Рубрики
Составляющие силовой электроники

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева Юрий Болотовский Жора Таназлы Индукционная термическая обработка является сложным процессом, на который оказывает

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева Юрий Болотовский
Жора Таназлы

Индукционная термическая обработка является сложным процессом, на который оказывает влияние огромное количество причин. Основными компонентами системы индукционного нагрева являются индуктор, источник питания, станция согласования и, фактически, нагреваемая заготовка. Более принципиальным нюансом процесса индукционной термической обработки, который в большинстве случаев рассматривается на исходной стадии проектирования, является способность сказать заготовке очень вероятную мощность от данного источника с наименьшими потерями.

Анализ современных полупроводниковых источников питания приведен в [1]. Происшествия не всегда позволяют выполнить наилучшее проектирование системы индукционного нагрева, где источник питания, включая характеристики индуктора, совершенно подходит для проведения технологического процесса. Очень нередко индуктор проектируется для реализации требуемого режима индукционного нагрева безотносительно к особенностям того источника питания, который будет употребляться. В данном случае нужно переходное устройство для согласования выходных черт источника питания с чертами системы «индуктор–заготовка». Когда такое согласование не обеспечено, источник питания не сумеет воплотить свою паспортную мощность, если для индуктора требуются огромные напряжение либо ток по сопоставлению с теми значениями, которые можно получить от источника. Существует существенное количество причин, хоть какой из которых может препятствовать достижению требуемых характеристик индукционного нагрева. Трансформаторы с переменным коэффициентом трансформации, конденсаторы, а время от времени и дроссели врубаются меж выходом источника питания и индуктором. Определение характеристик этих частей в большинстве случаев определяется термином «согласование с нагрузкой». В статье в короткой форме приводятся теоретические выкладки и опыт, скопленный в компании Inductoheat Inc. во время разработки полупроводниковых источников питания и процессов индукционного нагрева.

Четыре шага к осознанию согласования нагрузки с источником питания.

Шаг 1

Более всераспространенный пример согласования источника питания с нагрузкой может быть пояснен на примере обыкновенной осветительной цепи для варианта, когда лампа с номинальным напряжением в 6 В должна быть запитана от 120-вольтовой цепи (рис. 1). Появляется необходимость определенного типа согласующего устройства, предотвращающего выход из строя лампочки от напряжения 120 В. Это обычно достигается при включении трансформатора меж лампочкой и сетью.

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

Индукционный нагреватель содержит не только лишь резистивный элемент, да и определенную индуктивность. Как элемент электронной цепи, хоть какой индуктор может быть представлен как композиция активного сопротивления и реактивного сопротивления (индуктивности). И активное, и реактивное сопротивление индуктора являются нелинейной функцией нескольких характеристик, таких как геометрия индуктора, характеристики материалов и частоты. Электронное сопротивление и магнитная проницаемость металла являются нелинейными функциями температуры. Как следует, в ферромагнитных материалах изменение электронного сопротивления и магнитной проницаемости происходит во время цикла нагрева. Не считая того, современные процессы обработки металлов требуют нагрева заготовок разных размеров в одном и том же индукторе. Означает, композиция разных типов деталей и конфигурации параметров материала при изменении активного и реактивного сопротивления индуктора повлияет на настройку и свойства источника питания.

Вообщем говоря, изменение активного и реактивного сопротивлений индуктора приводит к изменению сдвига фаз меж напряжением и током индуктора. Такое изменение может характеризоваться коэффициентом мощности индуктора cos φ, где φ — угол, характеризующий сдвиг фаз меж током и напряжением. Коэффициент мощности для различных типов индукторов разным образом определяется перечисленными выше факторами. В то же время, для разных частот, коэффициент мощности может значительно отличаться (от cos φ = 0,05 до cos φ = 0,6). Вместе с коэффициентом мощности, посреди профессионалов, для черт нагрузочного контура обширно употребляется коэффициент добротности Q. Он определяется как отношение индуктивного сопротивления к активному сопротивлению индуктора.

Не считая этого, процесс нагрева обычно просит внедрения частоты, которая отличается от частоты питающей сети. Зависимо от критерий нагрева обычно используются частоты из спектра от 200 Гц до 400 кГц. Это просит внедрения устройств, изменяющих частоту (полупроводниковых преобразователей частоты). Потому что для удачной термической обработки детали требуются довольно высочайшие значения токов, нужно применение массивного источника питания, обеспечивающего эту величину тока либо применение обычных резонансных цепей для минимизации токов либо напряжений, которые обеспечивает источник питания [2, 3]. Проиллюстрируем это утверждение на ординарном примере.

Пример

Дан индуктор, который просит для обычной работы мощность 100 кВт при напряжении 40 В и токе 10 000 А на частоте 10 кГц, и источник питания, который обеспечивает мощность 100 кВт, напряжение 440 В и ток 350 А. Совместимы ли два эти устройства?

При использовании разделительного трансформатора можно избрать коэффициент трансформации 440/40 либо 11:1 для согласования работы индуктора и источника. Это приведет к тому, что потребляемый от источника ток будет равен 10 000/11 либо 909 А, что превосходит токовые способности источника питания.

При подключении специального конденсатора определенной емкости к индуктору может быть понижение тока, потребляемого от источника при обеспечении удачного нагрева. Подключение емкости достаточной величины приводит к изменению коэффициента мощности (cos φ = 1), что позволяет понизить потребляемый от источника ток до величины, равной 100 кВт/440 В либо 227 А, что полностью укладывается в ограничение по току для рассматриваемого типа источника питания. Это не только лишь понижает требования к источнику питания, да и позволяет уменьшить сечение присоединительных кабелей, контакторов и трансформаторов за счет увеличения коэффициента мощности.

Как показано в [1], есть два главных типа резонансных преобразователей частоты, использующих параллельный и поочередный резонансный контур. На рис. 2 показаны свойства поочередной и параллельной резонансных цепей. В параллельной цепи, если конденсатор отсутствует, то данное напряжение, прикладываемое к цепи при фиксированной частоте, обеспечит выделение определенной мощности, зависящей от полного сопротивления цепи. При включении в цепь конденсатора, емкость которого обеспечивает околорезонансные режимы, полное сопротивление цепи значительно растет, а ток, потребляемый от источника питания, значительно падает. Напряжение цепи просит не только лишь заслуги той же мощности, что и при рассмотрении нагрузки без конденсатора, да и большего тока, протекающего через конденсатор от источника питания.

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

В параллельно присоединенной нагрузочной цепи в контуре имеет место повышение тока в Q раз по отношению к току источника питания (рис. 3). Аналогичный случай справедлив для поочередного контура. При расчете конфигурации полного сопротивления цепи ее ток может быть больше при данном входном напряжении, когда цепь работает в околорезонансном режиме, в то время как полное сопротивление стремится к нулю. Ток нагрузки, требуемый для получения данной мощности, является одним и этим же для данной нагрузочной цепи, безотносительно к тому, является ли эта цепь поочередной либо параллельной. Но из-за того, что результирующее сопротивление падает, а требуемый ток является фиксированным, прикладываемое напряжение примерно в Q раз ниже, чем напряжение, прикладываемое конкретно к катушке. Как следует, происходит повышение тока в Q раз в параллельном контуре и повышение напряжения в Q раз в поочередном контуре (рис. 3). Это следует непременно учесть при выборе типа нагрузочной цепи, для того чтоб верно оценивать явления, вызывающие изменение режимов работы источника питания и частей нагревательного поста.

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

Шаг 2

При рассмотрении зависимости выходной мощности для данной цепи нагрузки от рабочей частоты контура (рис. 4), в случае постепенного подхода к резонансной частоте из области низких частот происходит повышение выходной мощности. На частотах выше резонансной будет наблюдаться однообразное уменьшение выходной мощности. Эта черта нередко употребляется для опции требуемого режима источника питания. Целью подстройки нагрузочного поста является получение требуемой мощности, выделяемой в нагреваемой заготовке без превышения какого-нибудь из паспортных характеристик источника питания [1, 4].

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

Нужный метод опции нагрузочного поста сводится к тому, что сначала определяются выходные характеристики источника питания, в согласовании с которыми осуществляется настройка нагрузочного поста. Потом проводится оценка требуемого напряжения на индукторе для получения хотимой выходной мощности. Это может быть изготовлено при помощи заблаговременно узнаваемых данных либо общих эмпирических правил экстраполяции. После чего выбирается коэффициент трансформации развязывающего трансформатора для получения согласования по напряжению. Последующий шаг заключается в определении характеристик индуктора, при всем этом употребляется анализатор частоты нагрузки либо генератор сигналов для определения резонансной частоты нагрузочного контура [4]. На рис. 5 показан анализатор частоты нагрузки, который является полупроводниковым переносным прибором, он стремительно определяет резонансную частоту нагрузочного контура без нагрева рабочего тела. Таковой анализатор исключает значительные утраты времени и предутверждает отбраковку заготовок при настройке. Анализатор исключает эти недочеты, при всем этом просто и точно определяется резонансная частота хоть какой установки для индукционного нагрева либо индукционной обработки.

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

После определения резонансной частоты нужно добавить либо убавить емкость для согласования частоты нагрузочного контура с номинальной частотой источника питания.

Это может быть прибыльно при изменении характеристик частей нагрузочного поста. Индуктор может варьироваться по размерам и форме зависимо от черт нагреваемой заготовки. Эффект конфигурации при использовании обычного цилиндрического индуктора и заготовки показывается на рис. 6. Значение добротности цепи конкретно определяется зависимо от соотношения внутреннего поперечника индуктора и наружного поперечника заготовки и является предпосылкой необходимости роста реактивной мощности для сохранения индуктивного косинуса цепи. Чем больше зазор меж заготовкой и индуктором, тем большее значение величины компенсирующей емкости требуется.

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

Характеристики согласующего трансформатора нагрузочного поста также могут изменяться методом подключения разных отпаек для конфигурации коэффициента трансформации. Это приводит к значимым изменениям индуктивности цепи, отнесенной к первичной обмотке и, как следствие, емкости конденсаторов, требуемой для согласования.

Величина емкости, присоединенной к нагрузке, тоже может быть изменена. Повышение этой емкости приводит к понижению резонансной частоты, а уменьшение — к увеличению. Время от времени случаются ошибки при считывании фактической емкости конденсатора из-за того, что на бирке обозначены мощность конденсатора в КВАРах и емкость в микрофарадах. Последующая формула позволяет вычислить мощность конденсатора в КВАРах:

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

которая, разумеется, является функцией частоты F (в герцах), емкости C (в микрофарадах) и напряжения V. Для данного конденсатора величина КВАР приводится на бирке как частота и напряжение. Если конденсатор употребляется на других напряжениях либо частотах, практически требуемая для согласования емкость должна подбираться в согласовании с вышеприведенной формулой таким макаром, чтоб величина КВАР сохранялась.

Какое реальное преимущество дает параметр КВАР? Он может реально облегчить расчеты, когда меж индуктором и емкостью стоит трансформатор. Как показано на рис. 7, где добротность нагрузки Q = 8, требуемое значение нагрузочного либо компенсирующего конденсатора примерно равно величине добротности Q, помноженной на мощность преобразователя в кв. При мощности 150 кВт будет нужно устанавливать компенсирующие конденсаторы мощностью 1200 КВАР при условии их работы на номинальной частоте и напряжении. Данная величина емкости в КВАРах должна сохраняться безотносительно к тому, каким образом емкость подключается к нагрузочному контуру. Если КВАРы были подобраны, то величина индуктивности индуктора должна быть рассчитана поновой зависимо от метода подключения трансформатора, а после чего повторно должна быть определена и величина емкости.

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева

Одно из всераспространенных заблуждений сводится к тому, что большая часть юзеров считают, что величина КВАРов конденсатора является неизменной. Это ошибочно, потому что это значение изменяется при изменении рабочей частоты и/либо напряжения. Потому нужно определять КВАРы на рабочем напряжении и выбирать конденсаторы таким макаром, чтоб они обеспечивали требуемую суммарную величину КВАР на хотимом напряжении и рабочей частоте. К примеру, исходя из приведенного выше примера, если цепь просит подключения 1200 КВАР при напряжении 600 В и 10 кГц, то более подходящий стандартный конденсатор, который можно будет использовать, будет на 2133 КВАРа, 800 В и 10 кГц.

Производители в течение многих лет выпускали конденсаторы на стандартные напряжения 220, 400, 440 и 800 В, для того чтоб уменьшить номенклатуру выпускаемых конденсаторов и согласовать их рабочее напряжение с выходными напряжениями машинных генераторов.

Другой компонент, который может изменяться в процессе согласования, — автотрансформатор. На практике изменение отпаек трансформатора будет оказывать влияние на выходное напряжение и не оказывать влияние на рабочую частоту. Это утверждение справедливо, так как в неких случаях при использовании полупроводниковых источников питания индуктивность рассеяния автотрансформатора может быть значимой. Нужно проявлять осторожность при выборе расположения автотрансформатора, потому что он может значительно прирастить требуемое количество киловатт-ампер трансформатора.

Шаг 3

Исторически для машинных генераторов настройка сводилась к попыткам прибавления нужного количества конденсаторов, для того чтоб получить коэффициент мощности cos φ = 1 либо нулевой сдвиг фаз по устройствам на панели управления. При использовании полупроводниковых источников питания часто работа осуществляется на мощности, наименьшей, чем номинальная, и неважно какая индуктивность, добавленная в соединительные провода, приводит к изменению коэффициента мощности. Нередко реактивные элементы, расположенные в источнике питания, должны рассматриваться как часть настраиваемой цепи. При детализации рассмотрения стоит отметить, что хоть какой тип источника питания имеет допуски на характеристики, изменение которых не нужно, потому что может привести к ограничению мощности, передаваемой в заготовку. Перед покупкой источника питания рекомендуется проконсультироваться с производителем, имеются ли в наличии дополнительные конденсаторы. Многие юзеры, приобретя источник питания мощностью 150 кВт, смогли получить от него наивысшую мощность нагрузки 90 кВт. На рис. 4 показана обычная регулировочная кривая для преобразователя с регулировкой частоты, работающего на параллельный контур. Этот тип источника питания очень нередко запускается с низкой частоты, так именуемого низкочастотного ограничения, и начинает изменять частоту до того времени, пока не будет достигнут требуемый уровень мощности либо ее максимально вероятное значение. Обычно, есть ограничение по высочайшей частоте, фазе либо наименьшему значению полного сопротивления, ограничение выходного напряжения, ограничение выходного тока, ограничение наибольшей мощности и т. д.

Одним из осложнений, которое может появиться в итоге рассогласования нагрузки, является повышение частоты выше резонансной. Это приводит к отягощению регулирования нагрузочного контура. Это нормально в режиме, когда повышение частоты приводит к повышению выходной мощности. Но появляются ситуации, когда мощность может уменьшаться при увеличении частоты при частотах выше резонансной. При всем этом увеличение частоты будет осуществляться до того времени, пока не будет достигнуто ее предельное значение. Эта ситуация классифицируется как «перескакивание горба». Средством против этого в главном является уменьшение величины компенсирующего конденсатора либо изменение индуктивности, приводящее к повышению резонансной частоты. Для источников питания, в каких применяется емкость для поочередной компенсации, «перескакивание горба» происходит в случае, когда величина поочередной емкости очень мала для паспортной мощности источника питания. Регулируя величину компенсирующего конденсатора и число витков трансформатора, может быть сдвинуть кривую, приведенную на рис. 4, на лево либо на право, для того чтоб исключить режимы с ограничением характеристик источника питания. Выделяемая в нагрузке мощность показана на кривой, и, если кривая смещена очень далековато на лево, перегрузку по мощности можно получить без управления регулятором мощности. Многие полупроводниковые преобразователи не запускаются на нулевой мощности, даже если регулятор мощности установлен на нулевое значение.

Ведомые током источники питания работают на параллельный контур, осуществляя подстройку на резонансную частоту нагрузки за счет конфигурации фазы. К огорчению, неувязка согласования продолжает существовать. В почти всех ведомых током установках очень допустимый ток только некординально выше, чем получаемый для этой установки при коэффициенте мощности, соответственном полному выходному напряжению. Это значит, что если полное сопротивление нагрузочного контура не подобрано точно, полный ток и полное напряжение источника питания не обеспечат на нагрузке полную мощность. Эта ситуация время от времени просит установки специальной настроечной шины для подгонки результирующего сопротивления до подходящей величины. Если ток в процентах к собственной наибольшей величине больше, чем напряжение по отношению к наибольшей величине, то требуется повышение индуктивности цепи. В неприятном случае требуется уменьшение индуктивности. Другое решение обеспечивается, если ведомый током инвертор работает на частоте выше резонансной частоты нагрузочной цепи. Это условие понижает полное сопротивление нагрузки для наилучшего согласования с инвертором.

Шаг заключительный

Последняя проблема, которая может проявиться при согласовании инвертора с нагрузкой, связана с согласованием токоподводов от источника питания к нагрузке либо нагревательному посту и токоподводов от конденсаторов нагревательного поста либо выходного трансформатора до индуктора. Их большая индуктивность может вызвать значимые трудности, определяемые чрезмерным падением напряжения на токоподводах, что приводит к понижению напряжения, прикладываемого к индуктору. В итоге это может привести к значительному понижению выделяемой в заготовках мощности и нарушению режима нагрева. В особенности критичны значения этой индуктивности при выделении огромных мощностей на токоподводах меж компенсирующим конденсатором и индуктором и на больших частотах и огромных токах. Неплохим методом уменьшения этих утрат является минимизация индуктивности токоподводов, что понижает цена и размеры установки.

Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева