Генератор для индукционного нагрева на IGBT

Генератор для индукционного нагрева на IGBT на базе оборудования General Electric, предназначенный для работы на частотах до 25 кГц, контролем и управлением температуры до 500 градусов, и с принудительным воздушным охлаждением.

В настоящее время для индукционного нагрева широко используются два типа генераторов: тиристорные инверторы (ТИ) и высокочастотные ламповые генераторы (ЛГ). ТИ, применяемые в диапазоне частот до 10 кГц, обладают удовлетворительным к.п.д.. Однако, относительно большие времена переключения тиристоров, ограничивают применение ТИ на повышенных частотах. ЛГ, в отличие от ТИ, не имеют ограничения в частотах. Главным недостатком ЛГ является ограниченный срок службы, который составляет обычно до 6000 рабочих часов, в зависимости от условий эксплуатации. С другой стороны лампа элемент с низким к.п.д. (никогда не выше75%), что снижает общую эффективность генератора. На практике эффективность классических ламповых генераторов равна 50%.
 
С появлением силовых транзисторов, выполненных по МОП - технологии (MOSFET и IGBT) появилась возможность создания на их базе мощных высокоэффективных генераторов, обладающих значительными преимуществами по сравнению с теми, которые построены на электронных лампах и тиристорах. Этот новый тип генераторов с расширенным частотным диапазоном от 10 кГц до 200 кГц позволяет заменить электронные ламповые генераторы. Наиболее важными преимуществами таких генераторов по сравнению с ламповыми являются более высокий к.п.д., и срок службы, уменьшенные масса и габариты.

Рис. 1. Упрощённая электрическая схема генератора индукционного нагрева

Разработанный специалистами компании генератор для индукционного нагрева позволяет экономить на потреблении электроэнергии не меньше 20% за счет высокого КПД 96% и самое важное, не только восстановить технологию производства закалочной проволоки, но и поднять производительность более чем на 15% с помощью повышения частоты тока до 15 кГц. (Ограничение частоты генератора индукторного нагрева продиктовано низким КПД закалочных трансформаторов на высоких частотах, которые в основном необходимы как гальванически-развязывающие устройства).
 
Упрощенная электрическая схема устройства приведена на рис. 1. Генератор выполнен на базе инвертора тока. Инвертор содержит входной реактор, мост на мощных IGBT транзисторах. Для исключения отрицательного напряжения на транзисторах параллельно с каждым из них включен частотный силовой диод. Питание инвертора осуществляется от трехфазной сети через неуправляемый выпрямитель. Регулирование мощности производится ключом на IGBT. Генератор содержит схему автоматической настойки частоты, позволяющей работать в широком диапазоне изменения нагрузки с малыми потерями мощности. Охлаждение принудительное воздушное.

Рис. 2. Временные диаграммы токов и напряжения в генераторе

 Выбор схемотехнического решения был продиктован следующими соображениями.
 
Использование диодного выпрямителя и быстродействующего ключа вместо управляемого тиристорного выпрямителя дает возможность иметь высокий коэффициент мощности (до 0,96) во всем диапазоне регулирования, повышенные динамические показатели, уменьшенные массу и габариты входного реактора, инвертора. Отсутствует специальное устройство для запуска инвертора тока. Транзисторный ключ обеспечивает надежный пуск инвертора и быструю защиту в аварийных ситуациях. Отсутствует циркуляция реактивной мощности внутри инвертора, соответственно, низкие потери мощности в транзисторах инвертора. Малые потери при передаче энергии по гибкому кабелю до резонансного контура.
 
Особенностью схемы управления частотой, представленной на рис.1, является переключение транзисторов инвертора в момент достижения напряжения на компенсирующем конденсаторе нулевого значения. Такое оптимальное управление позволяет предельно снизить установленную мощность транзисторов инвертора и динамические потери мощности в них. Временные диаграммы токов и напряжений в инверторе для этого режима приведены на рис. 2.
 
Цифровая система управления, реализована на базе сигнального процессора фирмы Analog Device и микроконтроллера Infineon C167 (рис. 3).
Цифровой модуль управления совместно с платой датчиков и платой дискретных входов/выходов выполняет дополнительные функции, тем самым улучшая потребительские свойства преобразователя тока высокой частоты.
 Наличие мощного микропроцессора фирмы Analog Devices позволяет анализировать состояние силовой схемы преобразователя в зависимости от электрических процессов, происходящих в нагрузке и в реальном масштабе времени выбрать оптимальный режим работы, а также заранее предупредить возможность создания аварийной ситуации. Удобная система ввода информации через клавиатуру улучшают сервис при наладке и обслуживании. Сигнализационные лампочки и цифровая индикация передней панели создают качественное отображение информации позволяющее анализировать состояние ПТВЧ внешним наблюдением. Цифровой модуль управления позволяет поддерживать стандартные протоколы передачи данных через интерфейсы: RS-232, RS-485 и RS-422 для управления и контроля состояний привода, а так же отслеживать технологию производства закаленной проволоки (протоколы поставляются заказчику по отдельному запросу ).

Рис.3 а). Плата дискретных входов/выходов b). Плата датчиков

Основные технические характеристики:

• номинальное напряжение питающей сети, В 3 х 380
• номинальная частота питающей сети, Гц 50
• номинальная мощность на выходе, кВт132
• номинальное напряжение на выходе, В 530
• диапазон изменения выходного напряжения, % 10 - 530
• номинальная частота выходного напряжения, кГц15
• диапазон изменения частоты выходного напряжения, кГц 4 - 15
• точность стабилизации выходного напряжения, % ± 0,2
• коэффициент полезного действия, не менее, % 96
• в генераторе предусмотрено местное и дистанционное управление
• габаритные размеры генератора (длина х глубина х высота), мм 2200 х 1000 х 800
• масса, кг, не более 150
• Генератор имеет следующие защиты:
• от внутреннего короткого замыкания, с помощью автоматического выключателя, установленного со стороны питающей сети;
• от токов перегрузки и короткого замыкания на выходе – электронная, расположена в блоке управления;
• от превышения выходного напряжения – электронная, расположена в блоке управления;
• от перегрузки силовых транзисторов – электронная, расположена в блоке управления;
• от перегрева силового модуля, с помощью термоконтакта.
• Реализация генератора по схеме "неуправляемый выпрямитель - импульсный регулятор постоянного тока - инвертор тока" обеспечивает высокий коэффициент мощности во всем диапазоне регулирования, плавный пуск, регулирование и эффективную защиту преобразователя.

Применение инвертора тока позволяет исключить протекание больших реактивных токов через полупроводниковые приборы и дает возможность транспортировать энергию до индуктора с минимальными потерями. Мягкое переключение транзисторов инвертора обеспечивает минимальные динамические потери мощности в них.
Компания выполняет шеф-монтаж, наладку и испытание генераторов, гарантийное и послегарантийное обслуживание, обучение обслуживающего персонала, технические консультации по выбору оборудования.

Назад