Інвертор для індукційного нагріву металів

Реферат: UA 76674 U UA 76674 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до перетворювальної техніки і може бути використана при проектуванні джерел живлення для індукційних нагрівачів та інших електротехнологічних навантажень. Відомий інвертор струму, що містить перше і друге послідовні кола, які складаються, відповідно, з першого і другого керованих вентилів, третього і четвертого керованих вентилів, з'єднаних паралельно, загальна точка з'єднання першого і третього керованих вентилів підключена до позитивного вхідного виводу інвертора струму, а загальна точка з'єднання другого і четвертого керованих вентилів підключена до негативного вхідного виводу інвертора струму через дросель фільтра, точки з'єднання керованих вентилів першого та другого послідовних кола підключені до вихідних виводів інвертора струму, які зашунтовані конденсатором, що компенсує [Беркович Е.И. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е.И. Беркович, Г.В. Ивенский, Ю.С. Иоффе и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - С. 16]. Недоліком інвертора струму є вузький діапазон регулювання вихідних параметрів та великі масогабаритні показники. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі і вибраний як прототип є інвертор, що містить перше та друге послідовні кола, які складаються відповідно з першого дроселя та першого керованого вентиля, другого дроселя та другого керованого вентиля, а також третє послідовне коло, що складається з комутуючого дроселя та вихідних виводів інвертора, зашунтованих конденсатором, що компенсує, яке підключене між точками з'єднання дроселів та керованих вентилів першого та другого послідовних кіл [Полезная модель РФ 53517, МКИ Н02 М 7/5387. Инвертор тока / Силкин Е.М. / 10.05.2006. Бюл.№13]. Недоліком цього інвертора є вузький діапазон регулювання вихідної напруги (відсутність можливості регулювання без застосування спеціальних заходів) та великі масогабаритні показники. Технічною задачею і метою корисної моделі є вдосконалення інвертора для індукційного нагріву металів, в якому за рахунок додаткового введення двох керованих вентилів, відповідного підключення зворотних діодів, використання дроселів з малим значенням індуктивності (відносно до прототипу), зміни коефіцієнта заповнення імпульсів керування додатковими вентилями та синхронного формування імпульсів керування всіма керованими вентилями інвертора в моменти переходів вихідної напруги через нуль досягається глибоке регулювання середнього значення вихідного струму, що призводить до розширення діапазону регулювання вихідної напруги інвертора, а за рахунок відсутності вхідного дроселя фільтра (відносно прототипу) та використання двох менших за габаритами дроселів зменшуються масогабаритні показники. Поставлена задача вирішується тим, що інвертор для індукційного нагріву металів, що містить перше та друге послідовні кола, які складаються відповідно з першого дроселя та першого керованого вентиля, другого дроселя та другого керованого вентиля, а також третє послідовне коло, що складається з комутуючого дроселя та вихідних виводів інвертора, зашунтованих конденсатором, що компенсує, яке підключене між точками з'єднання дроселів та керованих вентилів першого та другого послідовних кіл, згідно з корисною моделлю, в перше послідовне коло до першого дроселя підключено третій керований вентиль та катод зворотного діода, а в друге послідовне коло до другого дроселя підключено четвертий керований вентиль та катод зворотного діода, загальна точка з'єднання третього та четвертого вентилів підключена до позитивного входу інвертора, а загальна точка з'єднання першого та другого вентилів та аноди зворотних діодів підключені до негативного входу інвертора. На Фіг. 1 приведена схема інвертора, на Фіг. 2 - імпульси керування uК та часові діаграми, що пояснюють формування вихідної напруги u6 при коефіцієнті заповнення D=0.5, на Фіг.3 залежність амплітудного значення вихідної напруги u6m відносно постійної напруги живлення uжив від коефіцієнта заповнення D. Інвертор містить перше та друге послідовні кола, які складаються відповідно з першого дроселя 1 та першого керованого вентиля 2, другого дроселя 3 та другого керованого вентиля 4, а також третє послідовне коло, що складається з комутуючого дроселя 5 та вихідних виводів інвертора, зашунтованих конденсатором, що компенсує 6, яке підключене між точками з'єднання дроселів 1, 3 та керованих вентилів 2, 4 першого та другого послідовних кіл (Фіг.1). До вихідних виводів інвертора підключається індукційний нагрівач 11. Крім того, в перше послідовне коло до першого дроселя 1 підключено третій керований вентиль 7 та катод зворотного діода 8, а в друге послідовне коло до другого дроселя 3 підключено четвертий керований вентиль 9 та катод зворотного діода 10. Загальна точка з'єднання третього 7 і четвертого 9 керованих вентилів підключена до позитивного входу інвертора, а загальна точка 1 UA 76674 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 з'єднання першого 2 та другого 4 вентилів та аноди зворотних діодів 8 і 10 підключені до негативного входу інвертора. Інвертор в сталому режимі працює таким чином. Джерело живлення постійної напруги uжив подається до позитивного «+» та негативного «-» входів інвертора. Його система керування формує імпульси керування u K2, uK4, uK7 та uK9 (Фіг.2), відповідно для керованих вентилів 2, 4, 7 та 9 з автопідстроюванням частоти. При цьому імпульси керування uK7 та uK9 подаються зі змінним коефіцієнтом заповнення D, який визначається як t D  імп D, 0.5  T де t імп - час імпульсу, протягом якого відкриті керовані вентилі 7 та 9; T - період слідування імпульсів керування. Імпульси uK4 та uK7 подаються одночасно на керовані вентилі 4 і 7, а на керовані вентилі 2 і 9 одночасно подаються імпульси uK2 та uK9. При цьому включення керованих вентилів 4, 7 та 2, 9 синхронізовані з моментом переходу вихідної напруги через нульове значення відповідно в моменти часу t1 та t4. В момент часу t1 подаються імпульси керування uК4 та uK7, які відкривають відповідно керовані вентилі 4 та 7. В результаті утворюється коло «+»-7-1-5-(6, 11)-4-«-»-«+», по якому завдяки невеликій індуктивності дроселя 1 в відкритих керованих вентилів 4 та 7 з'являються відповідно струми і4 та і7, і через дросель 5 формується вихідний струм інвертора і5, що живить контур навантаження (6, 11), в якому починає формуватися позитивна півхвиля вихідної напруги u6 та струм і11 через індукційний нагрівач 11. В момент часу t2, відповідно до заданого коефіцієнта заповнення D, знімається імпульс керування uК7 з керованого вентиля 7, він закривається і струм і 7 вже не протікає, а до нього прикладається напруга u7 з максимальним значенням, що дорівнює значенню вхідної постійної напруги uжив. Тоді енергія, що накопичилася в дроселі 1, починає скидатися через зворотний діод 8 вже по іншому колу, побудованому елементами 8-1-5-(6, 11)-4-8. Струм в цьому колі, і4 в керованому вентилі 4 та і8 в зворотному діоді 8 починає зменшуватися і спадає до нульового значення раніше, ніж напруга на вихідних виводах інвертора u6 перейде через нульове значення (Фіг.2). В момент часу t3, синхронно вихідній напрузі u6 та з невеликим випередженням її переходу через нульове значення в момент часу t4, знімається імпульс керування uK4 з керованого вентиля 4 для його закриття. В результаті, з моменту часу t 3 до t4 формується пауза для надійного комутаційного режиму керованих вентилів інвертора. Отже за час t1-t4 формується позитивна півхвиля вихідного струму інвертора i5, яка через дросель 5 живить контур навантаження (6, 11), що підключений до вихідних виводів інвертора і побудований з конденсатора 6 та навантаження 11. Індуктивність дроселя 5 може включати як індуктивність самостійного елемента, так і являти собою індуктивність з'єднувальних шин, навантажувального трансформатора, що узгоджує (при його використанні) або комбінацію вказаних індуктивностей. Таким чином за час t1-t4 в контурі навантаження (6, 11) формується позитивна півхвиля вихідної напруги u6, а до керованого вентиля 2 з іншої діагоналі прикладається напруга u2 за формою та значенням, що відображає півхвилю синусоїдальної вихідної напруги u6. Далі в момент часу t4 подаються імпульси керування uK2 та uK9, які відкривають відповідно керовані вентилі 2 та 9. В результаті утворюється друге коло «+»-9-3-(6, 11)-5-2-«-»-«+», по якому завдяки невеликій індуктивності дроселя 3 в відкритих керованих вентилях 2 та 9 з'являються відповідно струми i2 та і9 і через дросель 5 формується вихідний струм інвертора і 5 в протилежному напрямку, що знову живить контур навантаження (6, 11), в якому починає формуватися негативна півхвиля вихідної напруги u 6 та струм і11 через індукційний нагрівач 11. В момент часу t5, відповідно до заданого коефіцієнта заповнення D, знімається імпульс керування uК9 з керованого вентиля 9, він закривається і струм і9 вже не протікає, а до нього прикладається напруга u9 з максимальним значенням, що також дорівнює значенню вхідної постійної напруги uжив. Тоді енергія, що накопичилася в дроселі 3, починає знову скидатися через зворотний діод 10 по іншому колу, побудованому з елементів 10-3-(6, 11)-5-2-10. Струм в цьому колі, і2 в керованому вентилі 2 та і10 в зворотному діоді 10 починає зменшуватися і спадає до нульового значення також раніше, ніж напруга на вихідних виводах інвертора u 6 перейде через нульове значення (Фіг.2). В момент часу t6, синхронно вихідній напрузі u6 та з невеликим випередженням її переходу через нульове значення в момент часу t7, знімається імпульс керування uK2 з керованого 2 UA 76674 U 5 10 15 20 25 вентиля 2 для його закриття. В результаті, з моменту часу t6 до t7 знову формується пауза для надійного комутаційного режиму керованих вентилів інвертора. Отже за час t4-t7 формується негативна півхвиля вихідного струму інвертора і5, яка через дросель 5 знову живить контур навантаження (6, 11), в якому формується негативна півхвиля вихідної напруги u6, а до протилежного керованого вентиля 4 прикладається напруга u 4 за формою та значенням, яка відображає другу півхвилю синусоїдальної вихідної напруги u 6. Таким чином, завдяки сформованому в дроселі 5 змінному вихідному струму і5, живиться контур навантаження (6, 11), що підключений до вихідних виводів інвертора, на яких формується синусоїдальна напруга u 6. Далі процес формування вихідного струму і5 в дроселі 5, вихідної напруги u6 та струму і11 в навантаженні 11 повторюється. Додатково введені два керованих вентилі 7 та 9 з відповідним підключенням зворотних діодів 8 та 10, з використанням дроселів 1 та 3 з малим значенням індуктивності (відносно до прототипу), являють собою імпульсні регулятори. Завдяки цим регуляторам, змінюючи коефіцієнт заповнення D імпульсів керування uK7 та uK9 керованими вентилями 7 та 9 від 0.02 до 0.95 та синхронному формуванні імпульсів керування всіма керованими вентилями інвертора в моменти переходів вихідної напруги u 6 через нуль, здійснюється глибоке регулювання середнього значення вихідного струму і5, що призводить до розширення діапазону регулювання вихідної напруги інвертора u6. З графіку на (Фіг. 3) видно, що починаючи з коефіцієнта заповнення D=0.35 і до 0.95 амплітудне значення вихідної напруги u6m перевищує значення постійної напруги живлення uжив, так при максимальному D=0.95 напруга u6m може досягати рівня 1.3uжив. Такий діапазон значень вихідної напруги дозволяє використовувати інвертор в установках індукційної плавки металів з різними індукторами, де є потреба глибокого регулювання потужності, яка передається до навантаження 11. За рахунок відсутності вхідного дроселя фільтра (відносно прототипу) та використання двох менших за габаритами дроселів 1 та 3 зменшуються масагабаритні показники. Таким чином розширення діапазону регулювання вихідної напруги інвертора, зниження масагабаритних показників є отриманим технічним результатом, обумовленим новими елементами в схемі інвертора, порядком їх включення і новими зв'язками, тобто є відмітними ознаками корисної моделі. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Інвертор для індукційного нагріву металів, що містить перше та друге послідовні кола, які складаються відповідно з першого дроселя та першого керованого вентиля, другого дроселя та другого керованого вентиля, а також третє послідовне коло, що складається з комутуючого дроселя та вихідних виводів інвертора, зашунтованих конденсатором, що компенсує, яке підключене між точками з'єднання дроселів та керованих вентилів першого та другого послідовних кіл, який відрізняється тим, що в перше послідовне коло до першого дроселя підключено третій керований вентиль та катод зворотного діода, а в друге послідовне коло до другого дроселя підключено четвертий керований вентиль та катод зворотного діода, загальна точка з'єднання третього і четвертого керованих вентилів підключена до позитивного входу інвертора, а загальна точка з'єднання першого та другого вентилів та аноди зворотних діодів підключені до негативного входу інвертора. 3 UA 76674 U 4 UA 76674 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 5