Устройство индукционного нагрева (варианты)

05 6/12 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА (ВАРИАНТЫ)(71) Заявители Акционерное общество Атлант и Минский завод холодильников(73) Патентообладатели Акционерное общество Атлант Минский завод холодильников(57) 1. Устройство индукционного нагрева, содержащее силовой блок, включающий два последовательно соединенных переключающих элемента, параллельно каждому из которых подключен диод в обратном направлении, и два последовательно соединенных конденсатора, а также индуктор, включенный между узлами соединения последовательно соединенных переключающих элементов и конденсаторов, блок запуска, соединенный с управляющими выводами переключающих элементов, и источник питающего напряжения, к которому подключен накопительный конденсатор, отличающееся тем, что в силовом блоке каждый из переключающих элементов выполнен в виде сборки из последовательно соединенных коммутаторов совместно с диодами, последовательно соединенные конденсаторы выполнены в виде двух сборок и расположены радиально-симметрично относительно оси силового блока, проходящей через центр индуктора, накопительный конденсатор выполнен в виде сборки из 2 конденсаторов, где 2, расположенных радиальносимметрично относительно оси силового блока и соединенных шинами по замкнутому контуру, симметричному оси силового блока, к шинам, соединяющим накопительные конденсаторы, подключены свободные выводы последовательно соединенных коммутаторов и конденсаторов так, что анодные выводы последовательно соединенных коммутаторов и один из выводов последовательно соединенных конденсаторов подключены к 3028 1 шине, соединенной с положительным выводом источника питающего напряжения, а вторые свободные выводы последовательно соединенных коммутаторов и конденсаторов соединены с общей шиной источника питающего напряжения, узлы соединения двух сборок последовательно соединенных коммутаторов и конденсаторов попарно соединены шинами, расположенными в диаметральном направлении перпендикулярно друг другу, первый вывод индуктора подключен к шине, соединяющей узлы соединения последовательно соединенных коммутаторов, а второй - к шине, соединяющей узлы соединения сборок последовательно соединенных конденсаторов в точках, расположенных на середине их длины, причем параметры элементов каждой из сборок имеют соответственно одинаковые величины, а все подсоединения выполнены так, что контур силового блока образует четыре одинаковых квадранта. 2. Устройство индукционного нагрева, содержащее силовой блок, включающий коммутатор, диод и конденсатор, подсоединенные параллельно коммутатору, причем диод в обратном направлении, и накопительный конденсатор, подсоединенный к источнику питающего напряжения, а также индуктор, подключенный первым выводом к первому выводу коммутатора, соединенного с первыми выводами конденсатора и диода, вторые выводы коммутатора, конденсатора и диода подключены к общей шине, а второй вывод индуктора - к положительному выводу источника питающего напряжения, отличающееся тем, что конденсатор, подсоединенный параллельно коммутатору, выполнен в виде сборки изконденсаторов, где 2, расположенных аксиальносимметрично относительно коммутатора, накопительный конденсатор выполнен в виде сборки изконденсаторов, где 2, расположенных аксиально-симметрично относительно коммутатора и индуктора, причем параметры каждой из сборок, длина соединительных шин и геометрические размеры контуров, образованных ими, имеют соответственно одинаковые величины. Изобретение относится к области электронагревательной техники и может быть использовано в бытовых кухонных электроплитах индукционного типа для приготовления пищи путем нагрева днища кухонной посуды. В последние несколько десятилетий все более широкое применение находят преобразователи постоянного тока в переменный на мощность 1 кВт и более, применяемые в бытовых и профессиональных кухонных электроплитах индукционного типа. Такие преобразователи состоят из одного (однотактная схема), двух(полумостовая схема) или четырех (мостовая схема) коммутаторов и резонансного -контура. В качестве индуктивности резонансного контура выступает индуктор, выполненный, например, в виде спирали и служащий для нагрева потоком магнитной индукции днища кухонной посуды. Общим недостатком таких преобразователей является высокий уровень наводок электромагнитного излучения в окружающем пространстве, создаваемых как непосредственно индуктором, так и проводами, соединяющими элементы преобразователя. Причем, несмотря на то, что электромагнитные наводки,создаваемые непосредственно индуктором, могут быть скомпенсированы, например, подключением витков с обратным направлением намотки относительно основных 1, уровень наводок электромагнитного поля,обусловленный протеканием тока высокой частоты по соединительным проводам, еще является довольно высоким. Известно устройство индукционного нагрева, выполненное по однотактной схеме и содержащее индуктор. К первому выводу которого подсоединен коммутатор, конденсатор, соединенный параллельно коммутатору и образующий с индуктором последовательный резонансный контур, диод, включенный параллельно коммутатору в обратном направлении, источник питающего напряжения, подключенный к накопительному конденсатору, к одному из выводов которого подсоединен второй вывод индуктора, а второй вывод накопительного конденсатора соединен с общей шиной, и блок запуска, соединенный с управляющим выводом коммутатора 2. В таком устройстве силовой блок, образованный накопительным конденсатором, конденсатором резонансного контура, совместно с соединенными параллельно ему коммутатором и диодом, и соединительными проводами, образует контур, создающий в окружающем пространстве при протекании тока переменное электромагнитное поле. Недостатками такого устройства являются довольно высокий уровень наводок электромагнитного поля,создаваемых соединительными проводами и контуром силового блока в окружающем пространстве, а также необходимость применения коммутатора, диода и конденсатора резонансного контура на рабочее напряже 3028 1 ние, примерно в 3-5 раза превышающее напряжение источника питания, и большое значение мощности, рассеиваемой коммутатором, так как в данной схеме при включении коммутатора происходит разряд конденсатора резонансного контура через коммутатор. Известно устройство для индукционного нагрева, собранное по полумостовой несимметричной схеме и содержащее два последовательно соединенных коммутатора, свободные выводы которых соединены с источником питающего напряжения и параллельно которым включены диоды в обратном направлении, индуктор и конденсатор, соединенные последовательно и образующие последовательный резонансный -контур, подключенный к узлу соединения коммутаторов с одной стороны и к общей шине с другой стороны, источник питающего напряжения, подключенный к накопительному конденсатору, и блока запуска, соединенного с управляющими выводами коммутаторов 3. В такой схеме индуктор служит в качестве индуктивности резонансного контура, а силовой блок состоит из коммутаторов совместно с диодами и последовательно соединенных конденсаторов. Контур силового блока, образованный вышеперечисленными элементами, вместе с соединительными проводами создает в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле при протекании тока, которое в зависимости от геометрии контура и длины соединительных проводов затухает обратно пропорционально кубу и квадрату расстояния от контура. Недостатком известного устройства является довольно высокий уровень электромагнитных наводок, создаваемых контуром силового блока в окружающем пространстве. Известен инвертор для жарочных индукционных печей, собранный по полумостовой симметричной схеме, содержащий два последовательно соединенных коммутатора, параллельно которым включены диоды в обратном направлении, два последовательно соединенных накопительных конденсатора, последовательный резонансный -контур, состоящий из индуктора и конденсатора и включенный между узлами соединения коммутаторов и накопительных конденсаторов, свободные выводы накопительных конденсаторов соединены соответственно со свободными выводами коммутаторов и источником питающего напряжения, а также блок запуска, соединенный с управляющими выводами коммутаторов 4. Все вышеперечисленные элементы схемы, кроме индуктора, источника питающего напряжения и блока запуска, образуют силовой блок. Недостатки данного устройства аналогичны недостаткам полумостовой несимметричной схемы. Мостовые схемы преобразователей 5 в основном применяют в индукционных установках промышленного типа на мощность 3-10 кВт и более и требуют применения коммутаторов в два раза большего количества, чем полумостовые. Наиболее близким по технической сущности является устройство индукционного нагрева, собранное по полумостовой симметричной схеме и содержащее силовой блок, включающий два последовательно соединенных коммутатора, параллельно каждому из которых подсоединен диод в обратном направлении, и два последовательно соединенных конденсатора, индуктор, первым выводом подключенный к узлу соединения упомянутых выше коммутаторов, а вторым - к узлу соединения конденсаторов, источник питающего напряжения, подключенный к накопительному конденсатору, к выводам которого подсоединены свободные выводы последовательно соединенных коммутаторов и конденсаторов так, что анодный вывод коммутатора и один из выводов конденсаторов подключены к положительному выводу, а вторые свободные выводы соединены с общей шиной источника питания, и блок запуска, соединенный с управляющими выводами коммутаторов 6. Контур силового блока вместе с соединительными проводами является эффективным источником электромагнитных наводок в окружающем пространстве при протекании по контуру переменного электрического тока. Схема данного устройства обладает рядом преимуществ по сравнению с другими полумостовыми схемами,а именно имеет минимальное число радиокомпонентов, позволяет применять конденсаторы резонансного контура с пониженными значениями номинального напряжения и тангенса угла потерь, так как напряжение в узле соединения конденсаторов при переходном процессе остается однополярным и изменяется в диапазоне (0,125-0,875) от напряжения источника питания. Недостаток устройства - высокий уровень электромагнитного поля, создаваемого контуром силового блока в окружающем пространстве. Задача изобретения - уменьшение наводок электромагнитного поля, создаваемого контуром силового блока в окружающем пространстве. Поставленная задача решается тем, что в устройстве индукционного нагрева, выполненном по полумостовой симметричной схеме и содержащем силовой блок, включающий два последовательно соединенных коммутатора, параллельно каждому из которых подсоединен диод в обратном направлении и два последовательно соединенных конденсатора, индуктор, включенный между узлами соединения коммутаторов и вышеупомянутых конденсаторов, которые вместе с индуктором образуют резонансный контур, блок запуска, соединенный с управляющими выводами коммутаторов, и источник питающего напряжения, подключенный к накопительному конденсатору, в котором силовой блок выполнен в виде двух сборок из последовательно соединенных коммутаторов совместно с диодами и двух сборок из последовательно соединенных конденсаторов, расположенных радиально-симметрично относительно оси силового блока, проходящей через центр 3028 1 индуктора, накопительный конденсатор выполнен в виде сборки из 2 конденсаторов, где 2, расположенных радиально-симметрично относительно оси силового блока и соединенных шинами по замкнутому контуру, симметричному оси силового блока, к шинам, соединяющим накопительные конденсаторы, подключены свободные выводы последовательно соединенных коммутаторов и конденсаторов так, что анодный вывод коммутатора и один из выводов конденсаторов подключены к шине, соединенной с положительным выводом источника питающего напряжения, а вторые свободные выводы последовательно соединенных коммутаторов и конденсаторов соединены с общей шиной источника питающего напряжения, узлы соединения двух сборок последовательно соединенных коммутаторов и конденсаторов попарно соединены шинами,расположенными в диаметральном направлении перпендикулярно друг другу, первый вывод индуктора подключен к шине, соединяющей узлы соединения последовательно соединенных коммутаторов, а второй - к шине, соединяющей узлы соединения сборок последовательно соединенных конденсаторов, в точках расположенных на средине их длины, причем параметры элементов каждой из сборок имеют соответственно одинаковые величины, а все подсоединения выполнены так, что контур силового блока образует четыре одинаковых квадранта. Для случая, когда устройство индукционного нагрева выполнено по однотактной схеме и содержит силовой блок, включающий коммутатор, диод и конденсатор, подсоединенные параллельно коммутатору, причем диод в обратном направлении, и накопительный конденсатор, подсоединенный к источнику питающего напряжения, а также индуктор, подключенный первым выводом к первому выводу коммутатора, соединенного с первыми выводами конденсатора и диода, вторые выводы коммутатора, конденсатора и диода подключены к общей шине, а второй вывод индуктора - к полюсному выводу источника питающего напряжения, в котором конденсатор, подсоединенный параллельно коммутатору, выполнен в виде сборки изконденсаторов,где 2, расположенных аксиально-симметрично относительно коммутатора, накопительный конденсатор выполнен в виде сборки изконденсаторов, где 2, расположенных аксиально-симметрично относительно коммутатора и индуктора, причем параметры каждой из сборок, длина соединительных проводов (или шин) и геометрические размеры контуров имеют соответственно одинаковые величины. Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1, 2). На фиг. 1 показана полумостовая симметричная электрическая схема преобразователя с указанием взаимного размещения элементов, собранная на полевых транзисторах и содержащая две сборки из последовательно соединенных полевых транзисторов 1, 2 и 3, 4, средние выводы сборок соединены шиной 5 две сборки из последовательно соединенных конденсаторов резонансного контура 6, 7 и 8, 9, средние выводы которых соединены шиной 10 накопительные конденсаторы 11, 12, 13, 14, расположенные радиальносимметрично оси индуктора 15 (показан штриховой линией), выводыи - которых соединены соответственно шинами 16 и 17 по замкнутому контуру, симметричному оси индуктора 15. Анодные (стоковые) выводы полевых транзисторов 2, 4 подсоединены к шине 16, катодные (истоковые) выводы полевых транзисторов 1, 3 - к шине 17 в точках, расположенных радиально-симметрично относительно оси силового блока параллельно каждому из полевых транзисторов 1-4 подсоединены диоды 18-21 в направлении с обратной проводимостью свободные выводы конденсаторов 6, 9 и 7, 8 соответственно подсоединены к шинам 16 и 17 в точках, расположенных радиально-симметрично оси силового блока. Сборки полевых транзисторов 1-4 и конденсаторов 6-9 расположены взаимно-перпендикулярно оси индуктора таким образом, что силовой блок образует четыре квадранта. Выводы индуктора 15 подсоединены к шинам 5, 10 в точках 22, 23,расположенных на средине их длин. На входы (затворы) 24, 26 и 25, 27 полевых транзисторов 1, 3 и 2, 4 подаются соответственно импульсы от генератора запуска, сдвинутые на полпериода колебаний резонансного контура. Выводисточника анодного напряжения подсоединен к шине 16, - - к общей шине 17. На фиг. 2 показана электрическая схема преобразователя с взаимным расположением элементов, собранная по однотактной схеме и содержащая коммутатор 1, в качестве которого применен, например, полевой транзистор,параллельно коммутатору 1 подключены диод 2 в направлении с обратной проводимостью и сборка из параллельно соединенных конденсаторов 3, 4, расположенных радиально-симметрично коммутатору 1 накопительные конденсаторы 5, 6, расположенные радиально-симметрично коммутатору 1, одни выводы которых подсоединены к общей шине 8, вторые - соединены шиной 9, причем все перечисленные выше элементы образуют силовой блок а также индуктор 7, включенный последовательно коммутатору 1 и образующий с конденсаторами 3, 4 резонансный контур генератор запуска, подсоединенный к управляющему электроду коммутатора 1, и источник анодного напряжения, подсоединенный к шинам 8 и 9. В других вариантах устройства применены сборки из , где 2 конденсаторов, резонансного контура и ,где 2, накопительных конденсаторов, расположенных аксиально-симметрично коммутатору, причем элементы каждой из сборок имеют одинаковые параметры и соединены параллельно. Работа устройств (фиг. 1, 2) основана на едином принципе, который заключается в взаимной компенсации напряженностей магнитного поля, создаваемых контурами силового блока, в окружающем пространстве. На фиг. 1 стрелками указано направление тока в определенный момент времени в каждом из квадрантов,образующих квадруполь. Так, если в случае протекания тока по одиночному проводу конечной длины напряженность магнитного поля в точках окружающего пространства, расположенных на расстояниях боль 3028 1 ших длин провода, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния по кольцевому контуру обратно пропорционально кубу расстояния по двум контурам с обратным направлением тока, образующих диполь, - обратно пропорционально расстоянию в четвертой степени по четырем контурам, образующих квадруполь, - обратно пропорционально расстоянию в пятой степени. Поэтому за пределами предлагаемого устройства на расстояниях, больших размеров контура, напряженность магнитного поля затухает достаточно быстро. При этом во всех случаях полагалось, что размеры контуров во много раз меньше расстояния, проходимого электромагнитной волной за четверть периода колебаний резонансного контура. В устройстве (фиг. 2) при 2 контур силового блока образует диполь, при 2, 2 контур силового блока принимает вид коаксиала, для которого напряженность магнитного поля за его пределами практически равна нулю. В устройстве, собранном по полумостовой симметричной схеме (фиг. 1), управляющий сигнал от блока запуска подается на затворы 25, 27 полевых транзисторов 2, 4, при открывании которых анодное напряжение прикладывается к шине 5. В данный момент времени напряжение на шине 10, соединяющей средние точки последовательно соединенных конденсаторов 6, 7 и 8, 9, равно половине анодного напряжения. В контуре,образованном конденсаторами 6-9 и индуктивностью индуктора, подсоединенного к точкам 22, 23 шин 5, 10,возникает ток на резонансной частоте, определяемой индуктивностью и активным сопротивлением индуктора и суммарной емкостью конденсаторов 6-9. Направление тока в четырех квадратах контура показано стрелками. Длительность включенного состояния полевых транзисторов 2, 4 равна длительности полупериода собственных колебаний резонансного контура. Максимальное падение напряжения при переходном процессе на параллельно соединенных конденсаторах 7, 8 достигает величины, не превышающей 0,875 от анодного напряжения, уменьшаясь к концу полупериода до половины анодного напряжения. Включение полевых транзисторов 1, 3 производится от генератора пусковых импульсов с задержкой, равной времени выключения транзисторов 2, 4, для избежания возникновения сквозного тока. Во втором полупериоде колебаний направление тока через индуктор меняется на обратное. В дальнейшем схема работает идентичным образом. Диоды 18-21 служат для защиты полевых транзисторов от импульсов напряжения обратной полярности. В устройстве, собранном по однотактной схеме (фиг. 2), в последовательном -контуре, образованном индуктивностью и активным сопротивлением индуктора 7 и суммарной емкостью конденсаторов 3, 4, возникают резонансные затухающие колебания при подключении к источнику анодного напряжения. Полевой транзистор 1 включается, например, в момент, когда напряжение на конденсаторах 3, 4 проходит через нулевое значение, для уменьшения мощности, рассеиваемой на транзисторе 1. В общем виде переходный процесс схемы (фиг. 2) описывается выражением где- ток через индуктор- анодное напряжение источника питания 1 1(2) в 2- резонансная частота последовательного -контура- собственная частота контура- активное сопротивление индуктора- индуктивность индуктора,С - суммарная емкость конденсатора 3, 4- сопротивление полевого транзистора 1, которое равно бесконечности в выключенном состоянии и сопротивлению канала сток-исток во включенном его состоянии. Первое слагаемое правой части уравнения (1) определяет ток через конденсаторы 3, 4, второе - ток через полевой транзистор 1. Ток через индуктор 7 равен сумме токов через конденсаторы 3, 4 и полевой транзистор 1. После выключения полевого транзистора 1 в схеме снова наступают колебания, описываемые первые слагаемым правой части уравнения 1. В дальнейшем снова происходит включение полевого транзистора 1 в момент, когда напряжение на конденсаторах 3, 4 проходит через нулевое значение. Диод 2 служит для защиты транзистора 1 от импульсов обратной полярности. В устройстве (фиг. 1) в качестве коммутаторов применены четыре полевых транзистора типа КП 717 Б 1,собранные в две сборки по два последовательно соединенных транзистора. Транзисторы размещены на четырех радиаторах, каждый из которых рассеивал мощность 10 Вт. В качестве накопительных конденсаторов 3028 1 применены восемь электролитических конденсаторов типа К 50-35 мкФ 350 В, соединенные параллельно шинами по замкнутому контуру. Две сборки последовательно соединенных конденсаторов содержали по четыре конденсатора типа К 78-2 15 нФ 630 В. Все элементы силового блока размещены на двухстороннем фольгированном текстолите, на котором были выполнены шины путем травления. В устройстве (фиг. 2) в качестве коммутатора применен тиристор типа КУ 222 Б, диод типа ДЧ 106, сборка конденсаторов, подключенных параллельно тиристору, содержала двенадцать конденсаторов типа К 78-2 0,022 мкФ 1600 В, сборка накопительных конденсаторов - восемь конденсаторов типа К 50-35 220 мкФ 350 В. Работу устройства осуществляют следующим образом. К клеммам 22, 23 шин 5, 10 (фиг. 1) подсоединяют выводы индуктора 15. Сигнальные выводы генератора запуска подключают к затворам 24, 26 и 25, 27 полевых транзисторов 1, 3 и 2, 4. Непосредственно на индукторе располагают диэлектрический настил, на котором размещается кухонная металлическая посуда. Генератор запуска вырабатывает импульсы, сдвинутые на полпериода собственных колебаний резонансного контура, образованного индуктивностью индуктора 15 и конденсаторами 6-9. При источнике анодного напряжения 300 В мощность, потребляемая устройством, составила 1,2 кВт, тепловая мощность, передаваемая в кастрюлю - 1,14 кВт. Частота собственных колебаний резонансного контура составила 22 кГц. Рабочая частота устройства (фиг. 2) составила 5 кГц при мощности 1 кВт. Напряженность магнитного поля непосредственно у кастрюли не превышала 4 А/м, на расстояниях 20 см от кастрюли напряженность магнитного поля не превышала 0,01 А/м при потребляемой мощности 1 кВт. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.