, находящийся в контакте с низом рулонного конденсатора, формирует второй электрический проводник.

В компоновке, изображенной на фиг.13 (а) и на фиг.13 (b), конденсаторы 60а и 60b размещены на противоположных сторонах от первого и второго соединительных электрических проводников 66 и 68 конденсаторов, которые электрически разделены диэлектриком 67. Как и проводники между выводами подстроечного конденсатора катушки и входом постоянного тока инвертора, для обеспечения малой индуктивности, проводники 66 и 68, предпочтительно, сформированы из тонкого листового материала, такого как медь, и сложены слоями вместе с тонкослойным материалом 67 с высокой электрической прочностью (таким как диэлектрик на основе материала МАЙЛАР), расположенным между ними.

Вторые проводники 63 (нижние) конденсаторов 60а находятся в электрическом контакте с первым соединительным электрическим проводником 66. Первые (верхние) проводники 61 конденсаторов 60b находятся в электрическом контакте со вторым соединительным электрическим проводником 68. Первые (верхние) проводники 61 конденсаторов 60а находятся в электрическом контакте со вторым соединительным электрическим проводником 68 через электрический проводник 70а, а вторые (нижние) проводники 63 конденсаторов 60b находятся в электрическом контакте с первым соединительным электрическим проводником 66 через электрический проводник 70b. Электрические проводники 70а и 70b могут быть выполнены в форме медного стержня, проходящего через центр (намотки) каждого конденсатора с протяжением электропроводным элементом на каждом конце, так что первый конец медного стержня находится в контакте с проводником конденсатора, который не находится в контакте с соединительным электрическим проводником 66 и 68, а второй конец находится в контакте с соединительным электрическим проводником 66 или 68. Вокруг электрических проводников 70а и 70b выполнена электрическая изоляция 67, исключающая их электрический контакт с соединительным электрическим проводником, который мог бы замкнуть накоротко конденсатор. Протяженный электропроводный элемент может быть выполнен в форме медной пластины 70с или слоя припоя. Соединительные электрические проводники 66 и 68 выходят из корпуса 22, формируя первые и вторые выводы 24 и 26 конденсаторов.

В альтернативной компоновке, изображенной на фиг.14, вторые (нижние) проводники 63 конденсаторов 60с электрически соединены с первым соединительным электрическим проводником 66. Первые (верхние) проводники 61 каждого конденсатора 60с электрически соединены со вторым соединительным электрическим проводником 68 через электрические проводники 70а с подходящими протяженными электропроводными элементами 70с.

В альтернативной компоновке, изображенной на фиг.15, первый соединительный электрический проводник 66 может быть обжат вокруг одного или нескольких конденсаторов 60d. В такой компоновке первый (верхний) проводник 61 конденсатора находится в электрическом контакте с соединительным электрическим проводником 66, а второй (нижний) проводник 63 конденсатора находится в электрическом контакте с соединительным электрическим проводником 68. В случае необходимости можно использовать подходящие протяженные электропроводные элементы 70с, чтобы обеспечить контакт верхнего проводника 61 конденсатора с соединительным электрическим проводником 66 и нижнего проводника 63 конденсатора с соединительным электрическим проводником 68.

В альтернативной компоновке, изображенной на фиг.16, первый и второй соединительные электрические проводники 66 и 68 могут быть обжаты вокруг одного или нескольких конденсаторов 60с. В такой компоновке первый (верхний) проводник 61 конденсатора находится в электрическом контакте с соединительным электрическим проводником 66, а второй (нижний) проводник 63 конденсатора находится в электрическом контакте с соединительным электрическим проводником 68, с использованием, в случае необходимости, протяженных электропроводных элементов 70с.

Во всех альтернативных компоновках конденсаторов проводники 66 и 68, предпочтительно, выполнены из тонкого листового материала, такого как медь, и сложены слоями вместе с тонкослойным материалом 67 с высокой диэлектрической прочностью, расположенным между ними.

Примеры изобретения включают в себя ссылку на конкретные электрические компоненты. Специалисты в данной области техники могут использовать изобретение на практике, заменяя компоненты, которые не обязательно должны быть того же типа, но которые должны обеспечивать предпочтительные условия или достижение требуемых результатов изобретения. Например, один компонент может быть заменен несколькими компонентами или наоборот. Кроме того, специалист в данной области техники может применять изобретение на практике с изменением компоновки для создания предпочтительных условий или достижения желательных результатов изобретения. В то же время, хотя примеры иллюстрируют работу изобретения с использованием источников питания, построенных по схеме с полным мостом, изобретение можно применять с использованием другой топологии источника питания с соответствующими модификациями, как понятно для специалистов в данной области техники.

Представленные выше примеры не ограничивают объем раскрытого изобретения. Объем раскрытого изобретения сформулирован в приложенной формуле изобретения.