двухчастотное двухкаскадное преобразовательное устройство для индукционного нагрева

Формула изобретения

Двухчастотное двухкаскадное преобразовательное устройство для индукционного нагрева металлов, состоящее из двух каскадов и содержащее источник постоянного напряжения, первый входной дроссель, первый и второй управляемые вентили первого каскада, а также третий и четвертый управляемые вентили второго каскада, первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивную нагрузку-индуктор, при этом к первому полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого входного дросселя, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого и второго управляемых вентилей, ко вторым выводам которых подсоединены параллельно соединенные первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивная нагрузка-индуктор, при этом вторые выводы третьего и четвертого управляемых вентилей соединены со вторым полюсом источника постоянного напряжения, а в качестве управляемых вентилей применены однооперационные тиристоры, при этом все тиристоры включены в прямом направлении по отношении к полярности источника постоянного напряжения, отличающееся тем, что дополнительно введены второй входной дроссель, второй коммутирующий конденсатор, а также первый и второй подстроечные дроссели, при этом с крайними выводами активно-индуктивной нагрузки-индуктора соединены первые выводы первого и второго подстроечных дросселей, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами третьего и четвертого управляемых вентилей, причем к этим же выводам подсоединен второй коммутирующий конденсатор, при этом к вторым выводам третьего и четвертого управляемых вентилей подсоединен первый вывод второго входного дросселя, второй вывод которого соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом первый и второй подстроечные дроссели являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов.

Известно, что для индукционного нагрева металлов применяется либо одночастотное низкочастотное электромагнитное поле с частотой 50 Гц, когда индуктор подключается к промышленной сети переменного тока ([1] Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967), что является аналогом предлагаемому изобретению, либо одночастотное высокочастотное электромагнитное поле, когда индуктор подключается к выходным зажимам вентильного преобразователя либо последовательного, либо параллельного типа ([2] Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности «Промышленная электроника». - М.: «Высшая школа», 1974), что также является аналогом предлагаемому изобретению.

Однако в ряде случаев для индукционного нагрева требуется двухчастотное электромагнитное поле. Так, при индукционном нагреве металлов массивных заготовок для повышения эффективности индукционного нагрева необходимо увеличивать частоту электромагнитного поля, а для равномерного глубинного прогрева необходимо уменьшать частоту электромагнитного поля, при этом для каждого диаметра заготовки имеется оптимальная частота (Шамов А.Н. и др. Проектирование и эксплуатации высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. и перераб. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974, стр.86, табл.24). В этом случае двухчастотное электромагнитное поле позволяет увеличить эффективность индукционного нагрева и увеличить равномерность нагрева заготовки.

В [1] для этого предлагается использовать два генератора: один высокочастотный, а второй низкочастотный. Однако это увеличивает установленную мощность нагревательного оборудования и требует в течение электротехнологического процесса индукционного нагрева металла переключений в силовых цепях, что усложняет нагревательное оборудование.

Таким образом, известные аналоги предлагаемому изобретению не обеспечивают достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение. Поэтому в качестве прототипа выбран параллельный инвертор тока ([4] Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Е.И.Беркович и др. - 3-е изд. доп. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983, стр.16, рис.2.1.). Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного выше технического результата.

Таким образом, известные аналоги и известный прототип имеют недостатки, которые заключаются в том, что они не могут генерировать одновременно высокочастотное и низкочастотное электромагнитные поля, либо рекомендуют для этого применение двух генераторов, т.е. они не обеспечивают достижение заявленного технического результата, заключающегося в одновременном генерировании высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания двухчастотного преобразовательного устройства, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности одновременного генерирования высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощении.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в преобразовательное устройство, содержащее источник постоянного напряжения, первый входной дроссель, первый и второй управляемые вентили первого каскада, а также третий и четвертый управляемые вентили второго каскада, первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивную нагрузку-индуктор, при этом к первому полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого входного дросселя, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого и второго управляемых вентилей, к вторым выводам которых подсоединены параллельно соединенные первый коммутирующий конденсатор и активно-индуктивная нагрузка-индуктор, при этом вторые выводы третьего и четвертого управляемых вентилей соединены с вторым полюсом источника постоянного напряжения, дополнительно введены второй входной дроссель, первый и второй подстроечные дроссели, а также второй коммутирующий конденсатор, при этом с крайними выводами активно-индуктивной нагрузки-индуктора соединены первые выводы первого и второго подстроечных дросселей, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами третьего и четвертого управляемых вентилей, причем к этим же выводам подсоединен второй коммутирующий конденсатор, при этом к вторым выводам третьего и четвертого управляемых вентилей подсоединен первый вывод второго входного дросселя, второй вывод которого соединен с вторым полюсом источника постоянного напряжения, при этом первый и второй подстроечные дроссели являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора.

Переключение первого и второго управляемых вентилей первого каскада с высокой частотой обеспечивает формирование в активно-индуктивной нагрузке-индукторе высокочастотного электромагнитного поля, а переключение третьего и четвертого управляемых вентилей второго каскада с низкой частотой обеспечивает формирование в активно-индуктивной нагрузке-индукторе низкочастотного электромагнитного поля, т.е. достигается заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства.

Двухчастотное двухкаскадное преобразовательное устройство для индукционного нагрева, приведенное на фиг.1, состоит из двух каскадов и содержит источник постоянного напряжения, первый 1 и второй 2 входные дроссели, первый 3 и второй 4 управляемые вентили первого каскада, а также третий 5 и четвертый 6 управляемые вентили второго каскада, в качестве которых использованы однооперационные тиристоры, первый 7 и второй 8 коммутирующие конденсаторы, активно-индуктивную нагрузку-индуктор 9, а также первый 10 и второй 11 подстроечные дроссели, при этом к первому (положительному) полюсу источника постоянного напряжения подсоединен первый вывод первого входного дросселя 1, второй вывод которого соединен с первыми выводами первого 3 и второго 4 управляемых вентилей, к вторым выводам которых подсоединены параллельно соединенные первый коммутирующий конденсатор 7 и активно-индуктивная нагрузка-индуктор 9, при этом с крайними выводами активно-индуктивной нагрузки-индуктора 9 соединены первые выводы первого 10 и второго 11 подстроечных дросселей, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей, причем к этим же выводам подсоединен второй коммутирующий конденсатор 8, при этом к вторым выводам третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей подсоединен первый вывод второго входного дросселя 2, второй вывод которого соединен с вторым (отрицательным) полюсом источника постоянного напряжения, при этом все управляемые вентили 3, 4, 5 и 6 включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, а первый 10 и второй 11 подстроечные дроссели являются дополнительными обмотками активно-индуктивной нагрузки-индуктора 9.

Устройство работает следующим образом.

Для пояснения работы необходимо ввести следующие обозначения: Т_вч=1/f_вч; Т _нч=1/f_нч, где Т_вч - период высокочастотного электромагнитного поля, которое формируется открыванием и закрыванием первого 3 и второго 4 управляемых вентилей первого каскада; f _вч - частота высокочастотного электромагнитного поля; Т _нч - период низкочастотного электромагнитного поля, которое формируется открыванием и закрыванием третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей второго каскада; f_нч - частота низкочастотного электромагнитного поля.

Для пояснения работы устройства целесообразно принять соотношение: Т_нч =2n·Т_вч, где n - натуральное число. Примем n=5. Допустим, открываются первый вентиль 3 и четвертый вентиль 6, при этом пусковые устройства, для упрощения не показанные на фиг.1, должны обеспечить заряд первого 7 и второго 8 коммутирующих конденсаторов с полярностью «-, +», показанной на фиг.1, при этом ток будет протекать по контурам, как это показано на фиг.2, при этом первый 7 и второй 8 коммутирующие конденсаторы будут перезаряжаться соответственно с частотой Т_вч и f_нч до напряжений с полярностью «(+), (-)», показанной на фиг.1. Поскольку емкость второго конденсатора 8 в несколько раз больше емкости первого конденсатора 7, перезаряд второго конденсатора 8 будет происходить с частотой f_нч в несколько раз медленней. Поэтому перезаряд с частотой f _вч до напряжения с полярностью «(+), (-)» первого конденсатора 7 заканчивается раньше, чем перезаряд с частотой f_нч второго конденсатора 8 и при отпирании второго управляемого вентиля 4 первый управляемый вентиль 3 закрывается напряжением на конденсаторе 7, а ток протекает по контурам, как показано на фиг.3, при этом первый конденсатор 7 будет перезаряжаться с частотой f_вч от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +», а второй конденсатор 8 будет по-прежнему перезаряжаться с частотой f_нч от полярности «-, +» до полярности «(+), (-)». После перезаряда первого конденсатора 7 с частотой f_вч до полярности «-, +» снова открывается первый управляемый вентиль 3, а управляемый вентиль 4 закрывается напряжением на конденсаторе 7, и процесс полностью повторяется. После нескольких открываний и закрываний первого 3 и второго 4 управляемых вентилей с частотой f_вч, которые формируют в нагрузке-индукторе 9 однофазное электромагнитное поле высокой частоты, второй конденсатор 8 перезаряжается с частотой f_нч до напряжения «(+), (-)», при этом в нагрузке-индукторе 9 формируется первый полупериод электромагнитного поля низкой частоты f_нч и после этого отпирается третий управляемый вентиль 5, при этом управляемый вентиль 6 запирается напряжением на коммутирующем конденсаторе 8. При отпирании первого управляемого вентиля 3 ток в этом случае протекает по контурам, как показано на фиг.4, при этом первый конденсатор 7 перезаряжается с частотой f_вч от полярности «-, +» до полярности «(+), (-)», а второй конденсатор 8 медленно с частотой f_вч перезаряжается от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +». При отпирании второго управляемого вентиля 4 ток протекает по контурам, как показано на фиг.5, при этом первый конденсатор 7 перезаряжается с частотой f_вч от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +», а второй конденсатор 8 по-прежнему медленно с частотой f_нч перезаряжается от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +». После нескольких открываний и закрываний первого 3 и второго 4 управляемых вентилей второй конденсатор 8 перезаряжается с частотой f_нч от полярности «(+), (-)» до полярности «-, +», при этом заканчивается второй полупериод низкочастотного электромагнитного поля в нагрузке-индукторе 9. После этого все электромагнитные процессы повторяются, при этом открывание и закрывание первого 3 и второго 4 управляемых вентилей с частотой f_вч обеспечивает формирование в нагрузке-индукторе 9 высокочастотной составляющей электромагнитного поля, а открывание и закрывание третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей с низкой частотой f_нч обеспечивает формирование в нагрузке-индукторе 9 низкочастотной составляющей электромагнитного поля, т.е. достигается заявленный технический результат, а именно одновременное формирование высокочастотного и низкочастотного электромагнитных полей и упрощение, что позволяет увеличить эффективность индукционного нагрева массивных металлических деталей. Запирание первого 3 и второго 4 управляемых вентилей первого каскада обеспечивается перезарядом первого коммутирующего конденсатора 7, а запирание третьего 5 и четвертого 6 управляемых вентилей второго каскада обеспечивается перезарядом второго коммутирующего конденсатора 8.

В заключение необходимо заметить, что при смене полярности источника постоянного напряжения необходимо сменить направления прямого включения управляемых вентилей, в качестве которых использованы однооперационные тиристоры.