Сравнение радиочастотных источников питания для индукционного нагрева

 

Р.Л. Кук

Inductoheat Inc, Madison Heights, Michigan

 

 

Аннотация

 

Современное развитие высокочастотных мощных полупроводниковых приборов привело к существенным изменениям в области источников питания для индукционного нагрева. До того как эти приборы стали доступны, приоритетом на рынке пользовались машинные генераторы и ламповые генераторы радио частот. В настоящее время, из-за высокого коэффициента полезного действия, безопасности, малых размеров и низкой стоимости полупроводниковые источники питания заменяют предшественников во многих областях применения. Полупроводниковые источники питания имеют различные характеристики по сравнению с машинными и ламповыми генераторами. При этом необходима выработка рациональных критериев для определения соответствия совокупностей характеристик перечисленных источников питания требованиям, предъявляемым процессами индукционного нагрева.

 

История

 

 До 1970 года на рынке источников питания для индукционного нагрева доминировали машинные и ламповые генераторы. В конце 1960-ых годов получили развитие мощные и достаточно высокочастотные тиристоры, что определило появление и развитие полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева. Вначале выпускались низкочастотные источники питания на частоты от 200 герц до 10 килогерц, постепенно этот диапазон был расширен до 25 – 50 килогерц за счет применения схемных решений умножения частоты.

 Следующий этап развития новых высокочастотных полупроводниковых приборов (MOSFET, IGBT и SIT) пришелся на середину 1980-ых годов. Это в комбинации с созданием конденсаторов, рассчитанных на высокую реактивную мощность и обладающих низкими индуктивностями и малыми потерями, а также трансформаторов с малой индуктивностью рассеяния и высоким КПД способствовало разработке и производству гаммы различных типов полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева, работающих на частотах от 50 до 450 килогерц.

 Вначале мощности этих генераторов составляли всего несколько киловатт, однако достаточно скоро удалось реализовать в одном источнике питания мощности в мегаватт и более. Процессы индукционного нагрева включают закалку, нагрев полос, выращивание кристаллов, гальванический отжиг и т.д.

 Вопрос «Реально ли это?» уже не стоит. Теперь спрашивают: «Как выяснить и правильно использовать параметры и характеристики источника питания для конкретного процесса».

 

 Характеристики

 

 Ламповые генераторы

 В течение многих лет ламповый генератор (см. рисунок 1) является «рабочей лошадкой» в радиочастотном диапазоне источников питания для индукционного нагрева.

Рисунок 1 – Силовая схема лампового генератора

 

 Кроме того, что это оборудование зависимым от процедур согласования и ухода параметров при замене электронных ламп, оно еще и является низкоэффективным (50 – 60%) и часто опасно из-за напряжения высокого уровня внутри корпуса. Вызывало затруднение достоверное определения мощности, реально выделяемой в заданной нагрузке: часто требовались ручные расчеты по постоянному току (входные параметры) или калориметрические измерения для каждого конкретно используемого индуктора.

 Наличие очень высоких напряжений (15 – 20 киловольт) в подсистеме постоянного тока и в некоторых случаях удвоение на переменном токе с учетом его амплитудного значения (AC+DC) на силовой панели требует использования шлангов системы водяного охлаждения большой длины для уменьшения токов утечки и пробоев. Коронные и дуговые разряды всегда рассматривались в ряду проблем для таких установок из-за больших амплитуд напряжений.

 Требовались специальные меры предосторожности при разработке систем охлаждения. В частности они сводились к использованию деионизированной воды с низким уровнем проводимости и достаточно большим объемом для ее хранения, обеспечивающим поглощение всех отводимых потерь источника питания.

 Функциональным преимуществом этого типа источника питания является то, что с ним может быть согласовано большое количество индукторов с различными параметрами, для которых легко достигается резонансный режим работы. Настройка не всегда является оптимальной, но в большинстве случаев это и не требуется. Настройку обычно удается осуществить быстро и без особых проблем. Для источников радиочастот на нагрузке обычно удается получить синусоидальное напряжение, модулированное низкочастотным сигналом, определяемым частотой питающей сети и углом отпирания тиристоров входного выпрямителя (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Формы выходных напряжений лампового источника питания (нижняя осциллограмма) и полупроводникового источника питания (верхняя осциллограмма)

 

Радиочастотные полупроводниковые источники питания

 

 Радиочастотные полупроводниковые источники питания обладают многими преимуществами по сравнению с ламповыми; среди них – малые размеры, более низкая стоимость, повышенные надежность и коэффициент полезного действия, легкость управления и безопасность.

 Сложные алгоритмы управления позволяют с высокой точностью определять моменты коммутации полупроводников. Это позволяет реализовать их эффективное функционирование за счет снижения коммутационных потерь, которые характерны для работы полупроводниковых ключей при высоких частотах. Основная стратегия управления сводится к тому, чтобы источник питания работал с коэффициентом мощности равным 1, что обеспечивается за счет обратной связи, обеспечивающей коммутации полупроводников с резонансной частотой нагрузочного контура. Это позволяет осуществлять коммутации при очень малых значениях напряжения и тока, что обеспечивает низкие коммутационные потери и очень высокий коэффициент полезного действия (85 – 90%). При длительной работе нагревательных систем даже одна эта характеристика определяет целесообразность использования полупроводниковых источников питания, поскольку при их высокой мощности за счет высокого КПД даже за короткое время эксплуатации, экономия средств сопоставима с затратами на покупку остального оборудования нагревательной системы.

 

Таблица 1. Сравнение: приблизительные ежегодные затраты при длительной эксплуатации полупроводникового и лампового генераторов мощностью 100 кВт

 

 

 

 

 

 

 

 

Система управления полупроводникового инвертора обеспечивает быструю и точную реакцию на внешние возмущения, высокую надежность и обеспечивает совместную работу с микропроцессорной системой управления и мониторинга.

Сравнение относительных габаритов рассматриваемых источников питания приведено на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Относительные размеры полупроводникового и лампового источников питания

 

 В подавляющем большинстве практических случаев в источниках питания для индукционного нагрева используются два типа инверторов: инвертор напряжения и инвертор тока.

 

Инвертор напряжения

 

 В инверторе напряжения (см. рисунок 4) выход трехфазного сетевого выпрямителя подключается на фильтровую емкость и в транзисторный мост с обратными диодами. Управление мощностью осуществляется за счет изменения постоянного входного напряжения, получаемого от сетевого выпрямителя. Мост работает на частоте, определяемой собственной резонансной частотой последовательного нагрузочного контура. Инвертор напряжения используется в источниках питания небольшой мощности (до 90 кВт) на частотах выше 50 кГц и в мощных источниках (1 МВт и более) на частотах ниже 50 кГц.

 

Рисунок 4 – Инвертор напряжения

 

Инвертор напряжения обеспечивает на последовательном нагрузочном контуре прямоугольное напряжение, при этом форма тока через нагрузку является синусоидальной (см. рисунок 5).

 

Рисунок 5 – Выходные напряжение и ток для инвертора напряжения

 

Инвертор тока

 

Инвертор тока (см. рисунок 6) состоит из управляемого тиристорного выпрямителя, который питается от понижающего сетевого трансформатора и входного дросселя с большой индуктивностью. Через этот дроссель протекает на мост переменного тока практически постоянный входной ток. Мост обеспечивает на нагрузке ток резонансной частоты, определяемый собственной частотой параллельного нагрузочного контура. Инверторы тока используются в источниках питания большой мощности (100 кВт – 1 МВт) на частотах выше 50 кГц.

 

Рисунок 6 – Инвертор тока

 

Инвертор тока преобразует постоянный ток источника питания в переменный ток прямоугольной формы. При этом напряжение на нагрузке переменное синусоидальное (см. рисунок 7).

 

Рисунок 7 – Выходные напряжение и ток для инвертора тока

 

Применения

Фактические мощность и частота, необходимые для конкретной операции нагрева, определяются размером заготовки, необходимой глубиной проникновения и требуемой производительностью. Когда эти параметры известны, требуемая рабочая частота, напряжение и ток могут быть определены. В свою очередь, это позволяет определить тип источника питания, который надо применять в каждом конкретном случае.

 На рисунке 8 приведены общие рекомендации по выбору мощности и частоты для различных технологических процессов нагрева.

Рисунок 8 – Области применения в зависимости от мощности и частоты

 

На рисунке 9 приведены общие рекомендации по выбору полупроводниковых приборов в зависимости от мощности и частоты источника питания.

Рисунок 9 – Типы полупроводниковых приборов в зависимости от мощности и частоты

 

Согласование с нагрузкой

 

Основной вопрос, решаемый при реализации индукционного нагрева – согласование нагрузки с источником питания для передачи в нагрузочный контур требуемой мощности. Существует два метода соединения индуктора и компенсирующего конденсатора – последовательный и параллельный (см. рисунок 10).

 

Рисунок 10 – Способы соединения выходной цепи

 

 Кривые импеданса для этих цепей различны, но кривые мощности практически одинаковы (см. рисунок 11).

Рисунок 11 – Кривые мощности для последовательной и параллельной выходных цепей

 

 Нагрузочная цепь для радиочастотного лампового генератора приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 – Нагрузочная цепь для радиочастотного лампового генератора

 

Отметим, что ламповые генераторы работают на очень высоких напряжениях, что делает их работу менее критичной к длине линии, подводящей выходное напряжение генератора к индукционной нагрузке. Выходное напряжение полупроводникового инвертора ниже, что накладывает дополнительные требования на длину и качество линии, соединяющей источник питания с нагревательным постом и батареей согласующих конденсаторов. По этой причине радиочастотные полупроводниковые инверторы часто располагаются в двух корпусах: один содержит источник постоянного тока, который может быть смонтирован на достаточном удалении, второй – мост переменного тока и согласующие элементы, которые должны быть расположены в непосредственной близости от индуктора. В новых установках это может быть легко реализовано на этапе проектирования путем выделения соответствующего объема в корпусе. Установки, в которых ламповый генератор заменяется на полупроводниковый, могут нуждаться в специальных доработках, которые сводятся к тому, что источник питания  располагается в непосредственной близости от малогабаритного радиочастотного нагревательного поста. На рисунке 13 демонстрируется относительная разница в размерах 100 киловаттного полупроводникового моста переменного тока с выходными согласующими элементами по сравнению с радиочастотной нагревательной станцией, содержащей только выходной трансформатор.

Рисунок 13 – Относительные размеры радиочастотной нагревательной станции и блока переменного тока полупроводникового инвертора

 

Кроме этого, необходимо принимать во внимание, что добротность нагрузки Q может определять способность источника питания обеспечивать требуемое напряжение на нагрузке и способность системы управления отслеживать текущее значение фазы по отношению к начальной фазе при включении. Решение этих проблем не является очень трудным и легко может быть заложено на начальной стадии проектирования. Если индуктивность системы очень мала, применяется специальная вставка (тромбонообразная) на подводящих шинах, которая обеспечивает необходимое согласование (см. рисунок 14).

Рисунок 14 – Тромбонообразная выходная шина полупроводникового источника питания

 

Если добротность цепи Q очень мала, то к выходной цепи может быть подключена дополнительная параллельная индуктивность, ответвляющая в себя достаточно заметную часть выходного тока источника питания, что приводит к увеличению суммарной добротности Q нагрузки.

С появлением полупроводниковых источников питания во многих случаях применения индукционного нагрева происходит вытеснение ламповых источников питания. Особенно интенсивно это происходит на частотах от 30 до 50 килогерц. Это может приводить к большому удешевлению оборудования. При индукционном нагреве, требующем применения частот от 50 до 450 килогерц преимущества полупроводникового оборудования сохраняются, но стоимость таких источников питания выше, чем на частотах от 30 до 50 килогерц. Функционирование полупроводниковых источников питания на частотах выше, чем 450 килогерц возможно, но область применения таких частот в индукционном нагреве существенно сужается. В настоящее время на этих частотах продолжают использовать ламповые генераторы.

 

 Заключение

 Благодаря маленьким размерам, низкой стоимости, высокой надежности, повышенному коэффициенту полезного действия, легкости управления, безопасности радиочастотные полупроводниковые источники питания вытесняют ламповые в области индукционного нагрева. Этот процесс аналогичен процессу вытеснения машинных генераторов полупроводниковыми источниками питания для индукционного нагрева. Для любой новой технологии необходимы определенные усилия на начальной стадии освоения, так как необходимо учитывать характерные для этой технологии нюансы и тонкости.

 Основой применения полупроводниковых источников питания является системный подход при проектировании. Каждый случай применения должен учитывать системные требования в целом. При этом принимаются во внимание металлургические требования, производительность, эргономика, безопасность, стоимость, надежность, ремонтопригодность. Необходимо ясное понимание того, что индуктор, вспомогательное оборудование и системы подачи заготовок должны разрабатываться также тщательно, как, собственно, источник питания. Понимание характеристик источника питания и его расположения в нагревательной установке позволяет определить эффективность его применения в каждом конкретном случае.


Ламповый

П/проводниковый

КПД

50%

85%

Внутренние потери

100 кВт

17,5 кВт

Две смены

1600 кВт*ч

280 кВт*ч

300 дней

4800000 кВт*ч

84000 кВт*ч

Стоимость, при цене 0,7 доллара за кВт*ч

33600 $

5880 $

Стоимость лампы

4000 $


Ежегодная экономия


31720 $

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