close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 02864

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2864
(13)
C1
6
(51) H 05B 6/02,
(12)
H 02M 1/16
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
(71) Заявитель: Акционерное
общество
"Атлант";
Минский завод холодильников (BY)
(72) Авторы: Макрицкий Ю.В., Занько А.Ф.,
Шумило В.С., Флейтух С.Г. (BY)
(73) Патентообладатель: Акционерное
общество
"Атлант"; Минский завод холодильников (BY)
(21) Номер заявки: 960412
(22) 1996.08.06
(46) 1999.06.30
(57)
1. Устройство индукционного нагрева, содержащее два последовательно соединенных переключающих
элемента, два последовательно соединенных 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 одному переключающему
элементу в обратном направлении, и схему запуска, которая подключена к управляющим электродам переключающих элементов, отличающееся тем, что анодные выводы переключающих элементов выполнены в
виде металлических трубок, на которых установлены ферритовые кольца из марганец-цинкового феррита с
высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, причем задержка времени включения
анодного тока относительно спада анодного напряжения на переключающем элементе равна времени перемагничивания ферритовых колец, а площадь сечения магнитопровода ферритовых колец и их высота определяются из соотношений:
S=
l≤
t nU 0
,
Bm
ε0ε ( R + r )
U ,
2 RH с Bm 0
Фиг. 1
где S - площадь сечения магнитопровода ферритовых колец;
tn - время перемагничивания ферритовых колец;
1
BY 2864 C1
U0 - питающее напряжение;
Bm - максимальное значение магнитной индукции ферритовых колец при динамическом намагничивании;
l - высота ферритовых колец;
ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε - относительное значение диэлектрической проницаемости ферритовых колец;
R - внешний радиус ферритовых колец;
r - внутренний радиус ферритовых колец;
Нс - коэрцитивная сила при динамическом намагничивании ферритовых колец.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно введены два диода, которые подключены в обратном направлении параллельно ферритовым кольцам, установленным на токопроводящих трубках.
(56)
1. Заявка ЕПВ 0269414 А2, МПК Н05В 6/06, 1988.
2. Заявка Франции 2669174, МПК Н05В 6/04, Н02М 1/08, 1992.
3. Патент США 3487274, МПК Н01L 3/12, 1969.
4. Заявка ЕПВ 0092588 А1, МПК Н05В 6/12, Н02М 7/00 (прототип).
Изобретение относится к области электронагревательной техники и может быть использовано в кухонных электроплитах индукционного типа для приготовления пищи.
В бытовых и профессиональных кухонных электроплитах индукционного типа обычно применяют преобразователи постоянного тока в переменный, содержащие резонансный LC-контур, в качестве индуктивности которого выступает индуктор, и один переключающий элемент (однотактная схема) или два последовательно соединенных переключающих элемента, к средней точке которых подключен один из выводов
вышеупомянутого резонансного контура (полумостовая схема), либо четыре переключающих элемента, попарно соединенных последовательно, к средним точкам которых подключен резонансный LC-контур (мостовая схема).
В преобразователях полумостового и мостового типа существует вероятность возникновения сквозного
тока, протекающего одновременно через оба переключающих элемента в случае, когда оба переключающих
элемента в какой-то момент времени находятся в проводящем состоянии. Наличие сквозного тока обуславливает выбросы анодного тока, вызывающие помехи в питающей сети и радиопомехи, а при достаточной
энергии импульсов - и выход переключающих элементов из строя.
Известно устройство индукционного нагрева, собранное по однотактной схеме и содержащее индуктор и
переключающий элемент, соединенные последовательно, а также конденсатор и диод, подсоединенные параллельно переключающему элементу, причем диод - в направлении с обратной проводимостью, схему запуска и источник питающего напряжения [1]. В таком устройстве последовательный резонансный LC-контур
образуется емкостью вышеупомянутого конденсатора и индуктивностью индуктора.
Недостатками такого устройства являются большая величина мощности, рассеиваемая на переключающем элементе, и необходимость применения коммутатора, диода и конденсатора на рабочее напряжение, в
несколько раз превышающее напряжение источника питания.
Известно устройство индукционного нагрева жарочных печей, собранное по полумостовой схеме с последовательным резонансным LC-контуром и содержащее два последовательно соединенных переключающих элемента (коммутатора), параллельно которым включены диоды в направлении с обратной проводимостью, два последовательно соединенных накопительных конденсатора, последовательный резонансный LCконтур, подключенный к средним точкам последовательно соединенных коммутаторов и накопительных
конденсаторов, схему запуска и источник питающего напряжения, к клеммам которого подключены соответствующие свободные выводы последовательно соединенных коммутаторов и накопительных конденсаторов [2]. В данном устройстве коммутаторы включаются в проводящее состояние поочередно на время, равное периоду собственных колебаний резонансного LC-контура, причем обратная волна тока протекает через
диод, включенный в направлении с обратной проводимостью. За время обратной полуволны коммутатор переходит в непроводящее состояние, что обеспечивает защиту схемы от сквозных токов, которые возникают,
когда оба коммутатора остаются на какое-то время в открытом состоянии. Наличие сквозных токов приводит к резким броскам тока через коммутаторы и, как правило, к их выходу из строя.
Недостатком данного устройства является необходимость увеличения амплитуды тока в резонансном LCконтуре в 2 раза и более по сравнению со случаем, когда коммутаторы поочередно открываются на полпериода колебаний резонансного LC-контура, для достижения в индукторе одинакового среднего значения реактивной мощности. Поэтому в таком устройстве в качестве коммутаторов обычно используют импульсные
тиристоры, которые обладают большими значениями рабочих токов по сравнению с транзисторами.
Основным недостатком тиристоров являются сравнительно малые значения скорости нарастания анодного тока и большое время их выключения. При подаче импульса запуска на управляющий электрод в таких
2
BY 2864 C1
приборах вначале включается локальная область полупроводниковой структуры, расположенная вблизи
управляющего электрода. Скорость распространения проводящей плазмы в поперечном направлении составляет величину порядка 100 м/с, что ограничивает допустимое значение скорости нарастания анодного
тока. Превышение скорости нарастания тока приводит к локальному перегреву и проплавлению полупроводниковой структуры.
В таких приборах максимально допустимые значения амплитуды импульсов анодного тока и частоты
следования импульсов также ограничены большой величиной мощности, рассеиваемой на структуре.
Известно, что увеличение срока службы и повышение надежности тиристоров может быть достигнуто
путем ограничения скорости нарастания анодного тока. С этой целью применяют насыщающиеся дроссели с
ферритовым магнитопроводом.
Известен импульсный тиристор, содержащий многослойную полупроводниковую структуру, анод, катод,
управляющий электрод, соединенный с базовой областью, непосредственно к которой примыкает слой эмиттерной области, и магнитопровод, выполненный в виде ферритовых колец, насаженных на анод или катод
[3].
В данном устройстве ферритовые кольца располагают на внешнем гибком выводе. Площадь поперечного
сечения сердечников выбирают из условия, что время их переключения равно времени включения тиристора, равного примерно 1-3 мкс. В течение этого времени анодный ток тиристора медленно нарастает и достигает величины примерно равной 20 % от его амплитудного значения. По истечении этого времени происходит дальнейшее нарастание анодного тока, когда включается в проводящее состояние значительная область
полупроводниковой структуры.
Основным недостатком известного устройства является малая величина скорости нарастания тока и
большая длина ферритового заполнения. Магнитное поле с напряженностью меньшей коэрцитивной силы
при динамическом намагничивании проникает через магнитопровод без задержки, причем в процессе намагничивания кольцевых сердечников напряженность магнитного поля нарастает с увеличением магнитной индукции, что обуславливает нарастание тока, протекающего через тиристор в течение всего времени перемагничивания сердечников, и приводит к увеличению фронта импульса и уменьшению скорости нарастания
анодного тока. Выполнение анода (или катода) в виде тонкого гибкого вывода с насаженными ферритовыми
кольцами также приводит к увеличению остаточной индуктивности, которая достигает 10-6 Гн. При значениях емкости, меньших 10-6 Ф, потери энергии на фронте импульса приводят к значительному уменьшению
амплитуды импульсов анодного тока.
Наиболее близким по технической сущности является устройство индукционного нагрева, собранное по
полумостовой схеме и содержащее два последовательно соединенных переключающих элемента и два последовательно соединенных конденсатора, свободные выводы которых соединены с источником питающего
напряжения, индуктор, подсоединенный к средним точкам упомянутых выше переключающих элементов и
конденсаторов и образующий совместно с конденсаторами резонансный LC-контур, диоды, подсоединенные
параллельно переключающим элементам в направлении с обратной проводимостью, накопительный конденсатор и схему запуска переключающих элементов [4].
В данном устройстве для исключения сквозных токов схема запуска содержит детектор, определяющий
время выключения упомянутых выше переключающих элементов, линию задержки, цепь синхронизации,
триггер-счетчик и селектор сигнала, служащие для попеременного включения переключающих элементов с
заданным временем задержки после полного выключения одного из переключающих элементов, находящегося в проводящем состоянии в предыдущий полупериод собственных колебаний резонансного контура, когда в средней точке переключающих элементов сформирован перепад напряжения, сигнализирующий о полном выключении одного из элементов, бывшего в проводящем состоянии.
Недостатками данного устройства являются наличие вероятности возникновения сквозного тока, например, при включении питающего напряжения и логической схемы запуска, во время настройки или когда установлено недостаточное время задержки, либо когда перепад напряжения на переключающем элементе
имеет скорость нарастания близкую к предельно допустимому значению.
Целью изобретения является получение задержки включения анодного тока относительно спада напряжения на переключающем элементе.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве индукционного нагрева, содержащем два последовательно соединенных переключающих элемента, два последовательно соединенных 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 одному переключающему элементу в обратном направлении, и схему запуска, которая подключена к управляющим электродам переключающих элементов, выводы переключающих элементов выполнены в
виде металлических трубок, на которых установлены ферритовые кольца из марганец-цинкового феррита с
высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, причем задержка времени включения
анодного тока относительно спада анодного напряжения на переключающем элементе равна времени перемагничивания ферритовых колец, а площадь сечения магнитопровода ферритового кольца и их высота выбраны из соотношений:
3
BY 2864 C1
S=
t n U0
Bm
,
l ≤
ε 0 ε(R + r )
2RH c B m
U0,
где S - площадь сечения магнитопровода ферритовых колец;
tn - время перемагничивания ферритовых колец;
Uo - питающее напряжение;
Bm - максимальное значение магнитной индукции ферритовых колец при динамическом намагничивании;
l - высота ферритовых колец;
εo - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε - относительное значение диэлектрической проницаемости ферритовых колец;
R - внешний радиус ферритовых колец;
r - внутренний радиус ферритовых колец;
Нс - коэрцитивная сила при динамическом намагничивании ферритовых колец.
Для уменьшения коммутационного высокочастотного выброса на переключающих элементах параллельно ферритовым кольцам, установленным на токопроводящих трубках, в устройство дополнительно введены
два диода, которые подключены в обратном направлении параллельно ферритовым кольцам.
Устройство поясняется чертежом (см. фиг.), на котором показана схема силового блока (без схемы запуска).
Устройство содержит два последовательно соединенных переключающих элемента 1 и 2 и два последовательно соединенных конденсатора 3 и 4, свободные выводы которых соединены с источником питающего
напряжения (на фиг. показаны его плюсовая клемма «+» и минусовая «-»), накопительный конденсатор 5,
индуктор 6, подсоединенный к средним точкам последовательно соединенных переключающих элементов 1
и 2 и конденсаторов 3 и 4, диоды 7 и 8, подключенные параллельно соответственно переключающим элементам 1 и 2 в обратном направлении, металлические трубки 9 и 10, подключенные к анодным выводам переключающих элементов 1 и 2, ферритовые кольца 11 и 12, насаженные на металлические трубки 9 и 10, к
краям которых подсоединены диоды 13 и 14 в обратном направлении параллельно ферритовым кольцам 11 и
12.
Работа устройства основана на принципе задержки включения анодного тока относительно спада анодного напряжения на переключающем элементе на время перемагничивания ферритового кольца, равное времени выключения переключающего элемента, что исключает вероятность возникновения сквозного тока, протекающего через оба коммутатора в момент их переключения.
Для того, чтобы анодный ток через коммутатор был равен нулю во все время перемагничивания ферритового кольца, необходимо:
а) во-первых, чтобы напряженность магнитного поля, создаваемая током смещения, превышала величину
коэрцитивной силы при динамическом намагничивании;
б) во-вторых, чтобы ЭДС самоиндукции, возникающая на отрезке проводящей трубки с ферритовым
кольцом, была бы равна величине приложенного напряжения. Тогда процесс включения коммутатора, сопровождаемый спадом на нем разности потенциалов, вызывает одинаковый по абсолютной величине рост
разности потенциалов на отрезке проводящей трубки с насаженным ферритовым кольцом.
Площадь сечения магнитопровода ферритового кольца определим на основании закона электромагнитной индукции (закона Фарадея) при условии, что за время перемагничивания tn ферритового кольца магнитная индукция изменяется от О до максимального значения Вm, а ЭДС самоиндукции от О до анодного напряжения Uo. Тогда получим, что площадь сечения магнитопровода
S=
t n Uo
Bm
.
(1)
Оптимальное значение площади сечения ферритового кольца выбирается равным времени выключения
коммутатора.
Получим условие, при выполнении которого ток через коммутатор равен нулю в течение всего времени
переключения ферритового кольца.
Связь напряженности магнитного поля Н с плотностью тока выражается через 1-ое уравнение Максвелла:
rotH = j +
∂D
,
∂t
(2)
где j - плотность тока проводимости,
∂D/∂t - плотность тока смещения.
Обычно величина ∂D/∂t на 4-5 порядков меньше тока проводимости, поэтому ею пренебрегают. Но относительное значение диэлектрической проницаемости марганец-цинковых ферритов равно 105 - 106, поэтому
4
BY 2864 C1
в данном случае напряженность магнитного поля, создаваемая током смещения, может достигать 103 А/м и
более и значительно превышает величину коэрцитивной силы.
Применяя к уравнению (2) теорему Стокса и полагая плотность тока проводимости j = 0, а также пренебрегая током смещения, протекающим через сечение внутренней полости проводящей трубки (величина данного тока смещения пренебрежимо мала, так как для воздуха относительное значение диэлектрической проницаемости равно 1), и током смещения, протекающим через поперечное сечение стенок проводящей трубки
(вследствие их малой толщины), получим:
2RH c
1 ∂U
≥
,
2
1 ∂t
ε o ε(R − r )
(3)
где ∂U/∂t - скорость нарастания напряжения на отрезке проводящей трубки с ферритовыми кольцами.
Отношение 2R/(R + r) может быть принято равным 1,25 для стандартных типоразмеров кольцевых сердечников. Умножая левую и правую части выражения (3) на величину 1/1, подставляя в него выражение (1) и
учитывая, что ∂U/∂t = Uo/tn, получим:
1≤
где k =
ε o ε(R + r )
2RH c B m
ε o ε(R + r )
2RH c B m
U o = kU o ,
(4)
- коэффициент пропорциональности.
При выполнении условия (4) ток проводимости и соответственно анодный ток, например, через коммутатор 1 равен нулю в течение всего времени перемагничивания ферритового кольца 11.
Таким образом, для достижения поставленной цели необходимо, чтобы площадь сечения магнитопровода
ферритовых колец 11 и 12 удовлетворяла уравнению (1), а длина ферритового заполнения - условию (4) может быть достигнуто применением ферритовых колец с высоким значением относительной диэлектрической
проницаемостью (ε = 105-106). Как показали проведенные эксперименты, такой величиной диэлектрической
проницаемости обладают кольцевые сердечники из марганец-цинкового феррита марок М 1000-10000 НМ.
Принимая величину ε = 105, Вm = 0,2 Тл, Нс = 2,4 х 102 А/м, получим, что коэффициент k= 1,2 х 10-4 В/м.
Наличие в схеме ферритовых колец 11, 12, насаженных на отрезки проводящей трубки 9, 10, обычно
приводит к возникновению на анодах переключающих элементов высокочастотных коммутационных выбросов во время их переключения, обусловленных их выходной емкостью и индуктивностью подсоединений. Для устранения этих выбросов параллельно ферритовым кольцам 11, 12 подключены диоды 13, 14 в
обратном направлении.
Устройство работает следующим образом. Импульс управления со схемы запуска поступает на управляющий электрод переключающего элемента 1, в процессе включения которого возникает перепад напряжения. На отрезке проводящей трубки 9 с насаженным ферритовым кольцом 11 происходит нарастание напряжения, равное по величине спаду напряжения на переключающем элементе 1 и обуславливающее
перемагничивание ферритового кольца 11. После переключения ферритового кольца в схеме возникает переходной процесс, который при равенстве емкости конденсаторов 3, 4 описывается выражением:
il =
Uo
e
2ωL
− βt
sin ωt ,
(5)
где il - ток индуктора 6;
Uo - анодное напряжение источникам питания;
ω 2 = ω o2 − β 2
(6)
квадрат резонансной частоты колебаний в контуре, образованном индуктивностью и активным сопротивлением индуктора 6 и суммарной емкостью конденсаторов 3, 4;
L - индуктивность индуктора 6;
ω 2o =
1
2L C
(7)
R
2L
(8)
квадрат собственной частоты колебаний контура;
С - емкость каждого из конденсаторов 3, 4;
β=
постоянная затухания;
R - активное сопротивление индуктора.
5
BY 2864 C1
После прохождения первого полупериода колебаний в контуре переключающий элемент 1 выключается и
включается переключающий элемент 2. В дальнейшем схема работает аналогичным образом.
В стационарном режиме работы ток через индуктор 6 описывается выражением:
(i l ) ñò
=
Uo
e − βt
sin ωt
,
2ωL
1 − e − βT / 2
(9)
где (il)ст - ток в индукторе 6 в стационарном режиме работы;
Т = 2 π/ω - период резонансных колебаний в контуре.
Накопительный конденсатор 5 служит для подавления высокочастотных помех, диоды 7, 8, 13, 14 - для
защиты переключающих элементов от напряжений и токов обратной полярности.
В одном варианте устройства применены в качестве переключающих элементов импульсные тиристоры
типа КУ221А, к анодным выводам которых подсоединены медные трубки внешним диаметром 16 мм, внутренним - 14 мм, длиной 30 мм, на которых установлены по три ферритовых кольца типа М2000 НМ
К28х16х9. К концам медных трубок подключены диоды типа КД 212А. Время задержки импульса анодного
тока относительно спада анодного напряжения было выбрано равным 100 нс. Площадь сечения магнитопровода ферритовых колец, определенная по формуле (1) при условии, что Uо = 300В, Вm = 0,2 Тл, равна 1,5 см2.
Сечение магнитопровода трех ферритовых колец типа М2000 НМ К28х16х9 равно 1,62 см2. Максимальная
длина ферритового заполнения, определенная по формуле (3), равна 3,6 см.
В другом варианте устройства в качестве переключающих элементов применены МОП-транзисторы типа
КП717Б, к стоковым выводам которых подсоединены медные трубки внешним диаметром 5 мм, внутренним
- 4 мм, длиной 12 мм, на которых установлены по два ферритовых кольца М2000НМ К 12х5х5,5. К концам
медных трубок подсоединены диоды КД 212А. Время задержки тока относительно спада напряжения на полевом транзисторе при перепаде напряжения 300В составило примерно 25нс.
Изобретение обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом, а именно:
- позволяет снизить коммутационные потери энергии в переключающих элементах преобразования постоянного тока в переменный;
- повышает надежность схемы за счет исключения сквозного тока через оба переключающих элемента.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
167 Кб
Теги
патент, 02864
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа