Рубрики
Технологии силовой электроники

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным Юрий Болотовский Леонид Гутин Иван Таназлы Александр Шуляк Высокочастотные источники

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным Юрий Болотовский
Леонид Гутин
Иван Таназлы
Александр Шуляк

Высокочастотные источники питания для индукционного нагрева металлов занимают особенное место посреди устройств силовой электроники. В текущее время понятно довольно огромное количество силовых тиристорных и транзисторных схем, реализующихся в источниках питания для индукционного нагрева. Вне зависимости от типа используемой схемы, процесс согласования индуктора с источником питания в ряде всевозможных случаев представляет собой довольно сложную задачку, для облегчения решения которой нужно познание характеристик индуктора при индукционном нагреве. Одному из методов экспериментального определения этих характеристик посвящена эта статья.

Индуктор представляет собой систему из проводов, создающих частотное электрическое поле, и нагреваемого проводящего материала. Необходимо подчеркнуть нелинейность этой системы, определяемую разным поведением нагреваемого материала в полях с разными на-пряженностями и частотами. Этим определяется нежелательность измерения характеристик системы «индуктор — проводящий материал» при напряжениях и токах, протекающих в индукторе и значительно отличающихся от тех, которые охарактеризовывают систему в номинальном режиме работы.

Известны методы и устройства для измерения добротности Q индукторов [1, 2]. В данных устройствах измерение Q делается на малых токах, что в ряде всевозможных случаев может привести к погрешностям, необходимости пересчета приобретенных характеристик либо повышению объема экспериментальных работ при согласовании источника питания с индукторами для индукционного нагрева. Разглядим разряд конденсатора C на облегченную эквивалентную поочередную схему замещения индуктора, состоящую из активного сопротивления R и индуктивности L (рис. 1). Коммутация в схеме делается безупречным ключом K.

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным
Рис. 1. Схема разряда конденсатора на эквивалентную поочередную схему замещения индуктора

Будем считать, что сопротивление R состоит из 3-х сопротивлений

Rинд=R1+R2 (1)

где R1 — сопротивление индуктора, учитывающее утраты в меди; R2 — приведенное суммарное сопротивление нагреваемого тела; R3 — сопротивление ключа, вносимое в контур.

Определим также сопротивление индуктора:

Общеизвестно, что ток в цепи, приведенной на рис. 1, описывается последующим выражением:

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным(2)

где U0 — напряжение, до которого заряжен конденсатор в момент замыкания ключа;

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным

Секундное значение кривой тока (2) приведено на рис. 2.

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным
Рис. 2. Секундное значение кривой тока в схеме для измерения характеристик индуктора для индукционного нагрева

Определим декремент затухания

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным(3)

Из (3), логарифмируя и преобразуя, получим:

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным(4)

Дальше:

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным

Отсюда:

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным (5)

Из (5) получим:

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным (6)

Считая C известным, из (6) получим Li:

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным(7)

Из (7) и (4) получим Ri:

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным(8)

Таким макаром, для схемы, приведенной на рис. 1, по осциллограмме (рис. 2) определяется значение Ti и соответственный этому значению декремент затухания Δi, а потом по формулам (7) и (8) рассчитываются значения Li и Ri. Если имеется возможность вычисления по осциллограмме нескольких значений Ti и Д;, то для каждой из этих пар рассчитываются Li, Ri, после этого L и R рассчитываются как среднее значение соответственных Li и Ri.

На рис. 3 приведен облегченный вариант принципной схемы экспериментальной установки индукционного нагрева(не показана система заряда емкости С).

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным
Рис. 3. Упрошенный вариант принципной схемы экспериментальной установки индукционного нагрева

В данной схеме ключ K (рис. 1) заменен встречно-параллельно включенными тиристорами VS1, VS2, отпирающие сигналы на которые подаются от системы управления. Емкость С заменена емкостями С1, С2, С3 (количество емкостей показано условно), которые подключаются к схеме через ключи К1, К2, К3, дозволяющие вручную поменять величину разрядной емкости. Токовый сигнал снимается при помощи датчика тока, в качестве которого может быть применен низкоомный безындуктивный шунт либо трансформатор тока, выполненный на ферритовом кольце. Кривая тока фиксируется при помощи осциллографа с памятью. Идеальнее всего использовать осциллограф, позволяющий производить цифровую обработку зафиксированной кривой.

Проиллюстрируем процесс измерения характеристик индуктора на модели, построенной в среде OrCAD 9.2 (рис. 4).

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным
Рис. 4. Схема модели, иллюстрирующая определение характеристик индуктора

Тут использованы тиристоры ТБ143-630-14, описываемые последующей моделью [3]:

.subckt TB143-630-14 anode gate cathode

* «Typical» parameters

X1 anode gate cathode Scr params:

+Vdrm=1500v Vrrm=1500v Ih=500ma Vtm=2.0v Itm=1980

+dvdt=1e9 Igt=320ma Vgt=2.5v Ton=3.2u Toff=32us

+Idrm=70ma

* 01-6-4 Kurai.

ends

Управление тиристорами осуществляется при помощи источников неизменного напряжения VDC, емкость С1 заряжена до напряжения 310 В (исходные условия). Характеристики частей приведены на рис. 4.

Результаты моделирования приведены на рис. 5.

На нижней осциллограмме приведена кривая тока через индуктор, а на верхней — сопротивление тиристоров VS1, VS2, приобретенное как личное от деления напряжения на тиристорах V(C1:2, VS1:Cathode) на ток I(R1). Обозначим его RT.

В согласовании с обозначениями, приведенными на рис. 2, и по осциллограммам, приведенным на рис. 5, заполним таблицу 1.

В таблице 1 в столбце I приведены i-е значения амплитуд токов (см. рис. 2), в столбце t — время в микросекундах ti, соответственное i-му значению амплитуды тока, в столбце T — разница меж ti+2 и ti, в столбце Δ — отношение Ii к Ii+2, в столбце RT — сопротивление тиристора в момент времени, соответственный Ii, в столбце L — значение индуктивности индуктора Li, вычисленное по формуле (7), в столбце R — суммарное сопротивление Ri, вычисленное по формуле (8), в столбце RTC — среднее значение i-го и i+2-го сопротивлений тиристора, в столбце Rинд — сопротивление индуктора, равное разности меж Ri и RТСi.

По табличным данным, средние значения вычисленных индуктивности и сопротивления составляют L = 99,996 мкГн, Rинд = 0,08096 Ом. Разумеется, что приведенный пример является мистическим, так как такая точность измерения на экспериментальной установке невозможна. Пример приведен для иллюстрации достоверности метода вычисления.

Примем, что точность снятия инфы с осциллографа- 10%. По таблице 1 с учетом случайного разброса характеристик Ii и ti, исходя из максимально допустимого отличия в 10%, построена таблица 2.

Средние значения приобретенных по таблице 2 значений индуктивности и сопротивления индуктора составляют L = 99,11 мкГн и Rинд = 0,0801 Ом. Для получения значений сопротивления R1, учитывающего утраты в меди, нужно провести вышеперечисленный опыт для индуктора, из которого удалено нагреваемое тело.

Некие суждения по зависимости конфигурации L, R1 и R2 от частоты и материала нагреваемого тела приведены в известной книжке [1].

Для измерения характеристик индуктора для каждого типа тиристора, используемого в качестве главного элемента (см. схему на рис. 3), при помощи моделирования в среде OrCAD следует получить значения сопротивлений RTi зависимо от токов Ii.

В таблице 3 такие значения приведены для тиристора ТБ143-630-14. В случае необходимости получения значений тока меж приведенными значениями Ii употребляется линейная интерполяция.

Измерение характеристик индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным
Таблица 3. Зависимость сопротивлений тиристора от амплитудных значений тока через индуктор

Таким макаром, методика экспериментального определения характеристик индуктора сводится к последующему:

1. Нужно сделать экспериментальную установку в согласовании со схемой, приведенной на рис. 3. Количество подключаемых емкостей определяется спектром требуемых частот и измеряемыми параметрами индуктора. Для более четкого подбора величины емкости рекомендуется использовать последующий ряд емкостей: 1; 2; 4; 8; 16; 32; 64… мкФ. Применение такового ряда позволяет получать всякую величину емкости с точностью до 1 мкФ. Для питания схемы нужен блок питания, обеспечивающий получение плавненько изменяемого напряжения на емкости. Фиксация кривой тока через индуктор (см. рис. 2) делается с применением осциллографа с памятью. Для увеличения точности лучше наличие цифровой обработки кривой.

  1. Начальными данными для опыта являются рабочее напряжение U индуктора и частота f. По значению напряжения U определяется напряжение U0, до которого нужно зарядить разрядную емкость. Методом подбора величины разрядной емкости находится частота, очень близкая к данной.
  2. По приобретенной осциллограмме определяются значения Ii и ti для очень вероятного i.
  3. Для зафиксированных значений Ii по таблице 3 с внедрением в случае необходимости линейной интерполяции определяются значения RT.
  4. Делается расчет L и Rинд по формулам (7) и (8).

Приобретенные по приведенной методике характеристики индуктора могут употребляться для определения его КПД, coscp, а поочередная схема замещения с этими параметрами может применяться при моделировании системы индукционного нагрева.