Інвертор для індукційного нагріву металів

Реферат: Інвертор для індукційного нагріву металів містить вхідний конденсатор, джерело живлення, польові транзистори, навантаження, що містить послідовний резонансний RLC-контур. Додатково введений другий вхідний конденсатор. UA 69429 U (54) ІНВЕРТОР ДЛЯ ІНДУКЦІЙНОГО НАГРІВУ МЕТАЛІВ UA 69429 U UA 69429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до перетворювальної техніки та може бути використана в джерелах живлення установок індукційного нагріву металів. Відомий інвертор півмостового типу, що містить два послідовно з'єднаних транзистори та два послідовно з'єднаних вхідних конденсатори. Обидві ланки підключені паралельно до джерела живлення постійної напруги. Навантаження підключено між вузлом сумісного з'єднання транзисторів та вузлом сумісного з'єднання вхідних конденсаторів (Стабилизированные транзисторные преобразователи / В.С.Моин. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 82, рис. 3.1.в.). Недоліком цього інвертора є те, що до навантаження прикладається тільки половина напруги живлення, а до транзисторів прикладається повна напруга живлення. Перший недолік призводить до погіршення коефіцієнта корисної дії та підвищеної витрати міді, в порівнянні з тим, як би до навантаження прикладалася повна напруга живлення. Другий недолік знижує частотний діапазон інвертора. Як відомо, сучасні MOSFET та IGBT транзистори мають можливість роботи на частотах десятки, сотні кілогерц. Вони мають зворотну залежність їх граничних характеристик по напрузі від частоти використання. При збільшені робочої частоти інвертора клас по напрузі транзисторів, що можуть бути використані, знижується. Більшість промислових установок живляться від трифазної мережі 380 В, що при випрямленні дає 540 В постійної напруги. Виробники високочастотних транзисторів випускають швидкодіючі транзистори, що мають можливість робити на частотах сотні кілогерц, але які при живленні інвертора від напруги 540 В неможливо використовувати із-за їх низького класу по напрузі. Найбільш близьким до корисної моделі є інвертор напруги мостового типу на польових транзисторах, навантаженням якого є послідовний резонансний RLC-контур, що містить індуктивність, конденсатор та активний опір (Юрченко Н. Н., Шевченко П. Н., Гуцалюк В.Я. и др., Выбор оптимальных режимов работы транзисторных инверторов установок индукционного нагрева// Техн. Электродинамика. Тематический выпуск "Силовая электроника и энергоэффективность". - К., 2001. - Ч. 2, с. 26-29.). В інверторі напруги мостового типу в робочому режимі до навантаження прикладається повна напруга живлення, і до транзисторів прикладається повна напруга живлення. Таким чином перший недолік інвертора півмостового типу ліквідовано. Але другий недолік залишився: до транзисторів прикладається повна напруга живлення. Це не дозволяє використовувати в цій схемі низьковольтні, але більш частотні швидкодіючі транзистори, тому звужується частотний діапазон інвертора напруги мостового типу та знижується його надійність. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого інвертора для індукційного нагріву металів, який має розширений діапазон вихідної частоти та підвищену надійність, за рахунок того, що витік другого транзистора першої ланки з'єднаний зі стоком першого транзистора другої ланки, утворюючи ланку з чотирьох транзисторів, що послідовно включенні; додатково введений другий вхідний конденсатор, підключений одним своїм виводом до другого виводу першого конденсатора, а другим своїм виводом до мінуса джерела постійної напруги, вузол сумісного з'єднання першого вхідного конденсатора та другого вхідного конденсатора підключений до вузла сумісного з'єднання транзисторів першої та другої ланки. Поставлена задача вирішується тим, в інверторі для індукційного нагріву металів, що містить перший вхідний конденсатор, підключений одним своїм виводом до плюса джерела живлення, дві ланки, кожна ланка включає послідовно з'єднані два однакових польових транзистори, в структуру яких введенні зворотні діоди, перша ланка стоком першого транзистора підключена до плюса джерела живлення, друга ланка витоком другого транзистора підключена до мінуса джерела живлення, навантаження, що містить послідовний резонансний RLC-контур, підключено між вузлом сумісного з'єднання транзисторів першої ланки та вузлом сумісного з'єднання транзисторів другої ланки, згідно з корисною моделлю, витік другого транзистора першої ланки з'єднаний зі стоком першого транзистора другої ланки, утворюючи ланку з чотирьох транзисторів, що послідовно включені, додатково введений другий вхідний конденсатор підключений одним своїм виводом до другого виводу першого конденсатора, а другим своїм виводом до мінуса джерела постійної напруги, вузол сумісного з'єднання першого вхідного конденсатора та другого вхідного конденсатора підключений до вузла сумісного з'єднання транзисторів першої та другої ланки. Таке підключення при рівності ємностей вхідних конденсаторів забезпечує те, що до пар транзисторів перший, другий та третій, четвертий прикладається половина напруги джерела живлення. Навантаження, що являє собою послідовний RLC-контур, підключено одним власним виводом до вузла сумісного з'єднання витоку першого зі стоком другого транзистора, а другим власним виводом до вузла сумісного з'єднання витоку третього зі стоком четвертого транзистора. Транзистори працюють поперемінно та попарно - перший і четвертий відкриті, 1 UA 69429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 другий третій закриті; потім другий третій відкриті, перший і четвертий закриті. Таким чином до навантаження прикладається повна напруга джерела живлення інвертора, а до транзисторів половина напруги джерела живлення. На фіг. 1 зображена принципова схема силової частини інвертора, на фіг. 2 - часові діаграми на елементах схеми. Інвертор містить дві паралельні ланки: одна ланка з послідовно з'єднаних двох однакових вхідних конденсаторів 1, 2; друга ланка з чотирьох транзисторів 3, 4, 5, 6, які включені послідовно один з одним. Ці ланки вільними виводами підключені до плюсового 7 та мінусового 8 виводів джерела живлення. Навантаження 9, 10, 11 сформовано індуктивністю 9, активним опором 10 та конденсатором 11, що послідовно з'єднані один з одним. Один вивід навантаження, що сформований вільним виводом індуктивності 9, підключений до вузла сумісного з'єднання витоку транзистора 3 зі стоком транзистора 4. Другий вивід навантаження, що сформований вільним виводом конденсатором 11, підключений до вузла сумісного з'єднання витоку транзистора 5 зі стоком транзистора 6. Розглянемо роботу інвертора в сталому режимі. Розгляд почнемо з того моменту, коли кожний з вхідних конденсаторів 1 і 2 заряджений до половини напруги джерела живлення 0,5 Ud, а конденсатор навантаження 11 заряджений до напруги в добротність навантаження раз більше напруги джерела живлення з полярністю, що вказана в дужках. В момент часу t1 управляючі сигнали Uy 3, 6 і Uy 4, 5 подаються на затвори транзисторів 3, 6 з полярністю, що забезпечує їх відкриття, та на затвори транзисторів 4, 5 з полярністю, що забезпечує їх закриття. До навантаження 9, 10, 11 через відкриті транзистори 3, 6 прикладається повна напруга джерела живлення Ud, а до кожного із закритих транзисторів 4, 5 прикладається половина напруги джерела живлення 0,5 Ud. Під дією напруги джерела живлення починається коливальний перезаряд конденсатора 11 до протилежної полярності, вказаної без дужок. При цьому в навантаженні 9, 10, 11 формується позитивна півхвиля струму, що має форму синусоїди. До моменту часу t2 закінчується резонансний перезаряд конденсатора 11, струм в навантаженні 9, 10, 11 досягає нуля. В момент часу t2 управляючі сигнали Uy 3, 6 подаються на затвори транзисторів 3, 6 з полярністю, що забезпечує їх закриття, одночасно в момент часу t2 управляючі сигнали Uy 4, 5 подаються на затвори транзисторів 4, 5 з полярністю, що забезпечує їх відкриття, починається коливальний резонансний перезаряд конденсатора 11 до протилежної полярності, вказаної в дужках, при цьому до кожного із закритих транзисторів 3, 6 прикладається половина напруги джерела живлення 0,5 Ud. В навантаженні 9, 10, 11 формується негативна півхвиля струму, що має форму синусоїди. До моменту часу t3 закінчується резонансний перезаряд конденсатора 11, струм в навантаженні 9, 10, 11 досягає нуля. Потім процес повторюється. В момент часу t3 управляючі сигнали Uy 3, 6 і Uy 4, 5 подаються на затвори транзисторів 3, 6 та 4, 5, що призводить до відкриття транзисторів 3, 6 і закриття транзисторів 4, 5 і т. д. Таким чином, використання запропонованого інвертора в порівнянні з найближчим аналогом при рівності вхідної та вихідної напруги, при рівній кількості транзисторів, що задіяні, дозволяє знизити напругу на них в два рази, що підвищує надійність, або дозволяє підняти вихідну частоту інвертора за рахунок використання більш низьковольтних, але більш частотних транзисторів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Інвертор для індукційного нагріву металів, що містить перший вхідний конденсатор, підключений одним своїм виводом до плюса джерела живлення, дві ланки, кожна ланка включає послідовно з'єднані два однакових польових транзистори, в структуру яких введені зворотні діоди, перша ланка стоком першого транзистора підключена до плюса джерела живлення, друга ланка витоком другого транзистора підключена до мінуса джерела живлення, навантаження, що містить послідовний резонансний RLC-контур, підключено між вузлом сумісного з'єднання транзисторів першої ланки та вузлом сумісного з'єднання транзисторів другої ланки, який відрізняється тим, що витік другого транзистора першої ланки з'єднаний зі стоком першого транзистора другої ланки, утворюючи ланку з чотирьох транзисторів, що послідовно включені, додатково введений другий вхідний конденсатор підключений одним своїм виводом до другого виводу першого конденсатора, а другим своїм виводом до мінуса джерела постійної напруги, вузол сумісного з'єднання першого вхідного конденсатора та другого вхідного конденсатора підключений до вузла сумісного з'єднання транзисторів першої та другої ланки. 2 UA 69429 U 3 UA 69429 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4