Тиристорный последовательный инвертор в индукционной плите

Явление индукционного нагрева металлов не ново; оно используется в десятках промышленных процессов, таких как закалка шестерен и дру­гих частей машины. До настоящего времени, однако, индукционный на­грев для приготовления пищи практически не применялся из-за высокой стоимости, больших габаритов и невысокой надежности. Такие преобра­зователи как вращающиеся машины, тиратроны, игнитроны или элект­ронные лампы могут устанавливаться и использоваться в промышленно­сти, но едва ли подходят для дома. А мощные транзисторы до сих пор остаются слишком дорогими для этой цели.

Схема индукционной печи, показанная на рис. 5.5, является экспе­риментальной, но пригодна для практических целей. С функциональной точки зрения ее можно представить в виде трех блоков. Первым являет­ся последовательный тиристорный инвертор, на тиристоре SCR2. При периодическом включении и выключении тиристора в последовательном колебательном контуре LIC4 возникают колебания ударного возбуждения. Колебание не продолжается непрерывно, а имеет вид однократных «вспышек» (как показано на рис. 5.6). Частота переключения тиристора, около 18 кГц, едва превышает порог слышимого звука. Резонансная час­тота колебательного контура L1C4 выбирается вблизи 35 кГц. Разность между частотой возбуждения и резонансной частотой LС-контура необ­ходима для того, чтобы обеспечить надежную коммутацию тиристора.

Рис. 5.5. Схема индукционной печи с тиристорным инвертором последовательного типа. International Rectifier Corp.

Катушка индуктивности L\ фактически является преобразователем. Она представляет собой медную спираль, индуктивность которой равна 6 мкГн. Металлическая кастрюля помещается над этой катушкой и нагре­вается вихревыми токами. Если кастрюля железная или стальная, то гис­терезис также вносит вклад в нагревание. Медные витки катушки остают­ся относительно холодными. Емкость конденсатора С4 выбрана равной 3,45 мкФ, чтобы с катушкой L\ получить резонанс на частоте 35 кГц.

На рис. 5.6 первая, или положительная, половина каждого отдельно­го цикла вызвана протеканием тока через резонансный LС-контур и ти­ристор SCR1, Однако как только ток изменяет направление, тиристор выключается. Продолжительность отрицательной части цикла определя­ется током, протекающим через C4/Z1 и диод RD1. Таким образом, SCR1 и RD1 вместе участвуют в формировании одного полного цикла. До по­явления следующего импульса запуска, тиристор имеет достаточное вре­мя для восстановления, что гарантирует надежную коммутацию. Имен­но поэтому, как видно на рис. 5.6, между двумя циклами имеется пауза.

10 мкс/деление

Рис. 5.6. Форма тока в колебательном контуре схемы, изображенной на рис. 5.5. International Rectifier Corp.

Резистор R4 и конденсатор С5 образуют демпфирующую цепь, кото­рая уменьшает скорость изменения напряжения на тиристоре. Это по­вышает надежность коммутации и предупреждает ложный запуск.

Второй блок индукционной плиты представляет собой генератор на однопереходном транзисторе. В его функции входит формирование пос­ледовательности запускающих импульсов, поступающих на управляющий электрод SCR2. Частота повторения импульсов равна примерно 18 кГц. Эту частоту можно получить, используя времязадающий конденсатор С7 емкостью 0,01 мкФ. Сопротивления резисторов /?7 и /?8 в этом случае бу­дут равны 10 Ом и 1 Ом соответственно. Эмиттерный повторитель на транзисторе Q\ обеспечивает усиление импульсов по току. Для этой цели подходят транзисторы общего применения типа 2N697 или 2N3565. Ис­точник питания для генератора импульсов состоит из 25-вольтового трансформатора накала 71 и однополупериодного выпрямителя, содер­жащего диод /?/)3, конденсатор фильтра С8 емкостью 1000 мкФ и стаби­литрон. Стабилитрон имеет следующие параметры: напряжение стабили­зации 25 В, рассеиваемая мощность 3 Вт. Проволочный резистор R9 имеет сопротивление 150 Ом и мощность рассеяния 5 Вт.

Третий блок индукционной печи ~ основной источник питания -представляет собой выпрямитель с фазовым управлением, который позво­ляет осуществлять плавное регулирование выходного напряжения практи­чески от нуля до 130 В. Таким образом, маломощным переменным резис­тором R2 можно регулировать количество тепла, выделяемого в кастрюле. Однополупериодное выпрямление и управление выходной мощностью вы­полняются тиристором SCR\, а однополярные выходные импульсы сгла­живаются конденсатором фильтра СЗ. Полученное таким образом посто­янное напряжение используется при ударном возбуждении резонансного контура. Применяемый выпрямитель с фазовым управлением использует схему запуска с двумя времязадающими /?С-цепями, чтобы гарантировать стабильность рабочих характеристик, предъявляемую к оборудованию для тепловой обработки продуктов. Например, печь должна быть свободна от раздражающего «гистерезиса», которым страдают схемы запуска с одной времязадающей цепью. (Ранее недорогие регуляторы силы света часто об­ладали этим свойством – установка регулятора в одно и тоже положение не всегда давала одну и ту же интенсивность света.) Кроме того, приме­нение «двойной постоянной времени» позволяет получить более широкий диапазон регулировки — почти от нуля до максимальной мощности.

Ради эксперимента можно применить двухполупериодный выпрями­тель вместе с регулируемым автотрансформатором. Применение такого устройства можно оправдать с точки зрения улучшения характеристик, но оно не будет конкурентоспособно с приведенной схемой по стоимости.

Индукционный нагрев на тиристоре схема. Простой индукционный нагреватель. Индукционные нагреватели воды для отопления

Данное устройство было собрано только для демонстрационных целей, оценить воздействие на людей и окружающую среду пока не удалось.
Устройство представляет из себя , высокочастотный преобразователь напряжения, который был использован для индукционного нагрева.
Задающий генератор может быть любым, частота генератора подбирается 20-100кГц, можно использовать как однотактные, так и двухтактные преобразователи напряжения. Хочу сразу предупредить, что устройство достаточно капризное, настройка у меня отняла немало времени, хотя этого времени хватило для разгадки всех «тайн» схемы.

Генератор желательно помощнее , как показала практика, со слабым генератором схема может вообще не заработать. В качестве задающего генератора можно использовать ШИМ контроллер на UC3845. На этой микросхеме можно собрать отличный однотакт с приличной мощностью и нужно частоты, поскольку рабочая частота микросхемы (до 1мГц) вполне подходит для наших целей.

Трансформаторов в нашей схеме два. Первый трансформатор нужен для «раскачки» более мощных транзисторов. Этот трансформатор мотается на кольце со внутренним диаметром 15мм (от 10 до 40мм). Первичная обмотка содержит 16 витков. Мотается сразу двумя жилами провода 0,5мм. Вторичных обмоток две, они полностью идентичны и содержат по 25 витков провода 0,4-0,7мм. Мотать нужно одновременно две обмотки (для максимальной схожести). Для этого берем провод 0,5мм и мотаем сразу двумя жилами.

После намотки первого трансформатора приступаем ко второму. Этот трансформатор намотан на ферритовом кольце от электронного трансформатора на 150 ватт. Общий диаметр кольца 35мм. Первичная обмотка мотается сразу 3-я жилами провода 0,5см каждая жила. Вторичная обмотка (шина) мотается 10-ю жилами провода 0,5мм и содержит всего 2 витка.

Трансформатор имеет также одну независимую обмотку, к которой подключен светодиод (через ограничитель в 100 Ом). Этот светодиод будет уведомлять о правильной работе схемы, он покажет наличие генерации напряжение на втором трансформаторе.

Индуктор состоит из 5 витков одножильного алюминиевого (желательно медного) провода с диаметром 3,5мм. Провод мотается на батарейку типа АА, внутренний диаметр индуктора 10-12мм.

Индуктор подключается к обмотке через конденсатор с емкостью 1,5 мкФ. Если под рукой нет такого конденсатора, то можно использовать блок из нескольких конденсаторов, суммарная емкость которых будет 1,3-1,6мкФ. Конденсаторы можно использовать с напряжением 63-630 вольт.

Транзисторы в в моем случае использованы отечественные КТ819, но с успехом можно заменить к примеру на КТ805 или другие аналогичные. Теплоотвод транзисторам нужен обязательно, поскольку перегрев будет довольно сильный.

Базовые резисторы с мощностью 0,25 ватт, можно вообще 0,125 ставить.

Источником питания может служить любой стабилизированный БП (в моем случае аккумулятор от бесперебойника с емкостью 7 А) с напряжением 9-14 вольт.

Данный нагреватель может нагревать буквально все металлы, но в основном предназначен для плавки железа.

Настройка

Что делать , если схема не работает , или работает, но не так , как должна?

1) Если схема вообще отказывается работать, то меняем местами выводы обмоток базы транзисторов,. Сначала меняем местами начало-конец обмотки одного из транзисторов, если не помогло, то возвращаем на место и пробуем тоже самое с обмоткой другого транзистора.
2) Если схема работает, но потребление очень малое, то нужно смотреть в сторону генератора, возможно он слишком слабый.

3) Если генератор работает, но на втором трансформаторе нет генерации, то причин две — неправильная фазировка базовых обмоток или испорченные транзисторы.
4) Если схема работает нормально, но металлический предмет не нагревается, то скорее всего генератор работает на более низких или высоких частотах.

Перед запуском устройства тщательно проверяйте монтаж именно из-за неправильного монтажа , бывают основные проблемы с работой устройства.

Пару слов о генераторе.

Были опробованы несколько схем задающей части , но как всегда выручила старая и добрая схема на одноканальном ШИМ контроллереUC3845. Преобразователь работает на частотах 45-50кГц, мощность более 50 ватт. Транзистор IRF3205 может быть заменен на любой полевой с током более 40 Ампер обязательно на теплоотводе.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Преобразователь
VT1, VT2	Биполярный транзистор	КТ819	2			В блокнот
	Конденсатор	0.47 мкФ	2	Пленочный		В блокнот
	Конденсатор	1.3-1.6 мкФ	1	Пленочный		В блокнот
R1, R2	Резистор	10-15 Ом	2			В блокнот
	Генератор
	ШИМ контроллер	UC3845	1			В блокнот
T1	Транзистор	IRF3207	1			В блокнот
VD1	Выпрямительный диод	UF4007	1			В блокнот
R1	Резистор	5.1 кОм	1			В блокнот
R2	Резистор	6.8 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	10 Ом	1			В блокнот
R4	Резистор

Индукционные отопительные котлы – это приборы, которые отличаются очень высоким КПД. Они позволяют заметно снизить затраты на электроэнергию по сравнению с традиционными приборами, оборудованными ТЭНами.

Модели промышленного производства недешевы. Однако сделать индукционный нагреватель своими руками сможет любой домашний мастер, владеющий нехитрым набором инструментов. Ему в помощь мы предлагаем подробное описание принципа действия и сборки эффективного обогревателя.

Индукционный нагрев невозможен без использования трех основных элементов:

• индуктора;
• генератора;
• нагревательного элемента.

Индуктор представляет собой катушку, обычно выполненную из медной проволоки, с ее помощью генерируют магнитное поле. Генератор переменного тока используют для получения высокочастотного потока из стандартного потока домашней электросети с частотой 50 Гц.

В качестве нагревательного элемента применяется металлический предмет, способный поглощать тепловую энергию под воздействием магнитного поля. Если правильно соединить эти элементы, можно получить высокопроизводительный прибор, который прекрасно подходит для подогрева жидкого теплоносителя и .

С помощью генератора электрический ток с необходимыми характеристиками подается на индуктор, т.е. на медную катушку. При прохождении через нее поток заряженных частиц формирует магнитное поле.

Принцип действия индукционных нагревателей основан на возникновении электротоков внутри проводников, появляющихся под воздействием магнитных полей

Особенность поля состоит в том, что оно обладает способностью на высоких частотах изменять направление электромагнитных волн. Если в это поле поместить какой-нибудь металлический предмет, он начнет нагреваться без непосредственного контакта с индуктором под воздействием созданных вихревых токов.

Высокочастотный электрический ток, поступающий от инвертора к индукционной катушке, создает магнитное поле с постоянно изменяющимся вектором магнитных волн. Помещенный в это поле металл быстро разогревается

Отсутствие контакта позволяет сделать потери энергии при переходе из о

Выбор источников питания для индукционного нагрева

26 февраля 2015

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА.

Лебедев А.В.

ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева», г. Саранск

Большое количество типов и моделей источников питания разрабатывается таким образом, чтобы они оптимально соответствовали практически бесконечному многообразию потребностей, возникающих при индукционном нагреве. Специфика применения индукционного нагрева в каждом конкретном случае определяет частоту, мощность и другие параметры, такие как напряжение, ток, коэффициент мощности или добротность. Частота является очень важным параметром индукционного нагрева, так как она напрямую определяет глубину проникновения тока в заготовку и, как следствие, глубину и геометрию нагреваемого слоя. Таким образом, при проектировании элементов источников питания в первую очередь должна быть определена рабочая частота. Компоненты источников питания должны быть спроектированы для функционирования с соответствующими ограничениями, обеспечивающими высокую надежность их работы на требуемой частоте. Инверторная схема, которая преобразует постоянный ток в переменный, строится на полупроводниковых ключевых элементах, таких как тиристоры и транзисторы. Для больших мощностей и низких частот чаще всего используются мощные тиристоры. Для низких мощностей и частот выше 25 кГц используются транзисторы, поскольку они могут переключаться с высокими скоростями и малыми потерями. Генераторы на электронных лам пах были широко распространены в течение многих лет в устройствах, работающих на частотах выше 300 кГц. Однако ламповые генераторы имеют низкий коэффициент полезного действия (от 55 до 60%; у транзисторных инверторов КПД составляет 85-93%). Электронные лампы характеризуются ограниченным сроком работы (обычно от 2000 до 4000 часов) и являются дорогостоящими элементами генератора. Высокие рабочие напряжения (около 10 000 В) требуют для эксплуатации ламп повышенных мер безопасности (характерным для работы транзисторов в инверторах является напряжение 1000 В или менее). Эта отрицательная особенность вакуумных ламп привела к резкому увеличению использования транзисторных источников питания для индукционного нагрева на частотах менее 1 МГц.

Существуют зоны, в которых может использоваться несколько типов ключевых элементов.

Мощность, необходимая для конкретного процесса индукционного нагрева, зависит от объема нагреваемого металла, степени нагрева и эффективности процесса. Небольшие области, нагреваемые на малую глубину, могут потребовать малой мощности (1-2 кВт), в то время как для нагрева быстро перемещающейся в индукторе стальной полосы до температуры выше точки Кюри может потребоваться мощность, исчисляемая мегаваттами. На вход обычно подается трехфазное напряжение от 220 до 575 В частотой 50 (60) Гц. Первый блок называется конвертером переменного тока в постоянный или выпрямителем. Этот блок может обеспечивать фиксированное постоянное напряжение, регулируемое постоянное напряжение или регулируемый постоянный ток. Второй блок называется инвертором или генератором и предназначен для преобразования постоянного тока в однофазный переменный ток. Третий блок называется блоком согласования и предназначен для приведения напряжения на выходе инвертора к величине, необходимой для эффективного функционирования индуктора. Блок управления сравнивает сигнал с выхода системы с управляющим сигналом и регулирует выходное напряжение выпрямителя, фазу или частоту инвертора, тем самым обеспечивая подходящий режим нагрева.

Конфигурации и типы инверторов.

Наиболее распространенной конфигурацией инвертора является мостовая преобразовательная структура . Ее часто называют мост «Н», так как она состоит из четырех плеч, которые содержат ключевые элементы (тиристоры или транзисторы). Выход располагается на перекладине буквы «Н» (диагональ моста), так что при разомкнутых ключах S1 и S2 ток течет справа налево. Когда ключи S1 и S2 замкнуты, а ключи S3 и S4 разомкнуты, ток течет в противоположном направлении слева направо. Поскольку этот процесс повторяется, происходит генерирование переменного тока, частота которого определяется скоростью переключения вентилей.

Так называемый полумостовой инвертор состоит только из двух ключевых элементов и двух фильтрующих конденсаторов. Выходная цепь подключается между общими точками ключевых элементов и конденсаторов. Поочередная коммутация ключевых элементов обеспечивает протекание через выходную цепь переменного тока.

Подключение источника постоянного тока (DC) . Эта конфигурация используется вместо мостовой, когда требуется пониженное выходное напряжение или выходная мощность.

Инвертор напряжения характеризуется использованием фильтрующей емкости на входе инвертора и последовательно соединенной выходной цепью. К инверторам напряжения относится, например, источник питания Inductoheat Starpower 6 [1], используемый при индукционном нагреве для генерирования рабочих частот от 90 Гц до 1 МГц и выше. Тиристоры могут использоваться для коммутации тока на частотах ниже 10 кГц. На частотах от 10 до 50 кГц обычно используются IGBT-транзисторы. На частотах выше 50 кГц из-за высокой скорости коммутации предпочтительны транзисторы MOSFET. Транзисторам не требуется время на восстановление запирающих свойств, и поэтому они могут работать на резонансной частоте.

Работа при резонансе означает, что коэффициент мощности выходной цепи равен единице и максимальная мощность передается из цепи постоянного напряжения (тока) в нагрузку. Для управления мощностью в этом случае применяется регулируемый источник постоянного напряжения.

Для индукционного нагрева больших слябов, полос или болванок обычно требуются низкая частота и высокая мощность. Низкая частота обеспечивает большую глубину проникновения вихревых токов в заготовку. Большая глубина проникновения позволяет уменьшить время цикла нагрева и сделать более интенсивным прогрев сердцевины заготовки, улучшая однородность распределения температур. Тиристоры способны работать как ключи на высоких напряжениях и очень больших токах, но они требуют приложения обратного напряжения для обеспечения требуемого времени восстановления запирающих свойств. Это время восстановления, необходимое для нормальной работы тиристоров, обычно увеличивается для мощных тиристоров, рассчитанных на большие токи, и уменьшается для маломощных тиристоров. Отсюда следует, что чем ниже рабочая частота, тем выше мощность, которая может быть реализована с применением тиристоров.

В низкочастотных инверторах напряжения обычно используются полумостовые инверторные структуры . Тиристоры включаются поочередно, сначала в одном плече моста, потом во втором. Включение тиристоров в определенное время осуществляется за счет системы управления, которая обеспечивает подачу импульсов управления на очередной тиристор, когда ток последовательно включенной нагрузки проходит через ноль. Ток нагрузки после этого протекает через встречно параллельные диоды.

Для обеспечения необходимого времени восстановления тиристорный инвертор напряжения всегда работает на частотах ниже резонансной частоты нагрузки. Когда частота коммутации тиристоров много меньше резонансной, полное сопротивление нагрузки велико и выходная мощность мала. Когда частота коммутации становится близкой к резонансной, полное сопротивление нагрузки уменьшается и выходная мощность возрастает. Управление выходной мощностью в этом случае осуществляется за счет изменения частоты работы тиристоров инверторного моста. В данном случае нет необходимости в регулировке выходной мощности по входному напряжению инвертора. Это позволяет использовать неуправляемый мостовой выпрямитель, что, в свою очередь, обеспечивает высокий входной косинус (до 0,95) инвертора при питании от сети во всем диапазоне изменения выходных мощностей инвертора. КПД источников питания этого типа более 90%, а для низкочастотных мощных источников питания – до 95%.

Популярной разновидностью инвертора напряжения для индукционного нагрева является инвертор с коммутирующими индуктивностью и емкостью, включенными в диагональ моста. Нагрузочный параллельный контур при этом включается последовательно с коммутирующими элементами. Параметры коммутирующих индуктивности и емкости выбираются так, чтобы резонансная частота была выше частоты, на которой инвертор с нагрузкой, настроенные на эту частоту, работали с минимально допустимым током моста, позволяющим выделять на нагрузке необходимую мощность. Очень важной особенностью этого типа инверторов является то, что последовательная цепь коммутирующих элементов отделяет мост от нагрузки. Такое построение схемы защищает инвертор от аварий в нагрузочной цепи, вызванных короткими замыканиями или дугообразованием, а также неправильным согласованием инвертора с нагрузкой, что делает эту схему одной из самых устойчивых среди тиристорных источников питания, применяемых для индукционного нагрева. Вторая особенность этой схемы реализуется при настройке коммутирующих элементов на третью гармонику. Источник питания в этом случае способен обеспечивать выделение полной мощности в параллельном нагрузочном контуре либо на основной частоте, либо на ее третьей гармонике. Схемы инвертора напряжения с коммутирующими индуктивностью и емкостью, включенными в диагональ моста, используются, например, в семействе источников питания типа Inductoheat Statipower 5 [3] и выполняются на тиристорах в качестве силовых ключей и нерегулируемом источнике питания постоянного напряжения. Регулирование выходной мощности достигается изменением рабочей частоты инвертора по отношению к резонансной частоте параллельного нагрузочного контура.

Инверторы тока характеризуются использованием источника регулируемого напряжения с последовательно включенным дросселем на входе. Этот дроссель обычно обладает большой индуктивностью и присоединяется на вход инверторного моста, на выходе
Мостовой инвертор тока Осциллограммы токов и напряжений инвертора тока на частотах выше резонансной которого включен параллельный резонансный нагрузочный контур.

Выпускается большое количество моделей инверторов тока, которые обеспечивают работу индукционных установок в диапазоне частот от 90 Гц до 1 МГц. Тиристоры обычно используются на частотах до 10 кГц, а транзисторы — на более высоких частотах.

В случае, когда в качестве силовых ключей используются тиристоры, инвертор тока должен работать на частоте выше той, что является резонансной для параллельного нагрузочного контура. Семейства источников питания для индукционного нагрева TG и ТС производства Radyne Ltd. выполнены по этой схеме и эксплуатируются с 1970 года [4].

Проведя сопоставление с рассмотренным выше инвертором напряжения, подчеркнем, что в инверторе тока напряжение на мосту имеет синусоидальную форму, а ток через мост прямоугольную. Напряжение на выходе выпрямителя после фильтрации дросселем большой величины LDC (рис. 10) напоминает выходное напряжение неуправляемого выпрямителя. Это напряжение отрицательно от момента времени коммутации тиристора до момента, пока напряжение на нагрузке не станет равным 0. Рассматриваемое время должно быть достаточно большим, для того чтобы обеспечить необходимое время восстановления запирающих свойств тиристора. Время, когда эти напряжения отрицательны, предоставляется тиристорам для восстановления запирающих свойств. Регулировка мощности осуществляется фазным управлением выпрямителя для получения изменяемого постоянного напряжения на входе инверторного моста. Частота коммутаций тиристоров инвертора также делается переменной, что позволяет осуществлять частотное регулирование выходной мощности наряду с регулированием по входному напряжению преобразовательного моста. Это согласует требуемый высокий коэффициент мощности, потребляемой от сети, с уровнем мощности, который при регулировании всегда меньше, чем номинальная выходная мощность. Инвертор тока обычно непосредственно подключается к параллельному нагрузочному контуру без выходного трансформатора. Это делает инверторы такого типа особенно подходящими для работы на высокодобротную нагрузку.

Для инверторов тока, работающих на частотах выше 10 кГц, благодаря своим низким потерям при переключениях в качестве силовых ключей используются транзисторы, которым не требуется время для восстановления запирающих свойств. В этом случае инвертор может работать на частоте резонанса параллельного нагрузочного колебательного контура (рис. 11). Когда транзисторы T l и Т2 открыты, а ТЗ и Т4 закрыты, входное напряжение равно напряжению на нагрузке, а напряжение на транзисторах равно нулю.

Переключения при нулевом напряжении минимизируют коммутационные потери в транзисторах и, следовательно, позволяют поднять частоту инвертирования. При совпадении частоты инвертирования с частотой собственных колебаний параллельного нагрузочного контура (частотное регулирование мощности не применяется) выходная мощность должна изменяться регулированием входного тока инвертора. Это достигается использованием одного из типов регулируемых источников постоянного напряжения, описанных ранее. Например, один из таких источников Statitron 3, который производится фирмой Inducto Elphiac (Бельгия), реализован на MOSFET-транзисторах, которые устанавливаются в инверторе тока. Источник обеспечивает работу на частотах от 15 до 600 кГц при мощности до I МВт [5].

В инверторах другого типа, которые широко используются для индукционного нагрева на частотах от 10 до 30 кГц, применяется только один тиристор (или несколько включенных последовательно). Такой инвертор называется чоппером или четвертьмостом. На рис. 12 показана упрощенная силовая схема чоппера. Эта схема относится к инверторам тока, так как на ее входе последовательно с источником питания устанавливается дроссель большой величины. В отличие от традиционных мостовых схем, чоппер применяется с последовательным подключением выходных нагрузочных цепей. Когда тиристор включен, ток течет от источника постоянного напряжения через дроссель большой величины и через последовательно включенный с нагрузкой компенсирующий конденсатор,
перезаряжающийся через индуктор. Первая полуволна протекающего через нагрузку тока формируется во время горения тиристора, вторая полуволна — во время горения диода. Форма результирующего тока нагрузки близка к синусоидальной. Именно частота определяет глубину проникновения вихревых токов в деталь при индукционном нагреве. Изменение рабочей частоты инвертора позволяет регулировать выходную мощность и, следовательно, использовать нерегулируемый источник постоянного напряжения.

Экономические аспекты.

При рассмотрении пригодности каждого типа источников питания для индукционного нагрева принимаются во внимание начальная стоимость, стоимость эксплуатации или общая эффективность, надежность, ремонтопригодность, гибкость при настройке, потребность в охлаждающей жидкости и электрический КПД.

Начальная стоимость важна, но не является решающим фактором. При выборе типа инвертора необходимо учитывать другие функциональные требования. Вообще говоря, источник питания типа чоппер имеет самую низкую цену. Для мощностей ниже 250 кВт при желании получить наименьшую цену следует выбирать инвертор напряжения с последовательной резонансной нагрузкой. Инвертор тока имеет низкую цену за киловатт при высоких мощностях и низких частотах. Более дорогим обычно является инвертор напряжения с последовательно включенным параллельным нагрузочным контуром. В нем используется наибольшее количество силовых элементов на киловатт выходной мощности, чем в каком бы то ни было другом типе инверторов при соответствующих выходных
частотах. Тем не менее, этот инвертор является наиболее устойчивым и гибким в
эксплуатации с различными индукционными установками. Стоимость эксплуатации, которая
часто определяется общим КПД, также принимается к рассмотрению. Современные полупроводниковые источники питания для индукционного нагрева, однако, имеют достаточно высокий КПД, сравнимый с КПД машинных генераторов и их ламповых предшественников. Большинство источников питания имеют КПД от 85% до 93% при работе на номинальной выходной мощности. КПД, который рассматривается здесь, определяется как мощность на выходных шинах преобразователя, отнесенная к входной мощности и, следовательно, в ряде случаев, не включает мощность, теряемую в выходном согласующем трансформаторе и компенсирующих емкостях.

Измерения и уточнения КПД могут быть произведены многими путями и с различными результатами. В одном из предельных случаев при расчете КПД учитываются только потери в инверторе. В другом предельном случае рассматривается отношение выходной мощности, определяемой по теплу, выделяемому в нагрузке, к входной мощности всей системы, потребляемой от сети. Этот метод включает потери в индукторе, которые могут быть относительно велики, что в результате приводит к низкому расчетному КПД системы.

Литература:

1. Inductoheat Bulletin: Statipower 6. 1991 2. General Presentation of Activity of Lepel Corp. 1990. 3. Inductoheat Bulletin: Statipower 5, 1991. 4. General Presentation of Activity of Radyne Ltd. UK. 1990. 5. General Presentation of Activity of Elphiac. Belgium. 1990. 6. Fundamentals of Power Electronics. Second Edition. / R. W. Erickson, D. Maksimovic / University of Colorado, Boulder / Publisher: Kluwer Academic Publishers, 2001 7. Коммутационные процессы в транзисторных инверторах для индукционного нагрева/ Бондаренко Д.П., Дзлиев СВ., Патанов Д.А.// Изв. ТЭТУ. − 1996. − Вып. 497. − С.98-110. 8. Общие проблемы снижения коммутационных потерь в инверторах напряжения / Д.А. Патанов // Журнал «Схемотехника» №7, 2001г. 9. Cost effective phase shifted pulse modulation soft switching high frequency inverter for induction heating applications /11. Kifune, Y. Hatanaka, M. Nakaoka // IEE Proc. − Elcctr Power Appl. Vol. 151, No 1, January 2004. − p. 19.

Тиристорный преобразователь частоты — Википедия

Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) — серия тиристорных преобразователей частоты на базе автономного инвертора тока АИТ^[1][2][3][4], применяемых для индукционного нагрева металлов.

ТПЧ — это исторически сложившаяся аббревиатура, начиная с 1960-х годов в СССР, традиционно обозначающая серию тиристорных преобразователей частоты, применяемых в качестве источников питания для индукционного нагрева металлов. Аббревиатура ТПЧ закрепилась только для источников на базе АИТ^[1][2][3][4]. Серия ТПЧ в своем развитии насчитывает несколько поколений. Аббревиатура ТПЧ также иногда использовалась, но позднее, и значительно реже, для обозначения тиристорных преобразователей частоты для электропривода. Однако аббревиатура ТПЧ для обозначения приводных преобразователей не считается корректной, если вместе с аббревиатурой ТПЧ не упомянут электропривод. Для исключения двусмысленности в практике сложились распространенные названия для электропривода, отличительные от серии ТПЧ: Частотный преобразователь (электропривод), Частотно-регулируемый привод.

Обзор среднечастотных источников индукционного нагрева[править | править код]

Нагрузкой источника индукционного нагрева является индуктор — катушка, внутрь которой помещается металл. Индуцируемые в металле вихревые токи разогревают металл при минимуме отвода тепла в окружающую среду. Индукционный способ нагрева позволяет обеспечить высокую скорость нагрева, а также тонкое регулирование потока тепловой энергии и тем самым добиться экономичности, высокой точности и повторяемости промышленных технологических процессов. Индукционный нагрев используется в машиностроении и металлургической промышленности для плавки, ковки, штамповки, поверхностной и сквозной закалки, отжига, пайки резцов, высокочастотной сварки, а также для других специальных применений, где требуется нагрев металлов.

Требование к выходной частоте источника зависит от объёма и геометрии нагреваемого тела (участка). Требование к выходной мощности источника определяется заданной производительностью линии нагрева. Частота и мощность в общем случае независимые параметры. В металлургической промышленности чаще всего используется т. н. среднечастотный ряд частот 0.5, 1.0, 2.4, 4.0, 8.0, 10 кГц и диапазон мощностей от 100 кВт до 1600 кВт, чаще других используются мощности от 320 кВт до 800 кВт на частотах 0.5, 1.0 и 2.4 кГц. Для больших сталеплавильных печей, объёмом в десятки тонн, используются относительно низкие частоты 0.25 и 0.125 кГц при больших мощностях источника 5 МВт и выше. В машиностроительной и других отраслях промышленности используются повышенные и высокие частоты: 22; 44; 66; 100; 220; 500 кГц и т. д. При высоких частотах реже используются мощности более 100 кВт, исключение — высокочастотная сварка, где высокая частота сочетая с большой мощностью.

Рис. 1: Базовая электрическая схема тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ)

На Рис. 1 показана базовая схема тиристорного преобразователя частоты, имеющего двухзвенную структуру: выпрямитель преобразует сетевой ток (50 Гц) в постоянный ток в сглаживающем реакторе Ld{\displaystyle L_{d}}, инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток нужной частоты. Характерной особенностью схемы на Рис.1 является наличие в схеме фильтрующего дросселя Ld{\displaystyle L_{d}} между выпрямителем и инвертором. Ток id{\displaystyle id} дросселя Ld{\displaystyle L_{d}} на входе моста постоянный и совпадает по абсолютной величине с переменным током ie{\displaystyle ie} на выходе моста, который через индуктивность линии Lk{\displaystyle L_{k}} питает колебательный контур CeLeRe{\displaystyle C_{e}L_{e}R_{e}}. Полярность токов id{\displaystyle id} и ie{\displaystyle ie} на одном полупериоде совпадает (полярность ie{\displaystyle ie} положительна, если открыта диагональ моста V1, V2), на другом — противоположна (полярность ie{\displaystyle ie} отрицательна, если открыта противоположная диагональ V3, V4). Инвертор на таком принципе действия называется «инвертором тока». Поскольку нагрузкой данного инвертора является пассивная цепь, такой инвертор называется автономным инвертором тока (АИТ). В качестве контура нагрузки чаще других используется параллельный контур (Рис.1), откуда произошло название: параллельный автономный инвертор — эквивалент названию АИТ^[5].

Если в дросселе Ld{\displaystyle L_{d}} используется большая индуктивность (сглаживающая), то такой инвертор называется АИТ с непрерывным током. Если же используется малая индуктивность Ld{\displaystyle L_{d}}, то в токе инвертора появляется интервал паузы. Такой инвертор называется АИТ с прерывистым током.

Для согласования с индуктором по напряжению, или для улучшения пуска, иногда используются другие модификации контура, куда входят 2 или 3 конденсатора: Г- , Т- и П-образные контура ^{[1][2][3][4][5]}. В указанных контурах концы катушки индуктора всегда замыкаются через цепь из одного или двух конденсаторов. Свойства таких контуров близки к свойствам параллельного контура на Рис.1, поэтому основные принципы работы инвертора совпадают с параллельной схемой АИТ на Рис.1.

Коренное отличие в принципе работы инвертора возникает в том случае, когда вместо параллельного используется последовательный конденсатор в контуре. Тогда не требуется дроссель Ld{\displaystyle L_{d}} на входе инвертора, ток инвертора формируется по колебательному закону с образованием интервала паузы тока. Инвертор без входного дросселя Ld{\displaystyle L_{d}} называется автономным инвертором напряжения (АИН), альтернативный вариант названия: последовательный автономный инвертор. В научной мировой литературе ^{[6][7][8][9][10]} установилась терминология «параллельный» и «последовательный» инверторы (Parallel Inverter, Series Inverter — с дросселем Ld{\displaystyle L_{d}} и без него, соответственно). Под параллельной схемой контура подразумевается существование произвольной замкнутой цепи конденсаторов, подключенной параллельно зажимам индуктора, хотя как правило, используется обычный параллельный контур на Рис.1. Параллельный и последовательный инверторы относятся к принципиально различным классам устройств (АИТ и АИН). Также возникли научные школы и крупные мировые компании, являющиеся сторонниками параллельных или последовательных инверторов. В частности, компании Otto Junker (Германия), Brown Boveri (Швейцария), Asea (Швеция), General Electric (США), а также международная корпорация Ajax Tocco Magnethermic, преимущественно развивали направление параллельного инвертора ^[6][7], в то время как другая мировая корпорация Inductotherm (насчитывающая в своем составе несколько десятков отдельных фирм по всему миру) преимущественно развивала последовательную схему. В Японии ^[8], и в СССР среднечастотный индукционный нагрев преимущественно развивался на базе параллельной схемы. В СССР наряду с термином «параллельный автономный инвертор» в научной литературе чаще использовался термин АИТ ^{[1][2][3][4][5]}.

Серия ТПЧ[править | править код]

Производство источников индукционного нагрева в СССР на базе АИТ (Рис.1), которые получили название «серия ТПЧ», зародилось в 1960-е годы в Таллине на Электротехническом заводе им. Калинина^[5]. Основные конструктивные исполнения серии ТПЧ охватывают диапазон по мощности от 100 кВт до 1600 кВт, по частоте от 0.5 до 10 кГц, чаще других используются ТПЧ мощностью 320 кВт и 800 кВт на частоте 1кГц. Во второй половине 1980-х годов объём производства в СССР достигал до 800 штук ТПЧ в год, что составляло порядка половины ежегодного мирового производства средне частотных источников индукционного нагрева (в штучном выражении по типовым мощностям в диапазоне 160…800 кВт в диапазоне частот 0.5…10 кГц). В частности, наиболее крупная американская компания Inductotherm в 1980-е годы выпускала порядка 180 средне частотных источников в год. В 1990-е годы на многих предприятиях в России и на Украине появилось серийное производство источников на базе АИТ с одинаковым названием «серия ТПЧ». В связи с прочно закрепившейся аббревиатурой ТПЧ, другие источники индукционного нагрева с топологией схемы, отличающейся от АИТ, имеют название, отличающееся от ТПЧ.

Появление на рынке мощных силовых транзисторов, начиная с 1990-х годов, дало толчок развитию силовой электроники в ряде отраслей. Безусловными достоинствами транзисторов являются полная управляемость и высокое быстродействие. Эти свойства дали основу для развития как самих транзисторов, так и универсальных устройств управления силовыми транзисторами (интеллигентные модули) для любых применений. Возникла мощная индустрия универсальных компонентов силовой электроники. Для малых фирм, ранее не занимавшихся наукоемкой продукцией, появилась возможность закупать готовые компоненты, собирать и поставлять на рынок конкурентоспособные изделия, что способствовало быстрому росту рынка. В области электропривода, ветро-генераторов и солнечной энергетики выпущены десятки тысяч изделий, в том числе появились изделия на IGBT-транзисторах большой единичной мощности в несколько мегаватт. Прогресс силовой электроники пришел также в область индукционного нагрева. Стал быстро развиваться рынок малых источников в несколько килловатт или десятков киловатт, которые раньше почти отсутствовали на рынке. Также стали интенсивно вытесняться ламповые генераторы, которые использовались для индукционного нагрева в области высоких частот в десятки и сотни килогерц.

В средне частотной области, где нет востребованности в быстродействии полупроводников, производство источников индукционного нагрева разделилось на два сектора: источники тиристорные и транзисторные. В средне частотной области тиристоры не столь чувствительны к неполной управляемости, и в этом отношении не столь проигрывают полностью управляемым транзисторам, зато выигрывают по надежности и стоимости. Особенно выигрыш тиристорной схемы ощущается при мощностях более 250 кВт, когда относительно дорогая система управления становится уже не столь заметна в общей стоимости изделия, а надежность тиристорной схемы становится превалирующим фактором для покупателя. В мощных источниках возрастает роль системы управления для решения задач защиты, диагностики, мониторинга, автоматики и регулирования. Поэтому для таких источников стоимость систем управления для тиристорных и транзисторных источников сопоставима. Тиристор по сравнению с силовым транзистором многократно выше по единичной мощности и ниже по стоимости. Тиристор обладает свойством кратковременно выдерживать ток, на порядок превышающий рабочий ток, в то время как транзистор выходит из насыщения и разрушается. Чем больше параллельных соединений транзисторов, тем опаснее аварийные режимы, которые могут сопровождаться взрывом корпуса. Поэтому на рынке между секторами тиристорных и транзисторных источников в области средне частотного нагрева установилась устойчивая граница на уровне мощности порядка 250 кВт. Граница существует исключительно для индукционного нагрева и исключительно в области средних частот, в то время как в других областях со всей очевидностью происходит насыщение рынка транзисторными схемами.

Прогресс полупроводниковой индустрии привел к появлению тиристоров в модульном корпусе, который аналогичен корпусу силового транзистора, и имеет те же достоинства — изоляцию от охладителя и простота сборки модульных конструкций. Также в схему тиристорного инвертора АИТ некоторые производители вводят на входе инвертора транзисторный прерыватель, т. н. IGBT-чоппер, который позволяет улучшить управляемость и характеристики схемы, и в то же время не потерять присущую тиристорам устойчивость к аварийным режимам.

Серия ТПЧ прошла длительный путь эволюции. В таблице ниже дано представление о смене поколений серий ТПЧ. В таблице даны по возможности объективные признаки прогресса в технологии производства ТПЧ, общие для различных производителей. Таблица ограничивается рассмотрением прогресса технологий только для источников ТПЧ с присущей им топологией АИТ. Принадлежность к одному классу устройств остается также в том случае, когда АИТ является только частью силовой схемы. Например, устройства, где на входе АИТ устанавливается или не устанавливается силовой транзисторный Прерыватель (IGBT-чоппер), относятся к одному классу. Схема АИТСП (АИТ с Синхронным Прерывателем) и схема АИТАП (АИТ с Асинхронным Прерывателем, где Прерыватель не синхронизирован с инвертором) имеют существенно разные характеристики, хотя и относятся к одному классу устройств.

Смена поколений серии ТПЧ на базе автономного инвертора тока (АИТ)

Серия ТПЧ	Признаки прогресса в технологии производства
1-ое поколение	1960-е годы. В системе управления отсутствуют печатные платы — монтаж объемный (на панелях) в отдельном шкафу. Логические компоненты: дискретные полупроводники (транзисторы и диоды) и крупногабаритные логические модули в фарфоровом корпусе (Логика-Т). В силовой части используются штыревые тиристоры, относительно маломощные. Используется большое количество параллельных и последовательных соединений в каждом плече преобразователя. Для мощных ТПЧ, в случае применения параллельного соединения силовых секций, не допускается автономная (одиночная) работа отдельной секции. Частотный типоряд: 0.5; 1 кГц. КПД порядка 92 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ: порядка 6…8 кг/кВт.
2-ое поколение	1970-е годы. В системе управления появляется печатный монтаж, что позволяет резко сократить габариты системы управления и одновременно повысить её функциональность. Каждый отдельный блок управления обладает относительно небольшой функциональностью. Большое количество блоков устанавливается в отдельном шкафу. В силовой части появляются таблеточные тиристоры, уменьшается количество параллельных и последовательных соединений в одном плече. Для соединенных параллельно силовых секций не допускается автономная (одиночная) работа отдельной секции. Вводится максимальная частота 2.4 кГц, частотный типоряд: 0.5; 1; 2.4 кГц. КПД повышен до 92..93 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 4…5 кг/кВт.
3-е поколение	1986 год. Логические компоненты: микросхемы малой и средней степени интеграции. Система управления строится в кассете на больших многофункциональных печатных платах, насчитывающих до 300 компонентов, имеющих проволочные выводы. В силовой части используются мощные таблеточные тиристоры, исключаются параллельные соединения, остаются последовательные в одном плече. Для соединенных параллельно силовых секций допускается автономная (одиночная) работа. Вводятся понятия «работа одиночного ТПЧ», «работа группы ТПЧ с общей нагрузкой», «одиночная работа ТПЧ в комплексе», «групповая работа комплекса ТПЧ». Вводится частоты 4, 8 и 10 кГц, частотный типоряд: 0.5; 1; 2.4; 4; 8; 10 кГц. КПД повышен до 94..95 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 2…2.5 кг/кВт.
4-ое поколение	2002 год. Логические компоненты: одна БИС — большая интегральная схема, охватывающая всю логическую (цифровую) часть системы управления. Система управления строится на многофункциональных многослойных платах небольшого размера на основе т. н. «бездырочной», или поверхностной технологии (SMD), где миниатюрные компоненты с планарными выводами (типичный размер резистора 1.5 х 0.75 мм) паяют непосредственно на поверхность платы. Сведена к минимуму громоздкая «дырочная», то есть сквозная технология (HMD — Hole Mount Technology), где компоненты с проволочными выводами впаиваются в отверстия на плате. В силовой части используются мощные таблеточные тиристоры, которые позволяют строить силовое плечо на одном тиристоре. Исключение: высокая частота 8 и 10 кГц, где используются быстродействующие тиристоры с относительно невысоким классом по напряжению, что требует обычно 2 последовательных тиристоров в одном плече инвертора. Для относительно небольших мощностей (до 320 кВт) некоторые производители используют т. н. «модульные» тиристоры, которые привинчивают к общей алюминиевой плите, что упрощает конструкцию силового блока и обеспечивает гальваническую изоляцию от охлаждающей жидкости (воды). Групповая работа комплекса ТПЧ без изменений. Частотный типоряд без изменения: 0.5; 1; 2.4; 4; 8; 10 кГц. КПД повышен до 95..96 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 1.6…2.5 кг/кВт.
5-ое поколение	2015 год. В систему управления вводится система Интернет-Диагностики ТПЧ. В состав системы управления входят инструменты считывания и сохранения рабочих и аварийных осциллограмм в постоянной памяти Чёрного Ящика, а также средство связи с Интернетом на базе GSM модема. Аварийные осциллограммы автоматически посылаются на сайт коллективного пользования. Максимально демократичный сайт диагностики ТПЧ, без всяких ограничений для доступа и без регистрации, служит, с одной стороны, «инструментом быстрого реагирования» при ремонте, с другой стороны, — «базой коллективных знаний» для изучения типовых аварийных процессов и для обучения персонала навыкам эксплуатации. В силовую часть на вход тиристорного АИТ вводится транзисторный Синхронный Переключатель (СП). Схема АИТСП объединяет преимущества одновременно двух типов полупроводников: транзисторов (полная управляемость) и тиристоров (надежность в аварийных режимах). Последние используются в модульном и таблеточном корпусах. Групповая работа комплекса ТПЧ без изменений. Частотный типоряд расширен как в сторону уменьшения частоты, так и в сторону увеличения частоты: 50(60), 125, 250, 500, 1000, 2500, 4000, 8000(10000), 16000, 22000 Гц. КПД повышен до 97.5..98.5 % для 1кГц. Удельные показатели ТПЧ улучшены: порядка 1 кг/кВт.

1. ↑ ^{1 2 3 4} Горбачев Г. Н., 1988, с. 306.
2. ↑ ^{1 2 3 4} Шиллинг В., 1950.
3. ↑ ^{1 2 3 4} Толстов Ю.Г., 1978.
4. ↑ ^{1 2 3 4} Чиженко И.М., 1978.
5. ↑ ^{1 2 3 4} Е. И. Беркович, 1973.
6. ↑ ^{1 2} Alfred Mühlbauer, 2008.
7. ↑ ^{1 2} John William Motto, Jr., 1977.
8. ↑ ^{1 2} Takesi FUJITSUKA, 1971.
9. ↑ Nikolay L. Hinov, 2005.
10. ↑ pantechsolutions.

• Шиллинг В. Схемы выпрямителей, инверторов и преобразователей частоты: Пер. с нем.. — Л.: Госэнерго-издат, 1950. — 464 с.

• Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. — М.: Изд.»Энергия», 1978. — 208 с.

• Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике.. — К.: Техніка, 1978. — 447 с.

• Е. И. Беркович. Тиристорные преобразователи высокой частоты. — Л.: Энергия, 1973.

Индукционное отопление своими руками

Как сделать индукционный котел своими руками? Для создания индукционного котла в качестве нагревательных деталей применяются элементы, преобразующие электроэнергию в теплоэнергию. Благодаря своей конструкции этот прибор способен нагревать воду достаточно быстро, что делает его наиболее эффективным обогревателем для дома.

Принцип работы

Работа водонагревателя построена на концепции индукционного нагрева. При подаче электроэнергии электрическое высокое сопротивление материала приводит к нагреву структуры, после того как в рамках вещества сгенерируются вихревые токи. Медные катушки поддерживают поток переменного электрического тока через них. Этот процесс приводит к созданию осциллирующего магнитного поля, что в дальнейшем индуцирует ток, используемый для отопления.

Возможно, ли собрать индукционный котёл отопления своими руками, если нет специальных знаний? Достаточно вспомнить теоретические основы физики и приобрести нужный набор материалов и инструментов. Схема индукционной системы нагрева показана на рисунке.

Делаем самостоятельно

Самодельный индукционный котёл представлен на следующем рисунке.

Индукционный нагреватель воды обладает относительно простой конструкцией, в дополнение к их сборке желательно иметь под рукой самый обычный преобразователь, лучше, если это устройство имеет дополнительную ручную регулировку тока. Из видео можно увидеть, насколько проста идея: собрать самодельный индукционный котел:

Всего лишь несколько основных компонентов – все, что необходимо для создания рабочего устройства индукционного нагревателя.

1. Фильтр. Можно применить обычный фильтр или же на ферритовое кольцо намотать 100—150 витков провода. Диаметр провода – 1,5 мм. Намотка ведётся сдвоенным проводом, каждый из которых является сетевым. Следует учесть его пробойные характеристики. Размеры кольца выбираются согласно коэффициенту заполнения. Площадь сечения кольца – не менее 1,5 см².
2. Конденсатор, включенный в разрыв между схемой и сетевым фильтром, должен быть рассчитан на работу с импульсными и переменными токами.
3. Трансформатор. Сначала наматывается вторичная обмотка, содержащая один виток медной шины площадью не менее 1 Ом². Можно использовать 10 проводов диаметром 1,4 мм спаянных параллельно. После наматывается вторичная обмотка трансформатора, содержащая 40 витков провод диаметром 1,5-2 мм. Слои первичной обмотки наматываются согласно рисунку.

Трансформатор желательно подобрать с наибольшей силой, можно даже из электротехнической стали, но тогда толщина каждого листа набора должна составлять не более 0,35 мм.

При подключении питания через буферный конденсатор переменное напряжение поступает на диодный мост, где напряжение выпрямляется и заряжает конденсатор ёмкостью 4 мкФ до 300—350 В. Как только напряжение достигает 300 В установка (собранная на динисторе, диодах и конденсаторе) создаст импульс, который откроет тиристор. Накопленный заряд перейдёт на первичную обмотку трансформатора Т1, смотри чертежи: схему и диаграмму напряжения для первичной обмотки трансформатора.

 

Индукционный ток закроет тиристор, и отрицательная волна индукционного поля через диод создаст быстроменяющийся вихревой ток в трансформаторе.

Высокий КПД данной системы объясняется введением в трансформатор намотанной бифилярно первичной катушки и двух колебательных контуров с индуктивной связью и короткоимпульсным запуском тиристора.

Схема может дать побочный эффект, связанный с опережением напряжения в буферной ёмкости относительно тока на угол 80 градусов.

Испытание индукционного нагревателя смотрите на видео:

Заключение

Индукционный водонагреватель может работать от однофазного, а также трехфазного электропитания. Кроме того, вы сможете позволить себе роскошь: постоянную подачу горячей воды в любое время в течение дня.

Такое индукционное отопление, выполненное своими руками, является довольно эффективным, с точки зрения затрат и энергии.

Кроме того, это выгодное устройство, так как имеет интегрированную систему. В этом проточном водонагревателе первый литр воды нагревается до 40⁰С в течение нескольких минут. Технически несложное оборудование, разработанное своими руками. Подогреватель воды от индукции не только даст вам хороший контроль температуры, но также позволит регулировать мощность, которую он потребляет.

Простая индукционная печь на одноключевом несимметричном инверторе — Литейный цех

Прилагаю фото данной печи со шкафом управления.

Теперь ответы на некоторые вопросы.

Первое. Ещё раз повторяю. Данная печь сделана не мной. Я только наладил её и разогнал до 45 кВт. Изначально она была рассчитана на 30 кВт. Эта конструкция печей мне встречалась уже раза три. Почему я и счёл возможным опубликовать её. Схема печи прилагалась к изделию.

Второе. Я тоже делаю печи по такому же принципу (схема Кощеева). Но я использую полу-управляемый выпрямитель. Да и схема ЗГ инвертора собственной разработки (публикаций которой НЕ БУДЕТ).

Третье. Вопрос AlexAlcoa. Почитайте внимательно текст по ссылке. Там всё подробно написано. В том числе и принцип работы (с осциллограммами). Конкретно, схема опубликованная мной в посте #1, — это схема соответствующая рис.3 ссылки. Отличие только в том, что реактор разделён на две части и стоит после обеих плеч выпрямителя. И вместо транзистора в инверторе используются тиристоры. Что касается «гирлянды тиристоров» (инвертор), то она стоит ввиду того, что были поставлены тиристоры низкого класса. В идеале можно ставить один тиристор 30 класса (с одним диодом, соответствующего класса, и обвязкой), так как на ключе при коммутации возможны выбросы до 1,5 кВ. Я ставлю два тиристора 22 класса.

Четвёртое. Вопрос F123. Да, при мощностях порядка десятков киловатт лучше применять тиристорные схемы. Они проще и надёжнее (ИМХО, конечно). Что касается конкретно данной схемы, то при мощностях более сотни киловатт растут потери. Да и вылазят куча других проблем. Поэтому лучше делать классический мост. Куски этих схем были мной опубликованы в теме http://www.chipmaker…54/page__st__20 (пост #37). Что касается Днепра, то в ДАННЫЙ МОМЕНТ я нахожусь здесь. А вообще мотаюсь по всей Украине (раньше и в СНГ выезжал). «Скиталец», однако.

Пятое. Реплика Тюбик328 (пост#5).Рекомендую п(р)очитать Колесникова В.Г. «Электроника. Большой энциклопедический словарь». http://mexalib.com/view/17302 . Узнаете очень много новых слов. Работников не хватит обзываться…

Такие дела.

А пока — пока…

P.S. Да, и ещё одно. Трансформатор, подключённый к параллельному колебательному контуру (индуктору печи (схема, пост #1)), можно не ставить, Это была попытка разработчика осуществить автоматическую регулировку (которая не фига не получилась), поэтому я его просто откинул от схемы управления, дабы не заморачиваться, и использовал только для снятия осциллограмм.

Изменено 05.01.2017 08:06 пользователем Cкиталец

Виды промышленных тиристорных преобразователей (инверторов)

Большинство электрических машин рассчитано на работу при стабильном значении напряжения и частоты питающей сети. Для управления параметрами двигателя (мощность на валу, частота вращения) необходимо изменение номиналов напряжения питания. В преобразователях напряжения и частоты используются транзисторы и тиристоры. Последние традиционно применяются для устройств высокой мощности, хотя появление достаточно мощных IGBT транзисторов позволяет постепенно избавляться от тиристорных схем из-за присущих им недостатков.

Мощный тиристор

Принципы регулировки различаются для питающего напряжения постоянного тока или переменного.

Важно! В промышленности под аббревиатурой ТПЧ подразумеваются преобразователи для систем индукционного нагрева металлов. Для электроприводов используется термин – частотно-регулируемый привод или частотный преобразователь для электропривода.

Виды преобразовательных агрегатов

Преобразование может выполняться различными схемами, в которых отличается принцип работы. Различают несколько типичных вариантов использования тиристоров:

• Управляемые выпрямители;
• Инверторные преобразователи.

Управляемый выпрямитель характеризуется тем, что вместо части или всех диодов установлены тиристоры, коммутируя которые в определенные моменты времени можно управлять величиной среднего напряжения на нагрузке.

Управляемый выпрямитель

Преобразователь напряжения на тиристорах, включенный по схеме управляемого выпрямителя, в силу особенностей работы, можно использовать только в цепях переменного тока для питания нагрузки постоянным напряжением.

Инверторные преобразователи формируют напряжение, по форме близкое к синусоидальному, из постоянного. При этом может быть получено различное количество фаз, имеется возможность регулировки амплитуды и частоты напряжения.

Частотный преобразователь

Асинхронный двигатель для осуществления возможности управления мощностью и частотой вращения может включаться только через инверторный преобразователь (частотник).

Схема 3-фазного частотника

Тиристорные трехфазные преобразователи частоты используются для управления мощной нагрузкой и находят применение там, где нет возможности включения оборудования на IGBT транзисторах.

Различают два класса устройств по принципу коммутации управляющих элементов:

• С одноступенчатой коммутацией;
• Двухступенчатые.

Одноступенчатые устройства отличаются простой схемотехникой, но не обладают возможностью регулировки выходного напряжения, поскольку управление производится всеми тиристорами одновременно. Регулирование напряжения идет путем установки в цепи постоянного питающего напряжения через установку регулируемого выпрямителя.

В свою очередь, двухступенчатые преобразователи делятся на схемы:

• С групповой коммутацией;
• С пофазной коммутацией;
• С индивидуальным управлением.

Данные устройства сложнее не только схемой управления, но и силовой частью, поскольку в них присутствует две группы тиристоров: анодные и катодные.

Групповая коммутация

Управляющие сигналы поступают раздельно на анодную или катодную группу.

Пофазная коммутация

Управление осуществляется раздельно по каждой фазе преобразования путем отключения анодного или катодного тиристора.

Индивидуальная коммутация

Здесь управление производится каждым тиристором преобразователя раздельно. За счет индивидуального управления можно реализовывать большое число алгоритмов преобразования, снижать до минимума искажения формы сигнала и уровень электромагнитных помех.

Особенности тиристорного управления

Тиристоры в качестве коммутирующих элементов характеризуются тем, что могут использоваться исключительно в качестве ключей. Каталог номенклатуры тиристоров отличается тем, что большинство элементов в нем не требует постоянной подачи управляющего сигнала. Здесь используется свойство тиристоров сохранять открытое состояние после снятия управления. Запирание происходит только тогда, когда ток через элемент снижается ниже определенного уровня, или происходит смена полярности напряжения на аноде и катоде.

Не дожидаться смены полярности или уменьшения тока можно, применяя специальные запираемые тиристоры, которые запираются путем подачи сигнала на управляющий электрод.

Любой тиристорный преобразователь отличается высоким уровнем искажения формы напряжения. Также в момент переключения возникают импульсы электромагнитных помех, для уменьшения уровня которых требуется использование дополнительных схемных решений (коммутация в момент перехода напряжения через нуль, установка помехоподавляющих фильтров).

Искажение формы сигнала

Схемные решения преобразователей на основе тиристоров

Особенностью схем на тиристорах является то, что они рассчитаны на работу с определенным характером нагрузки.

Последовательный и параллельный инверторы тока

Данный тип преобразователей имеет дополнительный конденсатор, включенный последовательно или параллельно нагрузке. Назначение конденсатора – обеспечение надежного запирания тиристоров, не участвующих в прохождении тока по силовой цепи. Для стабилизации тока через нагрузку вход инвертора тока содержит индуктивность, которая в идеальном случае должна стремиться к бесконечности.

Комбинированные схемы

Комбинированная последовательно-параллельная схема содержит два конденсатора и позволяет улучшить нагрузочные характеристики устройства. В частности, такая схема отличается большей устойчивостью при работе с малой нагрузкой.

Последовательная, параллельная и комбинированная схемы

Преобразователь напряжения Мак-Мюррея

Схема Мак-Мюррея включает в себя контур LC. Данный контур образуется из соединения конденсатора и катушки индуктивности через открытый в данный момент тиристор, закрывая противоположный.

Схема Мак-Муррея

Данное решение позволяет питать индуктивную нагрузку, например, устройства, в которых производится индукционный нагрев или сварка металлических конструкций.

Последовательный резонансный инвертор

В подобной схеме емкость конденсатора и индуктивность подобраны таким образом, чтобы на частоте преобразования LC контур находился в резонансе. Таким образом, управление тиристорами будет происходить на резонансной частоте.

Преобразование может вестись на более высокой частоте, что улучшает характеристики схемы из-за лучших условий переключения ключевых элементов.

Схема модели индукционного комплекса на тиристорах

Устройства индукционного нагрева наиболее часто используют схему Мак-Мюррея или резонансный преобразователь, поскольку нагрузка носит явно выраженный индуктивный характер. Индукционные нагревательные приборы потребляют значительный ток, поэтому в мощных печах используются именно тиристоры, несмотря на более лучшие по параметрам транзисторы.

Поскольку для питания объектов промышленных предприятий используется трехфазный переменный ток, конструкция обязательно содержит выпрямитель, который на выходе образует постоянный ток.

Использование тиристоров в качестве ключевых элементов инвертора позволяет создавать простые и надежные схемы, основной недостаток которых заключается в достаточно сильных искажениях формы напряжения и высоком уровне электромагнитных помех.

Видео