Трехфазный мостовой двухчастотный инвертор напряжения для индукционного нагрева (варианты)

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов. Технический результат заключается в одновременном генерировании высокочастотного и низкочастотного трехфазного электромагнитных полей и упрощении. Трехфазный мостовой двухчастотный инвертор напряжения содержит шесть транзисторов, шесть диодов, шесть подстроенных дросселей, три однофазных активно-индуктивных нагрузки и три компенсирующих конденсатора, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых содержит два первых и вторых, последовательно соединенных транзистора, каждый из которых зашунтирован встречным диодом, при этом все три однофазных инвертора выводами постоянного тока подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выводам переменного тока первыми выводами подсоединены три подстроенных дросселя, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, образующих трехфазную активно-индуктивную нагрузку, соединенную по схеме «звезда», при этом все транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом каждый компенсирующий конденсатор подсоединен параллельно одной из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок. Трехфазный мостовой двухчастотный инвертор напряжения дополнительно снабжен тремя контурами, каждый из которых состоит из конденсатора и дросселя, при этом ко вторым выводам трех подстроенных дросселей подсоединены первыми выводами три конденсатора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом к первым выводам трех упомянутых конденсаторов подсоединены первыми выводами три дросселя, вторые выводы которых соединены со вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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

Известно, что при индукционном нагреве и плавке металлов широко применяется параллельный инвертор, который является аналогом предлагаемому изобретению (Приложение 1, Л.1. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Е.И.Беркович и др. - 2-е изд. доп. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983, стр.16, рис.2.1).

Известно, что в одночастотном электромагнитном поле расплавленный металл в нагрузке-индукторе под действием электромагнитных сил движется в нижней части индуктора около стенок снизу вверх, а около оси индуктора сверху вниз, в верхней же части индуктора металл около стенок индуктора движется сверху вниз, а около оси индуктора - снизу вверх, т.е. создается два контура циркуляции. В результате этого движения происходит перемешивание жидкого металла, что улучшает его качество (Приложение 2. Л.2, Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е перераб. и доп. - Л.: «Машиностроение», (Ленингр. отд-ние), 1974, стр.45, рис.22). Однако при двух контурах циркуляции перемешивание металла не эффективно, поэтому для повышения эффективности электромагнитного перемешивания металла целесообразно применение наряду с высокочастотным электромагнитным полем низкочастотного многофазного электромагнитного поля (Л.2). В Л.3 для этого предлагается использовать два генератора - один высокочастотный для индукционного нагрева и плавки металла, а второй низкочастотный трехфазный - для электромагнитного перемешивания этого металла (Л.3. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. - М.: Энергия, 1967), что также является аналогом предлагаемому изобретению. Однако это увеличивает установленную мощность нагревательного оборудования и требует в течение электротехнологического процесса плавки 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 многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение. Поэтому в качестве прототипа выбран трехфазный мостовой инвертор напряжения (Приложение 3. Л.4. Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К.Розанов, М.В.Рябчицкий, А.А.Кваснюк. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007, стр.358, рис.7.6, б). Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного выше упомянутого технического результата.

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

Предлагаемое изобретение решает задачу создания многофазного двухчастотного инвертора напряжения для индукционного нагрева, осуществление которой позволяет достичь заявленный технический результат, заключающийся в возможности одновременного генерирования высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощении.

Сущность предлагаемого изобретения - трехфазного мостового двухчастотного инвертора напряжения для индукционного нагрева, выполненного по первому варианту, заключается в том, что в инвертор, содержащий источник постоянного напряжения, шесть транзисторов, шесть диодов и три однофазных активно-индуктивных нагрузки, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых содержит два первых и вторых, последовательно соединенных транзистора, каждый из которых зашунтирован встречным диодом, при этом все три однофазных инвертора выводами постоянного тока подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выводам переменного тока, т.е. к средним точкам цепей последовательно соединенных транзисторов подсоединена состоящая из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок трехфазная активно-индуктивная нагрузка, соединенная, например, по схеме «звезда», при этом все транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, дополнительно введены три подстроечных дросселя и три компенсирующих конденсатора, при этом к выводам переменного тока трехфазного инвертора подсоединены первые выводы трех подстроечных дросселей, вторые выводы которых соединены с первыми выводами однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом каждый из трех компенсирующих конденсаторов подсоединен параллельно одной из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.

Сущность предлагаемого изобретения, выполненного по второму варианту, заключается в том, что в инвертор, выполненный по первому варианту, введены три дополнительных конденсатора и три дополнительных дросселя, при этом к вторым выводам трех подстроечных дросселей трехфазного инвертора подсоединены первыми выводами три дополнительных конденсатора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом к первым выводам трех упомянутых дополнительных конденсаторов подсоединены первыми выводами три дополнительных дросселя, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.

Сущность предлагаемого изобретения, выполненного по третьему варианту, заключается в том, что в инвертор, выполненный по первому варианту, введены три дополнительных дросселя и три дополнительных конденсатора, при этом с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок соединены первые выводы трех дополнительных дросселей, вторые выводы которых соединены с первыми выводами, трех дополнительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.

Заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощение (т.к. эти поля генерируются одним инвертором) достигается следующим образом. Каждый из шести транзисторов в первом варианте инвертора неоднократно открывается и закрывается, формируя в нагрузке пачки высокочастотных импульсов тока, в которых частота высокочастотного электромагнитного поля определяется частотой отпирания и запирания транзисторов, при этом в одном из наиболее вероятных режимов длительность пачки высокочастотных импульсов тока равна длительности первого полупериода частоты низкочастотного электромагнитного поля, при этом в течение всего второго полупериода низкочастотного электромагнитного поля транзистор закрыт, при этом каждый транзистор работает с двумя другими транзисторами, при этом режимы работы изменяются три раза в течение каждого полупериода низкой частоты, а каждый последующий транзистор начинает работу через 60° эл. по низкой частоте, что обеспечивает трехфазное низкочастотное электромагнитное поле. Во втором и третьем вариантах исполнения инвертора за счет добавления контуров из конденсаторов и дросселей, собственная частота которых равна частоте низкочастотного электромагнитного поля, это низкочастотное электромагнитное поле усиливается. Таким образом, заявленный трехфазный мостовой двухчастотный инвертор напряжения для индукционного нагрева обеспечивает достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и многофазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение.

На фиг.1, 2 и 3 приведены первый, второй и третий варианты предложенных инверторов напряжения.

Трехфазный инвертор, выполненный по первому варианту и приведенный на фиг.1, содержит источник постоянного напряжения, шесть транзисторов 1, 2, 3, 7, 8 и 9, шесть диодов 4, 5, 6, 10, 11 и 12 и три однофазных активно-индуктивных нагрузки 16-19, 17-20 и 18-21, три подстроечных дросселя 13, 14 и 15, а также три компенсирующих конденсатора 22, 23 и 24, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых содержит два первых 1, 2, 3 и вторых 7, 8, 9 последовательно соединенных транзистора, каждый из которых соответственно зашунтирован встречным диодом 4, 5, 6 и 10, 11, 12, при этом все три однофазных инвертора выводами постоянного тока подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выводам переменного тока трехфазного инвертора первыми выводами подсоединены три подстроечных дросселя 13, 14, 15, вторые выводы которых соединены с первыми выводами однофазных активно-индуктивных нагрузок 16-19, 17-20 и 18-21, образующих трехфазную активно-индуктивную нагрузку, соединенную по схеме «звезда», при этом все транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом каждый из трех компенсирующих конденсаторов 22, 23 и 24 подсоединен параллельно соответственно одной из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 16-19, 17-20 и 18-21. Инвертор работает следующим образом. Рассмотрим один из возможных режимов, когда каждый транзистор работает на интервале π или 180° эл. по низкой частоте f_нч=1/Т_нч, при этом имеется шесть возможных сочетаний трех одновременно работающих транзисторов: 1, 9, 2; 9, 2, 7; 2, 7, 3; 7, 3, 8; 3, 8, 1; 8, 1, 9, причем эти сочетания сменяют друг друга черед π/3 или через 60° эл. по низкой частоте f_нч. На каждом интервале π/3 по низкой частоте f_нч три соответствующих транзистора неоднократно открываются и закрываются с высокой частотой f_вч=1/Т_вч. Высокая частота f_вч, равная частоте высокочастотной составляющей электромагнитного поля, выбирается из условия эффективного нагрева и расплавления металла и зависит от типа металла (черный, цветной и т.д.) и его массы, а низкая частота f_нч, равная частоте низкочастотной составляющей электромагнитного поля, выбирается из условия эффективного электромагнитного перемешивания расплавленного металла и зависит в основном от массы этого металла и конструкции индукционной печи. В соответствии с описанным режимом работы инвертора соотношение f_вч/f_нч не может быть произвольным, а должно соответствовать ряду чисел 6, 12, 18 и т.д.

Рассмотрим электромагнитные процессы на интервале π/3 по низкой частоте f_нч для первого сочетания, когда работают транзисторы 1, 9, 2. При одновременном отпирании этих транзисторов ток протекает по контурам:

при этом параметры подстроечных дросселей 13, 14, 15, а также параметры нагрузочных контуров 16-19-22; 17-20-23 и 18-21-24 должны выбираться такими, чтобы ток через транзисторы 1, 9, 2 был близок к синусоидальному, при этом компенсирующие конденсаторы 22, 23, 24 зарядятся до напряжения, большего напряжения источника постоянного напряжения с полярностью, указанной на фиг.1 знаками +, -. Через 0,5 Т_вч транзисторы 1, 9, 2 закрываются и в оптимальном режиме компенсирующие конденсаторы 22, 23 и 24 в течение интервала 0,5 Т_вч, отдавая энергию нагрузке, будут перезаряжаться по контурам: 22-16-19-22, 23-17-20-23 и 24-21-18-24 до напряжения, полярность которого на фиг.1 показана знаками (-), (+). После этого транзисторы 1, 9, 2 вновь открываются, вновь закрываются и т.д. в соответствии с вышеприведенным рядом чисел 6, 12, 18 и т.д., а именно при f_вч/f_нч=6 транзисторы 1, 9, 2 на интервале π/3 по низкой частоте открываются и закрываются один раз, при f_вч/f_нч=12 транзисторы 1, 9, 2 открываются и закрываются два раза и т.д. При отклонении от оптимального режима при возможном изменении параметров нагрузки 16-19; 17-20 и 18-21 после закрывания транзисторов 1, 9, 2 избыточная энергия компенсирующих конденсаторов 22, 23 и 24 будет возвращаться в источник постоянного напряжения через встречные диоды 12, 4, 5 по контурам:

а избыточная энергия подстроечных дросселей 13, 14, 15 также возвращается в источник постоянного напряжения через встречные диоды 10, 11, 6 по контурам:

В следующий интервал π/3 по низкой частоте работают транзисторы 9, 2, 7, затем 2, 7, 3 и т.д., при этом на каждом интервале π/3 по низкой частоте f_нч электромагнитные процессы аналогичны рассмотренным. Таким образом, в трехфазной активно-индуктивной нагрузке 16-19, 17-20 и 18-21 за счет неоднократного включения и выключения транзисторов 1, 2, 3, 7, 8, 9 с высокой частотой f_вч на интервале π/3 по низкой частоте f_нч, а также за счет вышеуказанной смены сочетаний одновременно работающих трех транзисторов одновременно формируется высокочастотное электромагнитное поле и трехфазное низкочастотное электромагнитное поле, т.е. достигается заявленный технический результат - одновременное генерирование высокочастотного и трехфазного низкочастотного электромагнитных полей и упрощение.

Трехфазный инвертор, выполненный по второму варианту, приведенный на фиг.2, содержит кроме элементов первого варианта, приведенного на фиг.1, три дополнительных конденсатора 25, 26, 27 и три дополнительных дросселя 28, 29, 30, при этом ко вторым выводам подстроечных дросселей 13, 14, 15 подсоединены первыми выводами три дополнительных конденсатора 25, 26, 27, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 16-19, 17-20 и 18-21, при этом к первым выводам трех упомянутых дополнительных конденсаторов 25, 26, 27 подсоединены первыми выводами три дополнительных дросселя 28, 29, 30, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 16-19, 17-20 и 18-21. Алгоритм работы транзисторов 1, 2, 3, 7, 8, 9 трехфазного инвертора, выполненного по второму варианту, полностью совпадает с алгоритмом работы этих же транзисторов 1, 2, 3, 7, 8, 9, трехфазного инвертора, выполненного по первому варианту (фиг.1). Однако дополнительные контуры 25-28, 26-29 и 27-30, собственная частота которых совпадает с частотой f_нч низкочастотной составляющей электромагнитного поля, усиливают эту низкочастотную составляющую. Низкочастотные токи однофазных активно-индуктивных нагрузок 16-19, 17-20, 18-21 протекают в основном по контурам:

при этом по низкочастотной составляющей эти токи сдвинуты относительно друг друга по 120° эл. или на 2π/3, что обеспечивает усиление трехфазного низкочастотного электромагнитного поля.

Трехфазный инвертор, выполненный по третьему варианту, приведенный на фиг.3, содержит кроме элементов первого варианта, приведенного на фиг.1, три дополнительных дросселя 31, 32, 33 и три дополнительных конденсатора 34, 35, 36, при этом с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок 16-19, 17-20 и 18-21 соединены первые выводы трех дополнительных дросселей 31, 32, 33, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех дополнительных конденсаторов 34, 35, 36, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех упомянутых однофазных активно-индуктивных нагрузок. Алгоритм работы транзисторов 1, 2, 3, 7, 8, 9 трехфазного инвертора, выполненного по третьему варианту, полностью совпадает с алгоритмом работы этих же транзисторов 1, 2, 3, 7, 8, 9 трехфазного инвертора, выполненного по первому варианту (фиг.1). Однако дополнительные контуры 31-34, 32-35 и 33-36, собственная частота которых совпадает с частотой f_нч низкочастотной составляющей электромагнитного поля, усиливают эту низкочастотную составляющую. Низкочастотные токи однофазных активно-индуктивных нагрузок 16-19, 17-20, 18-21 протекают в основном по контурам:

при этом по низкочастотной составляющей эти токи сдвинуты относительно друг друга на 120° эл. или на 2π/3, что обеспечивает усиление трехфазного низкочастотного электромагнитного поля.

Таким образом, во всех трех вариантах заявленный трехфазный двухчастотный мостовой инвертор напряжения обеспечивает достижение заявленного технического результата - одновременное генерирование высокочастотного и низкочастотного многофазного электромагнитных полей и упрощение.

В заключение необходимо заметить, что при смене полярности источника постоянного напряжения изменяется направление включения транзисторов и диодов; транзисторы и диоды могут быть снабжены известными защитными цепями: резисторными, емкостными, варисторными; активно-индуктивная нагрузка может соединяться не только по схеме «звезда», но и по схеме «треугольник».

1. Трехфазный мостовой двухчастотный инвертор напряжения для индукционного нагрева, содержащий источник постоянного напряжения, шесть транзисторов, шесть диодов и три однофазных нагрузки, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых содержит два первых и вторых последовательно соединенных транзистора, каждый из которых зашунтирован встречным диодом, при этом все три однофазных инвертора выводами постоянного тока подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выводам переменного тока, т.е. к средним точкам цепей последовательно соединенных транзисторов подсоединена состоящая из трех однофазных нагрузок трехфазная нагрузка, соединенная по схеме «звезда», при этом все транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, отличающийся тем, что в качестве нагрузок применены активно-индуктивные нагрузки, а также дополнительно введены три подстроечных дросселя и три компенсирующих конденсатора, при этом к выводам переменного тока трехфазного инвертора подсоединены первые выводы трех подстроечных дросселей, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом каждый из трех компенсирующих конденсаторов подсоединен параллельно одной из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.

2. Трехфазный мостовой двухчастотный инвертор напряжения для индукционного нагрева, содержащий источник постоянного напряжения, шесть транзисторов, шесть диодов и три однофазных нагрузки, при этом трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых содержит два первых и вторых последовательно соединенных транзистора, каждый из которых зашунтирован встречным диодом, при этом все три однофазных инвертора выводами постоянного тока подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выводам переменного тока, т.е. к средним точкам цепей последовательно соединенных транзисторов подсоединена состоящая из трех однофазных нагрузок трехфазная нагрузка, соединенная по схеме «звезда», при этом все транзисторы включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, отличающийся тем, что в качестве нагрузок применены активно-индуктивные нагрузки, а также дополнительно введены три подстроечных дросселя и три компенсирующих конденсатора, а также вторых три конденсатора и три вторых дросселя, при этом к выводам переменного тока трехфазного инвертора подсоединены первые выводы трех подстроечных дросселей, а кадый из трех компенсирующих конденсаторов подсоединен параллельно одной из трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом ко вторым выводам трех подстроечных дросселей подсоединены первыми выводами три вторых конденсатора, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок, при этом к первым выводам трех упомянутых вторых конденсаторов подсоединены первыми выводами три вторых дросселя, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.

3. Инвертор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно введены три дросселя и три конденсатора, при этом с первыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок соединены первые выводы трех дросселей, вторые выводы которых соединены с первыми выводами трех конденсаторов, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами трех однофазных активно-индуктивных нагрузок.