Есть еще 3 страницы.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(71) Заявители Акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(73) Патентообладатели Акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(57) Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к электротермии, и может быть использовано в бытовых плитах индукционного нагрева. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и КПД устройства индукционного нагрева. Фиг. 1 Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство индукционного нагрева, содержащее генератор переменного напряжения, вставку плавкую, сглаживающий фильтр, инвертор, выходной каскад, последовательный резонансный нагрузочный контур, три элемента сравнения, нуль-орган, датчик температуры, датчик тока, датчик напряжения, блок задания уровня мощности, задающий генератор, двухвходовый элемент И, трехвходовый элемент И, четырехвходовый элемент И, -триггер перегрузки по току,источник опорных напряжений, однофазный управляемый выпрямитель со встроенным усилителем выходного каскада, дополнительно введены выключатель, детектор пропадания синхросигналов, -триггер разрешения, делитель частоты на два, -триггер селекции импульсов по длительности, формирователь импульсов тока ударного возбуждения, нормирующий преобразователь, элемент задержки и формирователь зондирующих импульсов опроса. 4546 1 Новым является то, что устройство индукционного нагрева реализовано по схеме полумостового двухтактного инвертора, позволяющей повысить частоту генерируемых колебаний и уменьшить коммутационные потери при переключении ключевых элементов, как в управляемом выпрямителе, так и в резонансном инверторе. Кроме того, устройство осуществляет адаптивную подстройку частоты в следящем режиме, при изменяемых внешних условиях работы, автономное определение нагрузки на индукторе, вне зависимости от подачи на инвертор высоковольтного выпрямленного напряжения. Структурное построение устройства индукционного нагрева обеспечивает синхронизацию как низкочастотной части по моменту прихода синхросигнала, связанного с входным переменным напряжением, так и блочную синхронизацию высокочастотной части, по моменту изменения знака высокочастотных колебаний. Такое структурное построение и предложенный алгоритм работы позволяет исключить возможность появления сквозных токов и уменьшить динамическую составляющую потерь на ключевых элементах, что, в свою очередь, повышает надежность и КПД устройства индукционного нагрева. Предполагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к электротермии, и может быть использовано в бытовых плитах индукционного нагрева. В настоящее время для нагрева наплитной посуды за счет высокого КПД, относительной конструктивной простоты и приемлемых массогабаритных и энергетических показателей в бытовых плитах индукционного нагрева получили распространение инверторы, построенные на генераторах с использованием полевых, биполярных и комбинированных транзисторов, на основе двухтактных полумостовых схем с внешним возбуждением, работающие на резонансный нагрузочный контур. Одной из особенностей работы двухтактных инверторов с использованием транзисторов в ключевом режиме при изменяемых внешних нагрузочных условиях (при применении широкой номенклатуры наплитной посуды с различными по объему, химическому составу и коэффициентами магнитной проницаемости, изменении в процессе нагрева удельного сопротивления ферромагнитных материалов и т.п.) является изменяемая длительность переходных процессов, связанная, в первую очередь, с изменяемой величиной фазового угла расстройки резонансного контура, которая, в ряде случаев, оказывается соизмерима с длительностью полупериода высокочастотных резонансных колебаний. Поэтому в инверторах с принудительным возбуждением при фиксированной частоте задающего генератора и изменяемых условиях работы, моменты переключения транзисторов в противоположных плечах инвертора происходят при протекании в них токов отличных от нулевого значения, что влечет за собой возрастание коммутационных потерь и, связанного с этим появлением сквозных токов и разогревом транзисторов. Причем один из транзисторов работает в активном режиме и на нем рассеивается большая мощность потерь, которая выводит из строя полупроводниковые приборы даже при работе со значительными запасами по значениям рабочих токов и напряжений по отношению к предельным нормируемым справочным данным. При разогреве транзисторов происходит увеличение сопротивления сток-исток, что влечет за собой рост и статических потерь, который определяет изменение спектрального состава выходного напряжения. Последнее приводит к снижению коэффициента усиления по мощности и возникновению паразитной модуляции переключения ключевых элементов инвертора и, как следствие, к снижению КПД и надежности устройства. Указанные факторы сужают область безопасной работы ключевых элементов и являются основной причиной, ограничивающей применение двухтактных инверторов в бытовых плитах индукционного нагрева. В связи с этим возникает необходимость в устройствах, схемотехнические решения которых позволяют уменьшить или полностью устранить условия возникновения сквозных токов, уменьшить коммутационные и статические потери, действие которых существенно снижает эффективность применения и надежность двухтактных инверторов, а также обеспечить защиту устройства от перегрузок и аварийных режимов в реальных условиях эксплуатации бытовых плит индукционного нагрева. Применительно к решению этой задачи в настоящее время известны устройства повышающие надежность и КПД, как за счет структурного построения, путем введения дополнительных измерительных и контролирующих узлов, так и за счет использования внешних выравнивающих, демпфирующих и фазосдвигающих цепей, позволяющих сдвигать фазу коммутируемого тока относительно коммутируемого напряжения, и, тем самым, уменьшить коммутационные и статические потери уменьшить время включениявыключения транзисторов за счет уменьшения выходного сопротивления источника управляющего сигналов, и обеспечить коммутацию ключевых элементов инвертора при нулевом токе. Так, например, известно устройство 1, содержащее последовательно соединенные между собой и источником питания два транзисторных ключевых элемента, зашунтированные диодами, задающий генератор, выход которого подключен к распределителю импульсов и нагрузочный контур с датчиками тока и напряжения, подключенный к общей точке соединения двух транзисторных ключей, входы которых соединены с выходами соответствующих триггеров, два коммутатора, одни входы которых подсоединены к выходу распределителя импульсов, другие входы подключены к выходу датчика тока нагрузочного контура, а выходы подключены к входам триггеров и индикатора рассогласования, входы которого соединены с выходами 2 4546 1 датчиков тока и напряжения нагрузочного контура, а выход подключен к управляющим входам коммутаторов. Это устройство, работа которого основана на формировании переменного интервала задержки, равного времени рассасывания избыточных зарядов в базе транзисторов, позволяет уменьшить влияние, как сквозных токов, так и действие паразитной модуляции выходного напряжения. Однако ввиду того, что в устройстве используется задающий генератор с фиксированной тактовой частотой, формирование импульсов управления транзисторами с длительностью, равной длительности протекания тока через транзистор в прямом направлении, независимо от значения (фазового угла рассогласования резонансного нагрузочного контура, не обеспечивается поддержания высокого коэффициента мощности при минимальных потерях в инверторе во всем диапазоне изменения возможных переменных нагрузок, что снижает КПД и надежность устройства. Известно также инверторное индукционное нагревательное устройство 2, содержащее источник постоянного тока, коммутационные элементы и резонансный нагрузочный контур, образующих инвертор, и схему управления для отключения коммутационных элементов, состоящей из последовательно соединенных фазового дискриминатора, элемента управляемой временной задержки, устройства синхронизации с времязадающим генератором, обеспечивающим широтно-импульсное управление, триггер, логическую цепь формирования длительности и согласующее устройство, выходы которого связаны с входами ключевых коммутационных элементов инвертора, а также цепь обратной связи, содержащая формирователь разностного сигнала, выход которого подключен ко входу элемента задержки, и компаратор, задающий уровень управления мощностью. Это устройство за счет точного определения момента отключения коммутационных элементов позволяет исключить ошибочные срабатывания, вызванные внешними шумами, исключить появление сквозных токов и, тем самым, повысить надежность устройства. Но, ввиду того, что управление ключевыми элементами осуществляется от внешнего источника принудительного возбуждения, оно также не позволяет получить максимальный КПД при работе в условиях с изменяемой внешней нагрузкой. Этот недостаток ограничивает применение устройства в практике бытового индукционного нагрева. Известна кулинарная плита с индукционным нагревом 3, содержащая входное клавишное устройство,связанное с времязадающим генератором, который управляется сигналами, поступающими от датчиков температуры, наличия посуды или неправильной ее установки. Управление работой инвертора в этом устройстве осуществляется включением и выключением переключателя источника питания в случаях обнаружения аварийных ситуаций, отклонения от нормальных температурных режимов работы, либо отсутствия нагрузки или ее неправильной установки. Такое структурное построение устройства за счет введения контролирующих датчиков позволяет повысить надежность плиты с индукционным нагревом. Но, ввиду того, что инвертор является неуправляемым, оно не обеспечивает оптимизацию по КПД в реальных условиях работы с переменной нагрузкой и достаточной надежности переключающих элементов. Индукционное нагревательное устройство 4, содержащее переключатель, подсоединенный к источнику низкочастотной энергии, нагрузочную цепь и блок управления для приведения в действие переключателя,задающий генератор для управления ключевыми элементами инвертора. Блок управления содержит нульорган, фиксирующий момент перехода через нулевой уровень высокочастотных колебаний, датчики тока и напряжения, подаваемые на инвертор, блок управления мощностью, компаратор для определения отключения величины высокочастотной энергии от установленного уровня, источник синхроимпульсов и программируемый счетчик, фазосинхронизированный генератор с регулируемым напряжением на выходе, фазовый детектор, соединенный с программируемым счетчиком для выработки фазоразностного сигнала, поддаваемого на инвертор для управления его частотой и снижения до нуля разности фаз на выходах счетчиков. В этом устройстве надежность инвертора обеспечивается за счет введения фазовой автоподстройки частоты путем выделения высокочастотных синхроимпульсов нуль-органом, временное положение которых соответствует моментам перехода выходного напряжения через нулевой уровень. Такое схемотехническое решение позволяет коммутировать ключевые элементы при нулевом токе и обеспечивать управление по цепи обратной связи задающим генератором, подстраивая его частоту, в зависимости от изменяемого значения фазоразностного сигнала. Однако ввиду того, что в устройстве используются датчики по току и напряжению,при возникновении перегрузок, при снятии посуды, из-за инерционности подстройки задающего генератора,такая защита инвертора оказывается недостаточной. По технической сущности наиболее близким техническим решением является устройство индукционного нагрева 5, содержащее однофазный управляемый выпрямитель и тиристорный инвертор с блоком управления, вход которого подключен к выходу выпрямителя через индуктивный фильтр, а выход - к индуктору,вход выпрямителя подключен к генератору переменного напряжения через вставку плавкую, блок управления инвертором содержит последовательную цепь из задающего генератора, четырехвходового и трехвходового элементов И и выходного каскада, к второму входу трехвходового элемента И подключен выход счетной схемы, первый вход которой соединен с выходом блока задания уровня мощности, а второй вход - с выходом нуль-органа, соединенного входом с выходом датчика напряжения на входе выпрямителя, соединенного также с первым входом первого элемента сравнения, выход которого соединен с третьим входом трехвходового элемента И, выход четырехвходового элемента И соединен с первым входом двухвходового элемента 3 4546 1 И, второй вход которого соединен через элемент НЕ с выходом первого элемента сравнения, а выход через выходной каскад - с управляющим входом выпрямителя, второй вход четырехвходового элемента И соединен с выходом триггерной схемы, вход которой соединен с элементом запуска и выходом второго двухвходового элемента И, первый вход которого соединен с выходом второго элемента сравнения, а второй вход - с выходом третьего элемента сравнения, первый вход второго элемента сравнения соединен с выходом датчика тока на выходе выпрямителя, первый вход третьего элемента сравнения соединен с выходом датчика напряжения на тиристоре инвертора, третий вход четырехвходового элемента И соединен с выходом четвертого элемента сравнения, первый вход которого соединен с выходом датчика температуры структуры тиристора инвертора, четвертый вход четырехвходового элемента И соединен с выходом пятого элемента сравнения, вход которого соединен с выходом датчика температуры индуктора, вторые входы всех элементов сравнения соединены с выходами источника опорных напряжений. Устройство-прототип реализует принцип время-импульсного регулирования мощностью путем формирования широтно-импульсных интервалов с фиксированным периодом повторения и принудительным запуском инвертора задающим генератором, работающим на фиксированной частоте. Такой принцип работы и введение обратных связей по температуре, напряжению и току, совместно с другими структурными связями,позволяет повысить надежность устройства индукционного нагрева, построенного на тиристорном инверторе с закрытым входом. Однако ввиду того, что в устройстве реализован принудительный запуск тиристоров, не представляется возможным осуществить преимущества автоколебательного режима работы инвертора, построенного на транзисторах по двухтактной схеме, который в практике применения, в основном, за счет повышения частоты преобразования постоянного напряжения в нагревательных приборах оказываются более экономичными и надежными. Эти преимущества заключаются в том, что в автоколебательном режиме работы инвертора переключение ключевых элементов производится при нулевом значении протекающего тока, что позволяет снизить коммутационные потери и уменьшить высокочастотные помехи. Кроме того, в известном устройстве в качестве датчика наличия нагрузки используется датчик напряжения, сигналы с которого переключают триггерную схему в состояние, запрещающее подачу управляющих импульсов с задающего генератора, и работает при включенном инверторе при наличии высоковольтного напряжения. При таком состоянии работы устройства, при снятии посуды в инверторе возникают перегрузки, также оказывающие влияние на надежность устройства. Задачей предполагаемого изобретения является повышение надежности и КПД устройства индукционного нагрева, путем обеспечения автоколебательного режима работы инвертора, синхронизированного высокой частотой выходного напряжения, введения блока фиксации наличия нагрузки, работающего автономно,вне зависимости от подачи высокого напряжения на инвертор, а также изменением алгоритма работы и структурных связей устройства. Поставленная цель достигается тем, что устройство индукционного нагрева, содержащее генератор переменного напряжения, вставку плавкую, сглаживающий фильтр, инвертор, выходной каскад, последовательный резонансный нагрузочный контур, три элемента сравнения, нуль-орган, датчик температуры, датчик тока, датчик напряжения, блок задания уровня мощности, задающий генератор, двухвходовый элемент И,трехвходовый элемент И, четырехвходовый элемент И, -триггер перегрузки по току, источник опорных напряжений, однофазный управляемый выпрямитель со встроенным усилителем выходного каскада, вход которого подключен через вставку плавкую к выходу генератора переменного напряжения и к входу датчика напряжения, выход которого подключен к входу нуль-органа, а выходы однофазного управляемого выпрямителя подключены через сглаживающий фильтр к входам инвертора, управляющие входы которого подключены к выходам выходного каскада, выход инвертора подключен к последовательному резонансному нагрузочному контуру, к первому выходу которого последовательно через датчик температуры и первый элемент сравнения подключен первый вход четырехвходового элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу -триггера перегрузки по току, установочный -вход которого последовательно через второй элемент сравнения подключен к первому выходу датчика тока, выход блока задания уровня мощности подключен к первому входу двухвходового элемента И, второй вход которого подключен к выходу нуль-органа,вторые входы всех элементов сравнения подключены к выходам источника опорных напряжений, отличающееся тем, что дополнительно введены выключатель, подключенный между вторым выходом генератора переменного напряжения и вторым входом однофазного управляемого выпрямителя, детектор пропадания синхросигналов, вход которого соединен с выходом нуль-органа и вторым установочным -входом триггера перегрузки по току, а выход подключен к третьему входу четырехвходового элемента И и первому входу трехвходового элемента И, второй и третий входы которого подключены к выходам -триггера перегрузки по току и второму выходу блока задания уровня мощности соответственно, а выход - к управляющему входу однофазного управляемого выпрямителя, -триггер разрешения, делитель частоты на два, выходы которого подключены к управляющим входам выходного каскада, а вход, соединенный с С-входом -триггера разрешения, подключен через последовательно соединенные задающий генератор, выполненный управляемым, и третий элемент сравнения, ко второму выходу датчика тока, -вход -триггера разрешения подклю 4 4546 1 чен к выходу четырехвходового элемента И, четвертый вход которого подсоединен к выходу двухвходового элемента И, выход -триггера разрешения подключен к установочному входу выходного каскада, -триггер селекции импульсов по длительности, формирователь зондирующих импульсов опроса, формирователь импульсов тока ударного возбуждения, нормирующий преобразователь, элемент задержки, вход которого соединен с выходом нуль-органа и входом блока задания уровня мощности, а выход элемента задержки, соединенный с С-входом -триггера селекции импульсов по длительности, подключен ко входу формирователя зондирующих импульсов опроса, выход которого подключен к -входу -триггера селекции импульсов по длительности и ко входу формирователя импульсов тока ударного возбуждения, выход которого подключен ко второму входу последовательного резонансного нагрузочного контура, второй выход которого подключен ко входу датчика тока, третий выход которого подключен через нормирующий преобразователь к входу -триггера селекции импульсов по длительности, выход которого подключен к -входу -триггера разрешения. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства индукционного нагрева, на фиг. 2 -временные диаграммы, поясняющие работу устройства, на фиг. 3 - пример реализации схемы формирования сигналов управления работой двухтактного полумостового инвертора на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу инвертора. Устройство индукционного нагрева (фиг. 1) содержит выключатель 1 генератор 2 переменного напряжения вставку 3 плавкую однофазный управляемый выпрямитель 4 со встроенным усилителем выходного каскада, сглаживающий фильтр 5 инвертор 6, представляющий собой последовательно соединенные между собой и источником питания два транзисторных ключа, зашунтированные встречно включенными диодами, к средней точке которых подключен последовательный резонансный нагрузочный контур 7, состоящий из индуктивности и двух последовательно соединенных накопительных конденсаторов выходной каскад 8, обеспечивающий согласование сигналов управления работой инвертора 6 низковольтный источник 9 питания и опорных напряжений датчик 10 напряжения нуль-орган 11, вырабатывающий синхросигналы, временное положение которых соответствует моментам изменения знака входного переменного напряжения блок 12 задания уровня мощности двухвходовый элемент 13 И детектор 14 пропадания синхроимпульсов -триггер 15 перегрузки по току, трехвходовый элемент 16 И блок 17 фиксации наличия нагрузки элемент 18 задержки фронта синхроимпульса четырехвходовый элемент 19 И первый элемент 20 сравнения датчик 21 температуры второй элемент 22 сравнения датчик 23 тока, выполненный по трансформаторной схеме с тремя выводами -триггер 24 селекции импульсов по длительности формирователь 25 зондирующих импульсов опроса формирователь 26 импульсов тока ударного возбуждения нормирующий преобразователь 27 -триггер 28 разрешения генератор 29 задающий, выполненный управляемым, в зависимости от частоты поступающих импульсов третий элемент 30 сравнения делитель 31 частоты на два, обеспечивающий формирование двух противофазных последовательностей управляющих сигналов. На фиг. 2 представлены 2 а. - низкочастотное переменное напряжение питания, поступающее с генератора 2 2 б. - пульсирующее напряжение с удвоенной частотой входного напряжения, поступающее с датчика 10 напряжения 2 в. - синхроимпульсы и, формируемые нуль-органом 11 2 г. - управляющий сигнал, поступающий с блока 12 задания уровня мощности 2 д. - синхроимпульсы, поступающие со второго выхода блока 12 задания уровня мощности через трехвходовый элемент 16 И на управляющий вход однофазного управляемого выпрямителя 4 2 е. - управляющий сигнал с выхода детектора 14 пропадания синхроимпульсов 2 ж. управляющий сигнал, поступающий с выхода первого элемента 20 сравнения 2 и. - управляющий сигнал, поступающий с выхода -триггера 15 перегрузки по току 2 к. - эпюра формирования длительности оп опорного импульса 2 л. - сигнал с выхода формирователя 25 зондирующих импульсов опроса состояния нагрузочного контура 7 2 м - высокочастотные затухающие гармонические колебания, поступающие на нормирующий преобразователь 27 2 н - последовательность импульсов, формируемая нормирующим преобразователем 27 2 п. - управляющий сигнал, поступающий с выхода -триггера 24 селекции импульсов по длительности 2 р. - управляющий сигнал, поступающий с выхода -триггера 28 разрешения 2 с. - сигнал с выхода четырехвходового элемента 19 И 2 т - высоковольтное выпрямленное напряжение питания инвертора 6, поступающее с однофазного управляемого выпрямителя 4 через фильтр 5 2 у - высокочастотные колебания тока, формируемые на индукторе в процессе работы инвертора 6. На фиг. 3 представлен один из возможных вариантов реализации высокочастотной преобразовательной части устройства на основе двухтактного инвертора 6, работающего совместно с резонансным нагрузочным контуром 7 и выходным каскадом 8. На фиг. 3 изображены 1 и 2 - ключевые элементы инвертора 6 1 и 2 - встречно включенные шунтирующие диоды- индуктивность нагрузочного резонансного контура 7, выполняющая функцию нагревательного индуктора, в непосредственной близости от которого размещается посуда 1 и 2 накопительные конденсаторы резонансного контура 7 32, 33 двухвходовые элементы И-НЕ 34, 35, 38 и 39 - элементы НЕ, выполняющие функцию задержки 36 37, 40 и 41 - двухвходовые элементы И 42, 43 - усилители мощности 44, 45 - согласующие и формирующие устройства. На фиг. 4 изображены временные диаграммы, поясняющие работу высокочастотной преобразовательной части устройства индукционного нагрева 4 а. - последовательность импульсов поступающая с управляемого 5 4546 1 задающего генератора 29 4 б., в. - две противофазные последовательности, поступающие с выходов делителя 31 частоты на два 4 г. - сигнал, поступающий с выхода -триггера 28 разрешения 4 д. - инвертированная последовательность сигналов 4 в., снимаемая с выхода двухвходового элемента 32 И-НЕ 4 е. - задержанная на время 3 и инвертированная последовательность сигналов с выхода элемента 34 НЕ 4 ж. - результирующая последовательность сигналов формирования спада сигнала выключения транзистора 1 4 и. - инвертированная последовательность 4 е. с удвоенной задержкой 23 с выхода элемента 38 НЕ 4 к. - результирующая последовательность сигналов формирования фронта включения транзистора 1 4 л., м. - сформированные согласующими устройствами 44, 45 мощности сигналов управления включением-выключением противоположных плеч инвертора 6 4 н - выходной высокочастотный сигнал, сформированный резонансным нагрузочным контуром 7 4 п. - последовательность сигналов управления задающим генератором 29, поступающая с выхода третьего элемента 30 сравнения. Устройство индукционного нагрева работает следующим образом. После замыкания контактов выключателя 1 переменное напряжение с амплитудным значением(фиг. 2 а.) с генератора 2 через вставку плавкую 3 поступает на однофазный управляемый выпрямитель 4, который через сглаживающий фильтр 5 обеспечивает выпрямленным напряжением питание инвертор 6. Инвертор 6 (см. фиг. 3) собран по двухтактной полумостовой схеме на транзисторах 1 и 2,зашунтированные встречно включенными диодами 1 и 2, к средней точке которых подключен резонансный нагрузочный контур 7, образованный последовательно включенными накопительными конденсаторами 1 и 2 и индуктивностью . Инвертор 6 совместно с нагрузочным контуром 7 образуют преобразователь постоянного напряжения питания в высокочастотные колебания, обеспечивающие через индукторнагрев наплитной посуды, располагающейся в непосредственной близости от него. Управление работой инвертора 6 осуществляется посредством выходного каскада 8, выходы которого подключены к затворам транзисторов 1 и Т 2. Одновременно с включением устройства включается низковольтный источник 9, обеспечивающий опорным напряжением и питанием узлов и блоков устройства. Напряжение с генератора 2 поступает на датчик 10 напряжения, с выхода которого пульсирующее напряжение (фиг. 2 б.) с удвоенной частотой входного напряжения поступает на нуль-орган 11. Нуль-орган 11 формирует импульсы отрицательной полярности длительностью и (фиг. 2 в.), временное положение которых связано с моментами изменения знака выходного переменного напряжения. Последовательность этих импульсов является синхронизирующей для низкочастотной части устройства индукционного нагрева. Синхроимпульсы и поступают на вход блока 12 задания уровня мощности, на второй вход двухвходового элемента 13 И, первый вход которого подключен к первому выходу блока 12, второй выход которого соединен с третьим входом трехвходового элемента 16 И, на детектор 14, контролирующий поступление синхроимпульсов в зависимости от уровня входного напряжения , на установочный -вход -триггера 15 перегрузки по току. Эти же импульсы поступают на прямой вход блока 17 фиксации наличия нагрузки (наплитной посуды из токопроводящих ферромагнитных материалов размещаемой на индукторенагрузочного контура 7), связанного с входом элемента 18 задержки. В исходном состоянии устройства при отсутствии управляющего сигнала с выхода блока 12 задания уровня мощности (фиг. 2 г.) на входе трехвходового элемента 16 И, связанного со вторым выходом блока 12,и на первом входе двухвходового элемента 13 И присутствует запрещающий потенциал (фиг. 2 д.) и на их выходах формируется сигнал запрет, который поступает на четвертый вход четырехвходового элемента 19 И. Третий вход элемента 19 И связан с выходом детектора 14, соединенного также с первым входом трехвходового элемента 16 И, и в случае поступления синхроимпульсов, что соответствует допуску нормы амплитудного значениявходного напряжения с генератора 2, подает на них сигнал разрешение (фиг. 2 е.). Первый вход четырехвходового элемента 19 И подключен к выходу первого элемента 20 сравнения, связанного с датчиком 21 температуры, контролирующим температуру индуктора резонансного нагрузочного контура 7. В случае, если температура, значение которой находится в пределах допуска для нормальной работы устройства, на первый вход четырехвходового элемента 19 И будет подан сигнал разрешение(фиг. 2 ж.). Второй вход элемента 19 И связан с выходом -триггера 15 перегрузки по току, соединенного также с вторым входом трехвходового элемента 16 И. -триггер 15 контролирует через второй элемент 22 сравнения величину тока, поступающего с первого выхода датчика 23 тока, который выполнен по трансформаторной схеме с тремя выводами. В исходном состоянии, при отсутствии высокого напряжения на инверторе 6, на второй вход четырехвходового элемента 19 И также будет подан сигнал разрешение (фиг. 2 и.). Блок 17 фиксации наличия нагрузки, в состав которого входят элемент 18 задержки фронта синхроимпульса и, синхронный -триггер 24, выполняющий функцию селекции импульсов по длительности, формирователь 25 зондирующих импульсов опроса, формирователь 26 импульсов тока ударного возбуждения, а по цепи обратной связи - преобразователь 27 нормирующий, связанный по входу с третьим выходом датчика 23 тока, работает автономно, вне зависимости от подачи высокого напряжения на инвертор 6. Работа блока 17 фиксации наличия нагрузки основана на определении значения добротности нагрузочного контура 7, в зави 6 4546 1 симости от характера вносимой нагрузки, путем определения длительности отклика импульса тока ударного возбуждения на заданном уровне. Синхроимпульсы и (фиг. 2 в.), задержанные по фронту элементом 18 задержки на величину 3, определяемой временем установления переходного процесса в инверторе 6 при его выключении, формируют интервал опроса оп (фиг. 2 к.), который поступает на С-вход синхронизации -триггера 24 селекции импульсов и на формирователь 25 зондирующих импульсов опроса нагрузочного контура 7. Длительность интервалов опроса оп (фиг. 2 к.) определяется разностью между временным положением спада синхроимпульса и величиной задержки 3, фронта синхроимпульса и является опорной для -триггера 24 селекции импульсов, а ее значение определяется эмпирическим путем, в зависимости от спектрального состава зондирующего импульса,характера нагрузки и параметров нагрузочного контура 7, характеризуемых начальной добротностью, при отсутствии нагрузки, частотой звона и декрементом его затухания. При поступлении импульса оп опроса на формирователь 25 зондирующих импульсов формируется широкополосный сигнал (фиг. 2 л.), временное положение которого соответствует фронту интервалов оп опроса. Этот импульс устанавливает по -входу триггер 24 селекции импульсов в состояние запрет (фиг. 2 п.), выход которого соединен с установочным-входом -триггера 28 разрешения. Широкополосный зондирующий сигнал (фиг. 2 л.) с выхода формирователя 25 одновременно поступает на формирователь 26 импульсов тока ударного возбуждения, которым возбуждается резонансный контур 7, образованный индуктивностьюиндуктора, зарядными конденсаторами 1 и 2 и внутренними емкостями транзисторов 1 и 2 инвертора 6. При этом в резонансном контуре 7 возникают высокочастотные затухающие гармонические колебания (фиг. 2 м.), которые по цепи обратной связи, через третий выход датчика 23 тока, поступают на вход нормирующего преобразователя 27. Нормирующий преобразователь 27 блока 17 фиксации наличия нагрузки анализирует крутизну спада огибающей отклика зондирующего импульса и вырабатывает сигналы (фиг. 2 н.) длительностью н, пропорциональной значению добротности резонансного нагрузочного контура 7. Этот сигнал подается на -вход-триггера 24 селекции импульсов для его обработки. При этом если импульс длительностью н, выработанный нормирующим преобразователем 27 окажется больше длительности опорного импульса оп (фиг. 2 к.),поступающего с выхода элемента 18 задержки, т.е. когда опн, что соответствует случаю отсутствия нагрузки, то -триггер 24 селекции импульсов не изменит своего состояния и не снимает сигнал запрет с установочного -входа -триггера 28 разрешения (фиг. 2 п.). В случае, если длительность импульса н окажется меньше длительности опорного импульса оп, т.е. когда опн, что соответствует случаю наличия нагрузки, -триггер 24 селекции импульсов вырабатывает сигнал разрешение (фиг. 2 п.), который после подачи его на -вход -триггера 28 разрешения, подготавливает его к формированию сигнала разрешение,подаваемого на управляющий вход выходного каскада 8 (фиг. 2 р.). При установке сигнала некоторого задаваемого уровня мощности с блока 12 (фиг. 2 г.), длительностью зад, изменяемой на периодическом фиксированном интервале ф, подаваемой на первый вход двухвходового элемента 13 И, а также наличия сигналов разрешение с детектора 14 и с выхода -триггера 15, синхроимпульсами (фиг. 2 д.), поступающими также и с второго выхода блока 12, откроется трехвходовый элемент 16 И и произойдет включение управляемого выпрямителя 4 (фиг. 2 т.). При этом на инвертор 6 будет подано высокое выпрямленное напряжение и осуществится заряд накопительных конденсаторов 1 и 2 резонансного нагрузочного контура 7. С этого момента начинается динамическая работа устройства индукционного нагрева. При снятии сигнала запрет за счет подачи установленной мощности с блока 12 через двухвходовый элемент 13 И и равенстве длительностей оп и н, что соответствует случаю наличия нагрузки на контуреколебательного контура 7, с выхода четырехвходового элемента 19 И -триггер 28 разрешения установится в состояние разрешение (фиг. 2 р.). С этого момента подается на установочный вход выходного каскада 8 сигнал разрешение р (фиг. 2 с.) и включается высокочастотная преобразовательная часть устройства, состоящая из управляемого задающего генератора 29, подключенного между выходом третьего элемента сравнения и синхронизирующим С-входомтриггера 28 разрешения, делителя 31 частоты на два,подключенного между выходом генератора 29 и формирующими входами выходного каскада 8, выходы которого подключены к затворам транзисторов 1 и 2 инвертора 6 (см. фиг. 3). Высокочастотная часть устройства индукционного нагрева работает следующим образом (фиг. 3, 4). Задающий генератор 29 выполненный управляемым, включенный подачей напряжения от низковольтного источника 9 питания, первоначально работает на фиксированной частоте 0 и вырабатывает импульсы(фиг. 4 а.) длительностью 0 и периодом повторения Т 0. Начальная частота следования этих импульсов выбирается из условия 2 0 рез, где рез - максимальная частота резонансного контура 7. Последовательность импульсов с генератора 29 (фиг. 4 а.) обеспечивает синхронизацию -триггера 28 разрешения и преобразуется через делитель 31 частоты на два в две противофазные последовательности (фиг. 4 б, в.), необходимые для формирования управляющих сигналов переключения ключевых транзисторов 1 и 2 в противоположных плечах двухтактного инвертора 6. Поскольку плечи двухтактного инвертора 6 работают идентично, рассмат 7 4546 1 ривается процесс включения-выключения ключевых элементов и формирования выходного напряжения одного из них. При поступлении с -триггера 28 разрешения на установочный вход выходного каскада 8 сигнала разрешение (фиг. 4 г.), соответствующий длительности р (фиг. 4 с.), который формируется синхронно с импульсами, поступающими с задающего генератора 29, на выходе элемента 32 И-НЕ (фиг. 3) формируется последовательность (фиг. 4 д.), которая поступает на один вход двухвходового элемента 36 И непосредственно и через элемент 34 НЕ, выполняющего функцию задержки. В результате прохождения прямой (фиг. 4 д.) и сдвинутой на время задержки 3 инвертированной (фиг. 4 е.) последовательностей на выходе элемента 36 И сформируется последовательность (фиг. 4 ж.) сигналов для формирования спада сигнала включения (фиг. 4 г.) транзистора 1 одного из плеч инвертора 6. Кроме того, с выхода элемента 34 НЕ задержанная и инвертированная последовательность (фиг. 4 е.) поступает на входы двухвходового элемента 40 И непосредственно и через второй элемент 38 НЕ. В результате прохождения последовательностей (фиг. 4 е.) и дважды задержанной и инвертированной (фиг. 4 и.) на выходе элемента 40 И сформируется последовательность (фиг. 4 к.) сигналов формирования фронта сигналов включения транзистора 1. Последовательности спада включения(фиг. 4 ж.) и фронта включения (фиг. 4 к.) поступают на усилитель 42 мощности, в котором они усиливаются и поступают на согласующее устройство 44. Согласующее устройство 44 преобразует поступающие сигналы в последовательность (фиг. 4 л.) управляющих сигналов и подаются на затвор транзистора 1. Аналогично по второму входу выходного устройства 8 формируется вторая управляющая последовательность (фиг. 4 м.) сигналов включения-выключения второго ключевого элемента 2 второго плеча инвертора 6. Эти последовательности отличаются тем, что они сдвинуты друг относительно друга на 180. Поступление управляющих сигналов (фиг. 4 л, м.) на затворы транзисторов 1 и 2 обеспечивает их коммутацию, при которой в процессе перезаряда накопительных конденсаторов 1 и С 2 в индуктореформируются положительная и отрицательная полуволны синусоидального высокочастотного колебания тока(фиг. 4 н.). Причем за счет разнесения по времени двух управляющих противофазных последовательностей(фиг. 4 л,м.) на величину задержки 3 фронта включения и спада выключения двух противоположных плеч инвертора 6, коммутация транзисторов 1 и 2 производится при нулевом значении протекающего тока, чем обеспечивается полное устранение условий возникновения сквозных токов, и, тем самым, повышается надежность силовой высокочастотной части устройства индукционного нагрева. Синусоидальное колебание тока, осуществляющее нагрев посуды через второй выход датчика 23 тока поступает на третий элемент 30 сравнения, который формирует сигналы (фиг. 4 п.), временное положение которых соответствует моментам изменения знака высокочастотного тока в индукторе . Эти сигналы подступают на управляющий вход генератора 29, перестраивая его начальную частоту 0 под рабочую частоту, изменяемую в зависимости от изменений внешних нагрузочных условий, обеспечивая тем самым следящий режим управления работой инвертора 6. Длительность непрерывного генерируемого высокочастотного синусоидального колебания (фиг. 4 н.) соответствует длительности р разрешающего интервала (фиг. 2 с, 4 г.), причем за счет синхронизации задающего генератора 29 последовательностью сигналов (фиг. 4 п.) его начало н 1 и конец н 2 (моменты включения и выключения плеч инвертора 6) соответствующих нулевому значению протекающего тока, что позволяет устранить условия возникновения высокочастотных высоковольтных коммутационных помех. Последнее позволяет существенно повысить надежность устройства за счет устранения режимов перегрузки силовых ключевых элементов инвертора 6. При непрерывной работе устройства нагрев посуды осуществляется цугом таких колебаний (фиг. 2 у.),длительность которой определяется длительностью задающего интервала зад (фиг. 2 г.), устанавливаемого блоком 12 задания уровня мощности. Последовательность цугов (фиг. 2 у.) следует с фиксированным периодом ф, выбираемым из требований условий оптимального нагрева на заданном уровне мощности, и синхронизирован с длительностью включения управляемого высоковольтного выпрямителя 4 (фиг. 2 т.). Опрос нагрузочного контура 7 блоком 17 фиксации наличия нагрузки осуществляется в промежутках между генерированием непрерывных высокочастотных колебаний на интервалах оп (фиг. 2 к.), вне зависимости от включения блока 12 задания уровня мощности. Такой режим работы устройства сохраняется до тех пор, пока не произойдет превышение амплитудного значения(фиг 2 к.) переменного напряжения с генератора 2 выше заданного предела . При этом срабатывает детектор 14 поступления синхроимпульсов, и в момент изменения знака входного напряжения закроются трехвходовый элемент 16 И и четырехвходовый элемент 19 И, и, тем самым, прекратится работа устройства. Работа устройства, в этом случае, продолжится после установки напряжения в допуске, с приходом первого синхросигнала. Аналогично этому, при превышении тока инвертора 6 второй элемент 22 сравнения вырабатывает управляющий сигнал запрет (фиг. 2 к.), который поступит на -вход -триггера 15 перегрузки по току, и с выхода которого сигналом запрет через трехвходовый элемент 16 И и четырехвходовый элемент 19 И прекратится работа устройства. 4546 1 В случае превышения температуры индуктора выше заданной для нормальной работы устройства сработает первый элемент 20 сравнения и сигналом запрет с его выхода закроет элемент 19 И и тем самым отключит через -триггер 28 разрешения высокочастотную часть устройства. Включение устройства не произойдет до тех пор, пока температура индуктора не установится в пределах допустимой. И, наконец, при снятии посуды или ее отсутствии блок 17 фиксации наличия посуды через нормирующий преобразователь 27, -триггер 24 выработает сигнал запрет, которым через -триггер 28 разрешения отключит высокочастотную часть устройства. В этом случае включение устройства индукционного нагрева возможно лишь только при установке нагрузки на индуктор. Вставка плавкая 3 обеспечивает второй уровень защиты на случай частичного или полного выхода из строя узлов и блоков устройства, если не обеспечивается защита по цепям первого уровня. Таким образом, повышение КПД и надежность устройства индукционного нагрева, по сравнению с известным, обеспечивается за счет реализации полумостового двухтактного инвертора, позволяющего повысить частоту генерируемых колебаний и уменьшить коммутационные потери при переключении ключевых элементов автоколебательного режима работы инвертора, осуществляющего адаптивную подстройку частоты в следящем режиме при изменяемых внешних условиях работы автономного определения нагрузки на индукторе устройства, вне зависимости от подачи на инвертор высоковольтного выпрямленного напряжения структурного построения устройства индукционного нагрева, обеспечивающего синхронизацию как низкочастотной части, по моменту прихода синхросигнала, связанного с входным переменным напряжением, так и блочную синхронизацию высокочастотной части, по моментам изменения знака высокочастотных колебаний. Такое структурное построение и предложенный алгоритм работы позволяет исключить возможность появления сквозных токов, уменьшить потери, связанные с переключением силовых элементов, как в управляемом выпрямителе, так и в резонансном инверторе, что, в свою очередь, повышает надежность и КПД устройства индукционного нагрева. Источники информации 1. Дмитриков В.Ф., Петяшин Н.Б., Сиверс М.А., Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. - М. Радио и связь, 1988. - С. 169. 2. Инверторное индукционное нагревательное устройство, заявка ЕПВ (ЕР) 0092588, МПК Н 05 В 6/12,Н 02 М 7/00, 1983. Опубл. 83.11.0244. 3. Заявка ЕПВ (ЕР) 0069153, МПК Н 05 В 6/12, 1983. 4. Патент США 4317915, МПК Н 05 В 6/08, 6/12, 1982. 5. А.с. СССР 1821945 А 1, МПК Н 05 В 6/06, 1993. Устройство индукционного нагрева, содержащее генератор переменного напряжения, вставку плавкую,сглаживающий фильтр, инвертор, выходной каскад, последовательный резонансный нагрузочный контур,три элемента сравнения, нуль-орган, датчик температуры, датчик тока, датчик напряжения, блок задания уровня мощности, задающий генератор, двухвходовый элемент И, трехвходовый элемент И, четырехвходовый элемент И, -триггер перегрузки по току, источник опорных напряжений, однофазный управляемый выпрямитель со встроенным усилителем выходного каскада, вход которого подключен через вставку плавкую к выходу генератора переменного напряжения и ко входу датчика напряжения, выход которого подключен к входу нуль-органа, а выходы однофазного управляемого выпрямителя подключены через сглаживающий фильтр к входам инвертора, управляющие входы которого подключены к выходам выходного каскада, выход инвертора подключен к последовательному резонансному нагрузочному контуру, к первому выходу которого последовательно через датчик температуры и первый элемент сравнения подключен первый вход четырехвходового элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу -триггера перегрузки по току, установочный -вход которого последовательно через второй элемент сравнения подключен к первому выходу датчика тока, выход блока задания уровня мощности подключен к первому входу двухвходового элемента И, второй вход которого подключен к выходу нуль-органа, вторые входы всех элементов сравнения подключены к выходам источника опорных напряжений, отличающееся тем, что дополнительно введены выключатель, подключенный между вторым выходом генератора переменного напряжения и вторым входом однофазного управляемого выпрямителя, детектор пропадания синхросигналов, вход которого соединен с выходом нуль-органа и вторым установочным -входом -триггера перегрузки по току, а выход подключен к третьему входу четырехвходового элемента И и первому входу трехвходового элемента И, второй и третий входы которого подключены к выходам -триггера перегрузки по току и второму выходу блока задания уровня мощности соответственно, а выход - к управляющему входу однофазного управляемого выпрямителя, -триггер разрешения, делитель частоты на два, выходы которого подключены к управляющим входам выходного каскада, а вход, соединенный с С-входом -триггера разрешения, подключен через последовательно соединенные задающий генератор, выполненный управляемым, и третий элемент 9 4546 1 сравнения, к второму выходу датчика тока, -вход -триггера разрешения подключен к выходу четырехвходового элемента И, четвертый вход которого подсоединен к выходу двухвходового элемента И, выход триггера разрешения подключен к установочному входу выходного каскада, -триггер селекции импульсов по длительности, формирователь зондирующих импульсов опроса, формирователь импульсов тока ударного возбуждения, нормирующий преобразователь, элемент задержки, вход которого соединен с выходом нульоргана и входом блока задания уровня мощности, а выход элемента задержки, соединенный с С-входом триггера селекции импульсов по длительности, подключен ко входу формирователя зондирующих импульсов опроса, выход которого подключен к -входу -триггера селекции импульсов по длительности и к входу формирователя импульсов тока ударного возбуждения, выход которого подключен к второму входу последовательного резонансного нагрузочного контура, второй выход которого подключен к входу датчика тока,третий выход которого подключен через нормирующий преобразователь к -входу -триггера селекции импульсов по длительности, выход которого подключен к -входу -триггера разрешения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.

МПК / Метки

МПК: H05B 6/06, H05B 6/12

Метки: нагрева, индукционного, устройство

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/11-4546-ustrojjstvo-indukcionnogo-nagreva.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Устройство индукционного нагрева</a>

Похожие патенты