Пристрій формування змінної напруги для живлення установок індукційного нагрівання металів

Реферат: UA 79458 U UA 79458 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, а саме - до перетворювальної техніки, і може бути використана для високочастотного індукційного плавлення та нагрівання металів. Відомий пристрій формування змінної напруги побудований з чотирьох транзисторів та чотирьох зворотних діодів підключених паралельно кожному транзистору зібраних за мостовою схемою, утворюючи інвертор напруги, в коло змінного струму якого підключено розділовий високочастотний трансформатор, до якого навантажено послідовний резонансний контур, побудований з компенсуючого конденсатора та індуктора, який формує пряму і зворотну півхвилі напруги на індукторі за рахунок почергового відкривання та вимикання транзисторів в обох діагоналях моста зі змінною частотою управління [Юрченко Н.Н. Коммутационные процессы транзисторов высокочастотных инверторов тока и напряжения в установках индукционных технологий / Н.Н. Юрченко, П.Н. Шевченко, О.Н. Юрченко, В.Я. Гуцалюк // Технічна електродинаміка. Тем. вип. "Силова електроніка та енергоефективність" - 2006. - Ч.3. С. 8-9]. Недоліком цього пристрою є те, що для живлення індукційних установок різного призначення він потребує високочастотного трансформатора також індивідуального типу, а це призводить в кожному випадку до розробці необхідної конструкції цього трансформатора без якого не можливо експлуатувати цей пристрій, а для регулювання змінної напруги живлення треба змінювати частоту управління транзисторним інвертором напруги в широкому діапазоні, межа якого може вийти за допустимі межі, що приводить до динамічних втрат при вимкненні транзисторів. Найбільш близьким за технічною сутністю до корисної моделі і вибраний за прототип є пристрій формування змінної напруги, який складається з вхідного дроселю фільтра та чотирьох транзисторів з послідовно включеними частотними діодами зібраними за мостовою схемою, утворюючи інвертор струму, в коло змінного струму якого підключено паралельний резонансний контур, побудований з компенсуючого конденсатора та індуктора, який формує пряму і зворотну півхвилі напруги на індукторі за рахунок почергового відкривання та вимикання транзисторів в обох діагоналях моста синхронно з моментами переходів вихідної напруги через нульове значення з частотою власних коливань резонансного контуру [Поляков В.Д., Чаколья Э. Высокочастотный генератор для индукционного нагрева // Электротехника. - 2000. - №12. - С. 31-34]. Недоліком цього пристрою є наявність вхідного дроселю фільтра та додатково включених послідовно з кожним з транзисторів частотних діодів, а для регулювання змінної напруги треба застосовувати імпульсний регулятор постійної напруги та систему фазового автоматичного підстроювання частоти управління в інверторі, а все це призводить до збільшення масагабаритних показників та до зменшенню надійності його роботи. Задачею корисної моделі є удосконалення пристрою формування змінної напруги, який забезпечить зменшення масагабаритних показників, підвищення надійності його роботи, регулювання вихідної змінної напруги в широкому діапазоні з найменшими динамічними втратами в транзисторах та розширення функціональних та експлуатаційних можливостей використання цього пристрою для високочастотного індукційного нагрівання металів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій формування змінної напруги, що складається з чотирьох транзисторів зібраних за мостовою схемою, в коло змінного струму якого підключено паралельний резонансний контур, побудований з компенсуючого конденсатора та індуктора, згідно з корисною моделлю, до транзисторного мосту додатково введено та відповідним чином підключені два накопичувальних дроселя і два зворотних діода, які разом з першим і третім транзисторами утворюють відповідно два імпульсних регулятора, які забезпечують формування прямої та зворотної півхвилі напруги на індукторі за рахунок почергового включення транзисторів в обох діагоналях моста в моменти переходів вихідної напруги через нульове значення та почергового вимкнення другого і четвертого транзисторів з невеликим фіксованим кутом випередження, а першого і третього транзисторів імпульсних регуляторів з регульованим кутом випередження відносно переходу вихідної напруги через нульове значення. На Фіг. 1 приведена схема пристрою формування змінної напруги, на Фіг. 2 - часові діаграми, що пояснюють формування вихідної напруги при коефіцієнті заповнення D=0.5 в сталому режимі. Пристрій формування змінної напруги (Фіг. 1) живиться через позитивний «+» та негативний «-» входи від джерела постійної напруги UЖИВ. Він містить чотири транзистора 1, 2, 3 та 4, зібраних за мостовою схемою, в коло змінного струму якого підключено паралельний резонансний контур 5, побудований з компенсуючого конденсатора та індуктора. До транзисторного мосту додатково введено два накопичувальних дроселя 6 і 7, які підключені 1 UA 79458 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відповідно між першим 1 і другим 2 та третім 3 і четвертим 4 транзисторами, та два зворотних діода 8 і 9, які під'єднані катодами відповідно до вузлів з'єднання емітера першого 1 транзистора і дроселя 6 та емітера третього 3 транзистора і дроселя 7, а анодами під'єднанні до негативного «-» входу пристрою. Дроселі 6 і 7 та діоди 8 і 9 разом з першим 1 і третім 3 транзисторами утворюють відповідно два імпульсних регулятора 10 та 11, які забезпечують формування прямої та зворотної півхвилі напруги на індукторі та її регулювання. До паралельного резонансного контуру підключено датчик напруги 12, вихід якого подається до системи управління на компаратори 13 та 14, які контролюють моменти переходу вихідної напруги через нульове значення. Виходи компараторів 13 та 14 під'єднані відповідно до генераторів пилоподібної напруги 15 та 16, а також відповідно до перших входів вузлів формування імпульсів керування 17 та 18 відповідно для транзисторів 2, 3 та 1, 4. Виходи генераторів пилоподібної напруги 15 та 16 з'єднані відповідно з другими входами вузлів формування імпульсів керування 17 та 18. На треті входи вузлів формування імпульсів керування 17 та 18 одночасно подається керуючий сигнал U ЗАД, що задає коефіцієнт заповнення імпульсів керування D, від якого залежить значення вихідної напруги. На четвертий вхід вузла формування імпульсів керування 17 для транзисторів 2, 3 під'єднано вихід вузла пуску 19, який формує сигнал UПУСК для запуску пристрою. Виходи вузлів формування імпульсів керування 17 та 18 підключені до керуючих входів відповідних транзисторів 1, 2, 3 та 4. Пристрій формування змінної напруги працює наступним чином. Перед включенням пристрою до системи управління на вузли формування імпульсів керування 17 та 18 відповідно для транзисторів 2, 3 та 1, 4 надходить сигнал завдання U ЗАД, відповідний заданому коефіцієнту заповнення D, який відповідає певному значенню вихідної напруги. Після чого здійснюють включення пристрою, в результаті чого на його позитивний «+» та негативний «-» входи подається живлення від джерела постійної напруги U ЖИВ. Далі вузлом пуску 19 формується сигнал UПУСК, який поступає на четвертий вхід вузла формування імпульсів керування 17 для транзисторів 2, 3. В результаті за фронтом сигналу U ПУСК в момент часу t1 на обох виходах вузла формування імпульсів керування 17 одночасно формуються перші імпульси керування uК2 та uК3, які відкривають відповідно транзистори 2 та 3. В результаті чого відбувається запуск пристрою, а по утвореному колу «+» - 3 - 7 - 5 - 2 - «-» - «+», завдяки невеликій індуктивності накопичувального дроселю 7 через відкриті транзистори 2, 3 формується комутуючий струм іК, що живить паралельний резонансний контур 5, в якому починає формуватися позитивна синусоїдальна півхвиля вихідної напруги u 5 (Фіг. 2). В результаті на виході датчика напруги 12 формується сигнал зворотного зв'язку U H пропорційний позитивній півхвилі вихідної напруги u5, який подається в систему управління одночасно на компаратори 13 та 14. В результаті на виході компараторів 13 та 14 формуються протифазні прямокутні імпульси, при цьому фронти та зрізи цих імпульсів синхронізовані з моментами переходу вихідної напруги через нульове значення. Так з появою на виході датчика напруги 12, позитивної півхвилі сигналу зворотного зв'язку UH на виході компаратора 13 формується негативний, а на виході компаратора 14 формується позитивний прямокутні імпульси. Сформований негативний прямокутний імпульс на виході компаратора 13 запускає генератор пилоподібної напруги 15, в результаті чого на його виході формується сигнал пилоподібної форми, причому час наростання цього сигналу відповідає тривалості позитивної півхвилі сигналу зворотного зв'язку UH. A сформований позитивний імпульс на виході компаратора 14 блокує генератор пилоподібної напруги 16, в результаті за цей час на його виході сигнал пилоподібної форми відсутній. Далі сигнали з виходу компаратора 13 та з виходу генератора пилоподібної форми 15 поступають відповідно на перший та другий входи вузла формування імпульсів керування 17, а на третій його вхід подається керуючий сигнал U ЗАД, відповідний заданому коефіцієнту заповнення D, який встановлює певний (регульований) кут випередження β1 відносно переходу вихідної напруги через нульове значення. Далі у вузлі формування імпульсів керування 17 відбувається порівняння керуючого сигналу U ЗАД з пилоподібним. В результаті зрівняння цих сигналів, в момент часу t2, на першому виході вузла формування імпульсів керування 17 зникає імпульс керування u К3 для транзистора 3. В результаті чого транзистор 3 закривається і енергія, що накопичилася в дроселі 7, починає скидатися через зворотний діод 9 вже по іншому колу побудованого з елементів 9 - 7 - 5 - 2 - 9. Комутуючий струм в цьому колі іК починає зменшуватися і спадає до нульового значення раніше, ніж напруга на резонансному контурі u5 перейде через нульове значення (Фіг. 2). Після цього сигнал з генератора пилоподібної напруги 13 продовжує надходити на другий вхід вузла формування імпульсів керування 17, в якому відбувається порівняння пилоподібного сигналу з уставкою, яка задає невеликий фіксований кут випередження β 2 відносно моменту переходу 2 UA 79458 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вихідної напруги через нульове значення (час t4). В результаті зрівняння цих сигналів, в момент часу t3, на другому виході вузла формування імпульсів керування 17 зникає імпульс керування uК3 для транзистора 2. В результаті чого транзистор 2 закривається, а з моменту часу t3 до t4 формується пауза для надійного комутаційного режиму транзисторів. Таким чином, за час t1-t4 формується позитивна півхвиля комутуючого струму іК, яка живить паралельний резонансний контур 5, в якому формується позитивна синусоїдальна півхвиля вихідної напруги u5. Отже в момент часу t4 напруга на паралельному резонансному контурі 5 досягає нульового значення, компаратори 13 та 14 це фіксують і значення сигналів на їх виходах змінюються на протилежні. Сформований негативний прямокутний імпульс з компаратора 14 поступає на перший вхід вузла формування імпульсів керування 18 для транзисторів 1, 4. В результаті синхронно в момент переходу вихідної напруги через нульове значення (момент часу t 4) на обох виходах вузла формування імпульсів керування 18 одночасно формуються наступні імпульси керування uК1 та uК4, які відкривають відповідно транзистори 1 та 4. В результаті утворюється інше коло «+» - 1 - 6 - 5 - 4 - «-» - «+», по якому завдяки невеликій індуктивності накопичувального дроселю 6 через відкриті транзистори 1, 4 формується комутуючий струм і К в протилежному напрямку, який знову живить паралельний резонансний контур 5. Завдяки резонансним властивостям цього контуру починає формуватися негативна синусоїдальна півхвиля вихідної напруги u5 (Фіг. 2). В результаті на виході датчика напруги 12 знову формується сигнал зворотного зв'язку U H пропорційний негативній півхвилі вихідної напруги u5. Так з появою, на виході датчика напруги 12, негативної півхвилі сигналу зворотного зв'язку UH в момент часу t4 на виході компаратора 13 формується позитивний, а на виході компаратора 14 формується негативний прямокутні імпульси. Сформований позитивний імпульс на виході компаратора 13 блокує генератор пилоподібної напруги 15, в результаті на його виході за цей час сигнал пилоподібної форми відсутній. По зрізу негативного прямокутного імпульсу на виході компаратора 14, в момент часу t4, запускається генератор пилоподібної напруги 16, в результаті чого на його виході формується сигнал пилоподібної форми, причому час наростання цього сигналу також відповідає тривалості негативної півхвилі сигналу зворотного зв'язку U H. Далі сигнали з виходу компаратора 14 та з виходу генератора пилоподібної форми 16 поступають відповідно на перший та другий входи вузла формування імпульсів керування 18, а на третій його вхід також подається керуючий сигнал UЗАД, відповідний заданому коефіцієнту заповнення D, який встановлює певний (регульований) кут випередження β 1 відносно переходу вихідної напруги через нульове значення. Далі у вузлі формування імпульсів керування 18 також відбувається порівняння керуючого сигналу UЗАД з пилоподібним. В результаті зрівняння цих сигналів, в момент часу t5, на першому виході вузла формування імпульсів керування 18 зникає імпульс керування uК1 для транзистора 1. В результаті чого транзистор 1 закривається і енергія, що накопичилася в дроселі 6, починає знову скидатися через зворотний діод 8 вже по іншому колу, побудованому елементами 8 - 6 - 5 - 4 - 8. Комутуючий струм в цьому колі іК починає зменшуватися і спадає до нульового значення також раніше, ніж напруга на резонансному контурі u5 перейде через нульове значення (Фіг. 2). Після цього сигнал з генератора пилоподібної напруги 14 продовжує надходити на другий вхід вузла формування імпульсів керування 18, в якому також відбувається порівняння пилоподібного сигналу з уставкою, яка задає такий же невеликий фіксований кут випередження β 2 відносно моменту переходу вихідної напруги через нульове значення (час t 7). В результаті зрівняння цих сигналів, в момент часу t6, на другому виході вузла формування імпульсів керування 18 зникає імпульс керування uК4 для транзистора 4. В результаті чого транзистор 4 закривається, а з моменту часу t6 до t7 формується пауза для надійного комутаційного режиму транзисторів. Таким чином, за час t4-t7 формується негативна півхвиля комутуючого струму і К, яка знову живить паралельний резонансний контур 5, в якому формується вже негативна синусоїдальна півхвиля вихідної напруги u5. Отже, за рахунок почергового включення транзисторів 1, 4 та 3, 2 в обох діагоналях моста в моменти переходів вихідної напруги 115 через нульове значення та почергового вимкнення другого 2 і четвертого 4 транзисторів з невеликим фіксованим кутом випередження β 2 для формування комутаційної паузи, а першого 1 і третього 3 транзисторів імпульсних регуляторів 10 і 11 з регульованим кутом випередження β1 відносно переходу вихідної напруги u5 через нульове значення, який задається змінним коефіцієнтом заповнення D імпульсів керування транзисторами в імпульсних регуляторах 10 та 11, формується змінний комутуючий струм і К, що живить паралельний резонансний контур 5, в якому формується синусоїдальна напруга u 5 на індукторі. Далі процес формування комутуючого струму іК та вихідної напруги u5 повторюється. 3 UA 79458 U 5 10 15 20 25 Таким чином удосконалено пристрій формування змінної напруги, в якому завдяки заміни вхідного дроселю фільтра (відносно прототипу) на два менших за габаритами накопичувальних дроселя 6, 7 та зменшенню кількості частотних діодів до двох знижуються масагабаритні показники та підвищується надійність його роботи. Завдяки утвореним на базі першого 1 та третього 3 транзисторів двом імпульсним регуляторам 10 та 11, синхронному формуванню імпульсів керування транзисторами 1, 4 та 3, 2 в обох діагоналях моста в моменти переходів вихідної напруги u5 через нульове значення та змінюючи керуючим сигналом U ЗАД коефіцієнт заповнення D імпульсів керування uК1 та uК3 від 0.02 до 0.95, який визначається як t D  імп , 0 .5  T де tімп - час імпульсу, протягом якого відкриті транзистори 1 та 3; Т - період слідування імпульсів керування, що задає певний (регульований) кут випередження β 1 для вимкнення тільки першого 1 та третього 3 транзисторів, здійснюється глибоке регулювання середнього значення комутуючого струму іК, що призводить до розширення діапазону регулювання вихідної напруги u 5. А за рахунок включення транзисторів 1, 3 при нульовому струмі, а вимкнення при нульовій напрузі u 1 та u3, включення та вимкнення транзисторів 2 та 4 при нульовому струмі та при нульовій напрузі u2 та u4 (Фіг. 2), знижуються динамічні втрати в транзисторах при формуванні та регулюванні вихідної напруги u5. Все це призводить до розширення функціональних та експлуатаційних можливостей використання цього пристрою для високочастотного індукційного нагрівання металів і дозволяє використовувати його в установках індукційної плавки металів з різними індукторами, де є потреба глибокого регулювання потужності, яка передається до індукційного нагрівача. Таким чином розширення діапазону регулювання вихідної напруги з найменшими динамічними втратами в транзисторах, зниження масагабаритних показників є отриманим технічним результатом, обумовленим новими елементами в схемі, порядком їх включення і новими зв'язками, тобто є відмітними ознаками корисної моделі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Пристрій формування змінної напруги, що складається з чотирьох транзисторів зібраних за мостовою схемою, в коло змінного струму якого підключено паралельний резонансний контур, побудований з компенсуючого конденсатора та індуктора, який відрізняється тим, що до транзисторного мосту додатково введено та відповідним чином підключені два накопичувальних дроселя і два зворотних діода, які разом з першим і третім транзисторами утворюють відповідно два імпульсних регулятора, які забезпечують формування прямої та зворотної півхвилі напруги на індукторі за рахунок почергового включення транзисторів в обох діагоналях моста в моменти переходів вихідної напруги через нульове значення та почергового вимкнення другого і четвертого транзисторів з невеликим фіксованим кутом випередження, а першого і третього транзисторів імпульсних регуляторів з регульованим кутом випередження відносно переходу вихідної напруги через нульове значення. 4 UA 79458 U 5 UA 79458 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 6