SELECȚIA SURSELOR DE ENERGIE PENTRU ÎNCĂLZIREA INDUCCIARĂ.
Universitatea de Stat din Mordovia. N.P. Ogareva », Saransk
Există zone în care pot fi folosite mai multe tipuri de elemente cheie.
Puterea necesară pentru un anumit proces de încălzire prin inducție depinde de volumul de metal încălzit, de gradul de încălzire și de eficiența procesului. Zone mici care sunt încălzite la o adâncime mică, de putere mică poate necesita (1-2 kW), în timp ce încălzirea în inductor deplasează rapid benzi de oțel la o temperatură peste punctul Curie al puterii poate fi necesară, megawați cuantificabile. Intrarea este de obicei furnizată cu o tensiune trifazată de la 220 la 575 V cu o frecvență de 50 (60) Hz. Prima unitate se numește convertor AC la DC sau redresor. Această unitate poate furniza o tensiune DC fixă, o tensiune DC controlată sau un curent continuu reglabil. Al doilea bloc este numit invertor sau generator și este proiectat pentru a converti un curent direct într-un curent alternativ monofazat. Al treilea bloc este numit un bloc de potrivire și este proiectat pentru conducere invertor de tensiune de ieșire la valoarea necesară pentru funcționarea eficientă a inductor. Unitatea de control compară semnalul de la ieșirea sistemului cu semnalul de comandă și reglează tensiunea de ieșire a redresorului, faza sau frecvența invertorului, asigurând astfel un mod de încălzire adecvat.
Configurații și tipuri de invertoare.
Cea mai obișnuită configurație a invertorului este structura convertorului de punți. Se numește adesea podul "H", deoarece constă din patru brațe care conțin elemente cheie (tiristoare sau tranzistoare). Ieșirea este situată pe bara transversală a literei "H" (diagonală a podului), astfel încât atunci când comutatoarele S1 și S2 sunt deschise, curentul curge de la dreapta la stânga. Când întrerupătoarele S1 și S2 sunt închise și comutatoarele S3 și S4 sunt deschise, curentul curge în direcția opusă de la stânga la dreapta. Pe măsură ce se repetă acest proces, se generează un curent alternativ, a cărui frecvență este determinată de viteza de comutare a supapelor.
Așa-numitul invertor de jumătate de punte constă doar din două elemente cheie și două condensatoare de filtru. Circuitul de ieșire este conectat între punctele comune ale elementelor cheie și condensatoarelor. Comutarea alternativă a elementelor cheie asigură fluxul prin circuitul de ieșire al curentului alternativ.
Conectați o sursă de curent continuu. Această configurație este utilizată în locul podului, când este necesară o tensiune de ieșire mai mică sau o putere de ieșire mai mică.
Invertorul de tensiune se caracterizează prin utilizarea unei capacități a filtrului la intrarea invertorului și a unui circuit de ieșire conectat în serie. Invertoarele de tensiune includ, de exemplu, sursa de alimentare Inductoheat Starpower 6 [1] utilizată pentru încălzirea prin inducție pentru a genera frecvențe de funcționare de la 90 Hz la 1 MHz și mai mare. Tiristoarele pot fi utilizate pentru comutarea curentului la frecvențe mai mici de 10 kHz. La frecvențe de la 10 la 50 kHz, sunt utilizate în mod obișnuit tranzistoare IGBT. La frecvențe mai mari de 50 kHz, datorită vitezei mari de comutare, sunt preferate tranzistoarele MOSFET. Tranzistorii nu au nevoie de timp pentru a restabili proprietățile de blocare și, prin urmare, pot funcționa la o frecvență rezonantă.
Funcționarea la rezonanță înseamnă că factorul de putere al circuitului de ieșire este unitate, iar puterea maximă este transferată de la circuitul de tensiune DC (curent) la sarcină. Pentru a controla alimentarea în acest caz, se utilizează o sursă de curent continuu reglabilă.
Încălzirea prin inducție a plăcilor, benzilor sau discurilor mari necesită de obicei o frecvență joasă și o putere mare. Frecvența joasă asigură o adâncime mai mare a penetrării curenților turbionari în piesa de prelucrat. Adâncimea mai mare a penetrării face posibilă reducerea timpului ciclului de încălzire și creșterea temperaturii miezului central, îmbunătățind astfel omogenitatea distribuției de temperatură. Tiristoarele sunt capabile să funcționeze ca întrerupătoare la tensiuni ridicate și curenți foarte mari, dar necesită aplicarea tensiunii inverse pentru a asigura timpul necesar de recuperare a proprietăților de blocare. Acest timp de recuperare, care este necesar pentru funcționarea normală a tiristoarelor, crește, de regulă, pentru tiristoare de mare putere și scade pentru tiristoarele cu putere redusă. Prin urmare, rezultă că cu cât frecvența de operare este mai mică, cu atât este mai mare puterea care poate fi realizată cu ajutorul tiristoarelor.
La convertizoarele de tensiune cu frecvență joasă, sunt utilizate în general structuri de invertor de jumătate de punte. Tiristoarele sunt comutate pe rând, mai întâi într-un braț al podului, apoi în cel de-al doilea. Tiristoarele sunt pornite la un anumit moment, datorită sistemului de comandă, care asigură impulsurile de control la tiristorul următor, când curentul sarcinii conectate pe serie trece prin zero. Curentul de sarcină apoi trece prin diodele paralele.
Pentru a asigura timpul de recuperare necesar, invertorul de tensiune din tiristor funcționează întotdeauna la frecvențe mai mici decât frecvența de rezonanță a sarcinii. În cazul în care frecvența de comutare a tiristoarelor este mult mai mică decât o impedanță de sarcină rezonantă și putere de ieșire de mare este mic. Când frecvența de comutare se apropie de rezonanță, impedanța sarcinii scade și crește puterea de ieșire. Puterea de ieșire este controlată în acest caz prin schimbarea frecvenței de funcționare a tiristoarelor punții invertor. În acest caz, nu este nevoie să reglați puterea de ieșire din tensiunea de intrare a invertorului. Acest lucru permite utilizarea de punte redresoare nedirijate, care, la rândul său, asigură un cosinus intrare mare (0,95) invertor alimentat de rețea în timpul întregii game de puterea de ieșire a invertorului. Eficiența surselor de alimentare de acest tip este mai mare de 90%, iar pentru sursele de putere de joasă frecvență - până la 95%.
O variantă populară a invertorului de tensiune pentru o încălzire prin inducție este un invertor de comutare cu o inductanță și o capacitate, inclusă în pod diagonală. Circuitul paralel de sarcină este apoi comutat în serie cu elementele de comutare. comutate inductanță și capacitate parametrii sunt selectați astfel încât frecvența de rezonanță mai mare decât frecvența la care invertorul la sarcina reglată la această frecvență, de lucru cu curentul minim admisibil al podului, permițând sarcina să aloce puterea necesară. O caracteristică foarte importantă a acestui tip de invertor este aceea că o serie de elemente de circuit de comutare separă podul de sarcină. O astfel de construcție a circuitului protejează invertorul împotriva eșecurilor în circuitul de sarcină cauzate de scurtcircuite sau arc electric, precum și potrivirea greșită a invertorului sarcinii, ceea ce face circuitul una dintre cele mai stabile dintre sursele de alimentare cu tiristoare utilizate pentru încălzirea prin inducție. A doua caracteristică a acestui circuit este realizată atunci când elementele de comutare sunt reglate la a treia armonică. Alimentarea cu energie electrică, în acest caz, este capabil să asigure alocarea de putere deplină în paralel cu circuitul de sarcină sau frecvența fundamentală sau la a treia armonică sa. un circuit invertor de tensiune inductanței de comutare și capacitate, incluse în puntea diagonală sunt utilizate, de exemplu, în Inductoheat Statipower familia de alimentare de tip 5 [3] și executat pe tiristoarele din comutatoarele de alimentare și nereglementată sursa de alimentare cu tensiune de CC. Reglarea puterii de ieșire se realizează prin schimbarea frecvenței de lucru a invertorului în raport cu frecvența rezonantă a circuitului de încărcare paralelă.
Convertizoarele de curent sunt caracterizate prin utilizarea unei surse de tensiune reglată cu o clapetă de accelerație conectată în serie la intrare. Acest inductor are de obicei o inductanță mare și este conectat la intrarea punții invertorului la ieșire
Bridge inverter curent Oscilograme de curenți și tensiuni ale invertorului curent la frecvențe mai mari de rezonanță, care include un circuit de sarcină de rezonanță paralel.
Există un număr mare de modele de invertoare de curent care asigură funcționarea unităților de inducție în intervalul de frecvențe de la 90 Hz la 1 MHz. Tiristoarele sunt frecvent utilizate la frecvențe de până la 10 kHz, iar tranzistorii sunt utilizați la frecvențe mai mari.
În cazul în care tiristoarele sunt utilizate ca întrerupătoare de curent, invertorul curent trebuie să funcționeze la o frecvență mai mare decât cea care este rezonantă pentru circuitul de încărcare paralelă. Familii de surse de alimentare pentru încălzirea prin inducție a TG și TC produse de Radyne Ltd. au fost efectuate în conformitate cu acest sistem și au fost în funcțiune din 1970 [4].
Realizarea unei conexiuni cu un invertor de tensiune discutat mai sus, subliniem că tensiunea invertor la pod are o formă sinusoidală și un curent dreptunghiular prin pod. la redresor tensiunea de ieșire după filtrarea valorii șocului mare LDC (fig. 10) se aseamănă necontrolată a tensiunii de ieșire redresor. Această tensiune negativă din punctul de timp de comutare a tiristorului până când tensiunea de sarcină devine egal cu 0. Timpul de subiect ar trebui să fie suficient de mare pentru a oferi timpul de recuperare necesară a proprietăților de blocare tiristor. Timpul în care aceste tensiuni sunt negative este furnizat tiristoarelor pentru a restabili proprietățile de blocare. Reglarea puterii se realizează un redresor controlat de fază pentru a obține o tensiune variabilă DC la intrarea podului invertorului. Frecventa tiristoare invertor de comutare a făcut, de asemenea, variabilă, ceea ce permite o putere de frecventa, împreună cu reglarea tensiunii de intrare a podului convertor. Acest lucru se potrivește cu factorul necesar de mare putere consumată din rețea, la un nivel de putere care, atunci când reglementarea este întotdeauna mai mică decât puterea de ieșire nominală. Invertorul curent este de obicei conectat direct la un circuit de încărcare paralelă fără transformator de ieșire. Acest lucru face ca invertoarele de acest tip să fie potrivite în special pentru lucrul la o sarcină de înaltă Q.
Pentru invertoarele curente care funcționează la frecvențe mai mari de 10 kHz, datorită pierderilor reduse la comutarea ca întrerupătoare de alimentare, se utilizează tranzistori, care nu necesită timp pentru a restabili proprietățile de blocare. În acest caz, invertorul poate funcționa la frecvența de rezonanță a circuitului oscilator de încărcare paralel (fig.11). Când tranzistoarele T1 și T2 sunt deschise și T3 și T4 sunt închise, tensiunea de intrare este egală cu tensiunea pe sarcină, iar tensiunea pe tranzistori este zero.
Comutarea la tensiunea zero minimizează pierderile de comutare în tranzistori și, prin urmare, permite creșterea frecvenței de inversare. Dacă frecvența de inversare coincide cu frecvența oscilațiilor naturale ale buclei de încărcare paralelă (nu se aplică controlul puterii de frecvență), puterea de ieșire trebuie modificată prin reglarea curentului de intrare al invertorului. Acest lucru este realizat prin utilizarea unuia dintre tipurile de surse de curent continuu reglementate descrise anterior. De exemplu, una dintre aceste surse de Statitron 3, produsă de Inducto Elphiac (Belgia), este implementată pe MOSFET care sunt instalate într-un invertor actual. Sursa asigură funcționarea la frecvențe de la 15 la 600 kHz la putere de până la 1 MW [5].
În alte tipuri de invertoare, care sunt utilizate pe scară largă pentru încălzirea prin inducție la frecvențe de la 10 la 30 kHz, este utilizat un singur tiristor (sau mai multe conectate în serie). Un astfel de invertor este numit un elicopter sau o punte de legătură. În Fig. 12 prezintă un chopper de circuit simplificat. Această schemă se referă la invertoarele curente, deoarece un inductor de dimensiuni mari este instalat în serie cu alimentarea la intrare. Spre deosebire de circuitele tradiționale ale punții, elicopterul este utilizat cu o conexiune serială a circuitelor de sarcină de ieșire. Când tiristorul este pornit, curentul curge de la sursa de tensiune constantă printr-un impuls de dimensiuni mari și printr-un condensator compensator conectat în serie cu sarcina,
reîncărcat printr-o inductor. Prima jumătate de undă a curentului care curge prin sarcină este formată în timpul arderii tiristorului, a doua jumătate de undă este generată în timpul arderii diodei. Forma curentului de sarcină rezultat este aproape de sinusoidal. Frecventa determină adâncimea de penetrare a curenților turbionari în piesă în timpul încălzirii prin inducție. Schimbarea frecvenței de operare a invertorului vă permite să reglați puterea de ieșire și, prin urmare, utilizați o sursă de curent continuu nereglementată.
Aspecte economice.
Atunci când se ia în considerare caracterul adecvat al fiecărui tip de sursă de energie pentru încălzirea prin inducție, se ia în considerare costul inițial, costul de funcționare sau eficiența generală, fiabilitatea, întreținerea, flexibilitatea de reglare, cererea de răcire și eficiența electrică.
Costul inițial este important, dar nu este un factor decisiv. La selectarea tipului de invertor este necesar să se ia în considerare și alte cerințe funcționale. În general, o sursă de alimentare de tip elicopter are cel mai mic preț. Pentru capacități mai mici de 250 kW, dacă doriți să obțineți cel mai mic preț, trebuie să alegeți un invertor de tensiune cu o sarcină rezonantă în serie. Actualul invertor are un preț redus per kilowatt la puteri mari și frecvențe joase. Mai scump este de obicei un invertor de tensiune cu o buclă de sarcină paralelă conectată în serie. Utilizează cel mai mare număr de elemente de putere pe kilowatt de putere de ieșire decât în orice alt tip de invertoare la ieșirea corespunzătoare
frecvențe. Cu toate acestea, acest invertor este cel mai robust și flexibil în
funcționare cu diferite unități de inducție. Costul exploatării, care
este adesea determinată de eficiența globală, este de asemenea acceptată pentru examinare. Condițiile moderne de alimentare cu semiconductori pentru încălzirea prin inducție au totuși o eficiență destul de ridicată, comparabilă cu eficiența generatoarelor de mașini și a precursorilor acestora. Cele mai multe surse de alimentare au o eficiență de 85% până la 93% atunci când funcționează la o putere nominală de ieșire. Eficiența care este luată în considerare aici este definită ca puterea la ieșirile de intrare ale convertizorului, raportată la puterea de intrare și, prin urmare, în unele cazuri, nu include puterea pierdută în transformatorul de ieșire de potrivire și capacitățile compensatoare.
Măsurătorile și perfecționările EFICIENȚEI pot fi făcute în mai multe moduri și cu rezultate diferite. Într-unul dintre cazurile limitative, numai pierderile din invertor sunt luate în considerare la calcularea eficienței. Într-un alt caz limitator, se ia în considerare raportul dintre puterea de ieșire determinată de căldura eliberată în sarcină și puterea de intrare a întregului sistem consumat din rețea. Această metodă include pierderile în inductor, care pot fi relativ mari, ceea ce duce la o eficiență scăzută a sistemului calculată.
