Источник питания индукционного нагревателя

 

Использование: в технологическом оборудовании с использованием термообработки токами высокой частоты. Сущность изобретения: силовой трансформатор содержит первичную и вторичную обмотки, работает в режиме короткого замыкания, что достигается подключением к его вторичной обмотке первичной обмотки трансформатора обратной связи, при этом первичная обмотка силового трансформатора через последовательно включенный в ней выходной контур подключена к промышленной сети, а вторичная обмотка трансформатора обратной связи подключена через разделительный конденсатор параллельно к выходному контуру, причем индукционный нагреватель подключается через согласующую обмотку к катушке контура. Это позволяет повысить надежность, материалоемкость и экономичность работы. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и электротехнике и может быть использовано в технологическом оборудовании с использованием термообработки токами высокой частоты.

Известны источники питания для индукционных нагревателей, включающие источник постоянного напряжения, содержащий силовой трансформатор, выпрямительный блок, фильтрующие устройства, блок стабилизации напряжения, генератор высокой частоты, содержащий задающий генератор, блок усиления мощности, выходной контур ("Электротехнологические установки". Болотов А.В. Шепель Г. А. М. Высшая школа, 1988, с. 335). Недостатками указанных источников являются: низкая надежность выходных ламп генераторов, низкий КПД, низкие эксплуатационные свойства, высокая материалоемкость на единицу полезной мощности. Известны также источники питания индукционных нагревателей, в которых ламповые генераторы заменены тиристорными преобразователями (Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Беркович Е.И. Ивенский Г.В. и др. Энергоатомиздат, 1983, с. 208). Недостатками их являются: чувствительность к перегрузкам по току, потребность в водяном охлаждении при высоких требованиях к качеству охлаждающей воды, повышенная чувствительность к внешним условиям среды (температура, запыленность, загазованность), существенная материалоемкость.

Предлагаемый источник питания индукционных нагревателей, отличающийся от известного, содержащего силовой трансформатор, выпрямительный и фильтрующий блоки, преобразователь частоты, выходной контур, тем, что первичная обмотка силового трансформатора одним концом соединена с одной из шин промышленной сети, а вторым концом соединена через выходной контур со второй шиной сети, параллельно к контуру подключено согласующее устройство для включения индукционного нагревателя; вторичная обмотка силового трансформатора соединена с первичной обмоткой трансформатора обратной связи, вторичная обмотка которого одним концом соединена с входом выходного контура, а другим через конденсатор обратной связи соединена с выходом контура.

Достигаемый положительный эффект (повышение надежности, материалоемкости, экономичности) создается за счет устранения недостаточно надежных элементов мощных ламп или тиристоров, снижение материалоемкости за счет устранения выпрямительного, стабилизирующего, фильтрующего и генераторного блоков.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг. 1, на которой изображена структурная схема источника питания индукционного нагревателя.

Источник питания индукционного нагревателя содержит: 1 силовой трансформатор; 2 первичную обмотку трансформатора 1; 3 выходной контур; 4 промышленную сеть; 5 вторичную обмотку силового трансформатора 1; 6 первичную обмотку трансформатора обратной связи; 7 трансформатор обратной связи 7; 8 вторичную обмотку трансформатора обратной связи 7; 9 конденсатор обратной связи;
10 компенсирующий конденсатор 10;
11 согласующую обмотку;
12 индукционный нагреватель.

Предлагаемый источник питания индукционного нагревателя состоит из силового трансформатора 1 с первичной и вторичной обмотками 2 и 5 соответственно, выходного контура 3, трансформатора обратной связи 7 с первичной и вторичной обмотками 5 и 6 соответственно, конденсатора обратной связи 9, компенсирующего конденсатора 10, согласующей обмотки 11; при этом первичная обмотка 2 трансформатора 1 через последовательно с ней включенный выходной контур 3 подключена к промышленной сети 4, а вторичная его обмотка 5 соединена параллельно с первичной обмоткой 6 трансформатора обратной связи 7, вторичная обмотка 8 которого через конденсатор обратной связи 9 подключена к выходному контуру 3, параллельно первичной цепи трансформатора 4 подключен компенсирующий конденсатор 10, параллельно выходному контуру 3 через согласующую обмотку 11 подсоединяется индукционный нагреватель 12.

Предлагаемый источник питания индукционного нагревателя работает следующим образом. Силовой трансформатор 1 работает в режиме формирователя импульсного напряжения. Такой режим создается подключением его первичной обмотки 2 с последовательно соединенным с ней выходным контуром 3 к промышленной сети 4 и нагружением вторичной обмотки 5 низкоомной первичной обмоткой 6 трансформатора обратной связи 7, что обуславливает режим работы трансформатора 1, близкий к режиму короткого замыкания. При этом параметры обмоток 2 и 5 выбираются, исходя из выполнения равенства их потокосцеплений:
l₁W₁ + l₂W₂≈0 (1),
где l₁W₁ потокосцепление первичной обмотки 2;
l₂W₂ потокосцепление вторичной обмотки 5.

Режим работы первичной цепи силового трансформатора 1 описывается уравнением
U₁ е₁ + U_k + l₁R₁ (2),
где U₁ мгновенное значение напряжения сети;
U₂ ток в первичной обмотке 2;
U_k напряжение на контуре 3;

Φ_o результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора 1;
R₁ активное сопротивление обмотки 2 трансформатора 1.

Так как ток во вторичной обмотке 5 имеет временную задержку ϕ по отношению к току в первичной обмотке 2 и направлен встречно последнему, то условие (1) будет выполняться вне угла задержки. В пределах временной задержки потокосцепления будут складываться, так как имеют одинаковое направление. В результате в указанном интервале ЭДС е₁ будет иметь существенное значение, а вне его она приближенно равна нулю. Поэтому уравнение (2) можно представить в виде:

где ω_п промышленная частота .

Разрешая (3) относительно U_k, получим:

Иной интерпретацией выражений (3) и (3а) является увеличение реактивного сопротивления первичной обмотки 2 трансформатора 1 на интервале Θ и резкое падение его (≈ до 0) на интервале . В результате на интервале выходной контур 3 подвергается воздействию ступенчатого напряжения, что приводит к возникновению в нем собственных колебаний с резонансной частотой контура. Для увеличения амплитуды и длительности этих колебаний с помощью трансформатора обратной связи 7 формируется положительная обратная связь по напряжению U_k. С этой целью первичная обмотка 6 трансформатора 7 включается в сеть вторичной обмотки 5 трансформатора 1. Так как направление тока в обмотках 5 и 6 противоположно направлению тока в обмотке 2 трансформатора 1, то ЭДС е₂, формируемая магнитным потоком сердечника трансформатора 7, будет противоположна ЭДС е₁. Поэтому напряжение на выходе обмотки 8 трансформатора 7, равное е₂, будет иметь составляющую, согласно направленную с напряжением U_k на выходном контуре 3. Осциллограммы напряжений на первичной обмотке 2 и на выходном контуре 3 приведены на фиг. 2. Напряжение с выхода обмотки 8 через конденсатор 9 подается на выход контура 3. С целью повышения cosϕ установки в первичную цепь трансформатора 1 включен конденсатор 10. Напряжение питания индукционного нагревателя снимается с контурной катушки выходного контура 3 через согласующую обмотку 11. При этом для повышения добротности контура его катушка намотана на ферритовом сердечнике. Преимущества предлагаемого изобретения перед известными состоят: в увеличении надежности источника питания индукционного нагревателя за счет устранения ненадежных элементов ламп, тиристоров; существенном сокращении материалоемкости за счет исключения выпрямительных, стабилизирующих, фильтрующих блоков, задающего генератора и "обвязки" нелинейного элемента.

Формула изобретения

Источник питания индукционного нагревателя, содержащий силовой трансформатор и выходной контур, отличающийся тем, что в первичную обмотку силового трансформатора последовательно включен выходной контур, связанный через согласующую обмотку с индукционным нагревателем, а вторичная обмотка силового трансформатора соединена с первичной обмоткой трансформатора обратной связи, вторичная обмотка которого подключена через разделительный конденсатор согласно-параллельно к выходному контуру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2