Полупроводниковые источники питания в современном индукционном нагреве

 

Д.Л. Лавлесс

Inductoheat Inc., Madison Heights, Michigan

 

 

Аннотация

 

За последние несколько лет было разработано много новых типов источников питания для индукционного нагрева. В большинстве из них используются сравнительно новые высокочастотные силовые транзисторы MOSFET или IGBT. Большое количество типов и моделей источников питания разработано для того чтобы удовлетворять требованиям практически бесконечного количества типов индукционных установок. Различные типы новых полупроводниковых источников питания и их компонентов обсуждаются в настоящей статье.

До 1970 года большинство генераторов звуковой и радио- частот для индукционного нагрева были либо машинными, либо ламповыми. Относительно быстро переключаемые тиристоры, обеспечивающие коммутации тока до 300 ампер, стали доступны в конце 60-ых годов. Они сделали технически и экономически возможной разработку полупроводниковых источников питания звуковой частоты для индукционного нагрева. Это достижение привело к постепенному прекращению использования машинных генераторов в промышленности.

Аналогичная революция произошла недавно в области источников питания для индукционного нагрева как звуковых, так и радиочастот. В середине 80-ых появились силовые элементы, которые можно было использовать в новом поколении источников питания для индукционного нагрева. Среди этих элементов были силовые полупроводники, конденсаторы и трансформаторы. Появились силовые транзисторы, называемые MOSFET и IGBT, обладающие возможностью передавать большие мощности, имеющие высокие скорости переключения и малые потери. Цена этих устройств достаточно быстро сделалась сопоставимой с электронными лампами и тиристорами. Уровень разработок силовых транзисторных генераторов быстро прогрессирует и в настоящее время улучшенные и новые разработки транзисторных источников питания появляются практически каждый месяц.

 

Элементы

 

В современных источники питания для индукционного нагрева используются силовые полупроводниковые приборы, такие как тиристоры, диоды, транзисторы, предназначенные для переключения направления тока, протекающего от источника постоянного тока для получения переменного тока на частотах, обеспечивающих индукционный нагрев. Для читателей, которые совсем или почти не разбираются в электронике будет дано простое объяснение того, какие полезные функции могут выполнять силовые полупроводники в источниках питания для индукционного нагрева. Эти приборы (часто обозначаемые по их аббревиатурам) переключаются в ключевом режиме для управления электрическим током, аналогично тому, как ворота или двери управляют проходом с одной территории на другую.

 

Тиристоры

 

Тиристор (управляемый диод) подобен воротам с простой задвижкой, которая позволяет воротам только открыться. Если ворота толкнуть в направлении, в котором они могут быть открыты, но задвижка заперта, ворота останутся закрытыми и никто не сможет через них пройти. Аналогично поведение тиристора, когда он закрыт для протекания прямого тока. Как только привратник откроет задвижку, ворота откроются, и люди начнут проходить через них на другую сторону. Подобно этому, тиристор открывается, когда получает управляющий импульс от системы управления. Это приводит к протеканию тока в прямом направлении. Если люди повернут назад и начнут проходить через ворота в обратном направлении, ворота закроются и заблокируются задвижкой, что предотвратит прохождение через ворота в любом направлении. Когда на тиристор подается обратное напряжение, это вызывает протекание обратного тока через тиристор, и его запирание.

 

Диоды

 

Диод – это простейший полупроводниковый прибор. Он подобен воротам без задвижки, которые открываются только в одну сторону. Если толкнуть их в одном направлении, они откроются и позволят проходить в этом направлении. Если толкнуть ворота в противоположном направлении, они закроются и сделают проход в этом направлении невозможным. Когда напряжение прикладывается к диоду в прямом направлении, он проводит ток. Когда напряжение к диоду прикладывается в обратном направлении, он запирается и протекание тока прекращается.

 

Транзисторы

 

Транзисторы немного сложней диодов. Они похожи на ворота, которые открываются только в одну сторону и закрываются привратником. Представьте себе ворота, которые приводятся в действие гидравлическим цилиндром, управляемым маленьким вентилем, который легко переключается привратником. Небольшая сила, необходимая привратнику, позволяет контролировать массу людей, толкающих ворота. Это аналогично коэффициенту усиления транзистора. Сила, с которой люди ломятся в закрытые ворота, эквивалентна напряжению, прикладываемому к транзистору. Размер открытого участка ворот ограничивает поток людей, которые могут попасть через ворота на другую их сторону, точно также как мощность транзистора ограничивает максимальный ток, который он может проводить.

Что касается транзисторов, используемых в источниках питания для индукционного нагрева, то они должны: 1) выдерживать высокое напряжение; 2) проводить большие токи и 3) быстро переключаться из открытого состояния в закрытое и наоборот. Возвращаясь к аналогии с воротами, они должны быть: 1) прочными (сделанными из железа); 2) с большим раствором в открытом состоянии и 3) должны иметь возможность быстрого открытия и закрытия. Создание ворот, удовлетворяющих одному или двум из вышеперечисленных требований, не является сложной задачей. Обеспечить удовлетворение всем трем требованиям является достаточно сложным. Большие прочные ворота сложно открывать и закрывать быстро. Большие ворота, которые двигаются быстро, должны быть легкими и, как следствие, недостаточно прочными и т.д.

 

MOSFET технология

 

Технология MOSFET (Metal-Oxide-Silicon Field-Effect Transistor, полевой канальный униполярный транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник) обеспечивает одно из решений этой проблемы: мощный транзистор с относительно высоким напряжением, большим током и очень большой скоростью переключения. Это достигается параллельным включением большого количества маломощных быстродействующих транзисторов, расположенных на общей кремниевой квадратной подложке со стороной около 1/4 дюйма. Возвращаясь к аналогии, это напоминает большое количество маленьких, прочных и быстро открывающихся и закрывающихся калиток, расположенных в ряд, что эквивалентно большим раствору воротам, которые могут быстро открываться и закрываться. Мощные MOSFET транзисторные модули представляют собой большое количество одиночных транзисторов, включенных в параллель и расположенных на общем основании.

 

IGBT технология

 

В IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, биполярный транзистор с изолированным затвором) технологически объединены два транзистора для получения 1) высокого напряжения; 2) больших токов и 3) высоких скоростей переключения. Биполярные транзисторы могут обеспечить относительно высокие напряжения и большие токи и эксплуатируются уже около 30 лет, но они имеют низкие скорости переключения и требуют относительно большой мощности управляющего сигнала. Маломощные MOSFET транзисторы с высокими скоростями переключения и малой мощностью управляющего сигнала также применяются достаточно давно. Объединяя вместе две технологии, MOSFET для управления и биполярный транзистор в силовой цепи, удается объединить преимущества этих технологий.

На рисунке 1 показаны сдвоенный трехсотамперный IGBT модуль (слева вверху) и пятидесятиамперный MOSFET модуль (справа вверху). В нижней части рисунка показаны соответствующие модули со снятыми крышками.

 

Рисунок 1. Транзисторные модули

 

Более мощные приборы

 

Для получения больших мощностей, которые обычно требуются для индукционного нагрева, большое количество транзисторных модулей монтируется на общем охладителе (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Транзисторные сборки

 

Конденсаторы

 

Конденсаторы, которые должны удовлетворять требованиям новых высокочастотных транзисторных источников питания, должны иметь большую реактивную мощность (kVAR), малые потери, очень маленькую паразитную индуктивность и должны изготовляться в компактных корпусах, обеспечивающих эффективное водяное охлаждение.

 

Трансформаторы

 

Трансформаторы, выполненные на ферритовых сердечниках (в настоящее время промышленностью производятся ферриты самых разнообразных конфигураций), способны работать на больших токах и частотах до 3 килогерц. Для гибкого согласования источника питания с нагрузкой обычно выполняются отпайки на обмотке. Современные трансформаторы имеют малые индуктивности рассеяния и малые потери.

 

Хорошие функциональные характеристики перечисленных элементов позволяют проектировать и производить большой ассортимент транзисторных источников питания для индукционного нагрева. Фактически мы подошли к тому, что больше не должны употреблять термин "ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ" по отношению к источникам питания для индукционного нагрева, так как это, само собой разумеется. Так как это случилось с машинными генераторами, которые за последние 25 лет, заменили на тиристорные источники питания, устаревшие тиристорные генераторы в настоящее время заменяются транзисторными источниками питания.

 

Применение

 

Существуют различные типы источников питания, способных удовлетворить требованиям практически бесконечного количества технологических операций, выполняемых с применением индукционного нагрева. Специфические особенности установок индукционного нагрева диктуют необходимость определенной частоты, мощности и таких параметров индуктора как напряжение, ток и коэффициент мощности «Q». На рисунке 3 в осях «мощность – частота» показаны области, обеспечивающие различные виды технологических операций, проводимых с применением индукционного нагрева.

Рисунок 3. Типичные области применения индукционного нагрева

 

Выбор частоты имеет первостепенное значение при определении параметров установок индукционного нагрева, так как частота в первую очередь определяет глубину нагреваемого слоя. Частота также важна в выборе типа источника питания и марок полупроводниковых приборов, используемых в этом источнике питания. На рисунке 4 в осях «мощность – частота» показаны типичные области применения силовых ключей (тиристоров (1), IGBT (2), MOSFET (3) и вакуумных ламп (4)) в источниках питания для индукционного нагрева. Характерным является наличие обширных областей, где могут применяться различные типы силовых ключей.

Рисунок 4. Силовые ключи, используемые при индукционном нагреве

 

Характеристики источников питания

 

Имеется несколько очень важных характеристик, присущих практически всем типам транзисторных источников питания. Индуктор подключается к компенсирующему конденсатору, образуя резонансный контур, настраиваемый на требуемую частоту. Большинство высокочастотных транзисторных источников питания настраиваются строго на резонансную частоту нагрузочного контура для минимизации коммутационных потерь в транзисторах и, как следствие, повышения КПД. На частотах до 30 килогерц коммутационные потери в транзисторах не так значительны, поэтому для управления мощностью используется рассогласование рабочей частоты инвертора и резонансной частоты контура.

КПД транзисторных источников питания обычно лежит в диапазоне от 85 до 93 процентов (для сравнения КПД ламповых генераторов – 55 – 60%). Это приводит к существенной экономии электроэнергии и снижает потребность в охлаждающей воде.

Тиристоры способны выдерживать большие ударные токовые нагрузки. Транзисторы таким свойством не обладают. Однако транзисторы могут быть отключены в случае обнаружения аварии до того момента, когда ток через них достигнет недопустимого значения. Электронные системы управления транзисторными источниками питания должны оснащаться быстродействующими системами защиты, состоящими, соответственно, из датчиков определения аварийного состояния и быстродействующих систем отключения тиристоров. Системы управления этих источников питания используются для обеспечения быстрого и селективного обнаружения аварии, гарантии высокой надежности и обычно разрабатываются с учетом возможности подключения к контроллеру и системе мониторинга.

Обычно транзисторные источники питания намного компактнее, чем эквивалентные по мощности и частоте тиристорные или ламповые установки. Например: источник питания нагревательной станции, показанный на рисунке 5, с параметрами 150 кВт, 30 кГц, собранный на IGBT транзисторах, со встроенным согласующим трансформатором и конденсаторами, имеет размеры 24х24х51 дюйм (609,6х609,6х1295,4 мм) и монтируется в стандартном корпусе.

Рисунок 5. Транзисторный источник питания для индукционного нагрева HSP12-150-30

 

Источник питания, как правило, встраивается в конструктив современной многопостовой установки индукционного нагрева. И, наконец, источник питания и его циркуляционная система охлаждения, монтируются на возвышении над установкой индукционного нагрева, для того чтобы не занимать дополнительные производственные площади и минимизировать расстояние между источником питания и нагревателем. Примером такой компоновки является установка для обработки подшипников ступицы, приведенная на рисунке 6. Три тиристорных источника питания с параметрами 300 кВт/25 кГц, 300 кВт/10 кГц и 75 кВт/25 кГц с двумя водяными системами охлаждения расположены на возвышении.

Аналогичная установка, также предназначенная для обработки подшипников ступицы, приведена на рисунке 7. В этом случае, три одинаковых источника питания мощностью 150 кВт/30 кГц расположены непосредственно около нагревателя. На рисунке 8 демонстрируется существенное уменьшение размеров и сложности более новой установки, в которой используются транзисторные генераторы HSP12. Транзисторный источник питания также используется в компактной двухиндукторной ячейке для закалки коленвалов, приведенной на рисунке 9. Питание обоих индукторов осуществляется от общего генератора HSP12 мощностью 200 кВт и частотой 30 кГц.

Рисунок 6. Установка для нагрева подшипников ступицы с верхним расположением тиристорных источников питания

 

Рисунок 7. Установка для закалки подшипников ступицы с источником питания последнего поколения

 

Рисунок 8. Фотомонтаж рисунков 6 и 7, поясняющий преимущества установки современных источников питания рядом с нагревательным постом

 

 

Рисунок 9. Ячейка для закалки коленвалов с двумя индукторами.

 

Типы инверторов

 

На рисунке 10 приведены основные типы инверторов, которые чаще всего используются в источниках питания для индукционного нагрева. Два основных типа инверторов, которые чаще всего используются для высокочастотных источников для индукционного нагрева – это инверторы напряжения с последовательным резонансным нагрузочным контуром и инверторы тока с параллельным резонансным нагрузочным контуром. Следующими уровнями в классификации инверторов являются тип питания инвертора (регулируемый или нерегулируемый источник постоянного напряжения), режим работы системы управления инвертором и способ подключения нагрузки (последовательно или параллельно).

 

Рисунок 10. Типы инверторов, применяемых для индукционного нагрева

 

Заключение

 

Транзисторные источники питания для индукционного нагрева обладают большим количеством преимуществ по сравнению с оборудованием, выполненным с использованием других типов ключевых элементов. Они имеют уменьшенные габариты и часто могут располагаться в непосредственной близости от индуктора. Это приводит к экономии производственных площадей и к существенному снижению потерь в соединительных шинах и кабелях. Кроме этого КПД систем с транзисторными источниками питания существенно выше, что обеспечивает уменьшение стоимости электроэнергии и снижение расхода охлаждающей воды.

 Существует большое количество силовых схем, в которых применяются различные типы транзисторов. Все это направлено на обеспечение функциональных свойств транзисторного источника питания лучшим образом отвечающих широкому диапазону требований, предъявляемых различными видами индукционного нагрева. Фирма Inductoheat в настоящее время выпускает около пятидесяти стандартизованных моделей источников питания для индукционного нагрева. Диапазон выходных мощностей этих источников питания от 1 кВт до 1,2 МВт, а применяемые рабочие частоты от 1 кГц до 800 кГц.

 Существующий рынок силовых транзисторов (IGBT и MOSFET) очень широк и превосходит потребности источников питания для индукционного нагрева. Многие производители полупроводников обеспечивают высокий уровень своих разработок при производстве высокочастотных, мощных и высоконадежных силовых транзисторов и модулей. Их деятельность, безусловно, побуждает нас постоянно применять транзисторы с лучшими характеристиками в источниках питания для индукционного нагрева.

Общество с ограниченной ответственностью

«Индукционные Машины»

 

ИНН 0278194207 КПП 027801001

ОГРН 1120280048030

ОКАТО 80401390000 ОКПО 12702813

ОКОГУ 4210014 ОКФС 16 ОКОПФ 12165

Тел: +7(347)285-75-13

e-mail: im@imltd.ru

www: imltd.ru

 

Юридический адрес

450078, РБ, г.Уфа, ул. Владивостокская, 1а

Физический адрес

450071, г.Уфа, ул. 50 лет СССР, 39, корп.6

Почтовый адрес

450064, а/я 75

Яндекс.Метрика
Каталог предприятий: Официальные сайты фирм, адреса и телефоны организаций

Индукционные Машины, 2017

Закалочные станки * Индукционные установки * Электротермическое оборудование * Индукционные  вихревые нагреватели