RU2460246C1

RU2460246C1 - Conversion device for induction heating based on parallel bridge resonant inverter and method to control conversion device for induction heating based on parallel bridge resonant inverter

Info

Publication number: RU2460246C1
Application number: RU2011101086/07A
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Петров (RU); Александр Юрьевич Петров; Виктор Васильевич Шипицын (RU); Виктор Васильевич Шипицын; Владислав Игоревич Лузгин (RU); Владислав Игоревич Лузгин; Илья Викторович Черных (RU); Илья Викторович Черных; Иван Михайлович Труфакин (RU); Иван Михайлович Труфакин
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-08-27
Also published as: RU2011101086A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: conversion device for induction heating based on a parallel bridge resonant inverter comprises two valve bridges on four controlled valves with DC and AC diagonals, parts of a throttle of an oscillating circuit, a source of supply, two capacitors, a double-winding inductor, semi-windings of which are arranged on a side surface of a crucible along the axis of the inductor and perpendicularly to this axis in an alternating sequence. In a control system in process of charge melting high-frequency single-phase electromagnetic field is generated, and in process of electromagnetic mixing and heating of a melted metal, double-frequency double-phase electromagnetic field is generated: low-frequency electromagnetic field with high-frequency modulation. By low frequency the electromagnetic field generated by the second valve bridge is shifted by 90° el. relative to the first valve bridge.

EFFECT: generation of a high-frequency single-phase electromagnetic field at the stage of metal melting and double-frequency double-phase electromagnetic field at the stage of electromagnetic mixing of melted metal and its heating with one conversion device, simplification and reduction of losses.

2 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для индукционного нагрева и плавки металла.The present invention relates to a conversion technique and can be used for induction heating and melting of metal.

Техническим результатом является генерирование преобразовательным устройством высокочастотного однофазного электромагнитного поля на этапе расплавления металла и генерирование тем же самым преобразовательным устройством двухчастотного двухфазного электромагнитного поля на этапе электромагнитного перемешивания расплавленного металла и его подогрева, а также упрощение и снижение потерь.The technical result is the generation by the converter of a high-frequency single-phase electromagnetic field at the stage of metal melting and the generation by the same converter of a two-frequency two-phase electromagnetic field at the stage of electromagnetic mixing of the molten metal and its heating, as well as simplification and reduction of losses.

Известно применение для индукционного нагрева металлов электромагнитного поля, генерируемого промышленной сетью 50 Гц (Л.1 Вайнберг A.M. Индукционные печи. - М.: Энергия, 1967 г.) и тиристорных преобразователей повышенной частоты (Л.2 Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е.И.Беркович и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983), что является аналогами предлагаемому изобретению. Оба упомянутых аналога позволяют генерировать лишь одночастотное электромагнитное поле. В то же время известно, что при плавке металла в одночастотном электромагнитном поле металл под действием электромагнитных сил движется по двум контурам в верхней и нижней частях индуктора, что улучшает качество металла, но недостаточно эффективно. Для повышения эффективности нагрева, плавления и улучшения качества металла необходимо многофазное двухчастотное поле, что обеспечивает один общий контур перемешивания металла (Л.3 Приложение 1. Шамов А.Н. и др. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л.: Машиностроение, (Ленингр. отд-ние), 1974, стр.45, рис.22, стр.46).Known application for induction heating of metals of the electromagnetic field generated by an industrial network of 50 Hz (L.1 Weinberg AM Induction furnaces. - M .: Energy, 1967) and high-frequency thyristor converters (L.2 High-frequency thyristor converters for electrotechnological installations / EI Berkovich et al. - 2nd ed., Revised and enlarged - L .: Energoatomizdat. Leningrad Department, 1983), which are analogues of the invention. Both of these analogs allow you to generate only a single-frequency electromagnetic field. At the same time, it is known that when melting metal in a single-frequency electromagnetic field, metal under the action of electromagnetic forces moves along two circuits in the upper and lower parts of the inductor, which improves the quality of the metal, but not efficiently enough. To increase the efficiency of heating, melting, and improving the quality of the metal, a multiphase two-frequency field is necessary, which provides one common metal mixing circuit (L.3 Appendix 1. Shamov AN and others. Design and operation of high-frequency installations. Edition. 2 nd, additional . and revised Leningrad: Mechanical Engineering, (Leningrad Department), 1974, p. 45, fig. 22, p. 46).

В Л.1 для этого предлагается использовать два генератора. Для нагрева металла использовать высокочастотный генератор, а для электромагнитного перемешивания - низкочастотный трехфазный генератор. Однако это требует в течение электротехнологического процесса плавления металла переключений в силовых цепях, что усложняет и удорожает нагревательное оборудование. Таким образом, аналоги предлагаемого изобретения не позволяют достичь заявленного технического результата, т.е. генерировать одним преобразовательным устройством высокочастотное однофазное электромагнитное поле на этапе расплавления металла и генерировать тем же самым преобразовательным устройством двухчастотное двухфазное электромагнитное поле на этапе электромагнитного перемешивания расплавленного металла и его подогрева, а также упрощение и снижение потерь. Поэтому в качестве прототипа выбран параллельный мостовой резонансный инвертор (Л.2, Приложение 2, стр.16, рис.2.1, стр.30, 31, 32, рис.2.10). На упомянутом рис.2.1 изображен не параллельный резонансный инвертор, а параллельный инвертор тока, но на стр.30, 31 и 32 в Л.2 отмечается, что при изменении параметров параллельного инвертора тока, а именно при уменьшении индуктивности входного дросселя L_d параллельный инвертор тока превращается в параллельный резонансный инвертор, в котором ток управляемых вентилей изменяется по колебательному закону и поэтому имеет место режим естественного выключения управляемых вентилей (в данном случае однооперационных тиристоров). В предлагаемом изобретении выбран именно резонансный режим работы прототипа, т.е. уменьшена индуктивность входного дросселя. Кроме того, упомянутая индуктивность выполнена из четырех частей, каждая из которых включена последовательно с одним из четырех тиристоров, при этом режим естественного выключения тиристоров сохраняется. Однако прототип также не обеспечивает достижение заявленного выше упомянутого технического результата.In L.1, it is proposed to use two generators for this. To heat the metal, use a high-frequency generator, and for electromagnetic stirring, use a low-frequency three-phase generator. However, this requires switching in power circuits during the electrotechnological process of metal melting, which complicates and increases the cost of heating equipment. Thus, the analogues of the invention do not allow to achieve the claimed technical result, i.e. generate a high-frequency single-phase electromagnetic field with a single converter device at the stage of metal melting and generate a two-frequency two-phase electromagnetic field with the same converter device at the stage of electromagnetic mixing of the molten metal and its heating, as well as simplification and reduction of losses. Therefore, a parallel bridge resonant inverter was selected as a prototype (L.2, Appendix 2, p.16, fig.2.1, p.30, 31, 32, fig.2.10). The aforementioned Fig. 2.1 does not depict a parallel resonant inverter, but a parallel current inverter, but on pages 30, 31 and 32 in A.2 it is noted that when the parameters of the parallel current inverter are changed, namely, when the inductance of the input inductor L _d decreases, the parallel inverter current turns into a parallel resonant inverter, in which the current of the controlled valves changes according to the oscillatory law and therefore there is a natural shutdown mode of the controlled valves (in this case, single-operation thyristors). In the present invention, the resonant mode of operation of the prototype was chosen, i.e. reduced inductance of the input choke. In addition, the mentioned inductance is made of four parts, each of which is connected in series with one of the four thyristors, while the thyristor natural shutdown mode is maintained. However, the prototype also does not ensure the achievement of the above-mentioned technical result.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания преобразовательного устройства на основе параллельного мостового резонансного инвертора, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в возможности генерирования одним преобразовательным устройством высокочастотного однофазного электромагнитного поля на этапе расплавления металла и генерирования тем же самым преобразовательным устройством двухчастотного двухфазного электромагнитного поля на этапе электромагнитного перемешивания расплавленного металла и его подогрева, а также упрощения и снижения потерь.The present invention solves the problem of creating a conversion device based on a parallel bridge resonant inverter, the implementation of which allows to achieve the claimed technical result, which consists in the possibility of generating one high-frequency single-phase electromagnetic field at the stage of metal melting and the same converting device to generate a two-frequency two-phase electromagnetic field at the stage electromagnetic stirring molten metal and heating, as well as simplification and reduction of losses.

Сущность предлагаемого изобретения - преобразовательного устройства для индукционного нагрева - заключается в том, что к первому вентильному мосту, состоящему из четырех управляемых вентилей, четырех дросселей колебательного контура, конденсатора и индуктора, дополнительно введен аналогичный второй вентильный мост, при этом два индуктора двух вентильных мостов объединены в один двухобмоточный индуктор, содержащий две полуобмотки первую и вторую, каждая из которых соединена с одним из конденсаторов двух вентильных мостов и выполнена из двух частей, последовательно соединенных между собой, при этом части первой и второй полуобмоток расположены на поверхности тигля индуктора с чередованием частей первой и второй полуобмоток.The essence of the invention - a converter device for induction heating - lies in the fact that the first valve bridge, consisting of four controlled valves, four chokes of the oscillatory circuit, capacitor and inductor, is additionally introduced a similar second valve bridge, while the two inductors of the two valve bridges are combined into one double-winding inductor, containing two first and second half-windings, each of which is connected to one of the capacitors of two valve bridges and is made of two parts, serially connected to each other, wherein the first and second parts are arranged on the surface poluobmotok crucible inductor with alternating first and second parts poluobmotok.

Известен способ управления одномостовым параллельным инвертором, который заключается в попеременном отпирании противофазных вентилей и обеспечивает генерирование только одночастотного однофазного электромагнитного поля (Л.2. Приложение 3, стр.16, 17, рис.2.2). Этот способ является аналогом предлагаемому изобретению, однако он не обеспечивает достижение заявленного технического результата.A known method of controlling a single-bridge parallel inverter, which consists in alternately unlocking the antiphase valves and provides the generation of only a single-frequency single-phase electromagnetic field (L.2. Appendix 3, p.16, 17, Fig.2.2). This method is analogous to the invention, however, it does not ensure the achievement of the claimed technical result.

Известен также способ управления двухчастотным преобразовательным устройством, который обеспечивает генерирование только двухчастотного электромагнитного поля (Л.4. Патент РФ на изобретение №2231906. Автономный полумостовой инвертор и способ управления работой автономного полумостового инвертора. Формула изобретения к патенту: стр.2, п.2; описание изобретения к патенту: стр.10, сущность изобретения способа управления; стр.21, 22, фиг.2, ось М.). Этот способ принят в качестве прототипа, однако он также не обеспечивает достижение заявленного технического результата.There is also a method of controlling a two-frequency converter device, which provides the generation of only a two-frequency electromagnetic field (L.4. RF patent for the invention No. 2231906. An autonomous half-bridge inverter and a method for controlling the operation of an autonomous half-bridge inverter. The formula of the invention to the patent: page 2, p. 2 ; description of the invention to the patent: p. 10, the essence of the invention of the control method; p. 21, 22, figure 2, axis M.). This method is adopted as a prototype, however, it also does not ensure the achievement of the claimed technical result.

Таким образом, и аналоги, и прототипы не обеспечивают достижение заявленного технического результата.Thus, both analogues and prototypes do not ensure the achievement of the claimed technical result.

Предлагаемое изобретение «Преобразовательное устройство для индукционного нагрева на основе параллельного мостового резонансного инвертора и способ управления преобразовательным устройством для индукционного нагрева на основе параллельного мостового резонансного инвертора» позволяет достичь заявленного технического результата.The present invention "Converter device for induction heating based on a parallel bridge resonant inverter and method of controlling a converter device for induction heating based on a parallel bridge resonant inverter" allows to achieve the claimed technical result.

Сущность предлагаемого изобретения - способа управления преобразовательного устройства для индукционного нагрева на основе параллельного мостового резонансного инвертора заключается в генерировании высокочастотного однофазного электромагнитного поля при плавлении шихты индуктора и генерировании двухчастотного двухфазного электромагнитного поля, а именно низкочастотного с модуляцией по высокой частоте электромагнитного поля при электромагнитном перемешивании расплавленного металла и его подогреве.The essence of the present invention is a control method of a converter device for induction heating based on a parallel bridge resonant inverter. It consists in generating a high-frequency single-phase electromagnetic field when melting the inductor charge and generating a two-frequency two-phase electromagnetic field, namely, a low-frequency one with high-frequency modulation of the electromagnetic field during electromagnetic mixing of molten metal and its heating.

Таким образом, заявленное устройство и заявленный способ управления устройством обеспечивают достижение заявленного технического результата.Thus, the claimed device and the claimed method of controlling the device ensure the achievement of the claimed technical result.

На фиг.1 приведено предлагаемое устройство для индукционного нагрева на основе параллельного мостового резонансного инвертора, которое содержит источник постоянного напряжения, два вентильных моста, два конденсатора 9, 20, двухобмоточный индуктор и тигель 23, при этом первый вентильный мост состоит из четырех управляемых вентилей 1, 2, 3, 4, а второй вентильный мост состоит из четырех управляемых вентилей 12, 13, 14, 15, при этом последовательно с каждым из управляемых вентилей первого и второго вентильных мостов 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 соединены соответственно части дросселя колебательного контура 5, 6, 7, 8 и 16, 17, 18, 19, при этом оба упомянутые вентильные мосты имеют диагонали постоянного и диагонали переменного тока, при этом диагонали постоянного тока обоих вентильных мостов подсоединены к источнику постоянного напряжения с такой полярностью, чтобы управляемые вентили 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 были включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, при этом к диагоналям переменного тока первого вентильного моста подсоединен первый конденсатор 9, а к диагоналям переменного тока второго вентильного моста подсоединен второй конденсатор 20, при этом параллельно первому конденсатору 9 подсоединена первая полуобмотка индуктора 10-11, которая состоит из двух последовательно соединенных частей 10 и 11, при этом параллельно второму конденсатору 20 подсоединена вторая полуобмотка индуктора 21-22, которая состоит из двух последовательно соединенных частей 21 и 22, при этом упомянутые части полуобмоток 10, 11 и 21, 22 на боковой поверхности тигля 23 двухобмоточного индуктора 10-21-11-22, начиная с верха этого индуктора, расположены вдоль оси упомянутого двухобмоточного индуктора перпендикулярно этой оси в следующем порядке: первая часть 10 первой полу обмотки 10-11, первая часть 21 второй полуобмотки 21-22, вторая часть 11 первой полуобмотки 10-11, вторая часть 22 второй полуобмотки 21-22.Figure 1 shows the proposed device for induction heating based on a parallel bridge resonant inverter, which contains a constant voltage source, two valve bridges, two capacitors 9, 20, a double winding inductor and a crucible 23, while the first valve bridge consists of four controlled valves 1 , 2, 3, 4, and the second valve bridge consists of four controllable valves 12, 13, 14, 15, while in series with each of the controlled valves of the first and second valve bridges 1, 2, 3, 4, and 12, 13, 14 , 15 connected respectively These are essentially parts of the choke of the oscillatory circuit 5, 6, 7, 8 and 16, 17, 18, 19, while both of these valve bridges have constant and alternating diagonals, while the direct current diagonals of both valve bridges are connected to a constant voltage source with such polarity so that the controlled valves 1, 2, 3, 4 and 12, 13, 14, 15 are turned on in the forward direction with respect to the polarity of the DC voltage source, while the first capacitor 9 is connected to the diagonals of the alternating current of the first valve bridge, and to the diagonal m of alternating current of the second valve bridge connected to the second capacitor 20, while parallel to the first capacitor 9 is connected to the first half winding of the inductor 10-11, which consists of two series-connected parts 10 and 11, while the second half winding of the inductor 21-22 is connected in parallel to the second capacitor 20, which consists of two series-connected parts 21 and 22, while the said parts of the semi-windings 10, 11 and 21, 22 on the side surface of the crucible 23 of the double-winding inductor 10-21-11-22, starting from the top of this inductor, are laid along the axis of the two-winding inductor perpendicular to this axis in the following order: the first part 10 of the first half of the winding 10-11, the first part 21 of the second half-winding 21-22, the second part 11 of the first half-winding 10-11, the second part 22 of the second half-winding 21-22.

Устройство работает следующим образом, при этом работа устройства состоит из двух режимов. В первом режиме, оптимальном для расплавления шихты тигля 23 формируют высокочастотное однофазное электромагнитное поле, при этом синхронно отпирают со сдвигом в 180° эл. по высокой частоте противофазные вентили 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 двух параллельных вентильных мостов, что обеспечивает максимально возможную мощность двух упомянутых вентильных мостов и быстрое расплавление шихты, находящейся в тигле 23 индуктора. Во втором режиме для подогрева шихты и оптимального электромагнитного перемешивания формируют с помощью вентилей 1, 2, 3, 4 и 12, 13, 14, 15 двухчастотное двухфазное электромагнитное поле, для этого сначала многократно открывают и закрывают каждый вентиль одной фазы в первом вентильном мосту, например, вентили 1, 4, затем многократно открывают и закрывают каждый вентиль другой фазы в этом же вентильном мосту, а именно вентили 2, 3, при этом формируют низкочастотное электромагнитное поле с модуляцией по высокой частоте, причем во втором вентильном мосту с помощью вентилей 12, 15 и 13, 14 также подобным образом формируют низкочастотное электромагнитное поле с модуляцией по высокой частоте, сдвинутое на 90° эл. по низкой частоте по отношению к первому вентильному мосту.The device operates as follows, while the operation of the device consists of two modes. In the first mode, which is optimal for melting the mixture of the crucible 23, a high-frequency single-phase electromagnetic field is generated, while simultaneously unlocked with a shift of 180 ° el. high-frequency antiphase valves 1, 2, 3, 4 and 12, 13, 14, 15 of two parallel valve bridges, which ensures the maximum possible power of the two valve bridges and the rapid melting of the charge in the crucible 23 of the inductor. In the second mode, for heating the charge and optimal electromagnetic mixing, two-frequency two-phase electromagnetic field is formed using valves 1, 2, 3, 4 and 12, 13, 14, 15, for this, each valve of one phase in the first valve bridge is opened and closed many times, for example, valves 1, 4, then repeatedly open and close each valve of a different phase in the same valve bridge, namely valves 2, 3, while forming a low-frequency electromagnetic field with high frequency modulation, and in the second valve via the valves 12, 15 and 13, 14 are also similarly formed a low-frequency electromagnetic field modulated at a high frequency, shifted 90 ° el. at a low frequency in relation to the first valve bridge.

Рассмотрим более детально работу устройства в двух упомянутых режимах.Let us consider in more detail the operation of the device in the two mentioned modes.

1-й режим. При заданной частоте высокочастотной составляющей электромагнитного поля и заданных параметрах индуктора 10-21-11-22, что определяется типом шихты и ее размерами, конденсаторы 9 и 20, а также дроссели 5, 6, 7, 8 и 16, 17, 18, 19 обоих вентильных мостов выбираются такими, чтобы оба вентильных моста работали в колебательном режиме с примерно синусоидальной формой тока, протекающего через вентили, который обеспечивает естественное выключение управляемых вентилей, в качестве которых использованы однооперационные тиристоры, которые, как известно, дешевле двухоперационных тиристоров и транзисторов с одинаковой установленной мощностью. При указанных выше условиях при отпирании управляемых вентилей 1, 4 первого вентильного моста и управляемых вентилей 13, 14 второго вентильного моста, ток, близкий к синусоидальному, протекает в первом вентильном мосту по контурам «+»

«-», а во втором вентильном мосту - по контурам «+»

«-», при этом примерно через полпериода заданной частоты оба упомянутых тока подходят к нулевому значению, а конденсаторы 9 и 20 первого и второго вентильных мостов заряжаются до напряжения, полярность которого показана на фиг.1 знаками «+» - «-» (конденсатор 9) и «-» - «+» (конденсатор 20), что и обеспечивает естественное выключение управляемых вентилей 1, 4 и 13, 14. На этом синхронно в первом и втором вентильных мостах заканчивается первый полупериод тока заданной частоты и формирование первого полупериода электромагнитного поля в шихте тигля 23 индуктора, при этом части полуобмоток 11, 10 и 22, 21 индуктора формируют одинаковое электромагнитное поле, условно направленное сверху вниз. При отпирании управляемых вентилей 2, 3 первого вентильного моста и управляемых вентилей 12, 15 второго вентильного моста ток, близкий к синусоидальному, протекает в первом вентильном мосту по контурам «+»

«-», в остальном процессы повторяются, при этом конденсаторы 9 и 20 перезаряжаются соответственно до напряжения противоположной полярности (-)-(+) и (+)-(-), при этом синхронно в первом и втором вентильных мостах заканчивается второй полупериод тока заданной частоты и формирование второго полупериода электромагнитного поля в шихте тигля 23 индуктора, при этом части обмоток 10, 11 и 21, 22 индуктора формируют одинаковое электромагнитное поле, условно направленное снизу вверх. При этом заканчивается полный период тока в вентильных мостах и формирование полного периода высокочастотного однофазного электромагнитного поля, которое обеспечивает интенсивный нагрев шихты в тигле 23 индуктора. Затем снова отпираются управляемые вентили 1, 4 и 13, 14 и процессы полностью повторяются. Поскольку в этом режиме не формируют низкочастотное электромагнитное поле, необходимое для электромагнитного перемешивания, вся установленная мощность двух вентильных мостов обеспечивает интенсивный нагрев шихты в тигле 23 индуктора без затрат электроэнергии на электромагнитное перемешивание, что обеспечивает максимальную мощность для нагрева шихты в тигле 23 при максимальном коэффициенте полезного действия и минимальных потерях, что, в свою очередь, обеспечивает минимальный удельный расход электроэнергии на расплавление шихты в первом режиме. При этом попеременное размещение на поверхности тигля 23 индуктора частей 10, 11 и 21, 22 первой и второй полуобмоток индуктора обеспечивает наиболее оптимальный режим работы первого и второго вентильных мостов, т.к. эквивалентное сопротивление полуобмоток 10-11 и 21-22 примерно равны по сравнению с расположением частей полуобмоток индуктора, например, в порядке 10, 11, 21, 22.1st mode. At a given frequency of the high-frequency component of the electromagnetic field and the given parameters of the inductor 10-21-11-22, which is determined by the type of charge and its size, capacitors 9 and 20, as well as chokes 5, 6, 7, 8 and 16, 17, 18, 19 both valve bridges are selected so that both valve bridges operate in an oscillatory mode with an approximately sinusoidal form of current flowing through the valves, which provides a natural shutdown of controlled valves, which are used as single-operation thyristors, which are known to be cheaper than vuhoperatsionny thyristors and transistors with the same installed power. Under the above conditions, when the controlled valves 1, 4 of the first valve bridge are unlocked and the valves 13, 14 of the second valve bridge are unlocked, a current close to sinusoidal flows in the first valve bridge along the “+” circuits

“-”, and in the second valve bridge - along the contours “+”

“-”, at the same time, after about half a period of the set frequency, both of the mentioned currents approach zero, and the capacitors 9 and 20 of the first and second valve bridges are charged to a voltage whose polarity is shown in Fig. 1 by the signs “+” - “-” (capacitor 9) and “-” - “+” (capacitor 20), which provides a natural shutdown of the controlled valves 1, 4 and 13, 14. This synchronously ends in the first and second valve bridges the first half-cycle of the current of a given frequency and the formation of the first half-cycle of the electromagnetic fields in the charge of the crucible 23 ind vector, while parts of the semi-windings 11, 10 and 22, 21 of the inductor form the same electromagnetic field, conventionally directed from top to bottom. When unlocking the controlled valves 2, 3 of the first valve bridge and the controlled valves 12, 15 of the second valve bridge, a current close to sinusoidal flows in the first valve bridge along the “+” circuits

“-”, and in the second valve bridge - along the contours “+”

“-”, otherwise the processes are repeated, while the capacitors 9 and 20 are recharged, respectively, to the voltage of opposite polarity (-) - (+) and (+) - (-), while the second current half-cycle ends synchronously in the first and second valve bridges a predetermined frequency and the formation of a second half-period of the electromagnetic field in the charge of the crucible 23 of the inductor, while parts of the windings 10, 11 and 21, 22 of the inductor form the same electromagnetic field, conventionally directed from the bottom up. This ends the full period of current in the valve bridges and the formation of the full period of the high-frequency single-phase electromagnetic field, which provides intensive heating of the charge in the crucible 23 of the inductor. Then again controlled valves 1, 4 and 13, 14 are unlocked and the processes are completely repeated. Since in this mode the low-frequency electromagnetic field necessary for electromagnetic stirring is not generated, the entire installed power of two valve bridges provides intensive heating of the charge in the inductor crucible 23 without the expense of electric energy for electromagnetic mixing, which provides maximum power for heating the charge in the crucible 23 at the maximum useful coefficient action and minimal losses, which, in turn, provides a minimum specific energy consumption for melting the charge in moat mode. Moreover, the alternate placement on the surface of the crucible 23 of the inductor of parts 10, 11 and 21, 22 of the first and second half windings of the inductor provides the most optimal mode of operation of the first and second valve bridges, because the equivalent resistance of the semi-windings 10-11 and 21-22 are approximately equal in comparison with the arrangement of the parts of the semi-windings of the inductor, for example, in the order of 10, 11, 21, 22.

2-й режим. В этом режиме формируют двухчастотное двухфазное электромагнитное поле, высокочастотная составляющая которого предназначена для подогрева расплавленного металла, а низкочастотная составляющая электромагнитного поля предназначена для электромагнитного перемешивания упомянутого металла. Для эффективного электромагнитного перемешивания необходимо задать частоту низкочастотной составляющей двухчастотного электромагнитного поля, которая определяется типом расплавленного металла и его массой, а также размерами тигля 23 индуктора. Для проведения второго режима сначала многократно открывают и закрывают вентили 1, 4 одной фазы первого вентильного моста, при этом, во-первых, система управления обеспечивает только отпирание указанных вентилей 1, 4, а закрываются они путем естественной коммутации, как отмечено выше, во-вторых, число отпираний и запираний вентилей 1, 4 одной фазы определяется соотношением частот высокочастотной f_вч и низкочастотной f_нч составляющих. Так, если

, то отпирание и запирание указанных управляемых вентилей 1, 4 производится два раза,

, то - четыре раза и т.д. Допустим, что вентили 1, 4 отпираются четыре раза. При первом отпирании вентилей 1, 4 первого вентильного моста ток протекает по следующим контурам «+»

«-», одновременно с упомянутыми вентилями отпираются управляемыми вентилями 12, 15 второго вентильного моста и ток протекает 20 по контурам «+»

«-», при этом управляемые вентили 1, 4 и 12, 15 запираются путем естественной коммутации, конденсатор 9 заряжается до напряжения с полярностью указанной на фиг.1 знаками «+» - «-», а конденсатор 20 заряжается до напряжения, полярность которого указана на фиг.1 знаками (+)-(-), при этом электромагнитное поле условно направлено от частей 11, 10 полуобмоток индуктора сверху вниз, а от частей 21, 22 полуобмоток индуктора - снизу вверх. После этого снова должны отпираться управляемые вентили 1, 4 первого моста и управляемые вентили 12, 15 второго моста. Однако они не могут открываться, т.к. напряжение на конденсаторах 9 и 20 направлено встречно по отношению к полярности напряжения источника питания постоянного напряжения, при этом напряжение на конденсаторах 9 и 20 в соответствии с принятым колебательным режимом больше напряжения источника постоянного напряжения. Поэтому отпирание управляемых вентилей 1, 4 и 12, 15 осуществляется с интервалом задержки, который необходим для того, чтобы конденсаторы перезарядились по следующим контурам: конденсатор 9 по контуру 9-11-10-9 перезарядится до напряжения, полярность которого обозначена на фиг.1 знаками (-)-(+), а конденсатор 20 по контуру 20-21-22-20 перезарядится до напряжения, полярность которого обозначена знаками «-» - «+».2nd mode. In this mode, a two-frequency two-phase electromagnetic field is formed, the high-frequency component of which is intended for heating the molten metal, and the low-frequency component of the electromagnetic field is intended for electromagnetic mixing of the said metal. For effective electromagnetic mixing, it is necessary to set the frequency of the low-frequency component of the two-frequency electromagnetic field, which is determined by the type of molten metal and its mass, as well as the dimensions of the crucible 23 of the inductor. To carry out the second mode, firstly open and close the valves 1, 4 of one phase of the first valve bridge, and, firstly, the control system provides only the unlocking of the valves 1, 4, and they are closed by natural switching, as noted above, Secondly, the number of unlocking and locking valves 1, 4, one phase is defined by the frequency f of high frequency and low frequency f _HF _LF components. So if

, then the unlocking and locking of these controlled valves 1, 4 is carried out two times,

then four times, etc. Assume that valves 1, 4 are unlocked four times. At the first unlocking of valves 1, 4 of the first valve bridge, the current flows along the following contours "+"

“-”, simultaneously with the mentioned valves, they are unlocked by controlled valves 12, 15 of the second valve bridge and the current flows 20 along the “+” circuits

“-”, while the controlled valves 1, 4 and 12, 15 are locked by natural switching, the capacitor 9 is charged to the voltage with the polarity indicated by “+” - “-” in Fig. 1, and the capacitor 20 is charged to the voltage whose polarity is indicated in Fig. 1 by the signs (+) - (-), while the electromagnetic field is conventionally directed from the parts 11, 10 of the half windings of the inductor from top to bottom, and from parts 21, 22 of the half windings of the inductor from bottom to top. After this, the controlled valves 1, 4 of the first bridge and the controlled valves 12, 15 of the second bridge must be unlocked again. However, they cannot open, because the voltage across the capacitors 9 and 20 is directed opposite to the polarity of the voltage of the DC power supply, while the voltage across the capacitors 9 and 20 in accordance with the adopted oscillatory mode is greater than the voltage of the DC voltage source. Therefore, the unlocking of the controlled valves 1, 4 and 12, 15 is carried out with a delay interval, which is necessary so that the capacitors recharge on the following circuits: the capacitor 9 on the circuit 9-11-10-9 is recharged to the voltage, the polarity of which is indicated in figure 1 the signs (-) - (+), and the capacitor 20 along the circuit 20-21-22-20 will recharge to a voltage whose polarity is indicated by the signs "-" - "+".

После этого повторно во второй раз отпираются управляемые вентили 1, 4 первого моста и управляемые вентили 12, 15 второго вентильного моста, при этом электромагнитные процессы полностью повторяются. Далее повторно в третий раз отпираются управляемые вентили 1, 4 первого вентильного моста и процессы полностью повторяются, а во втором вентильном мосту одновременно в первый раз отпираются управляемые вентили 13, 14 и ток протекает по контурам «+»

«-», при этом конденсатор 20 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена знаками «-» - «+», при этом электромагнитное поле условно направлено сверху вниз, так же как и от протекания тока вентилей первого моста. Затем конденсатор 20 перезаряжается до напряжения, полярность которого обозначена знаками (+)-(-). Затем повторно в четвертый раз отпираются управляемые вентили 1, 4 первого моста и процессы полностью повторяются, а во втором мосту повторно во второй раз отпираются управляемые вентили 13, 14 второго моста и процессы полностью повторяются. После этого в первый раз отпираются управляемые вентили 2, 3 первого моста и ток протекает по контурам «+»

«-», при этом конденсатор 9 заряжается до напряжения, полярность которого обозначена знаками (-)-(+), и перезаряжается по контуру 9-10-11-9 до напряжения, полярность которого обозначена знаками «+» - «-». Одновременно в третий раз отпираются управляемые вентили 13, 14 во втором мосту и процессы полностью повторяются, затем в первом мосту во второй раз отпираются управляемые вентили 2, 3, а во втором мосту одновременно в четвертый раз отпираются управляемые вентили 13, 14, при этом процессы полностью повторяются и и.д. и т.д. Вышеприведенное рассмотрение электромагнитных процессов позволяет получить полную временную диаграмму работы всех управляемых вентилей первого и второго вентильных мостов, которая приведена в виде следующих друг за другом вентильных токов на фиг.2 с указанием номеров вентилей. Из этой диаграммы следует, что ток управляемых вентилей 1, 4 и 2, 3 первого моста имеет высокочастотную составляющую за счет неоднократного (четырехкратного) отпирания и запирания сначала управляемых вентилей 1, 4, а затем неоднократного (четырехкратного) отпирания и запирания противофазных управляемых вентилей 2, 3, а также низкочастотную составляющую тока, частота которой в четыре раза меньше частоты высокочастотной составляющей, при этом следует отметить, что ток упомянутых управляемых вентилей 1, 4, 2, 3 есть ток частей 10, 11 первой полуобмотки индуктора. Аналогична диаграмма токов управляемых вентилей 12, 15, 13, 14 второго вентильного моста, при этом ток упомянутых управляемых вентилей 12, 15, 13, 14 есть ток частей 21, 22 второй полуобмотки индуктора. Из временной диаграммы токов первого и второго мостов следует, что низкочастотная составляющая тока второго вентильного моста отстает на 90° эл. от низкочастотной составляющей тока первого вентильного моста, т.е. низкочастотные составляющие токов первого и второго мостов образуют двухчастотную двухфазную систему токов, которая формирует двухчастотное двухфазное электромагнитное поле, обеспечивающее интенсивное одноконтурное электромагнитное перемешивание расплавленного металла и его подогрев, т.е. достигается заявленный технический результат.After that, for the second time, the controlled valves 1, 4 of the first bridge and the controlled valves 12, 15 of the second valve bridge are unlocked, while the electromagnetic processes are completely repeated. Then, for the third time, the controlled valves 1, 4 of the first valve bridge are unlocked and the processes are completely repeated, and in the second valve bridge, the controlled valves 13, 14 are opened for the first time and the current flows along the “+” circuits

“-”, while the capacitor 20 is charged to a voltage whose polarity is indicated by the signs “-” - “+”, while the electromagnetic field is conventionally directed from top to bottom, as well as from the flow of current from the valves of the first bridge. Then, the capacitor 20 is recharged to a voltage whose polarity is indicated by the signs (+) - (-). Then, for the fourth time, the controlled valves 1, 4 of the first bridge are unlocked and the processes are completely repeated, and in the second bridge, the controlled valves 13, 14 of the second bridge are unlocked a second time and the processes are completely repeated. After this, for the first time, the controlled valves 2, 3 of the first bridge are unlocked and the current flows along the “+” circuits

“-”, while the capacitor 9 is charged to a voltage whose polarity is indicated by the signs (-) - (+), and recharged along the circuit 9-10-11-9 to a voltage whose polarity is indicated by the signs “+” - “-”. At the same time, for the third time, the controlled valves 13, 14 are unlocked in the second bridge and the processes are completely repeated, then in the first bridge the valves 2, 3 are unlocked for the second time, and in the second bridge, the valves 13, 14 are unlocked for the fourth time, while the processes completely repeated, etc. etc. The above consideration of electromagnetic processes allows you to get a complete timing diagram of the operation of all controlled valves of the first and second valve bridges, which is shown in the form of successive valve currents in figure 2 with the numbers of the valves. From this diagram it follows that the current of the controlled gates 1, 4 and 2, 3 of the first bridge has a high-frequency component due to the repeated (four-fold) unlocking and locking of the first controlled gates 1, 4, and then the repeated (four-fold) unlocking and locking of the antiphase controlled gates 2 , 3, as well as the low-frequency component of the current, the frequency of which is four times less than the frequency of the high-frequency component, it should be noted that the current of the mentioned controlled valves 1, 4, 2, 3 is the current of parts 10, 11 of the first half-winding inductor. The current diagram of the controlled valves 12, 15, 13, 14 of the second valve bridge is similar, and the current of the said controlled valves 12, 15, 13, 14 is the current of the parts 21, 22 of the second half winding of the inductor. From the time diagram of the currents of the first and second bridges it follows that the low-frequency component of the current of the second valve bridge lags 90 ° el. from the low-frequency component of the current of the first valve bridge, i.e. the low-frequency components of the currents of the first and second bridges form a two-frequency two-phase current system, which forms a two-frequency two-phase electromagnetic field that provides intense single-circuit electromagnetic mixing of the molten metal and its heating, i.e. The claimed technical result is achieved.

В заключение следует заметить:In conclusion, it should be noted:

1. Если в режиме генерирования двухчастотного двухфазного электромагнитного поля при отпирании очередной пары противофазных управляемых вентилей, например, отпирании управляемых вентилей 2, 3 после работы управляемых вентилей 1, 4 первого вентильного моста, напряжение на конденсаторе 9 будет препятствовать отпиранию управляемых вентилей 2, 3, интервал сдвига момента отпирания вентилей 2, 3 может быть увеличен с одного полупериода высокой частоты, как это показано на фиг.2, например до трех или пяти полупериодов высокой частоты, когда конденсатор 9 полностью разрядится и не будет препятствовать протеканию тока через вентили 2, 3. Аналогичная ситуация может иметь место и при отпирании других противофазных вентилей, а именно при отпирании вентилей 1, 4 после работы вентилей 2, 3, при отпирании вентилей 13, 14 после работы вентилей 12, 15, а также при отпирании вентилей 12, 15 после работы вентилей 13, 14. Поскольку частота электромагнитного перемешивания значительно ниже (в десятки раз) частоты индукционного нагрева шихты, этот сдвиг не повлияет существенно на форму низкочастотной составляющей тока и электромагнитного поля. Следует также заметить, что напряжение, например, на конденсаторе 9 после протекания тока вентилей 1, 4, обозначенное на фиг.1 знаками «+» - «-», в колебательном режиме должно быть обязательно больше напряжения источника питания, однако напряжение на этом же конденсаторе 9, обозначенное после перезаряда по контуру 9-11-10-9 знаками (-)-(+), необязательно должно быть больше напряжения источника питания, т.к. перезаряд происходит с затуханием. Поэтому вышеописанная ситуация лишь вероятна, но необязательна и зависит от параметров цепи колебательного контура преобразовательного устройства.1. If in the mode of generating a two-frequency two-phase electromagnetic field when unlocking the next pair of antiphase controlled valves, for example, unlocking the controlled valves 2, 3 after the operation of the controlled valves 1, 4 of the first valve bridge, the voltage across the capacitor 9 will prevent the unlocking of the controlled valves 2, 3, the shift interval of the unlocking moment of valves 2, 3 can be increased from one half-period of high frequency, as shown in figure 2, for example, to three or five half-periods of high frequency, when torus 9 is completely discharged and will not impede the flow of current through valves 2, 3. A similar situation can also occur when other antiphase valves are unlocked, namely, when valves 1, 4 are unlocked after valves 2, 3 are activated, when valves 13, 14 are unlocked after the operation of the valves 12, 15, as well as the unlocking of the valves 12, 15 after the operation of the valves 13, 14. Since the frequency of electromagnetic stirring is much lower (ten times) than the frequency of induction heating of the charge, this shift will not significantly affect the shape of the low-frequency component current and electromagnetic fields. It should also be noted that the voltage, for example, on the capacitor 9 after the current flow of valves 1, 4, indicated in Fig. 1 by the signs “+” - “-”, in the oscillatory mode must necessarily be higher than the voltage of the power source, however, the voltage at the same capacitor 9, indicated after recharging on the circuit 9-11-10-9 by the signs (-) - (+), does not need to be more than the voltage of the power source, because recharge occurs with attenuation. Therefore, the above situation is only probable, but not necessary and depends on the parameters of the circuit of the oscillatory circuit of the converter device.

2. Регулирование процесса подогрева металла и его электромагнитного перемешивания можно осуществлять двумя способами.2. Regulation of the process of heating the metal and its electromagnetic mixing can be carried out in two ways.

1-й способ: изменение f_нч с одновременным изменением количества высокочастотных импульсов тока в каждом полупериоде низкой частоты при сохранении режима работы вентилей «импульс тока - пауза, импульс тока - пауза», как это показано на фиг.2, где длительность импульса высокочастотного тока и паузы равны.1st method: changing f _{low frequency} with a simultaneous change in the number of high-frequency current pulses in each half-cycle of a low frequency while maintaining the operation mode of the valves "current pulse - pause, current pulse - pause", as shown in figure 2, where the duration of the high-frequency current pulse and pauses are equal.

2-й способ: уменьшение количества высокочастотных импульсов тока в каждом полупериоде низкой частоты при неизменном значении f_нч за счет изменения длительности паузы между высокочастотными импульсами тока.2nd method: reducing the number of high-frequency current pulses in each half-cycle of a low frequency with a constant _{ff value} due to a change in the duration of the pause between high-frequency current pulses.

3. При определении оптимальной формы напряжения на управляемых вентилях часть дросселей колебательных контуров первого и второго вентильных мостов может быть вынесена из плечей, последовательно соединенных с управляемыми вентилями, и включена последовательно с вентильными мостами.3. When determining the optimal form of voltage on controlled gates, part of the chokes of the oscillatory circuits of the first and second valve bridges can be taken out of the shoulders connected in series with controlled valves and connected in series with valve bridges.

4. При резко неравномерной структуре шихты по оси тигля 23 индуктора в ряде случаев более оптимальным с точки зрения устойчивой работы вентильных мостов расположение частей полуобмоток индуктора по длине тигля 23, начиная сверху в порядке 10, 21, 22, 11, может оказаться более оптимальным.4. With a sharply non-uniform structure of the charge along the axis of the inductor crucible 23, in some cases, the location of the half-winding parts of the inductor along the length of the crucible 23, starting from the top in the order of 10, 21, 22, 11, may be more optimal from the point of view of stable operation of the valve bridges.

5. При использовании однооперационных тиристоров предлагаемое преобразовательное устройство и способ его управления могут быть реализованы на основе нулевого параллельного резонансного инвертора, а также параллельного резонансного инвертора с нулевым выводом источника питания.5. When using single-operation thyristors, the proposed converter device and its control method can be implemented on the basis of a zero parallel resonant inverter, as well as a parallel resonant inverter with a zero output power source.

6. При использовании полностью управляемых вентилей - транзисторов или двухоперационных тиристоров предлагаемое преобразовательное устройство для индукционного нагрева и способ его управления могут быть реализованы на основе параллельного мостового инвертора тока.6. When using fully controllable valves - transistors or two-stage thyristors, the proposed converter device for induction heating and its control method can be implemented on the basis of a parallel bridge current inverter.

7. Для защиты источника постоянного напряжения от высших гармоник при работе преобразовательного устройства на входе преобразовательного устройства может быть включен фильтровый конденсатор.7. To protect the DC voltage source from higher harmonics during operation of the converter device, a filter capacitor can be switched on at the input of the converter device.

Claims

1. Преобразовательное устройство для индукционного нагрева на основе параллельного мостового резонансного инвертора, содержащее первый вентильный мост, состоящий из четырех управляемых вентилей, последовательно с каждым из которых соединена часть дросселя колебательного контура, при этом первый вентильный мост имеет диагональ постоянного тока и диагональ переменного тока, при этом первый вентильный мост диагональю постоянного тока подсоединен к источнику постоянного напряжения с такой полярностью, чтобы управляемые вентили были включены в прямом направлении по отношению к полярности источника постоянного напряжения, а к диагонали переменного тока первого вентильного моста подсоединен первый конденсатор, параллельно которому подсоединен первый индуктор, отличающееся тем, что дополнительно введены имеющий диагональ постоянного тока и диагональ переменного тока аналогичный второй вентильный мост, а также второй конденсатор и второй индуктор, при этом диагональю постоянного тока второй вентильный мост подсоединен параллельно диагонали постоянного тока первого вентильного моста, а к диагонали переменного тока второго вентильного моста подсоединен второй конденсатор, параллельно которому подсоединен второй индуктор, при этом два индуктора объединены в один двухобмоточный индуктор, содержащий две полуобмотки, первую и вторую, каждая из которых соединена параллельно с одним из конденсаторов двух вентильных мостов, при этом каждая полуобмотка двухобмоточного индуктора выполнена из двух частей, первой и второй, последовательно соединенных между собой, при этом части полуобмоток на боковой поверхности тигля двухобмоточного индуктора, начиная с верха этого индуктора, расположены вдоль оси двухобмоточного индуктора перпендикулярно этой оси в следующем порядке: первая часть первой полуобмотки двухобмоточного индуктора, первая часть второй полуобмотки двухобмоточного индуктора, вторая часть первой полуобмотки двухобмоточного индуктора, вторая часть второй полуобмотки двухобмоточного индуктора.1. A conversion device for induction heating based on a parallel bridge resonant inverter, comprising a first valve bridge consisting of four controlled valves, each of which is connected to a part of the choke of the oscillating circuit, while the first valve bridge has a diagonal of direct current and an diagonal of alternating current, the first valve bridge with a diagonal of direct current is connected to a source of constant voltage with such polarity that the controlled valves are are switched in the forward direction with respect to the polarity of the DC voltage source, and the first capacitor is connected to the alternating current diagonal of the first valve bridge, the first inductor is connected in parallel, characterized in that a DC diagonal and alternating current diagonal similar to the second valve bridge are additionally introduced, and also a second capacitor and a second inductor, while the diagonal of the direct current second valve bridge is connected in parallel with the diagonal of the direct current of the first a bridge bridge, and a second capacitor is connected to the diagonal of the alternating current of the second valve bridge, a second inductor is connected in parallel, while two inductors are combined into one double-winding inductor containing two half-windings, the first and second, each of which is connected in parallel with one of the two valve capacitors bridges, with each half-winding of a double-winding inductor made of two parts, the first and second, connected in series with each other, while part of the half-windings on the side The properties of the double-winding inductor crucible, starting from the top of this inductor, are located along the axis of the double-winding inductor perpendicular to this axis in the following order: the first part of the first half-winding of the double-winding inductor, the first part of the second half-winding of the double-winding inductor, the second part of the first half-winding of the double-winding inductor, the second part of the second half-winding of the double-winding inductor .

2. Способ управления преобразовательного устройства для индукционного нагрева на основе параллельного мостового резонансного инвертора, заключающийся в формировании режимов индукционного нагрева, включающий формирование в нагрузке одновременно высокочастотного и низкочастотного сигналов, для чего импульсы управления вентилями формируют с частотой, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура, при этом посредством управления вентилями формируют высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, отличающийся тем, что формируют высокочастотное однофазное электромагнитное поле в процессе расплавления шихты в двухобмоточном индукторе, при этом синхронно отпирают со сдвигом в 180° эл. по высокой частоте противофазные вентили двух параллельных вентильных мостов, а также формируют двухчастотное двухфазное электромагнитное поле при электромагнитном перемешивании расплавленного металла в двухобмоточном индукторе, при этом в первом вентильном мосту многократно открывают и закрывают каждый вентиль одной фазы, затем многократно открывают и закрывают каждый вентиль другой фазы, при этом формируют низкочастотное однофазное электромагнитное поле с модуляцией по высокой частоте, причем во втором вентильном мосту также подобным образом формируют низкочастотное однофазное электромагнитное поле с модуляцией по высокой частоте, сдвинутое на 90° эл. по низкой частоте по отношению к первому вентильному мосту, при этом соотношение частот высокочастотной и низкочастотной составляющих электромагнитного поля задают количеством открываний и закрываний вентилей одной фазы на протяжении каждого полупериода низкой частоты в каждом вентильном мосту. 2. The control method of the Converter device for induction heating based on a parallel bridge resonant inverter, which consists in the formation of induction heating modes, including the formation of the load at the same time high-frequency and low-frequency signals, for which the control pulses of the valves are formed with a frequency equal to the resonant frequency of the parallel oscillatory circuit, this, by controlling the valves, they generate high-frequency oscillations in the form of a sinusoid, the middle line of which varies according to the law of a low-frequency signal, characterized in that a high-frequency single-phase electromagnetic field is formed during the process of charge melting in a double-winding inductor, while simultaneously unlocked with a shift of 180 ° el. high-frequency antiphase valves of two parallel valve bridges, and also form a two-frequency two-phase electromagnetic field with electromagnetic stirring of molten metal in a double-winding inductor, while in the first valve bridge each valve of one phase is repeatedly opened and closed, then each valve of the other phase is repeatedly opened and closed while forming a low-frequency single-phase electromagnetic field with high frequency modulation, and in the second valve bridge also in a good way form a low-frequency single-phase electromagnetic field with high frequency modulation, shifted by 90 ° el. at a low frequency with respect to the first valve bridge, while the ratio of the frequencies of the high-frequency and low-frequency components of the electromagnetic field is set by the number of openings and closures of the valves of one phase during each half-period of the low frequency in each valve bridge.