Индукционный электронагреватель

Настоящее изобретение относится к области индукционных нагревателей, а точнее касаСТСЯ КУЛИНЗРНЬТХ ПЛИТ С ИНДУКЦИОННЬТМ ЗЛСКтронагревом, радиаторов с индукционным электронагревом воды и воздуха.ИЗВССТНЬТС В НЗСТОЯЩСС ВрСМЯ ИНДУКЦИОНньге нагревательные устройства (ПЕ, 3704581,РЕ, А 1, 2634615, ЕР, 0183163) не обеспечивают в достаточной степени автоматическую коррекцию режимов своей работы в зависимости от ттиша, в том числе размеров и материала, из которого изготовлен нагреваемый объект, и внешних дестабилизирующих факторов, особенно,перепадов в широком диапазоне напряжения ПСрВИЧНОГО ИСГОЧНИКЗ электропитания.Известна Кулинарная плита с индукционным нагревом (]Р 55-27234), которая содержит инвертор, преобразующий энергию постоянного тока в ВЧ-энергию, и схему управления. Инвертор содержит катушку индукционного нагрева,мощньцй полупроводниковый переключатель,соединнный последовательно с катушкой индуктивности, и резонансный конденсатор. Схема управления содержит генератор пилообразного напряжения, синхронно работающий с переключателем, схему ограничения минимальной ширины импульсов, схему, содержащую компаратор, регулирования Ширины импульсов.Достоинством известного устройства является возможность коррекции перепадов напряЖСНИЯ ПСрВИЧНОГО источника электропитания,благодаря изменению формы выходного сигнала генератора по сигналу, задающему минимальную ширину импульса.К недостаткам известного устройства можно отнести:- коррекция осуществляется в достаточно узком диапазоне перепадов напряжения первичного источника электропитания,- отсутствие автоматической коррекции режимов работы устройства в зависимости от размеров и вида нагреваемого объекта,- невозможность поддержания постоянным уровень мощности, подводимой и необходимой для нагрева объекта.Известна кулинарная плита с индукционным нагревом (]Р 59-250841), которая содержит инвертор, преобразующий энергию постоянного тока в ВЧ-энергию, и схему управления. Инвертор содержит катушку индукционного нагрева,резонансный конденсатор и силовой полупроводниковый переключатель. Схема управления содержит датчик входного тока инвертора, датЧИК напряжения источника ПИТЗНИЯ, ДЗТЧИК напряжения на переключателе, компаратор, вЬ 1 полненный по схеме дифференциального усилителя, сравнивающий и усиливающий сигналы,поступающие с датчика напряжения источника ПИТЗНИЯ И С датчика напряжения на переключателе, датчик МИНИМЗЛЬНОЙ нагрузки, сравниВЗЮЩИЙ СИГНЗЛЬТ, ПОСГУПЗЮЩИС С датчика ВХОДного тока и с компаратора, и прекращающийИзвестное устройство позволяет осуществлять автоматическую коррекцию режимов своей работы в зависимости от минимальной нагрузки нагреваемого объекта и наличия перепадов напряжения первичного источника электроПИТЗНИЯ.Несмотря на ряд преимуществ, это устройство решает проблему автоматической коррекции режимов своей работы в достаточно узком диапазоне перепадов напряжения первичного источника электропитания, а также не решает проблему автоматической коррекции режимов своей работы в зависимости от размеров и вида нагреваемого объекта при поддержании величины необходимой мощности, подводимой к нагреваемому объекту, постоянной, в условиях нестабильности напряжения первичного источника электропитания.В основу изобретения поставлена задача создать индукционный электронагреватель с такими ЗЛСМСНТЗМИ КОНСТРУКЦИИ И ИХ СВЯЗЯМИ,КОТОРЬТС ПОЗВОЛИЛИ бЫ ОСУЩССТВИТЬ В ДОСГЗТОЧной степени автоматическую коррекцию режимов работы устройства для поддержания необходимой величины мощности, подводимой к нагреваемому объекту, постоянной, независимо от ттиша и размеров нагреваемого объекта и,возможно одновременном, воздействии внешних дестабилизирующих факторов, в том числе перепадов в широком диапазоне от 180 В до 250 В напряжения первичного источника электроПИТЗНИЯ.Эта задача решена созданием индукционного электронагревателя, содержащего блок ПИТЗНИЯ, КОНТУР индуктора, бЛОК ТОКОВЬТХ КЛТОчей, блок контроля напряжения коллекторов токовых ключей, датчик определения наличия нагреваемого объекта и блок определения уровня пульсаций, вход которого соединн с контуром индуктора и блоком питания, подключнНЪТМ К ПСрВИЧНОМУ ИСТОЧНИКУ электропитания,при этом, согласно изобретению, он дополнительно содержит последовательно соединнные датчик температуры нагрузки, блок управления мощностью, управляемый задающий генератор И УСИЛИТСЛЬ МОЩНОСТИ, а ТЗКЖС ВТОРОЙ датчик температуры, блок запуска, два высоковольтных делителя, блок подстройки частоты генератора,блок ограничения мощности, блок звуковой сигнализации, блок блокировки генератора,первый выход которого соединн с блоком звуковой сигнализации, второй выход соединн со вторым входом управляемого задающего генератора, третий выход соединн со вторым входом блока управления мощностью, первый вход СОСДИНН С ПСрВЬТМ ВЫХОДОМ датчика температуры нагрузки, третий вход через соединнные между собой блок контроля напряжения коллекторов токовых ключей и первый вЬ 1 соковольтный делитель соединн с блоком токовыхключей, четвртый вход через блок запуска соединн со вторым датчиком температуры, а второй вход соединн с датчиком определения наличия нагреваемого объекта, первый вход которого соединн со вторым выходом первого вЬ 1 соковольтного делителя, а второй вход подключн к общей точке, соедшшющей вход блока подстройки частоты генератора, вход блока ограничения мощности, выход блока определения уровня пульсаций и выход второго вЬ 1 соковольтного делителя, вход которого соединн с входом блока определения уровня пульсаций и блоком питания, причм блок подстройки частоты генератора соединн с третьим входом управляемого задающего генератора, блок ограничения мощности соединн с третьим входом блока управления мощностью, усилитель мощности соединн с блоком токовых ключей, второй датчик температуры соединн механически с коллектором блока токовых ключей, а второй выход блока запуска соединн с блоком питаНИЯ.В настоящем изобретении используется эффект разогрева ферромагнетиков в переменном с высокой частотой изменения магнитном поле. Магнитное поле индуцирует в ферромагнетиках вихревые токи, которые преобразуют энергию магнитного поля в тепловую энергию,величина которой прямо пропорциональна квадрату частоты изменения магнитного поля.Собственно индукционный электронагреватель представляет собой управляемый инвертор, преобразующий выпрямленное и сглаженное блоком питания напряжение первичного источника электропитания в переменный ток. Под воздействием этого тока контуром индуктора создатся магнитное поле, в которое и помещается нагреваемый объект, который в зависимости от материала изготовления и габаритных размеров вызывает изменение режимов работы инвертора. Нормальное функционирование инвертора, благодаря автоматической коррекции его режимов работы, при различных нагреваемых объектах и, возможно одновременном, воздействии внешних дестабилизирующих факторах, в том числе перепадов в широком диапазоне напряжения первичного источника электропитания, обеспечивается всеми остальными блоками настоящего изобретения.Управляемый задающий генератор (вЬ 1 полненньгй, например, на основе схемы - Бирюков С.А. Цифровые устройства на интегральных микросхемах. М.: Радио и связь, 1991, с. 52) работает в автоколебательном режиме и вь 1 рабатывает импульсы с частотой 25 - 45 Гц, которые после усиления усилителем мощности управляют силовыми транзисторными ключами блока токовых ключей (выполненного, например, на основе схемы - Найвельт Г.С. Источники электропитания РЭА. Справочник. М.: Радио и связь, 1989, с. 419).Управляемый задающий генератор настроен в резонанс с собственными свободными колебаниями контура индуктора, состоящего из плоской катушки индуктивности и резонансной мкости.Коррекция частоты импульсов управляемого задающего генератора, необходимая в связи с тем, что нагреваемый объект в зависимости от его размеров и материала изготовления вноСИТ ИЗМСНСНИС В ЧЗСТОТНЫС характеристики КОНтура индуктора, осуществляется блоком подстройки частоты генератора и зависит от тока потребления инвертора. Значение этого тока определяется величиной переменной составляющей на выходе блока питания, состоящего из мощного однофазного мостового диодного выпрямителя (выполненного, например, на основе схемы - Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые примноусилительные устройства. Справочник радиолюбителя. Киев: Наукова думка, 1982, с. 504, рис. УШ. 1 в) напряжения первичного источника электропитания и фильтра на электролитических конденсаторах большой мкости.Блок определения уровня пульсаций (выполненный, например, на основе схемы - Горшков Б.И. Радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1987, с. 393, рис. 17.246), представляющий собой схему удвоения напряжения пульсаций, детектируемых блоком питания,выделяет переменную составляющую напряжения питания, значение которой увеличивается с увеличением тока инвертора, вследствие увеличения размеров нагреваемого объекта, и преобразует е в постоянное напряжение.Блок подстройки частоты генератора, собранный на операционном усилителе (вЬ 1 полненный, например, на основе схемы - Современные линейные интегральные микросхемы и их применение. Перевод с англ. под ред. Гальперина М.В. М.: Энергия, 1980, с. 56), корректирует частоту импульсов управляемого задающего генератора В ЗЗВИСИМОСТИ ОТ ВСЛИЧРШЫ ПОСТ ОЯНного напряжения, поступающего с блока определения уровня пульсаций.Блок управления мощностью, вЬ 1 полненный на основе транзисторного регулятора, осуществляет управление длительностью импульсов, вырабатываемых управляемым задающим генератором, которая задат мощность, подводимую к нагреваемому объекту и, следовательно, интенсивность разогрева нагреваемого объекта. Изменение мощности, подводимой к нагреваемому объекту, может производиться, как пользователем, благодаря наличию на блоке управления мощностью регулятора мощности,так и в автоматическом режиме работы индукционного электронагревателя.Блок ограничения мощности, собранный на операционном усилителе по схеме усилителя тока (выполненный, например, на основе схемы - Современные линейные интегральныемикросхемы и их применение. Перевод с англ. под ред. Гальперина М.В. М.: Энергия, 1980, с. 56), контролирует величину напряжения на вЬ 1 ходе блока определения уровня пульсаций и при достижении ею определнного порогового значения воздействует на блок управления мощноСТЬЮ, КОТОРЬТЙ УМСНЬШЗСТ ДЛИТСЛЬНОСТЬ ИМпульсов, вырабатываемых управляемым задающим генератором, обеспечивая номинальный режим работы инвертора, предохраняя его от перегрузок.Блок блокировки генератора (вЬ 1 полненный, например, на основе схемы, сочетающей триггер Шмитта - Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение. М.: Радио и связь, 1989, с. 122 - и расширитель импульсов - Горшков Б.И. Радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь,1984, с. 288) блокирует, при поступлении на его вход сигнала сброса, работу управляемого задающего генератора. Деблокировка управляемого задающего генератора происходит спустя,примерно, 2 секунды после окончания воздействия на блок блокировки генератора сигнала сброса. При этом блок блокировки генератора воздействует на блок управления мощностью так, что, после деблокировки управляемого задающего генератора, он вырабатывает в первый МОМСНТ ИМПУЛЬСЬТ МИНИМЗЛЬНОЙ ДЛИТСЛЬНОСТ И.Блок звуковой сигнализации подат на короткое время звуковой сигнал в случае поступления сигнала сброса на блок блокировки генератора.Блок запуска (выполненный, например, на основе схемы триггера Шмитта, к выходу КОТОрой через транзисторный ключ подключн оптотиристор - Горшков Б.И. Радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1984, с. 302) исключает перегрузки в работе индукционного электронагревателя за счт обеспечения ограничения тока заряда электролитических конденсаторов блока питания и благодаря сдерживанию запуска управляемого задающего генератора на время прохождения в устройстве всех переходных процессов путм воздействия на блок блокировки генератора.Датчик температуры, выполненный на диодах, механически Присоединнный к блоку токовых ключей, осуществляет контроль за температурой радиаторов транзисторов блока токовых ключей. При превышении температуры МЗКСИМЗЛЬНО ДОПУСТИМОЙ ВСЛИЧИНЬТ, датчик температуры подат сигнал на блок запуска,который через блок блокировки генератора подат сигнал, блокирующий работу инвертора,т.е. индукционный электронагреватель прекращает работу до того момента, пока температура радиаторов транзисторов блока токовых ключей не придт в норму.Датчик определения наличия нагреваемого объекта (выполненный, например, на основе схемы компаратора - Современные линейныеРШТСГРЗЛЬНЬТС МИКрОСХСМЬТ И ИХ ПРИМСНСНИС. Перевод с англ. под ред. Гальперина М.В. М.: Энергия, 1980, с. 50) осуществляет сравнение напряжений, поступающих на два его входа. На первый вход поступает напряжение с коллекторов транзисторов блока токовых ключей, приведнное к определнному уровню вЬ 1 соковольтным делителем напряжения. На второй вход податся через другой высоковольтный делитель напряжение с выхода блока питания. Сюда же ПОДВОДИТСЯ напряжение С ВЫХОДЯ блока ОПределения уровня пульсаций, определяющее величину потребляемого инвертором тока.В случае отсутствия нагреваемого объекта,напряжение на первом входе датчика определения наличия нагреваемого объекта становится выше, чем на его втором входе, вследствие чего на его выходе образуется сигнал сброса, поступающий затем на блок блокировки генератора и инвертор прекращает свою работу.При наличии нагреваемого объекта, амплитуда импульсов на коллекторах транзисторов блока токовых ключей уменьшается, напряжение на первом входе датчика определения наличия нагреваемого объекта становится ниже,ЧСМ на СГО ВТОРОМ ВХОДС, напряжение на КОТОром к тому же растт за счт увеличения напряжения, поступающего с блока определения уровня пульсаций, вследствие роста тока потребления инвертора. В этом случае сигнал сброса не формируется и инвертор продолжает нормальную работу.Блок контроля напряжения коллекторов(выполненный на транзисторном ключе, например, на основе схемы - Рэйке Ч.Д. 55 электронных схем сигнализации. М.: Энергоатомиздат,1991, с. 47) токовых ключей отслеживает амплитуду импульсов с выхода блока токовых ключей и в случае е превышения 1100 В обеспечивает выработку сигнала, поступающего на блок блокировки генератора, который прекращает работу инвертора, защищая силовые транзисторы блока токовых ключей от перегрузок по напряжению.Датчик температуры нагрузки (вЬ 1 полненный, например, на основе схемы - Рэйке Ч.Д. 55 электронных схем сигнализации. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 22) обеспечивает контроль за температурой нагреваемого объекта. При повышении температуры до порогового значения,устанавливаемого пользователем с помощью регулятора температуры, датчик температуры нагрузки, воздействуя на блок управления мощНОСТЬЮ, ПОСТСПСННО СВОДИТ К МИНИМУМУ ДЛИтельность импульсов управляемого задающего генератора, что, в свою очередь, ведт к уменьшению интенсивности нагрева объекта. Если И ПрИ МИНИМЗЛЬНОЙ ИНГСНСИВНОСТИ нагрева ТСМпература нагреваемого объекта оказывается выше установленного пользователем порога, то датчик температуры нагрузки через блок блокировки генератора прекращает работу управляе мого задающего генератора до тех пор, пока температура не поьшзится, став меньше установленного порогового значения.Все узлы и блоки настоящего изобретения ПИТЗЮТСЯ ОТ ВТОРИЧНОГО ИСТОЧНИКЗ ЗЛСКТрОПИтания, обеспечивающего их требуемым напряжением (на чертежах не показан).В результате описанного выше вЬ 1 полнения индукционного электронатревателя, при наличии нагреваемого объекта, образующаяся цепь обратной связи: блок питания - блок определения уровня пульсаций - блок ограничения мощности - блок управления мощностью - иивертор - блок питания, - приводит к тому, что инвертор работает в режиме автоматического стабилизатора потребляемого тока. В результате мощность, подводимая к нагреваемому объекту,остатся практически неизменной, несмотря на перепады в широком от 180 В до 250 В диапаЗОНС напряжения ПСрВИЧНОГО ИСТОЧНИКЗ ЗЛСКтрогштания.Для лучшего понимания изобретения ниже приведен пример его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, на которых:фиг. 1 изображает функциональную схему индукционного электронатревателя, согласно изобретению, фиг. 2 - график зависимости мощности Р(Ш), подводимой к нагреваемому объекту, в зависимости от напряжения П (У) первичного источника электропитания:а - для настоящего изобретения, Ь - для известного устройства, фиг. 3 - график зависимости максимального тока 1 (А) потребления в зависимости от напряжения П (У) первичного источника электроПИТЗНИЯа - для настоящего изобретения, Ь - для известного устройства при длительности импульса, вырабатываемого управляющим задающим генератором, 11 мкс, с - для известного устройства при длительности импульса, вырабатываемого управляющим задающим генератором, 9 мкс, а - для известного устройства при длительности импульса, вырабатываемого управляющим задающим генератором, 7 мкс, фиг. 4 - графики рабочих характеристик настоящего изобретения в зависимости от напряжения П (У) первичного источника электроПИТЗНИЯа - длительность импульса г (мкс) управляемого задающего генератора, Ь - напряжение АН (У) пульсаций на вЬ 1 ходе блока питания, с - ток 1 (А) потребления.Лучший вариант осуществления изобретеНИЯ.представляет последовательно соединнные управляемый задающий генератор 2, усилитель 3 мощности, блок 4 токовых ключей и контур 5 индуктора, а также блок 6 питания, соединнный с первичным источником 7 электропитания и через разделительную мкость 8 с контуром 5 индуктора, первый высоковольтный делитель 9,вход которого соединн с коллектором транзисторов блока 4 токовых ключей, первый выход соединн через блок 10 контроля напряжения коллекторов токовых ключей с третьим входом блока 11 блокировки генератора, а второй вЬ 1 ход соединн с первым входом датчика 12 определения наличия нагреваемого объекта, выход которого соединн со вторым входом блока 11 блокировки генератора, а второй вход подключн к общей точке, соединяющей вход блока 13 подстройки частоты генератора, вход блока 14 ограничения МОЩНОСТИ, ВЫХОД ВТОрОГО ВЫСОКОвольтного делителя 15 и выход блока 16 определения уровня пульсаций, вход которого подключн к общей точке, соединяющей вход второго высоковольтного делителя 15 и выход блока 6 ПИТЗНИЯ, СОСДИНННОГО СО ВТОрЫМ ВЫХОДОМ блока 17 запуска, вход которого соединн с датчиком 18 температуры, механически соединнным с блоком 4 токовых ключей, а первый вЬ 1 ход блока 17 запуска соединн с четвртым входом блока 11 блокировки генератора, первый выход которого соединн с блоком 19 звуковой сигнализации, второй выход соединн со вторым входом управляемого задающего генератора 2, третий выход соединн со вторым входом блока 20 управления мощностью, третий вход которого соединн с блоком 14 ограничения мощности, выход соединн с управляемым задающим генератором 2, а первьцй вход соединн со вторым выходом датчика 21 температуры нагрузки, первый выход которого соединн с первым входом блока 11 блокировки генератора, блок 13 подстройки частоты соединн с третьим входом управляемого задающего генератора 2.Блок 20 управления мощностью содержит регулятор 22 мощности. Датчик 21 температуры нагрузки содержит регулятор 23 температуры.Индукционный электронагреватель работает следующим образом.После включения индукционного электронагревателя блок 17 запуска сразу же подат на вход блока 11 блокировки генератора импульс сброса. Блок 11 блокировки генератора сдерживает запуск управляемого задающего генератора 2 на время достаточное для зарядки электролитических конденсаторов фильтра блока 6 питания. Блок 17 запуска обеспечивает также ограничение тока заряда этих мкостей. После снятия блоком 17 запуска импульса сброса со входа блока 11 блокировки генератора через примерно 2 секунды запускается управляемый задающий генератор 2. Управляемый задающий генератор 2 начинает работу с выработки импульсов ми