Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(57) Устройство индукционного нагрева, содержащее последовательно соединенные первый и второй ключевые коммутирующие элементы, зашунтированные диодами в обратном направлении проводимости, последовательно соединенные первый и второй компенсирующие конденсаторы, свободные выводы которых подключены к силовым выводам первого и второго ключевых коммутирующих элементов и сглаживающего конденсатора, подключенного к выходным шинам выпрямителя, входные шины которого соединены с генератором сетевого переменного напряжения, индуктор, включенный между узлами соединения упомянутых ключевых коммутирующих элементов и компенсирующих конденсаторов, компаратор, первый и второй трехвходовые логические элементы ИЛИ-НЕ, первые входы которых подключены к прямому и инверсному выходам счетного триггера соответственно, а выходы через первое и второе согласующие устройства подключены к управляющим входам первого и второго ключевых коммутирующих элементов и к первому и второму входам формирователя разностного сигнала, выполненного на логическом элементе ИЛИ-НЕ, отличающееся тем, что дополнительно содержит 529 подключенный к шине генератора сетевого переменного напряжения блок задания уровня мощности с шиной управления, подключенный к узловой точке соединения первого и второго ключевых коммутирующих элементов датчик тока, двухвходовые усилитель-ограничитель и двухполупериодный интегратор, одновходовые двухполупериодный амплитудный детектор, интегратор, синхронный детектор, формирователь импульсов запуска, а формирователь разностного сигнала выполнен трехвходовым, причем выход блока задания уровня мощности с шиной управления подключен к третьему входу формирователя разностного сигнала,выход которого соединен с вторыми входами первого и второго трехвходовых логических элементов ИЛИНЕ и с установочным входом счетного триггера, противофазные выходы датчика тока последовательно через двухвходовые усилитель-ограничитель и двухполупериодный интегратор, выход которого через двухполупериодный амплитудный детектор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого по цепи обратной связи соединен последовательно через интегратор и синхронный детектор с выходом компаратора, связанным через формирователь импульсов запуска с третьими входами первого и второго трехвходовых логических элементов ИЛИ-НЕ и синхронизирующим входом счетного триггера.(56) 1. Бытовая индукционная плита Кварц производства Калининградского машиностроительного завода. ЛАКБ 681912. 000 ТУ, 1995. 2. Индукционная плита Илга - 01 - 1300 производства Иркутского ПО Восток АШХ 2.983.005 ТУ. Гос. г.009/00530, 1995. 3. Модель одноконфорочной бытовой индукционной плиты на базе однотиристорного высокочастотного инвертора. ВНИИМИ. Информ. листок 92-1176, М. ЦНТИ Поиск, 1992. 4. Патент РБ 2864 С 1, МПК Н 05 В 6/02, Н 02 М 1/16. 1999. 5. Дмитриков В.Ф., Петяшин Н.Б., Сиверс М.А. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. - М. Радио и связь, 1988. - С. 168. 6. Заявка ЕПВ 0092588, МПК Н 05 В 6/12, Н 02 М 1/00, 1983 (прототип). Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к электротермии, и может быть использована в бытовых плитах индукционного нагрева. Известны различные устройства прямого индукционного нагрева ферромагнитной наплитной посуды 13, построенные на различных как элементной базе, так и схемных решениях высокочастотных преобразователей энергии (однотактные, двухтактные, мостовые и т.д.), работающие в режимах переключения либо тока, либо напряжения (известные как последовательные и параллельные инверторы). Неотъемлемой частью этих устройств является цепь, состоящая из выпрямителя, вход которого подключен к терминалу стандартной сети переменного тока, а выход - через сглаживающий фильтр к силовым входам ключевых элементов высокочастотного инвертора, работающего на нагревательный индуктор, образованный резонансным контуром, состоящим из катушки индуктивности и компенсирующего конденсатора. Управление устройством осуществляется блоком, обеспечивающим индикацию контролируемых режимов работы и непосредственную связь с пользователем, который подключен через схему запуска и согласующее устройство к управляющим входам ключевых элементов инвертора. Из всего многообразия известных устройств индукционного нагрева в практике бытового применения ввиду высокой энергетической эффективности и относительной конструктивной простоты наибольшее распространение получили инверторы, использующие высокочастотные силовые биполярные, полевые и комбинированные транзисторы, построенные по схеме полумостового двухтактного генератора гармонических колебаний с внешним возбуждением, работающем в ключевом режиме на последовательный резонансный контур, нагрузкой которого является днище наплитной посуды. Одной из характерных особенностей, проявляющейся в процессе работы устройств индукционного нагрева, является динамическое изменение электрофизических свойств системы индуктор - ферромагнитная нагрузка и изменение коэффициента полезного действия (КПД) преобразования высокочастотной энергии инвертора. Эта особенность обусловлена тем, что в быту используется широкая номенклатура наплитной посуды, изготовленной из различных ферромагнитных материалов (сталь, железо, чугун и т.п.), имеющие различные удельное сопротивление и магнитную проницаемость, которые в процессе нагрева изменяют свои значения. Такое изменение электрофизических параметров приводит к нестабильности отдаваемой мощности в энерговоспринимающую поверхность нагреваемого объекта, что связано, в первую очередь, как с изменением добротности и фазового угла расстройки нагрузочного резонансного контура, а вместе с этим уходом рабочей частоты от резонансной, и изменением значений протекающего тока через индуктор, так и с динамическими процессами переключения силовых транзисторных элементов, оказывающие существенное влияние на спектральный состав генерируемых высокочастотных колебаний, определяющих энергетические и эксплуатационные характеристики инвертора. 529 Последнее заключается в том, что, во-первых, ключевые элементы коммутируют ток с выхода выпрямителя, имеющего пульсации, модулированные по синусоидальному закону с удвоенной частотой питающей сети. Одновременно и напряжение на силовых входах последовательно соединенных ключевых элементов изменяется по синусоиде, причем, в общем случае, при изменении характера нагрузки резонансного контура ток и напряжение высокочастотных колебаний получают дополнительный сдвиг друг относительно друга по фазе с одновременным изменением рабочей резонансной частоты. Такое монотонное изменение фазы, частоты и амплитуды переключаемых тока и напряжения в силовом контуре приводит к тому, что динамические параметры транзисторов, такие как время включения, рассасывания объемного заряда и выключения, также меняются в зависимости не только от фазы включения, отсчитываемой от моментов перехода напряжения или тока через нулевой уровень, но и от степени их насыщения и действия диффузных зарядных эффектов,оказывающие влияние на ход и окончание переходных процессов перезаряда емкостей базового и коллекторного переходов, что также приводит к необходимости применения специальных мер снижающих динамические потери мощности высокочастотного преобразования энергии. Во-вторых, в резонансных двухтактных инверторах с принудительным возбуждением, при фиксированной частоте задающего генератора и изменяемых нагрузочных условиях работы, моменты переключения ключевых элементов в противоположных плечах инвертора происходят при протекании в них токов, отличных от нулевого значения, что влечет за собой возрастание динамической составляющей потерь КПД, затрачиваемой на разогрев транзисторов. При разогреве транзисторов возрастают и статические потери, связанные либо с увеличением омического сопротивления сток-исток для полевых транзисторов, либо с увеличением мощности, затрачиваемой на управление биполярными транзисторами. И, наконец, ввиду того, что насыщенный ключевой элемент запирается с задержкой на время рассасывания объемного заряда в базе биполярного транзистора, либо по окончанию переходного процесса перезаряда усредненной выходной емкости и действия паразитных индуктивностей для полевых транзисторов, возникает режим перегрузки по току, связанный с изменением порога чувствительности воздействия фронтов управляющих сигналов, прикладываемых к управляющим электродам, по отношению к фронту импульса фиксированной частоты задающего генератора. При этом относительный временной сдвиг фронта воздействия управляющего сигнала, обусловленный инерционностью переключения ключевого элемента, нарушает синхронность работы переключательных пар, изменяя амплитудные уровни выходных генерируемых колебаний и отношение временных интервалов пауз, активного состояния и коммутационных циклов, что, в конечном итоге, изменяет спектральный состав и мощность выходных колебаний, ухудшает динамические свойства инвертора и сужает область его безопасной работы. Совокупное воздействие указанных факторов при работе инвертора приводит к изменению области чувствительности по запуску, паразитной модуляции высокочастотного переключения ключевых элементов, снижению надежности и КПД преобразования потребляемой энергии. Таким образом, исходя из критерия получения максимального КПД главным требованием, предъявляемым к динамическим показателям двухтактного инвертора является обеспечение такого режима переключения ключевых элементов, при котором исключаются условия возникновения сквозных токов и перенапряжений, приводящих к перегреву и пробою транзисторов, а также создание оптимальных условий коммутации без существенного изменения коммутируемого тока, протекающего через нагрузочный контур. В этой связи одной из задач, возникающей при проектировании двухтактных устройств индукционного нагрева, является обеспечение оптимальных условий коммутации ключевых элементов для формирования гармонических колебаний тока при динамическом изменении нагрузочных условий для достижения максимальных КПД и надежности в рабочем диапазоне высокочастотного преобразования энергии. Применительно к решению этой задачи, в настоящее время известны различные способы и устройства,позволяющие реализовать как автоматическую регулировку порога чувствительности переключения, так и повысить КПД за счет уменьшения динамической составляющей потерь. Известные способы и устройства основаны как на применении пассивных демпфирующих и выравнивающих элементов, позволяющих сдвигать фазу коммутируемого тока относительно напряжения, так и активных методах, реализующие адаптивное управление за счет введения дополнительных измерительных и регулирующих цепей, улучшающих динамику переходных процессов переключения силовых ключевых элементов. Так, например, известно устройство индукционного нагрева 4, содержащее два последовательно соединенные переключающих элемента, два последовательно соединенные конденсатора, которые подключены к источнику питающего напряжения, индуктор, включенный между узлами соединения упомянутых выше переключающих элементов и конденсаторов, два диода, каждый из которых подсоединен параллельно переключающему элементу в обратном направлении проводимости и схему запуска, которая подключена к управляющим входам переключающих элементов. Работа устройства основана на использовании пассивного демпфирующего ферритового кольца,имеющего нелинейную гистерезисную характеристику перемагничивания, в зависимости от величины протекающего тока. Ферритовое кольцо конструктивно размещается на одном из силовых выводов коммути 3 529 рующего силового элемента. Это устройство за счет электромагнитного эффекта перемагничивания ферритового кольца позволяет обеспечить задержку времени включения тока относительно спада питающего напряжения на переключающем элементе, равную времени его выключения. В то же время, несмотря на использование ферритовых колец для обеспечения фазового сдвига тока, так же как и использование других видов пассивных фазосдвигающихи- ячеек, они не позволяют исключить потери, вызванные разрядом выходной емкости переключаемого транзистора и исключить несинхронность переключения коммутационных элементов. Кроме того, часть энергии, затрачиваемая на динамическое перемагничивание ферритового кольца, расходуется на его разогрев, что также не позволяет обеспечить достижение максимальных надежности и КПД высокочастотного преобразования инвертора. Кроме того, энергия, накопленная за время коммутации в ферритовых кольцах, является источником дополнительных потерь, оказывающих влияние на спектральный состав выходного напряжения и область чувствительности переключения коммутационных пар. Более эффективны в применении устройства индукционного нагрева, использующие в своем составе цепи, основанные на схемотехнических методах формирования автоматически регулируемой задержки включения транзистора по закону изменения длительности рассасывания избыточного заряда в базе выключаемого транзистора. Такие устройства позволяют обеспечить высокую надежность и оптимальное управление переключением, при котором достигается максимальный КПД преобразования инвертора при изменяющихся питающем напряжении, сопротивлении нагрузки и температуре окружающей среды. Так, например, известна структурная схема генератора с автоматическим устранением сквозных токов 5, содержащая последовательно соединенные между собой и источником питания два транзисторных ключевых элемента, зашунтированных диодами в направлении обратной проводимости, индуктор, представляющий собой последовательно соединенные катушку индуктивности и компенсирующий конденсатор, подключенный между узлами соединения упомянутых ключевых элементов и шиной питания, а также схему управления, включающую задающий генератор, выход которого подключен через распределитель импульсов к -входам первого и второго триггеров управления, -входы которых подключены к выходам первого и второго датчиков тока непосредственно и через один вход схемы ИЛИ, второй вход которой подсоединен к одному выходу упомянутого распределителя импульсов, а выходы триггеров управления подключены через первый и второй датчики тока к базовым выводам ключевых элементов. Это устройство, работа которого основана на формировании переменного интервала задержки равного времени рассасывания избыточных зарядов в базе транзисторов, позволяет улучшить динамику переключения коммутирующих элементов и уменьшить влияние паразитной модуляции выходного напряжения. Однако ввиду того, что в устройстве используется генератор с фиксированной тактовой частотой, формирование импульсов управления с длительностью равной длительности протекания тока через транзистор в прямом направлении, независимо от значения фазового угла рассогласования нагрузочного резонансного контура, не обеспечивается поддержание высокого коэффициента мощности во всем диапазоне изменения используемых нагрузочных ферромагнитных материалов, что снижает КПД и надежность высокочастотного преобразователя энергии. Из известных технических решений по технической сущности наиболее близким является инверторное индукционное нагревательное устройство 6, принятое за прототип. Известное инверторное индукционное нагревательное устройство содержит два последовательно соединенных ключевых коммутирующих элемента, зашунтированных диодами с проводимостью в обратном направлении, два последовательно соединенных компенсирующих конденсатора, свободные выводы которых подключены к силовым выводам ключевых коммутирующих элементов и сглаживающего конденсатора,подключенного к выходным шинам выпрямителя, входы которого соединены с генератором сетевого переменного напряжения, индуктор, включенный между узлами соединения упомянутых ключевых коммутирующих элементов и компенсирующих конденсаторов, а также схему управления, состоящую из первого и второго трехвходовых элементов ИЛИ-НЕ, выходы которых через первое и второе согласующие устройства подключены к управляющим входам коммутирующих элементов и через формирователь разностного сигнала, выполненного на двухвходовом элементе ИЛИ-НЕ, к первому входу элемента задержки, выполненного на двухвходовом элементе И, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, входы которого подключены к датчикам напряжения выпрямителя и узлового соединения коммутирующих элементов, а выход элемента задержки подключен к первым входам трехвходовых элементов ИЛИ-НЕ, счетного триггера и устройства синхронизации, выход которого подключен к второму входу счетного триггера, а второй вход устройства синхронизации соединен с времязадающим конденсатором и первым входом компаратора, выход которого соединен с вторыми входами трехвходовых элементов ИЛИ-НЕ, второй вход компаратора подключен к управляемому источнику опорного напряжения, а прямой и инверсный выходы счетного триггера подключены к третьим входам первого и второго трехвходовых элементов ИЛИ-НЕ соответственно. Устройство-прототип построено по замкнутой структуре двухтактного генерирования резонансных колебаний и реализует пороговый амплитудно-фазовый способ формирования защитного интервала в парафаз 4 529 ной широтно-импульсной последовательности, подаваемой на управляющие входы коммутирующих транзисторных элементов. Такое структурное построение индукционного нагревательного устройства позволяет повысить надежность за счет формирования защитного интервала, при котором за временное положение фронта управляющего импульса принимается точка пересечения током области нулевого уровня при заданной частоте управляющих воздействий. Защитный интервал позволяет исключить условия возникновения сквозных токов при переключении коммутационных элементов. Однако использованный пороговый метод его формирования не позволяет исключить амплитудно-временную деформацию отсчетных значений, и тем самым обеспечить оптимальные фазовые условия коммутации, при которых минимизируется динамическая составляющая потерь КПД, поскольку на условия переключения коммутирующих элементов оказывают влияние не только изменяющиеся значения питающего напряжения и тока, протекающего в нагрузочном резонансном контуре, но и характер внутреннего динамического изменения свойств коммутационных элементов при изменяемых внешних электрофизических параметрах нагрузочного контура. В силу этого обстоятельства известное устройство имеет ограничение в достижении максимального КПД преобразования энергии и высокой эксплуатационной надежности. Более рациональными являются устройства, позволяющие исключить зависимость фазовых условий коммутации переключающих элементов от действия дестабилизирующих факторов, возникающих в результате изменения резонансной частоты, температурных режимов, питающего напряжения и тока, протекающего в нагрузочном контуре и т.п., оказывающие существенное влияние на процессы переключения, приводящие к снижению надежности и КПД преобразования энергии. Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности и КПД двухтактного преобразования энергии путем уменьшения динамической составляющей потерь. Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство индукционного нагрева, содержащее последовательно соединенные первый и второй ключевые коммутирующие элементы, зашунтированные диодами в обратном направлении проводимости, последовательно соединенные первый и второй компенсирующие конденсаторы, свободные выводы которых подключены к силовым выводам первого и второго ключевых коммутирующих элементов и сглаживающего конденсатора, подключенного к выходным шинам выпрямителя, входные шины которого соединены с генератором сетевого переменного напряжения, индуктор, включенный между узлами соединения упомянутых ключевых коммутирующих элементов и компенсирующих конденсаторов, компаратор, первый и второй трехвходовые логические элементы ИЛИ-НЕ, первые входы которых подключены к прямому и инверсному выходам счетного триггера соответственно, а выходы через первое и второе согласующие устройства подключены к управляющим входам первого и второго ключевых коммутирующих элементов и к первому и второму входам формирователя разностного сигнала, выполненного на логическом элементе ИЛИ-НЕ, отличающееся тем, что дополнительно содержит подключенный к шине генератора сетевого переменного напряжения блок задания уровня мощности с шиной управления, подключенный к узловой точке соединения первого и второго ключевых коммутирующих элементов датчик тока, двухвходовые усилитель-ограничитель и двухполупериодный интегратор, одновходовые двухполупериодный амплитудный детектор, интегратор, синхронный детектор, формирователь импульсов запуска, а формирователь разностного сигнала выполнен трехвходовым, причем выход блока задания уровня мощности с шиной управления подключен к третьему входу формирователя разностного сигнала, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго трехвходовых логических элементов ИЛИ-НЕ и с установочным входом счетного триггера, противофазные выходы датчика тока последовательно через двухвходовые усилитель-ограничитель и двухполупериодный интегратор, выход которого через двухполупериодный амплитудный детектор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого по цепи обратной связи соединен последовательно через интегратор и синхронный детектор с выходом компаратора, связанным через формирователь импульсов запуска с третьими входами первого и второго трехвходовых логических элементов ИЛИ-НЕ и синхронизирующим входом счетного триггера. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства индукционного нагрева на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство индукционного нагрева (фиг. 1) содержит генератор 1 сетевого переменного напряжения выпрямитель 2 сглаживающий конденсатор 3 последовательно соединенные компенсирующие конденсаторы 4 и 5 шина 6 управления пуск блока 7 задания уровня мощности формирователь 8 разностного сигнала, выполненный на трехвходовом логическом элементе ИЛИ-НЕ первый и второй трехвходовые логические элементы 9 и 10 ИЛИ-НЕ счетный триггер 11, выполненный на основе -триггера первое согласующее устройство 12 первый ключевой коммутирующий элемент 13, зашунтированный диодом 14 в обратном направлении проводимости индуктор 15 датчик 16 тока, выполненный по трансформаторной схеме с двумя согласно включенными обмотками и заземленной средней точкой двухвходовый усилительограничитель 17 двухвходовый двухполупериодный интегратор 18, с постоянной времени 1 интегрирования одновходовый двухполупериодный амплитудный детектор 19 компаратор 20 синхронный детектор 21 5 529 интегратор 22 с постоянной времени интегрирования 21 формирователь 23 импульсов запуска второе согласующее устройство 24 второй ключевой коммутирующий элемент 25, зашунтированный диодом 26 в обратном направлении проводимости. На фиг. 2 представлены 2 а. - управляющая двоичная последовательность с постоянным периодом Т повторения и сигналом разрешение задания уровня мощности, длительность Тр которого определяется выбранной уставкой мощности 2 б. - сигнал управления, поступающий с выхода формирователя 8 разностного сигнала, 2 в. - импульсная последовательность, формируемая на прямом выходе счетного триггера 11 2 г. сигнал, поступающий с выхода первого трехвходового логического элемента 9 ИЛИ-НЕ 2 д. - управляющий сигнал, поступающий с выхода первого согласующего устройства 12, 2 е. - изменение тока, снимаемого с противофазных выходов датчика 16 тока 2 ж., и. - парафазные последовательности прямоугольных импульсов с нормированным амплитудным значением напряжения , поступающие с первого и второго выходов усилителя-ограничителя 17 2 к. - пилообразное напряжение с изменяемой полярностью относительно среднего уровня , и амплитудным размахом д, формируемое двухвходовым двухполупериодным интегратором 18 2 л., эпюра 1 - напряжение пилообразной формы, формируемое двухполупериодным амплитудным детектором 19 с удвоенной частотой и амплитудным значением равным д/2 2 л. эпюра 2 - сигнал с выхода интегратора 22, поступающий на второй вход компаратора 20 2 м. - сигналы равенства напряжений, формируемые на выходе компаратора 20 2 н. - управляющие сигналы, поступающие с выхода формирователя 23 импульсов запуска 2 п. - импульсная последовательность, формируемая на инверсном выходе счетного триггера 11 2 р. - сигнал, поступающий с выхода второго трехвходового логического элемента 10 ИЛИ-НЕ 2 с. управляющий сигнал, поступающий с выхода второго согласующего устройства 24. Устройство индукционного нагрева реализует интегральный способ формирования момента опережения запирающих воздействий относительно моментов изменения знака тока в резонансном контуре, что позволяет исключить зависимость фазовых условий коммутации переключающих элементов от действия дестабилизирующих факторов, улучшить синхронность их переключения и спектральный состав генерируемых колебаний, что, в свою очередь, уменьшает динамическую составляющую потерь, и повышает его эксплуатационную надежность. Работает устройство индукционного нагрева следующим образом. В исходном состоянии сетевое переменное напряжение частотой 50 Гц, поступающее с генератора 1 через выпрямитель 2 заряжает сглаживающий конденсатор 3 до амплитудного значенияи компенсирующие конденсаторы 4 и 5 до значения /2. После подачи управляющего воздействия пуск на входную шину 6 блока 7 задания уровня мощности,синхронизированного частотой питающей сети, на его выходе вырабатывается управляющая двоичная последовательность (фиг. 2 а.) с постоянным периодом Т повторения и сигналом разрешение, длительность Тр которого задается выбранной уставкой мощности. Этот сигнал поступает на третий вход формирователя 8 разностного сигнала, выполненного на трехвходовом логическом элементе ИЛИ-НЕ, который инициирует на его выходе низкий уровень напряжения (фиг. 2 б.), передаваемый на вторые входы первого и второго трехвходовых логических элементов 9 и 10 ИЛИ-НЕ и на управляющий вход счетного триггера 11, предварительно установленного по прямому выходу в состояние низкого уровня (фиг. 2 в.). Сигналом управления,поступающим с выхода формирователя 8 с момента 1 разрешается прохождение сигнала с прямого выхода триггера 11 через первый трехвходовый логический элемент 9 ИЛИ-НЕ (фиг. 2 г.) и первое согласующее устройство 12 (фиг. 2 д.) для начального запуска первого ключевого коммутирующего элемента 13, зашунтированного диодом 14. Сигналом, поступающим на управляющий вход ключевого коммутирующего элемента 13 последний открывается, вызывая протекание тока через индуктор 15 и перезарядку конденсаторов 4 и 5,первоначально заряженных до амплитудного значения /2. Это изменение тока (фиг. 2 е.) воспринимается датчиком 16 тока, вход которого подключен к узловой точке соединения ключевого коммутирующего элемента 13 и индуктора 15. Датчик 16 тока выполнен по трансформаторной схеме с двумя согласно включенными обмотками и заземленной средней точкой и имеет два противофазных выхода. Датчик 16 тока передает по своим выходам в противофазе изменение тока индуктора с заданным коэффициентом пропорциональности на входы двухвходового усилителя-ограничителя 17, который формирует на своих выходах две парафазные последовательности прямоугольных импульсов (фиг. 2 ж.,и.) с нормированной амплитудойи длительностями 1, равными времени перезаряда конденсаторов 4 и 5, отсчитываемого относительно уровня тока нулевого значения. Начиная с момента 1 эти последовательности преобразуются двухполупериодным интегратором 18, имеющим постоянную времени интегрирования 1, в линейно возрастающее и линейно спадающее пилообразное напряжение (фиг. 2 к.) с амплитудным размахом д и изменяемой полярностью относительно среднего амплитудного уровня . Это напряжение с выхода двухполупериодного интегратора 18 поступает на вход двухполупериодного амплитудного детектора 19, который удваивает его частоту (фиг. 2 л., эпюра 1) с амплитудным значением, превышающим значениена величину д/2. При этом длительности фронта и спада пилообразного сигнала определяются моментами измене 6 529 ния знака тока, протекающего через индуктор 15. Последовательность сигналов пилообразного напряжения с выхода двухполупериодного амплитудного детектора 19 поступает на первый вход компаратора 20, выполняющего операцию сравнения напряжений с начально установленным на его втором входе опорным напряжением 0 (фиг. 2 л.). При равенстве значений нарастающего пилообразного напряжения, поступающего с выхода двухполупериодного амплитудного детектора 19 и начально установленного опорного напряжения 0 в момент времени 2 произойдет первое срабатывание компаратора 20 и на его выходе вырабатывается фронт сигнала равенства(фиг. 2 м.) поступающего на вход синхронного детектора 21. Для начального запуска ключевых коммутирующих элементов значение 0 выбирается из условия д/20. Это условие определяет выбор временного положения момента 2 выключения первого ключевого коммутирующего элемента 13 двухтактного полумостового высокочастотного преобразователя энергии. Сигналом равенства, поступающим на вход синхронного детектора 21 обеспечивается автоматическое поддержание напряжения смещения постоянного уровня в рабочей области 0 для устойчивой работы цепи обратной связи компаратора 20. Кроме того, одновременно с появлением сигнала равенства на выходе компаратора 20 по цепи обратной связи через синхронный детектор 21, на интеграторе 22, имеющего постоянную времени интегрирования 21, формируется новое значение опорного напряжения 00, которое поступает на второй вход компаратора 20. Значение 0 сравнивается с линейно спадающим напряжением и при их равенстве в момент времени 3 происходит второе срабатывание компаратора 20, возвращая его в исходное состояние. При отсутствии воздействия пилообразного напряжения на первом входе компаратора 20 с момента времени 3 происходит некоторый разряд конденсатора интегратора 22 с постоянной времени 2 и на втором входе компоратора 20 устанавливается значение опорного напряжения 00, которое сравнивается с последующим линейно нарастающим напряжением и при их равенстве в момент времени 4 произойдет очередное срабатывание компаратора 20. С момента времени 4 инвертор входит в режим устойчивого генерирования высокочастотных колебаний. Одновременно с появлением сигнала равенства (фиг. 2 м.) по его фронту в момент времени 2 формирователь 23 вырабатывает импульс запуска (фиг. 2 н.) с фиксированной длительностью , которые подаются на синхронизирующий вход счетного триггера 11 и на третьи входы первого и второго трехвходовых логических элементов 9 и 10 ИЛИ-НЕ. Длительностьимпульса запуска и момент 2 его формирования выбирается из априорных знаний переходных характеристик ключевых коммутирующих элементов и режимов работы нагрузочного резонансного контура и определяется условиями исключения сквозных токов, возникающих при переключении ключевых элементов, и завершении переходных процессов, обусловленных временем перезаряда внутренних емкостей остаточным током индуктивности индуктора 15. Коммутационный цикл начинается с поступлением импульса запуска на синхронизирующий вход триггер 11, который изменяет свое состояние, выключая первый ключевой коммутирующий элемент 13 инвертора(фиг. 2 в.), и на его инверсном выходе устанавливается низкий уровень напряжения (фиг. 2 п.). Низкий уровень напряжения передается на первый вход второго трехвходового логического элемента 10 ИЛИ-НЕ, подготавливая его для передачи управляющего сигнала с инверсного выхода триггера 11 на второй ключевой коммутирующий элемент 25. По окончанию действия импульса запуска, определяемого длительностью ,по его спаду управляющий сигнал с инверсного выхода счетного триггера 11 через второй трехвходовый логический элемент 10 ИЛИ-НЕ (фиг. 2 р.) и второе согласующее устройство 24 (фиг. 2 с.) открывает второй ключевой элемент 25, зашунтированный диодом 26, тем самым завершая коммутационный цикл переключения ключевых элементов. Периодичность коммутационных циклов переключения ключевых коммутирующих элементов определяется частотой собственных колебаний силового резонансного контура зависящей от значений компенсирующих емкостей, электромагнитных параметров индуктора и величины пульсаций выпрямленного питающего напряжения. Такой режим устойчивой генерации высокочастотных колебаний продолжается до окончания действия сигнала разрешение (фиг. 2 а.), поступающего с выхода блока 7 задания уровня мощности. С приходом импульса запуска на третьи входы трехвходовых логических элементов 9 и 10 ИЛИ-НЕ следующим за окончанием сигнала разрешение произойдет установка на их выходах низкого уровня напряжения, которое через согласующее устройство 12 и 24 произведет одновременное выключение ключевых коммутационных элементов 13 и 25, а также через первый и второй входы формирователя 8 разностного сигнала сформирует сигнал запрета для прохождения сигналов управления, поступающих с выхода триггера 11, и установит его в исходное состояние. Работа инвертора в этом коммутационном цикле прервется до прихода следующего сигнала разрешение очередного такта управляющей двоичной последовательности,поступающей с выхода блока 7 задания уровня мощности. 529 Регулирование выходной мощности будет осуществляться путем изменения длительности Тр сигнала разрешение относительно постоянного периода Т управляющей двоичной последовательности, синхронизированной частотой питающей сети. Такой режим работы устройства индукционного нагрева заканчивается после снятия управляющего воздействия пуск с входной шины 6 блока 7 задания уровня мощности. Таким образом, предложенное устройство индукционного нагрева, в отличие т известных, реализующих амплитудно-фазовые способы формирования защитных интервалов, связанных с фиксацией моментов прохождения коммутируемого тока через уровень нулевого значения, использует интеральный способ, при котором осуществляется формирование опережающих коммутационных воздействий переключения ключевых элементов двухтактного инвертора, по отношению к моментам изменения знака тока, протекающего через индуктор. Такое техническое решение позволяет исключить флуктуации порога чувствительности переключения ключевых коммутирующих элементов, в зависимости от изменения электрофизических параметров двухтактного инвертора, и снизить динамическую составляющую потерь при коммутации ключевых элементов,что, в свою очередь, повышает на 35 КПД преобразования высокочастотной энергии и надежность устройства. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 8

МПК / Метки

МПК: H05B 6/06, H05B 6/12

Метки: устройство, нагрева, индукционного

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/8-u529-ustrojjstvo-indukcionnogo-nagreva.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Устройство индукционного нагрева</a>

Похожие патенты