Устройство для индукционного нагрева и способ управления устройством для индукционного нагрева

 

Область использования: относится к преобразовательной технике в инверторных источниках питания систем управления установок индукционного нагрева и плавки металла. Суть изобретения: устройство содержит n идентичных инверторных ячеек (1-1, 1-2, 1-3), где n - количество индукционных установок. Управление ячеек индивидуально, с частотой, равной резонансной или близкой к резонансной частоте параллельного высокочастотного колебательного контура. При этом уровень подводимой мощности в индукторах соответствует фазовому циклу работы индукционной установки и равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок. В каждой инверторной ячейке выполняют последовательную и параллельную компенсацию реактивного сопротивления индуктора на частоте низкочастотной и высокочастотной составляющих тока индуктора. Управлением ключами (7), (8) и диодами (9, 10) полумостовой схемы формируют высокочастотные синусоидальные колебания со средней линией, изменяющейся по закону низкочастотного сигнала. В результате в индукторах (6-1, 6-2, 6-3) формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы. Достигаемый технический результат: расширение функциональных возможностей, возможность одновременного обслуживания нескольких индукционных установок от одного источника питания, повышение эффективности использования оборудования, снижение установленной мощности оборудования, снижение затрат электроэнергии. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в инверторных источниках питания в системах управления для установок индукционного нагрева и плавки металла.

Патентный поиск аналогов и наиболее близкого решения заявленному устройству для нагрева индукционной установки выявил следующее.

Известен полумостовой высокочастотный резонансный инвертор на МДП-транзисторах, содержащий фильтровый конденсатор, два последовательно соединенных разделительных конденсатора, индуктивность нагрузки, при этом разделительные конденсаторы подключены параллельно фильтровому конденсатору, который подключен параллельно источнику постоянного напряжения, а индуктивность нагрузки одним выводом соединена со средней точкой полумостовой схемы, а вторым - с точкой соединения разделительных конденсаторов (Высокочастотные транзисторные преобразователи, М.: Радио и связь, с.233, рис.6.25).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для индукционного нагрева, содержащее фильтровый конденсатор, который подключен параллельно источнику постоянного тока, инверторную ячейку с индуктором индукционной установки в нагрузке, при этом инверторная ячейка включает первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, первый и второй последовательно соединенные разделительные конденсаторы, подключенные параллельно полумостовой схеме и входу инверторной ячейки, к которой подключен параллельно фильтровый конденсатор, при этом индуктор нагрузки включен между средней точкой полумостовой схемы ячейки инвертора и средней точкой соединения разделительных конденсаторов (POWER SUPPLIES IN INDUCTION MELTING SYSTEMS. /Keys to Understandling This Fundamental Melting Technolodgy, fig.8 /Oleg S. Fishman /Vice President of Engineering Inductotherm Corp. /Rancocas, NJ 08073, December 1992).

Оба устройства используют в системах управления для электротехнологий, в частности для управления работой устройств для нагрева индукционной установки. Основным режимом работы известных устройств, обеспечивающим наилучшие соотношения между мощностью, передаваемой в нагрузку, и установленной мощностью оборудования, является одночастотный режим: на частоте, близкой к резонансной частоте нагрузочного контура. Невозможность формирования в устройствах в индукторе нагрузки одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами сужает функциональные возможности известных устройств. Это объясняется следующим. Ряд технологических процессов, например индукционной плавки и высокочастотной закалки, требуют одновременного наличия токов высокой и низкой частоты. Так, при высокочастотной закалке деталей, имеющих сложную конфигурацию поверхности, например при закалке шестерен, метод двух частот обеспечивает достаточно точное повторение закаленным слоем контура сложной поверхности обрабатываемой детали (Simultaneous Dual-Frequency Gear Hardening.// "Industrial Heating", July, 2001). В индукционных печах качество выплавляемого металла существенно возрастает, если нагрев осуществляют на средней частоте, а силовое воздействие электромагнитным полем на ванну жидкого металла производят на низкой частоте. При этом обеспечивается интенсивное перемешивание металла в сочетании с высоким темпом его нагрева током средней частоты (Завтрашние технологии индукционной плавки уже существуют, Джон X. Мортимер [Фирма Inductotherm, г. Ранкокас, США]// журнал “Литейщик России”, 2002 г., №1, с.33).

При одночастотном сигнале усложняется процесс формирования силового поля внутри печи для перемешивания расплава (Завтрашние технологии индукционной плавки уже существуют, Джон X. Мортимер [Фирма Inductotherm, г. Ранкокас, США]// журнал “Литейщик России”, 2002 г., №1, с.34).

Из выше изложенного следует, что поскольку известные устройства для индукционного нагрева формируют в индукторе нагрузки только одночастотный сигнал, это не позволяет эффективно активизировать процессы перемешивания расплава в печи, усложняет одновременную реализацию требований к температуре расплава и необходимость процесса перемешивания расплава в печи для обеспечения равномерности его прогрева, что снижает равномерность, а следовательно, эффективность индукционного нагрева. В результате снижается эффективность использования оборудования, повышаются затраты электроэнергии, а следовательно, повышается установленная мощность оборудования. Кроме того, известные устройства требуют индивидуального источника питания, что не позволяет объединить их в схему с общим источником питания для индукционного нагрева нескольких печей, так как в этом случае не возможно обеспечить гибкость технологического процесса, поскольку выполнение определенных циклов плавки требует в этом случае отключения печи. Например, плавить металл в одной печи и выдерживать во второй, т.е. для того, чтобы повторно нагревать металл в печи в процессе разливки, требуется прерывать плавку и в другой печи. Невозможность использования известных устройств с общим источником питания для индукционного нагрева нескольких печей не позволяет снизить общую потребляемую мощность от источника питания, повысить экономию электроэнергии, повысить эффективность использования оборудования, особенно в случае одновременной работы всех печей в режиме максимального разогрева.

Из выше изложенного следует, что выявленные в результате патентного поиска устройства для индукционного нагрева не позволяют независимо формировать в нагрузке одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы и осуществлять независимое управление этими сигналами, что не позволяет эффективно активизировать процессы перемешивания металла, снижает равномерность индукционного нагрева, а следовательно, снижает эффективность индукционного нагрева. Это сужает их функциональные возможности, не позволяет обслуживать с помощью известных устройств одновременно несколько индукционных установок от одного источника питания, что в результате снижает эффективность использования оборудования, повышает потребляемую мощность от источника питания и не позволяет снизить установленную мощность оборудования, а следовательно, повышает затраты электроэнергии.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и прототип заявленного устройства для индукционного нагрева при осуществлении не обеспечивают достижения технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и в возможности одновременного обслуживания нескольких индукционных установок от одного источника питания за счет возможности формирования в индукторе одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами, а также в повышении эффективности использования оборудования, в снижении установленной мощности оборудования, а следовательно, в снижении затрат электроэнергии.

Патентный поиск аналогов и наиболее близкого решения заявленному способу управления устройством для индукционного нагрева, используемому для управления заявленным устройством, выявил следующее.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, управляющие диодами, формирующими прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При этом задают временной интервал, измеряют напряжение на тиристорах, формируют разрешающий логический сигнал, принимающий истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволну тока в нагрузке, а очередной импульс управления на тиристоры подают по истечении заданного временного интервала, причем отсчет временного интервала разрешают при истинном значении сформированного разрешающего логического сигнала (патент №2117378, РФ, Н 02 М 7/48, Н 02 М 7/523, 10.08.98).

Наиболее близким к заявленному является способ управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения в нагрузке. При этом измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, подают очередные импульсы управления на вентили в моменты перехода мгновенного напряжения на нагрузке через нулевое значение, задают интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, сравнивают измеренный интервал времени с заданным, причем при превышении измеренным интервалом времени заданного подачу импульсов управления на вентили прекращают (патент №1269984, РФ, Н 02 М 7/521, 27.06.2001 г.).

Оба способа используют в системах управления для электротехнологий, в частности для управления работой устройств для индукционного нагрева. Суть управления работой инверторов в обоих известных способах заключается в обеспечении синхронизации работы управляющих тиристоров, т.е. в устранении возможности появления в нагрузке помимо высокочастотной низкочастотной составляющей тока. Это в принципе не позволяет известным способом формировать в нагрузке инвертора одновременно и независимо друг от друга токи высокой и низкой частоты, что сужает функциональные возможности известных способов. Это объясняется следующим. Ряд технологических процессов, например индукционной плавки и высокочастотной закалки, требуют одновременного наличия токов высокой и низкой частоты. Так, при высокочастотной закалке деталей, имеющих сложную конфигурацию поверхности, например при закалке шестерен, метод двух частот обеспечивает достаточно точное повторение закаленным слоем контура сложной поверхности обрабатываемой детали (Simultaneous Dual-Frequency Gear Hardening.// "Industrial Heating", July, 2001). В индукционных печах качество выплавляемого металла существенно возрастает, если нагрев осуществляют на средней частоте, а силовое воздействие электромагнитным полем на ванну жидкого металла производят на низкой частоте. При этом обеспечивается интенсивное перемешивание расплава в сочетании с высоким темпом его нагрева током средней частоты (Завтрашние технологии индукционной плавки уже существуют, Джон X. Мортимер [Фирма Inductotherm, г. Ранкокас, США]// журнал “Литейщик России”, 2002 г., №1, с.33).

Поскольку известные способы управления работой устройства для нагрева индукционной установки позволяют формировать только одночастотный сигнал, использование этих способов не позволяет эффективно активизировать процессы перемешивания расплава, что снижает равномерность, а следовательно, эффективность индукционного нагрева. В результате снижается эффективность использования оборудования, повышаются затраты электроэнергии, а следовательно, повышается потребляемая мощность от источника тока. При одночастотном сигнале усложняется процесс формирования силового поля внутри печи для перемешивания расплава без существенного повышения его температуры, что снижает равномерность индукционного нагрева (Завтрашние технологии индукционной плавки уже существуют, Джон X. Мортимер [Фирма Inductotherm, г. Ранкокас, США]// журнал “Литейщик России”, 2002 г., №1, с.34).

Кроме того, известные способы управления предусматривают наличие индивидуального источника питания, что не позволяет организовать с их помощью обслуживание одновременно нескольких индукционных установок от одного источника питания, что не позволяет снизить установленную мощность оборудования, снижает эффективность использования оборудования и повышает затраты электроэнергии.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и прототип заявленного способа управления устройством для индукционного нагрева при осуществлении не обеспечивают достижения технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и в возможности одновременного обслуживания нескольких индукционных установок от одного источника питания за счет возможности формирования в индукторе одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами, а также в повышении эффективности использования оборудования, в снижении установленной мощности оборудования, а следовательно, в снижении затрат электроэнергии.

Предлагаемое изобретение - устройство для нагрева индукционной установки решает задачу создания соответствующего устройства, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и в возможности одновременного обслуживания нескольких индукционных установок от одного источника питания за счет возможности формирования в индукторе одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами, а также в повышении эффективности использования оборудования, в снижении установленной мощности оборудования, а следовательно, в снижении затрат электроэнергии.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для индукционного нагрева содержит фильтровый конденсатор, который подключен параллельно источнику постоянного тока, инверторную ячейку с индуктором индукционной установки, при этом инверторная ячейка включает первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, первый и второй последовательно соединенные разделительные конденсаторы, подключенные параллельно полумостовой схеме и входу инверторной ячейки, к которой подключен параллельно фильтровый конденсатор, при этом средняя точка полумостовой схемы ячейки инвертора подключена к одному из выводов индуктора нагрузки, а также устройство содержит n инверторных ячеек, идентичных первой, входы каждой из которых подключены параллельно фильтровому конденсатору, где n - количество индукционных установок, при этом в каждую инверторную ячейку введен компенсирующий высокочастотный конденсатор, который соединен с соответствующим индуктором с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, кроме того, в каждую инверторную ячейку введен низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом индуктора ячейки инвертора и точкой соединения разделительных конденсаторов и образует с разделительными конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке соответствующей инверторной ячейки.

Технический результат достигается следующим образом. Фильтровый конденсатор, подключенный параллельно источнику постоянного напряжения, и разделительные конденсаторы в каждой инверторной ячейке отсекают сигнал помехи по высокой частоте по цепи источника питания.

Первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, обеспечивают управление работой инверторной ячейки, участвуя тем самым в формировании параметров выходного сигнала в индукторе нагрузки.

Сопротивление индуктора индукционной установки имеет резко индуктивный характер. Как правило, реактивную мощность индуктора индукционной установки компенсируют, для чего параллельно индуктору или последовательно с ним подключают компенсирующий конденсатор. Поскольку нагрузкой каждой инверторной ячейки является индуктор индукционной установки, для компенсации реактивной мощности нагрузки в заявленном устройстве в каждую инверторную ячейку введен компенсирующий конденсатор, который подключен параллельно к соответствующему индуктору.

Кроме того, применение полумостовой схемы позволяет использовать разделительные конденсаторы одновременно в качестве фильтровых на высокой частоте и в качестве компенсирующих на низкой частоте. В результате в устройстве осуществлена последовательная компенсация индуктивности в каждой секции индуктора, при этом роль компенсирующих конденсаторов выполняют разделительные конденсаторы, а параллельную компенсацию индуктивности нагрузки выполняет введенный в устройство компенсирующий конденсатор.

Благодаря тому, что компенсирующий конденсатор подключен к соответствующему индуктору с образованием параллельного резонансного колебательного LC-контура, все реактивные токи компенсации замыкаются в колебательном контуре нагрузки инверторной ячейки, что позволяет сконцентрировать практически всю выделяемую ими мощность в нагрузке. При этом, так как в качестве компенсирующего конденсатора в каждую инверторную ячейку введен высокочастотный, который образует с индуктором нагрузки высокочастотный параллельный резонансный колебательный LC-контур, это обуславливает формирование в индукторе токов высокой частоты.

Низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом соответствующего индуктора и точкой соединения разделительных конденсаторов, обеспечивает возможность замыкания тока в параллельном колебательном контуре нагрузки при открывании управляемого ключа полумоста. Кроме того, после закрытия управляемого ключа низкочастотный дроссель за счет формируемой ЭДС обеспечивает непрерывность прохождения тока через нагрузку, а следовательно, непрерывность формирования в ней высокочастотного сигнала: замыкая ток в нагрузке через противофазный диод, достраивает полуволну тока.

Кроме того, в каждой ячейке низкочастотный дроссель и разделительные конденсаторы образуют последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в индукторе инверторной ячейки. Поскольку на низкой частоте сопротивление высокочастотного компенсирующего конденсатора в параллельном контуре нагрузки значительно выше, чем индуктора, то низкочастотная составляющая тока инверторной ячейки так же замыкается в основном через индуктор нагрузки, причем с максимальной амплитудой, за счет резонанса напряжений в последовательном колебательном контуре на частоте низкочастотной составляющей тока. Все это обеспечивает возможность независимого формирования в нагрузке тока низкой частоты.

Благодаря тому, что компенсирующий высокочастотный конденсатор подключен к соответствующему индуктору нагрузки с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, а низкочастотный дроссель и разделительные конденсаторы образуют последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке инверторной ячейки, т.е. каждый из контуров имеет свою резонансную частоту, это позволяет использовать резонансные явления для одновременного независимого формирования высокочастотной и низкочастотной составляющих тока в нагрузке инверторной ячейки, что, в свою очередь, обеспечивает возможность независимой регулировки высокочастотной и низкочастотной составляющих тока в индукторе при их одновременном формировании.

Из выше изложенного следует, что в заявленном устройстве в каждой инверторной ячейке обеспечивается компенсация индуктивного сопротивления нагрузки по высокой и низкой частотам. Поскольку все реактивные токи компенсации замыкаются в параллельном колебательном контуре инверторных ячеек, образованном компенсирующим конденсатором и индуктором, то наличие в цепях компенсации высокочастотного и низкочастотного колебательных контуров, работающих соответственно на частотах высокочастотной и низкочастотной составляющих тока индуктора, обеспечивает возможность независимого формирования в нагрузке одновременно токов высокой и низкой частоты за счет параллельного резонанса тока на высокой частоте в параллельном контуре, а в последовательном контуре - за счет последовательного резонанса напряжения на частоте низкочастотной составляющей тока инвертора. При этом благодаря тому, что оба контура работают на соответствующей резонансной частоте, это позволяет получить максимальную амплитуду высокочастотного и низкочастотного токов в нагрузке. Возможность независимости формирования в индукторе нагрузки инверторной ячейки высокочастотного и низкочастотного токов обуславливает возможность осуществления независимого управления этими сигналами.

Возможность формирования в индукторе низкочастотной составляющей тока обеспечивает возможность организации циркуляции потока металла. Под действием низкочастотной составляющей тока в индукторе внутри расплава образуется пульсирующее силовое электромагнитное поле, что расширяет функциональные возможности устройства и позволяет активизировать процессы перемешивания металла, повысить равномерность индукционного нагрева, а следовательно, повысить эффективность индукционного нагрева и повысить эффективность использования оборудования.

Поскольку устройство содержит n инверторных ячеек, идентичных первой, где n - количество индукторов, то возможность независимости формирования в индукторе нагрузки инверторной ячейки высокочастотного и низкочастотного токов и возможность осуществления независимого управления этими сигналами обеспечивается в каждой ячейке. Поскольку каждая ячейка представляет собой самостоятельное устройство, то это обеспечивает возможность формирования в каждой ячейке высокочастотного и низкочастотного токов с индивидуальными параметрами, а также независимость управления этими токами. Наличие возможности независимого управления потоком энергии, подводимой к каждому индуктору от соответствующих инверторных ячеек, обеспечивает возможность одновременного обслуживания от одного источника питания нескольких индукционных установок, т.е. позволяет использовать общий источник питания. Это расширяет функциональные возможности заявленного устройства, так как позволяет, за счет определенной организации работы инверторных ячеек, получить новые технологические эффекты, обеспечивающие широкие возможности управления параметрами электромагнитного поля в объеме расплава металла, которые позволяют перераспределить подводимую мощность по индукторам.

Последнее позволяет путем перераспределения мощности между одновременно работающими печами выровнять график суточного потребления электроэнергии и организовать процесс плавки металла одновременно в нескольких печах так, что общее потребление электроэнергии от источника питания остается неизменным на всей протяженности работы системы. Это позволяет снизить пики потребляемой мощности от источника питания, снизить установленную мощность оборудования всей системы по сравнению с тем случаем, когда печи работают не синхронно от отдельных инверторных ячеек с собственным источником питания, и повысить эффективность использования оборудования.

Таким образом, предлагаемое устройство для индукционного нагрева при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и в возможности одновременного обслуживания нескольких индукционных установок от одного источника питания за счет возможности формирования в индукторе одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами, а также в повышении эффективности использования оборудования, в снижении установленной мощности оборудования, а следовательно, в снижении затрат электроэнергии.

Заявленное изобретение - способ управления работой устройства для индукционного нагрева, используемый для управления заявленным устройством, решает задачу создания соответствующего способа, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и в возможности одновременного обслуживания нескольких индукционных установок от одного источника питания за счет возможности формирования в индукторе одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами, а также в повышении эффективности использования оборудования, в снижении установленной мощности оборудования, а следовательно, в снижении затрат электроэнергии.

Сущность изобретения - способа управления работой устройства для нагрева индукционной установки, используемого для управления работой заявленного устройства, заключается в том, что в способе управления работой устройства для индукционного нагрева, в соответствии с которым выполняют параллельную компенсацию индуктивности индуктора компенсирующим конденсатором, а инверторную ячейку выполняют полумостовой, при этом формируют прямую и обратную полуволны напряжения в индукторе, для чего поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления, количество инверторных ячеек берут по количеству индукционных установок, с индуктором каждой из которых формируют параллельный колебательный контур из индуктора и компенсирующего конденсатора соответствующей инверторной ячейки, кроме того, используют общий источник питания, при этом в индукторе каждой инверторной ячейки формируют одновременно низкочастотный и высокочастотный сигналы, для чего в каждой инверторной ячейке выполняют последовательную компенсацию индуктивности индуктора на частоте низкочастотной составляющей тока в индукторе инверторной ячейки, а параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, при этом посредством управления ключами полумостовой схемы формируют в каждой инверторной ячейке высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, при этом для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально, причем частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально, исходя из условия, чтобы уровень подводимой мощности в индукторах соответствовал фазовому циклу работы индукционной установки и был равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок, для чего частоту управляющих импульсов в инверторных ячейках формируют равной резонансной или отстраивают от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура.

Кроме того, посредством управления ключами полумостовой схемы при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инверторной ячейки вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов, при этом открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, причем при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.

Технический результат достигается следующим образом.

Поскольку количество инверторных ячеек берут по количеству индукционных установок, при этом для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально, а частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально, обеспечивается возможность независимого управления каждой инверторной ячейкой, что расширяет функциональные возможности способа.

Благодаря тому, что в заявленном способе поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления, осуществляют управление работой управляемых ключей, которые формируют прямую и обратную полуволны напряжения в нагрузке.

Поскольку в каждой инверторной ячейке выполняют последовательную компенсацию индуктивности индуктора нагрузки на частоте низкочастотной составляющей тока индуктора нагрузки, а параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, обеспечивают последовательную и параллельную компенсацию реактивной мощности нагрузки.

Выполнение инверторной ячейки по полумостовой схеме позволяет использовать конденсаторы фильтра одновременно в качестве фильтровых на высокой частоте и в качестве компенсирующих на низкой частоте.

Поскольку в предлагаемом способе частоту управляющих импульсов формируют равной резонансной или отстраивают от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура, т.е. импульсы управления формируют с частотой, равной или близкой к резонансной частоте параллельного колебательного контура, обеспечивается возможность формирования в индукторе высокочастотных колебаний, а следовательно, высокочастотного тока, с требуемой амплитудой. При этом благодаря тому, что посредством управления ключами полумостовой схемы формируют в каждой инверторной ячейке высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, а в каждой инверторной ячейке выполняют компенсацию индуктивности индуктора нагрузки на частоте низкочастотной составляющей тока индуктора, обеспечивается возможность независимого формирования в индукторе нагрузки тока низкой частоты.

Причем, так как в каждой ячейке компенсацию на низкой частоте выполняют на частоте низкочастотной составляющей тока индуктора нагрузки, а на высокой частоте - на частоте, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура, это позволяет для формирования низкочастотной и высокочастотной составляющих тока нагрузки использовать резонансные явления: параллельный резонанс тока - на высокой частоте и последовательный резонанс напряжения - на низкой частоте. При этом благодаря тому, что оба контура работают на соответствующей резонансной частоте, это позволяет получить максимальную амплитуду высокочастотного и низкочастотного токов в нагрузке.

Благодаря тому, что компенсирующий высокочастотный конденсатор подключен к соответствующему индуктору нагрузки с образованием параллельного резонансного колебательного, все реактивные токи компенсации замыкаются в колебательном контуре нагрузки инверторной ячейки, что позволяет сконцентрировать практически всю выделяемую ими мощность в нагрузке. При этом, поскольку реактивные токи компенсации замыкаются в параллельном колебательном контуре через индуктивность нагрузки, это позволяет формировать в каждом индукторе высокочастотную составляющую тока.

Поскольку на низкой частоте сопротивление высокочастотного компенсирующего конденсатора в параллельном контуре нагрузки значительно выше, чем индуктора нагрузки, то низкочастотная составляющая тока инверторной ячейки также замыкается в основном через индуктор нагрузки, причем с максимальной амплитудой, за счет резонанса напряжений в последовательном колебательном контуре на частоте низкочастотной составляющей тока. Это обеспечивает возможность независимого формирования в нагрузке тока низкой частоты.

В результате благодаря тому, что способ обеспечивает возможность независимого формирования в индукторах тока низкой и высокой частоты, это позволяет, за счет определенной организации работы инверторных ячеек, получить новые технологические эффекты, обеспечивающие широкие возможности управления параметрами электромагнитного поля в объеме расплава, и расширяет функциональные возможности способа. Это объясняется следующим. Поскольку компенсацию по низкой частоте выполняют на частоте низкочастотной составляющей тока индуктора и по высокой частоте - на частоте, равной или близкой к резонансной частоте параллельного колебательного контура, это позволяет для формирования низкочастотной и высокочастотной составляющих тока в индукторе использовать резонансные явления: параллельный резонанс тока - на высокой частоте и последовательный резонанс напряжения - на низкой частоте. При этом на соответствующей резонансной частоте контуров это позволяет получить максимальную амплитуду высокочастотного и низкочастотного токов в нагрузке. При отстройке от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура обеспечивается возможность снижения уровня высокочастотной составляющей тока в индукторе. Поскольку в инверторной ячейке формируют высокочастотные колебания в виде синусоиды, у которой по закону низкочастотного сигнала изменяется только средняя линия, то из этого следует, что параметры высокочастотного синусоидального сигнала не зависят от закона изменения низкочастотного сигнала, что обеспечивает возможность регулировки высокочастотной составляющей тока в нагрузке при возможности одновременного независимого формирования высокочастотной и низкочастотной составляющих тока в нагрузке инвертора. В то же время, поскольку средняя линия высокочастотного сигнала изменяется по закону низкочастотного сигнала, то информация о параметрах низкочастотного сигнала заложена в законе изменения средней линии. Это позволяет, варьируя законом изменения средней линии высокочастотного сигнала, регулировать параметры низкочастотной составляющей тока в нагрузке, не изменяя параметров высокочастотной составляющей.

Возможность снижения уровня высокочастотной составляющей тока в индукторе позволяет организовать режим работы инверторной ячейки, при котором в секции индуктора уровень низкочастотного тока превышает уровень высокочастотной составляющей. При этом под действием низкочастотной составляющей тока в каждом индукторе внутри расплава формируют силовое электромагнитное поле, которое позволяет организовать работу инверторной ячейки в режиме перемешивания расплава, активизировать процессы перемешивания и повысить эффективность индукционного нагрева, что расширяет функциональные возможности заявленного способа. Кроме того, независимость в управлении работой каждой ячейки и возможность в каждой инверторной ячейке одновременного формирования высокочастотного и низкочастотного токов и независимого управления ими обуславливает возможность использования общего источника питания и обеспечивает возможность одновременного обслуживания от одного источника питания нескольких индукционных установок. Возможность перераспределения подводимой мощности по индукторам позволяет снизить пики потребляемой мощности от источника питания, снизить установленную мощность оборудования, снизить затраты электроэнергии и повысить эффективность использования оборудования. Возможность перераспределения подводимой энергии по индукторам позволяет организовать одновременно плавку в нескольких печах с максимальным снижением пиков потребляемой мощности от источника питания, т.е. снизить затраты электроэнергии, снизить установленную мощность оборудования и повысить эффективность использования оборудования.

Таким образом, предлагаемый способ управления работой устройства для индукционного нагрева позволяет в каждой инверторной ячейке независимо управлять потоком высокочастотной энергии, подводимой к каждому индуктору установки, путем независимого регулирования высокочастотного тока в индукторе при одновременном формировании в нагрузке низкочастотного тока, что позволяет использовать общий источник питания для одновременного обслуживания нескольких индукционных установок. При этом обеспечивается возможность, путем перераспределения мощности между одновременно работающими печами, выровнять график суточного потребления электроэнергии и организовать процесс плавки металла одновременно в нескольких печах так, что общее потребление электроэнергии от источника постоянного тока остается неизменным на всей протяженности работы системы. Это позволяет снизить пики потребляемой мощности от источника питания, снизить установленную мощность оборудования всей системы по сравнению с тем случаем, когда печи работают не синхронно от отдельных инверторных ячеек с собственным источником питания, и повысить эффективность использования оборудования.

Благодаря тому, что в каждой инверторной ячейке выполняют компенсацию индуктивности индуктора нагрузки на частоте низкочастотной составляющей тока индуктора нагрузки, предлагаемый способ обеспечивает возможность организации циркуляционного потока металла в объеме печи за счет формирования в индукторе низкочастотной составляющей тока, под действием которой внутри расплава образуется силовое электромагнитное поле. Это позволяет формировать в каждом индукторе свое силовое магнитное поле, т.е. формировать необходимый режим перемешивания. В результате расширяются функциональные возможности предлагаемого способа, так как это позволяет эффективно активизировать процессы перемешивания металла, повысить равномерность индукционного нагрева, а следовательно, повысить эффективность индукционного нагрева.

Как было показано выше, возможность независимого формирования в индукторе нагрузки инверторной ячейки высокочастотного и низкочастотного токов обуславливает возможность осуществления независимого управления этими сигналами. При этом благодаря тому, что в предлагаемом способе импульсы управления формируют индивидуально, причем частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально, исходя из условия, чтобы уровень подводимой мощности в индукторах соответствовал фазовому циклу работы индукционной установки и был равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок, для чего частоту управляющих импульсов в инверторных ячейках формируют равной резонансной или отстраивают от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура, это позволяет перераспределять подводимую мощность между индукторами. При этом, поскольку максимум подводимой мощности в индукторах соответствует фазовому циклу работы индукционной установки и равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок, процесс плавки в каждой индукционной установке осуществляют с постоянным сдвигом фазы цикла работы по отношению к другим установкам. В этом случае суммарная активная мощность Р∑ остается неизменной. Это позволяет суммарную мощность источника питания выбирать исходя не из суммарной мощности всех индукционных установок, а примерно равной Р∑=(1,15-1,2)P1, где P1 - мощность одной индукционной установки. В результате существенно снижается установленная мощность оборудования всей системы по сравнению с тем случаем, когда печи работают от отдельных инверторных ячеек с индивидуальным источником питания.

Высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по определенному закону, формируют благодаря тому, что посредством управления ключами полумоста при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инверторной ячейки вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов. Поскольку открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, обеспечивается возможность синхронизации момента отпирания ключей. Благодаря тому, что при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют - обеспечивается возможность варьирования продолжительностью времени нахождения управляемых ключей в открытом состоянии, что и приводит к дисбалансу в работе противофазных управляемых ключей и диодов, а следовательно, к нарушению симметрии высокочастотного сигнала относительно оси времени и появлению в нем низкочастотной составляющей. Замена на противоположные моментов подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи: изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий отрицательную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют - обеспечивает возможность формирования отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки.

Таким образом, способ управления работой устройства для индукционного нагрева, используемый для управления работой заявленного устройства, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и в возможности одновременного обслуживания нескольких индукционных установок от одного источника питания за счет возможности формирования в индукторе одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов и осуществления независимого управления этими сигналами, а также в повышении эффективности использования оборудования, в снижении установленной мощности оборудования, а следовательно, в снижении затрат электроэнергии.

На фиг.1 изображена электрическая схема устройства для нагрева индукционной установки; на фиг.2 - эпюры токов и напряжений, поясняющие работу устройства; на фиг.3 приведены циклограммы работы устройства при одновременной плавки в трех печах.

В примере выполнения устройства в качестве управляемых ключей в инверторной ячейке использованы двухоперационные тиристоры.

Устройство для нагрева индукционной установки содержит фильтровый конденсатор 1, подключенный параллельно к клеммам 2, 3 источника постоянного напряжения; три идентичные инверторные ячейки 4-1, 4-2, 4-3, входы 5 которых подключены параллельно фильтровому конденсатору 1, а нагрузкой являются индукторы 6-1, 6-2, 6-3 индукционной установки соответственно. Каждая инверторная ячейка 4-1, 4-2, 4-3 содержит первый 7 и второй 8 тиристоры, шунтированные диодами 9, 10 и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы; первый 11 и второй 12 последовательно соединенные разделительные конденсаторы, подключенные параллельно входу инверторной ячейки; низкочастотный дроссель 13; компенсирующий высокочастотный конденсатор 14, который подключен к соответствующему индуктору 6 с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура. Средняя точка полумостовой схемы инверторной ячейки 4-1, 4-2, 4-3 подключена к одному из выводов соответствующего 6-1, 6-2, 6-3 индуктора нагрузки. Низкочастотный дроссель 13 подключен между вторым выводом соответствующего индуктора 6 и точкой соединения разделительных конденсаторов 11, 12 и образует с разделительными конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке инверторной ячейки 4-1, 4-2, 4-3.

Способ управления работой устройства для нагрева индукционной установки, используемый для управления работой заявленного устройства, выполняют следующим образом. Инверторную ячейку 4-1 (4-2, 4-3) выполняют по полумостовой схеме, а количество инверторных ячеек берут по количеству индукторов 6. Формируют параллельный колебательный контур из индуктора 6-1 (6-2, 6-3) и компенсирующего конденсатора 14 соответствующей инверторной ячейки. Параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором. Кроме того, в каждой инверторной ячейке 4-1 (4-2, 4-3) выполняют последовательную компенсацию индуктивности индуктора на частоте низкочастотной составляющей тока индуктора. В индукторе 6-1 (6-2, 6-3) каждой инверторной ячейки 4-1 (4-2, 4-3) формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы, для чего посредством управления ключами 7, 8 полумостовой схемы формируют прямую и обратную полуволны напряжения в индукторе 6, для чего поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления и формируют в каждой инверторной ячейке 4 высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала. Для каждой инверторной ячейки 4-1 (4-2, 4-3) импульсы управления формируют индивидуально, причем частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально, исходя из условия, чтобы уровень подводимой мощности в индукторах 6 соответствовал фазовому циклу работы индукционной установки и был равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок, для чего частоту управляющих импульсов в инверторных ячейках 4 формируют равной резонансной или отстраивают от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура 14, 6-1.

Высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, формируют посредством управления ключами 7, 8 полумостовой схемы, для чего при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инверторной ячейки 4-1 (4-2, 4-3) вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей 7, 8 и диодов 9, 10, при этом открывающие импульсы на управляемые ключи 7, 8 подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода 10, 9, причем при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки 4-1 (4-2, 4-3) изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ 7, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ 8 не меняют, при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.

Работу устройства и выполнение способа осуществляют следующим образом.

Рассмотрим работу устройства и выполнение способа для двух случаев:

в нагрузке инверторной ячейки формируют только высокочастотный ток;

в нагрузке инверторной ячейки формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный ток.

Рассмотрим работу одной инверторной ячейки, так как все ячейки идентичны.

Режим формирования только высокочастотного тока в индукторе можно назвать симметричным, так как время нахождения управляемых ключей в открытом и закрытом состоянии практически одинаково. В режиме формирования только высокочастотного тока в нагрузке инверторной ячейки на тиристоры 7, 8 подают симметричную последовательность закрывающих и открывающих импульсов управления (фиг.2а, б) с резонансной частотой параллельного колебательного контура нагрузки. Например, импульсы управления (фиг.2б) поступают на тиристор 7. При поступлении открывающего импульса тиристор 7 открывается. При этом формируется положительная полуволна высокочастотного тока, который протекает по контуру: тиристор 7, параллельный колебательный контур 14, 6-1, последовательный колебательный контур 13, 11, 12, тиристор 7 (фиг.2в, t₀-t₁).

При подаче закрывающего импульса (фиг.2в, t₁) тиристор 7 закрывается, а диод 10 противофазного тиристора 2 открывается под действием ЭДС дросселя 13. В этом случае высокочастотный ток протекает по контуру: диод 10, параллельный колебательный контур 14, 6-1, последовательный колебательный контур 13, 11, 12, диод 10 (фиг.2в, t₁-t₂).

Аналогично развиваются процессы при открывании и закрывании тиристора 8, но в этом случае формируется отрицательная полуволна тока на нагрузке (фиг.2в, t₃-t₄-t₅). При открывании тиристора 8 (импульс управления фиг.2а, t₃) высокочастотный ток протекает по контуру: тиристор 8, последовательный колебательный контур 13, 11, 12, параллельный колебательный контур 14, 6-1, тиристор 8. При закрывании тиристора 8 (импульс управления фиг.2а, t₄) ток протекает по контуру: диод 9, последовательный колебательный контур 13, 11, 12, параллельный колебательный контур 14, 6-1, диод 9.

Из эпюр на фиг.2в видно, что в моменты подачи закрывающего импульса на работающий тиристор открывается диод противофазного плеча инвертора и дополняют форму тока высокой частоты до полной полуволны импульсами тока треугольной формы. В результате через индуктивность нагрузки на резонансной частоте параллельного колебательного контура протекает высокочастотный ток, форма которого близка к синусоидальной. Низкочастотная составляющая в сигнале такой формы практически отсутствует.

Для получения в нагрузке одновременно высокочастотного и низкочастотного токов путем управления тиристорами полумоста организуют режим работы, который формирует в инверторной ячейке высокочастотные колебания синусоидальной формы, средняя линия которых изменяется по закону низкочастотного сигнала.

Рассмотрим пример режима работы инверторной ячейки, который обеспечивает получение высокочастотных колебаний синусоидальной формы, средняя линия которых изменяется по закону низкочастотного сигнала: формирование положительной и отрицательной полуволны низкочастотного напряжения.

В обоих случаях импульсы управления (открывающие и закрывающие) следуют с резонансной частотой высокочастотного колебательного контура.

Рассмотрим случай получения положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки.

Для получения сигнала требуемой формы вносят дисбаланс в работу противофазных управляемого ключа и диода, для чего:

- открывающие импульсы на тиристоры подают в момент перехода через ноль тока противофазного диода;

- при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи закрывающего импульса на тиристор, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока;

- момент подачи закрывающего импульса на противофазный тиристор не меняют.

Пример выполнения способа и работы устройства дан в сравнении с симметричным, сбалансированным, режимом работы противофазных управляемых ключей и диодов. В режиме формирования положительной полуволны низкочастотного тока на тиристор 7 (допустим первым начал работу тиристор 7) закрывающие импульсы подают с запаздыванием на угол α по отношению к симметричному режиму (фиг.2д, t₂ - α₁, t₄ - α₂, t₆ - α₃), а закрывающие импульсы, следующие на тиристор 8, подают, например, в те же моменты времени, как и при симметричном режиме работы инверторной ячейки (фиг.2е, t₂, t₄, t₆). При этом открывающие импульсы подают на тиристоры 7, 8 в моменты перехода тока через ноль синфазных диодов встречного тока 9, 10 (фиг.2д, t₃, t₅, t₇; фиг.2е, t₁, t₃, t₅), которые открываются под действием ЭДС низкочастотной индуктивности 13. Как видно из эпюр на фиг.2ж, в зависимости от величины угла α низкочастотная составляющая тока инверторной ячейки за период следования импульсов управления может увеличиваться или уменьшаться. Варьируя моментом подачи закрывающего импульса на тиристор 7 добиваются того, что приращение угла α (α₁, α₂, α₃) изменяется по вполне определенному закону, который позволяет формировать полуволну низкочастотного тока заданной формы, например синусоидальной (фиг.2ж, пунктирная линия).

В режиме формирования в выходном токе инверторной ячейки отрицательной полуволны низкочастотного тока порядок подачи импульсов управления на тиристоры 7, 8 меняется на противоположный: в этом случае закрывающие импульсы, следующие на тиристор 7, совпадают с симметричным режимом работы инверторной ячейки (фиг.2и, t₂, t₄, t₆), а закрывающие импульсы на тиристор 8 подают с запаздыванием на угол β, по отношению к симметричному режиму (фиг.2к, t₂ - β₁, t₄ - β₂, t₆ - β₃). При этом значения угла β изменяют в соответствии с уже выбранным законом изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки. Открывающие импульсы управления так же, как и в предыдущем случае подают на тиристоры 7, 8 в момент окончания прохождения через синфазные диоды 10, 9 встречного тока (фиг.2и, t₃, t₅, t₇; фиг.2к, t₁, t₃, t₅).

В результате в выходном токе инверторной ячейки формируется отрицательная полуволна низкочастотного тока (фиг.2л, показана пунктирной линией), которая в совокупности с положительной полуволной формирует период синусоиды низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки.

Форма результирующего сигнала изображена на фиг.2м без привязки по времени.

Как видно из эпюр на фиг.2, значение амплитуды формируемого тока низкой частоты зависит от величины угла смещения закрывающих импульсов относительно их положения при симметричном режиме работы инверторной ячейки.

Результирующее значение амплитуды низкочастотного тока инвертора соответствует амплитуде тока, формируемой за счет последовательного резонанса напряжения на частоте низкочастотного тока инверторной ячейки в последовательном колебательном контуре из низкочастотной индуктивности 13 и конденсаторов 11, 12.

Поскольку закрывающие и открывающие импульсы так же, как и в симметричном режиме, следуют с частотой, соответствующей резонансной частоте параллельного колебательного контура в нагрузке инверторной ячейки, высокочастотная составляющая тока инверторной ячейки возбуждает параллельный контур на резонансной частоте, при которой в секции индуктора нагрузки устанавливается напряжение с максимальной амплитудой.

Устройство, содержащее n инверторных ячеек, идентичных первой, подключенных к общему источнику питания, где n - количество индукционных установок, в режиме одновременного обслуживания от одного источника питания нескольких индукционных установок, работает следующим образом. Для организации процесса плавки металла одновременно в нескольких печах перераспределяют подводимую мощность между одновременно работающими печами. Для этого:

- для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально,

- частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально, исходя из условия, чтобы максимум подводимой мощности в индукторах соответствовал фазовому циклу работы индукционной установки и был равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок. Для этого частоту управляющих импульсов в инверторных ячейках формируют равной резонансной или отстраивают от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура из компенсирующего конденсатора 14 и соответствующего индуктора 6-1 (6-2, 6-3).

В результате в каждой инверторной ячейке обеспечивают возможность одновременного формирования в соответствующей секции индуктора высокочастотного и низкочастотного токов со своими параметрами и независимого управления ими, что позволяет управлять параметрами электромагнитного поля в объеме расплава металла.

Для достижения эффекта концентрации тепловыделения в конкретном индукторе высокочастотную энергию перераспределяют по индукторам. При необходимости получения максимальной мощности высокочастотного тока в индукторе частоту следования управляющих импульсов в соответствующей ячейке формируют равной собственной резонансной частоте параллельного высокочастотного колебательного контура инверторной ячейки. Как видно из эпюр, поясняющих работу устройства, в этом случае в индукторе формируются одновременно высокочастотный и низкочастотный токи, причем с максимальной амплитудой, так как в этом случае выполняются условия параллельного резонанса на высокой частоте и последовательного резонанса на низкой частоте. Этот режим работы устройства обеспечивает интенсивное перемешивание расплава в сочетании с высоким темпом его нагрева.

На этапе теплосохранения в цикле работы печи осуществляют активное перемешивание расплава и одновременный подогрев при малом уровне мощности высокочастотного тока. В этом случае каждая инверторная ячейка может переходить по ходу плавки в режим формирования в индукторе одновременно токов высокой и низкой частоты, что позволяет интенсифицировать перемешивание металла в пульсирующем поле низкой частоты. Для регулировки мощности, подводимой к индуктору, частоту следования управляющих импульсов отстраивают от собственной резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура инверторной ячейки. При этом снижают уровень высокочастотной составляющей тока в индукторе. Как видно из эпюр (фиг.2ж, л), уровень низкочастотного тока практически не изменяется, и можно создать ситуацию, когда его амплитуда превышает амплитуду высокочастотного тока. При этом под действием низкочастотной составляющей тока в индукторе внутри расплава формируют силовое электромагнитное поле, которое позволяет организовать активное перемешивание расплава и одновременный подогрев при малом уровне мощности высокочастотного тока.

В результате каждая инверторная ячейка работает с фиксированной частотой открывающих импульсов управления, равной или близкой к резонансной частоте контура нагрузки, при которой уровень подводимой мощности в индукторах соответствует фазовому циклу работы индукционной установки. При этом, поскольку в каждый момент времени фазовый цикл работы каждой установки (фиг.3) смещен относительно фазового цикла работы других установок устройства всегда на одну и туже постоянную величину (равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок), то максимальную мощность подают на каждую установку поочередно через равные промежутки времени. Таким образом, процесс плавки в каждой индукционной установке осуществляют с постоянным сдвигом фазы цикла работы по отношению к другим установкам. В результате выравнивают график суточного потребления электроэнергии, а общее потребление электроэнергии от источника питания при этом остается неизменным на всей протяженности работы системы. В этом случае суммарная активная мощность Р∑ также остается неизменной. Это позволяет суммарную мощность источника питания выбирать исходя не из суммарной мощности всех индукционных установок, а примерно равной Р∑=(1,15-1,2)Р1, где P1 - мощность одной индукционной установки. В результате существенно снижается установленная мощность оборудования по сравнению с тем случаем, когда печи работают от отдельных инверторных ячеек с индивидуальным источником питания.

Как показал опыт, возможность перераспределения мощности между индукторами в соответствии с циклом работы печи таким образом, чтобы максимум подводимой мощности в индукторах соответствовал фазовому циклу работы индукционной установки и был равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок, позволяет выбирать мощность источника питания в 2-2,5 раза ниже, чем суммарная мощность печей. Это объясняется тем, что, например, с максимальной мощностью работает лишь одна печь, вторая потребляет 15-20% от максимальной мощности, необходимой для теплосохранения, а третья вовсе отключена на загрузку шихтой и обслуживание.

На фиг.3 приведены циклограммы работы системы одновременной плавки в трех печах, по которым видно, что активная мощность печей Р1, Р2, Р3 изменяется во времени. Максимальной она становится на этапе плавки металла, когда увеличивается масса расплава металла M1, M2, М3. Малое значение мощности P1, P2, Р3 устанавливают на этапе теплосохранения, когда осуществляется разлив металла и уменьшается масса расплава M1, M2, М3. На этапе подготовки печи ячейки инвертора отключены и Р1=Р2=Р3=0. Поскольку процесс плавки осуществляют с фазовым сдвигом работы каждой печи, в цикле работы всей системы суммарная активная мощность Р∑ остается неизменной, что позволяет суммарную мощность источника питания выбирать исходя не из суммарной мощности печей, а примерно равной Р∑=(1,15-1,2)P1. Это позволяет существенно снизить установленную мощность оборудования всей системы по сравнению с тем случаем, когда печи работают не синхронно с питанием от отдельных преобразователей частоты, т.е. когда у каждого преобразователя свой источник питания.

Обычно управление работой транзисторов в инверторах с внешним возбуждением осуществляется от внешнего задающего генератора (Высокочастотные транзисторные преобразователи, Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович и др., М.: Радио и связь, 1988, с.91). Применительно к нашему в простейшем случае это может быть генератор прямоугольных импульсов в виде меандра с прямым и инверсным выходами. При этом, например, управляющий вход первого тиристора 7 подключен к прямому выходу генератора, а второго тиристора 8 - к инверсному выходу. В результате обеспечивается синхронность работы тиристоров, выполняется равенство времени нахождения тиристора в закрытом и открытом состоянии при работе в симметричном режиме и обеспечивается возможность регулировки моментом подачи импульсов управления на управляющие входы тиристоров 7, 8.

Формула изобретения

1. Устройство для индукционного нагрева, содержащее фильтровый конденсатор, который подключен параллельно источнику постоянного тока, инверторную ячейку с индуктором индукционной установки, при этом инверторная ячейка включает первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, первый и второй последовательно соединенные разделительные конденсаторы, подключенные параллельно полумостовой схеме и входу инверторной ячейки, к которому подключен параллельно фильтровый конденсатор, при этом средняя точка полумостовой схемы ячейки инвертора подключена к одному из выводов индуктора нагрузки, отличающееся тем, что устройство содержит n инверторных ячеек, идентичных первой, входы каждой из которых подключены параллельно фильтровому конденсатору, где n - количество индукционных установок, при этом в каждую инверторную ячейку введен компенсирующий высокочастотный конденсатор, который соединен с соответствующим индуктором с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, кроме того, в каждую инверторную ячейку введен низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом индуктора инверторной ячейки и точкой соединения разделительных конденсаторов и образует с разделительными конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке соответствующей инверторной ячейки.

2. Способ управления работой устройства для индукционного нагрева, в соответствии с которым выполняют параллельную компенсацию индуктивности индуктора компенсирующим конденсатором, а инверторную ячейку выполняют полумостовой, при этом формируют прямую и обратную полуволны напряжения в индукторе, для чего поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления, отличающийся тем, что количество инверторных ячеек берут по количеству индукционных установок, с индуктором каждой из которых формируют параллельный колебательный контур из индуктора и компенсирующего конденсатора соответствующей инверторной ячейки, кроме того используют общий источник питания, при этом в индукторе каждой инверторной ячейки формируют одновременно низкочастотный и высокочастотный сигналы, для чего в каждой инверторной ячейке выполняют последовательную компенсацию индуктивности индуктора на частоте низкочастотной составляющей тока в индукторе инверторной ячейки, а параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, при этом посредством управления ключами полумостовой схемы формируют в каждой инверторной ячейке высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, при этом для каждой инверторной ячейки импульсы управления формируют индивидуально, причем частоту следования управляющих импульсов выбирают также индивидуально, исходя из условия, чтобы уровень подводимой мощности в индукторах соответствовал фазовому циклу работы индукционной установки и был равно смещен во времени в цикле одновременно работающих установок, для чего частоту управляющих импульсов в инверторных ячейках формируют равной резонансной или отстраивают от резонансной частоты параллельного высокочастотного колебательного контура.

3. Способ управления работой автономного инвертора по п.2, отличающийся тем, что посредством управления ключами полумостовой схемы при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инверторной ячейки вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов, при этом открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, причем при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инверторной ячейки моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3