ВИБІР ДЖЕРЕЛ ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ ІНДУКЦІЙНОГО нагріву.
ГОУВПО «Мордовський державний університет ім. Н. П. Огарьова », м Саранськ
Існують зони, в яких може використовуватися кілька типів ключових елементів.
Потужність, необхідна для конкретного процесу індукційного нагріву, залежить від обсягу нагрівається металу, ступеня нагріву і ефективності процесу. Невеликі області, що нагріваються на малу глибину, можуть зажадати малої потужності (1-2 кВт), в той час як для нагріву швидко переміщається в індукторі сталевої штаби до температури вище точки Кюрі може знадобитися потужність, що обчислюється мегаватами. На вхід зазвичай подається трифазну напругу від 220 до 575 В частотою 50 (60) Гц. Перший блок називається конвертером змінного струму в постійний або випрямлячем. Цей блок може забезпечувати фіксований постійна напруга, регульоване постійна напруга або регульований постійний струм. Другий блок називається інвертором або генератором і призначений для перетворення постійного струму в однофазний змінний струм. Третій блок називається блоком узгодження і призначений для приведення напруги на виході інвертора до величини, необхідної для ефективного функціонування індуктора. Блок управління порівнює сигнал з виходу системи з керуючим сигналом і регулює вихідну напругу випрямляча, фазу або частоту інвертора, тим самим забезпечуючи відповідний режим нагріву.
Конфігурації і типи інверторів.
Найбільш поширеною конфігурацією інвертора є бруківка перетворювальна структура. Її часто називають міст «Н», так як вона складається з чотирьох плечей, які містять ключові елементи (тиристори або транзистори). Вихід розташовується на перекладині літери «Н» (діагональ моста), так що при розімкнутих ключах S1 і S2 струм тече справа наліво. Коли ключі S1 і S2 замкнуті, а ключі S3 і S4 розімкнуті, струм тече в протилежному напрямку зліва направо. Оскільки цей процес повторюється, відбувається генерування змінного струму, частота якого визначається швидкістю перемикання вентилів.
Так званий полумостовой інвертор складається тільки з двох ключових елементів і двох фільтруючих конденсаторів. Вихідна ланцюг підключається між загальними точками ключових елементів і конденсаторів. Послідовна комутація ключових елементів забезпечує протікання через вихідний ланцюг змінного струму.
Підключення джерела постійного струму (DC). Ця конфігурація використовується замість бруківки, коли потрібно знижений вихідна напруга або вихідна потужність.
Інвертор напруги характеризується використанням фільтрує ємності на вході інвертора і послідовно з'єднаної вихідний ланцюгом. До інверторів напруги відноситься, наприклад, джерело живлення Inductoheat Starpower 6 [1], який використовується при індукційному нагріванні для генерування робочих частот від 90 Гц до 1 МГц і вище. Тиристори можуть використовуватися для комутації струму на частотах нижче 10 кГц. На частотах від 10 до 50 кГц зазвичай використовуються IGBT-транзистори. На частотах вище 50 кГц через високу швидкість комутації кращі транзистори MOSFET. Транзисторів не потрібно час на відновлення замикаючих властивостей, і тому вони можуть працювати на резонансній частоті.
Робота при резонансі означає, що коефіцієнт потужності вихідного ланцюга дорівнює одиниці і максимальна потужність передається з ланцюга постійної напруги (струму) в навантаження. Для управління потужністю в цьому випадку застосовується регульований джерело постійної напруги.
Для індукційного нагріву великих слябів, смуг або болванок зазвичай потрібні низька частота і висока потужність. Низька частота забезпечує велику глибину проникнення вихрових струмів в заготовку. Велика глибина проникнення дозволяє зменшити час циклу нагріву і зробити більш інтенсивним прогрів серцевини заготовки, покращуючи однорідність розподілу температур. Тиристори здатні працювати як ключі на високій напрузі і дуже великих токах, але вони вимагають програми зворотного напруги для забезпечення необхідного часу відновлення замикаючих властивостей. Це час відновлення, необхідне для нормальної роботи тиристорів, зазвичай збільшується для потужних тиристорів, розрахованих на великі струми, і зменшується для малопотужних тиристорів. Звідси випливає, що чим нижче робоча частота, тим вище потужність, яка може бути реалізована з застосуванням тиристорів.
У низькочастотних инверторах напруги зазвичай використовуються полумостового інверторні структури. Тиристори включаються по черзі, спочатку в одному плечі моста, потім у другому. Включення тиристорів в певний час здійснюється за рахунок системи управління, яка забезпечує подачу імпульсів управління на черговий тиристор, коли струм послідовно включеної навантаження проходить через нуль. Струм навантаження після цього протікає через зустрічно паралельні діоди.
Для забезпечення необхідного часу відновлення тиристорний інвертор напруги завжди працює на частотах нижче резонансної частоти навантаження. Коли частота комутації тиристорів багато менше резонансної, повний опір навантаження велике і вихідна потужність мала. Коли частота комутації стає близькою до резонансної, повний опір навантаження зменшується і вихідна потужність зростає. Управління вихідною потужністю в цьому випадку здійснюється за рахунок зміни частоти роботи тиристорів инверторного моста. В даному випадку немає необхідності в регулюванні вихідної потужності по вхідній напрузі інвертора. Це дозволяє використовувати некерований мостовий випрямляч, що, в свою чергу, забезпечує високий вхідний косинус (до 0,95) інвертора при харчуванні від мережі в усьому діапазоні зміни вихідних потужностей інвертора. ККД джерел живлення цього типу більше 90%, а для низькочастотних потужних джерел живлення - до 95%.
Популярним різновидом інвертора напруги для індукційного нагріву є інвертор з коммутирующими індуктивністю і ємністю, включеними в діагональ моста. Навантажувальний паралельний контур при цьому включається послідовно з коммутирующими елементами. Параметри комутуючих індуктивності і ємності вибираються так, щоб резонансна частота була вищою частоти, на якій інвертор з навантаженням, налаштовані на цю частоту, працювали з мінімально допустимим струмом моста, що дозволяє виділяти на навантаженні необхідну потужність. Дуже важливою особливістю цього типу інверторів є те, що послідовний ланцюг комутуючих елементів відокремлює міст від навантаження. Така побудова схеми захищає інвертор від аварій в навантажувальної ланцюга, викликаних короткими замиканнями або дугообразованіем, а також неправильним узгодженням інвертора з навантаженням, що робить цю схему однією з найстійкіших серед тиристорних джерел живлення, що застосовуються для індукційного нагріву. Друга особливість цієї схеми реалізується при налаштуванні комутуючих елементів на третю гармоніку. Джерело живлення в цьому випадку здатний забезпечувати виділення повної потужності в паралельному нагрузочном контурі або на основній частоті, або на її третій гармоніці. Схеми інвертора напруги з коммутирующими індуктивністю і ємністю, включеними в діагональ моста, використовуються, наприклад, в сімействі джерел живлення типу Inductoheat Statipower 5 [3] і виконуються на тиристорах в якості силових ключів і нерегульованому джерелі живлення постійної напруги. Регулювання вихідної потужності досягається зміною робочої частоти інвертора по відношенню до резонансної частоти паралельного навантажувального контуру.
Інвертори струму характеризуються використанням джерела регульованої напруги з послідовно включеним дроселем на вході. Цей дросель зазвичай володіє великою індуктивністю і приєднується на вхід инверторного моста, на виході
Мостовий інвертор струму Осцилограми струмів і напруг інвертора струму на частотах вище резонансної якого включено паралельний резонансний навантажувальний контур.
Випускається велика кількість моделей інверторів струму, які забезпечують роботу індукційних установок в діапазоні частот від 90 Гц до 1 МГц. Тиристори зазвичай використовуються на частотах до 10 кГц, а транзистори - на більш високих частотах.
У разі, коли в якості силових ключів використовуються тиристори, інвертор струму повинен працювати на частоті вище тієї, що є резонансною для паралельного навантажувального контуру. Сімейства джерел живлення для індукційного нагріву TG і ТЗ виробництва Radyne Ltd. виконані за цією схемою і експлуатуються з 1970 року [4].
Провівши порівняння з розглянутим вище інвертором напруги, підкреслимо, що в инвертор струму напруга на мосту має синусоїдальну форму, а струм через міст прямокутну. Напруга на виході випрямляча після фільтрації дроселем великий величини LDC (рис. 10) нагадує вихідна напруга некерованого випрямляча. Ця напруга негативно від моменту часу комутації тиристора до моменту, поки напруга на навантаженні не стане рівним 0. Що розглядається час має бути досить великим, для того щоб забезпечити необхідний час відновлення замикаючих властивостей тиристора. Час, коли ці напруги негативні, надається тиристорам для відновлення замикаючих властивостей. Регулювання потужності здійснюється фазним управлінням випрямляча для отримання змінного постійної напруги на вході инверторного моста. Частота комутацій тиристорів інвертора також робиться змінної, що дозволяє здійснювати частотне регулювання вихідної потужності поряд з регулюванням по вхідній напрузі преобразовательного моста. Це погодить необхідний високий коефіцієнт потужності, споживаної від мережі, з рівнем потужності, який при регулюванні завжди менше, ніж номінальна вихідна потужність. Інвертор струму зазвичай безпосередньо підключається до паралельного навантажувальних контуру без вихідного трансформатора. Це робить інвертори такого типу особливо придатними для роботи на високодобротні навантаження.
Для інверторів струму, що працюють на частотах вище 10 кГц, завдяки своїм низьким втрат при перемиканні в якості силових ключів використовуються транзистори, яким не потрібен час для відновлення замикаючих властивостей. В цьому випадку інвертор може працювати на частоті резонансу паралельного навантажувального коливального контуру (рис. 11). Коли транзистори T l і Т2 відкриті, а ТЗ і Т4 закриті, вхідна напруга дорівнює напрузі на навантаженні, а напруга на транзисторах дорівнює нулю.
Перемикання при нульовому напрузі мінімізують комутаційні втрати в транзисторах і, отже, дозволяють підняти частоту инвертирования. При збігу частоти інвертування з частотою власних коливань паралельного навантажувального контуру (частотне регулювання потужності не застосовується) вихідна потужність повинна змінюватися регулюванням вхідного струму інвертора. Це досягається використанням одного з типів регульованих джерел постійної напруги, описаних раніше. Наприклад, один з таких джерел Statitron 3, який виробляється фірмою Inducto Elphiac (Бельгія), реалізований на MOSFET-транзисторах, які встановлюються в инвертор струму. Джерело забезпечує роботу на частотах від 15 до 600 кГц при потужності до I МВт [5].
В інверторах іншого типу, які широко використовуються для індукційного нагріву на частотах від 10 до 30 кГц, застосовується тільки один тиристор (або кілька включених послідовно). Такий інвертор називається чоппером або четвертьмостом. На рис. 12 показана спрощена силова схема чопера. Ця схема відноситься до інверторів струму, так як на її вході послідовно з джерелом харчування встановлюється дросель великої величини. На відміну від традиційних мостових схем, чопер застосовується з послідовним підключенням вихідних навантажувальних ланцюгів. Коли тиристор включений, струм тече від джерела постійної напруги через дросель великої величини і через послідовно включений з навантаженням компенсуючий конденсатор,
перезаряджається через індуктор. Перша полуволна протікає через навантаження струму формується під час горіння тиристора, друга полуволна - під час горіння діода. Форма результуючого струму навантаження близька до синусоїдальної. Саме частота визначає глибину проникнення вихрових струмів в деталь при індукційному нагріванні. Зміна робочої частоти інвертора дозволяє регулювати вихідну потужність і, отже, використовувати нерегульований джерело постійної напруги.
Економічні аспекти.
При розгляді придатності кожного типу джерел живлення для індукційного нагріву беруться до уваги вартість, вартість експлуатації або загальна ефективність, надійність, ремонтопридатність, гнучкість при налаштуванні, потреба в охолоджуючої рідини і електричний ККД.
Початкова вартість важлива, але не є вирішальним фактором. При виборі типу інвертора необхідно враховувати інші функціональні вимоги. Взагалі кажучи, джерело живлення типу чопер має найнижчу ціну. Для потужностей нижче 250 кВт при бажанні отримати найменшу ціну слід вибирати інвертор напруги з послідовної резонансної навантаженням. Інвертор струму має низьку ціну за кіловат при високих потужностях і низьких частотах. Більш дорогим зазвичай є інвертор напруги з послідовно включеним паралельним навантажувальні контуром. У ньому використовується найбільша кількість силових елементів на кіловат вихідної потужності, ніж в якому б то ні було іншому типі інверторів при відповідних вихідних
частотах. Проте, цей інвертор є найбільш стійким і гнучким в
експлуатації з різними індукційними установками. Вартість експлуатації, яка
часто визначається загальним ККД, також приймається до розгляду. Сучасні напівпровідникові джерела живлення для індукційного нагріву, однак, мають досить високий ККД, який можна порівняти з ККД машинних генераторів і їх лампових попередників. Більшість джерел живлення мають ККД від 85% до 93% при роботі на номінальній вихідній потужності. ККД, який розглядається тут, визначається як потужність на вихідних шинах перетворювача, віднесена до вхідної потужності і, отже, в ряді випадків, не включає потужність, втрачаємо в вихідному трансформатора і компенсуючих ємностях.
Вимірювання та уточнення ККД можуть бути зроблені багатьма шляхами і з різними результатами. В одному з граничних випадків при розрахунку ККД враховуються лише втрати в инвертор. В іншому граничному випадку розглядається відношення вихідної потужності, яка визначається по теплу, що виділяється в навантаженні, до вхідної потужності всієї системи, споживаної від мережі. Цей метод включає втрати в індукторі, які можуть бути відносно великі, що в результаті призводить до низького розрахунковому ККД системи.
