PE Nagrzewanie indukcyjne Archiwum

PE Nagrzewanie indukcyjne Archiwum

W nagrzewaniu indukcyjnym stosuje się prąd o częstotliwości od 16 2/3Hz ( częstotliwość stosowana w trakcji kolejowej krajów niemieckojęzycznych ) do 27.12 MHz czyli do pasma niestrzeżonego łączności CB.

Gęstość mocy może 30-40 razy przekroczyć gęstość nagrzewania płomieniowego sięgając 40 kW/cm2. Szybkość nagrzewania dochodzi do 20 000 C/s.

Grzejnictwo indukcyjne stosowane jest w procesach:

-hartowania w wielu odmianach, odpuszczanie, wyżarzania

-przed obróbką plastyczną: wyciskania, tłoczenia, walcowania, kucia, ciągnienia

-lutowania, zgrzewania

-topienia

-topienia strefowego i rafinacji materiałów. Przy wyciąganiu walcowych monokryształów krzemu o średnicach do 200 mm metodą Czochralskiego stosuje się częstotliwość 2-3 MHz i moc do 100 kW.

-suszenia

-utwardzania

-odgazowywania materiałów przedmiotów

Główną zaletą nagrzewania indukcyjnego jest duża szybkość procesu ograniczająca straty na utlenianie metalu. Metal nie styka się także z substancjami płomienia.

Szybkie nagrzewanie indukcyjne przed szybko następującą obróbką plastyczną powoduje zmniejszenie strat materiału wskutek utlenienia co w efekcie daje zmniejszenie zużycia się wykrojników pras i walcarek. Może wyeliminować konieczność usuwania zgorzeliny co ułatwia i upraszcza automatyzacje produkcji i zwiększa wydajność procesu produkcyjnego.

Zasadniczą wadą nagrzewania indukcyjnego jest konieczność doboru zasilania i wzbudnika do konkretnego detalu.

Sprawność nagrzewania indukcyjnego jest tym mniejsza im lepsza jest przewodność nagrzewanego materiału. Sprawność ta dla miedzi wynosi jedynie około 50% ale generalnie wynosi 70-90%.

Programy metody elementów skończonych FEM są ułatwieniem w trudnym, czasochłonnym projektowaniu i testowaniu wzbudnika. Proces nagrzewania można utrwalić kamerą termowizyjną.

Nagrzewnice indukcyjne średniej częstotliwości są najczęściej elementem automatycznego systemu produkcyjnego. W związku z tym są one wyposażone w odpowiedni interfejs akceptujący sygnały sterujące emitowane przez automatykę linii produkcyjnej i wysyłający sygnały o zaistniałych nieprawidłowościach.

System może być dla łatwości obserwacji wyposażony w tradycyjne mierniki wskazówkowe

Przy małych indukcyjnościach obwodu rezonansowego LC należy stosować zasilany prądem Idc falownik równoległy a przy „dużych” indukcyjnościach falownik szeregowy zasilany napięciem Udc. Dla mniejszych mocach stosujemy półmostek lub układ przeciwsobny a dla dużych mocach pełny mostek. Przy dużych mocach zasilany prądem falownik równoległy w układzie mostkowym jest bezpieczniejszy przy braku komutacji i zwarciu.

Problem zwarcia w falowniku napięcia jest trudny do rozwiązania i omówiono go osobno.

Działanie tyrystorowych rezonansowych falowników napięć i prądów jest znane z literatury od połowy lat sześćdziesiątych i szkoda miejsca na powtarzanie informacji.

General Electric rozpoczął produkcje odkrytego w Bell Laboratories tyrystora. Znane z czasopism naukowych o energoelektronice tyrystorowej i książek nazwiska to pracownicy działu naukowo – badawczego GE. Oni też kreowali zastosowania dla tyrystorów.

Na schemacie pokazano opatentowany przez GE na początku lat siedemdziesiątych półmostkowy inwerter szeregowy którego cewka - indukcyjność jest umieszczona pod dnem kuchennego garnka w „induction cooking appliance” czyli kuchni indukcyjnej.

Regulowany fazowo półsterowany mostek trójfazowy 3D+3T dostarcza pożądanej wielkości napięcie stałe zasilające inwerter. GE bardzo chętnie w układach sterujących tyrystory stosował tranzystor jednozłączowy i diak, które to produkował. Oczywiście GE użył tych elementów w prostym sterowaniu tej kuchni indukcyjnej. Co jest nieoczywistego w schemacie prostownika i invertera trudno powiedzieć bowiem patent dotyczył też układu sterowania.

Zanim zoptymalizowana kuchenka mikrofalowa mocno staniała i stała się w USA tanim masowym towarem minęło ponad 20 lat. W Polsce jest ona nadal praktycznie nieznana.

Pomysł na kuchnie indukcyjną o wysokiej sprawności jest bardzo dobry i energooszczędny ! Moc jest wydzielana w całym dnie garnka i nie dochodzi do przypalania potrawy. Inteligencje kuchni może zapewnić mikrokontroler jednoukładowy wspomożony sensorami - na przykład prostym pirometrem. Taka kuchnia może oszczędzić sporo czasu przygotowującemu potrawy.

Mankamentem wszystkich układów tyrystorowych niekomutowanych siecią jest konieczność użycia gasików RC równoległych do tyrystorów ograniczających szybkość zmian napięcia na nich du/dt co zapobiega niechcianemu załączeniu tyrystorów. W rezystorach gasików wydziela się spora moc. Do układów dużej mocy produkowane są specjalne rezystory mocy nawet 200-500 W. Także straty dynamiczne w szybkich tyrystorach są duże. Kuchnia powinna pracować z częstotliwością naddźwiękową aby nie ogłuszać ludzi a tyrystory nie bardzo nadają się do takich częstotliwości.

W typowym systemie przemysłowym nagrzewania indukcyjnego użyto równoległego falownika prądu ( szeregowe są trochę mniej popularne ) średniej częstotliwości ( prądu Idc zasilającego falownik dławikiem a nie napięcia usztywnionego kondensatorem ! ) zasilający cewkę nagrzewnicy równoległego obwodu LC. Częstotliwość rezonansowa obwodu LC i pracy falownika nie przekracza 5 KHz. Stosowane są w obwodzie LC tylko niskostratne kondensatory polipropylenowe w wykonaniach zdolnych przewodzić duże prądy. Miedziana cewka obwodu LC dużej mocy jest chłodzona wodą. W tym przypadku stosowana jest na cewkę rurka miedziana a nie drut lub płaskownik. Brak przepływu wody chłodzącej blokuje pracę falownika. Prędkość przepływu wody chłodzącej wynosi około 5 m/s a gęstość prądu we wzbudniku dochodzi do 100A/mm2. Gdy wzbudnik jest jedno lub kilkuzwojowy stosowany jest obniżający transformator. Umieszczony w wzbudniku - cewce produkowany przedmiot lub jego fragment nagrzewany jest prądami wirowymi i zjawiskiem histerezy.

Na przykład nagrzewane może być hartowane ostrze produkowanej siekiery zanurzane po tym w oleju, wodzie, emulsjach, solach, ługach... celem szybkiego schłodzenia i wytworzenia struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Nagrzewanie indukcyjne może być też stosowane do hartowania powierzchniowego. Hartowanie ma powiększyć twardość i wytrzymałość stali. Istnieje jego wiele odmian i tutaj tylko proces hartowania zasygnalizowano. Nagrzewnica indukcyjna jest jednym z urządzeń procesowych.

Falownik równoległy LC zasilany jest z pełnosterowanego trójfazowego mostka 6T lub półsterowanego mostka 3D+3T. Zadaną wielkość kąta fazowego czyli też prądu wyjściowego prostownika / invertera sieciowego podaje sterownikowi fazowemu regulator PI utrzymujący prąd Idc wygładzany wyjściowym dławikiem na zadanym jemu poziomie. Wartość tego zadanego prądu Idc jest wypracowana przez kontroler procesowy czuwający nad właściwym przebiegiem procesu nagrzewania przedmiotu a zarazem zapobiegający podawaniu zbyt dużej mocy do falownika przy braku właściwego nagrzewanego przedmiotu w cewce równoległego obwodu LC. Pełnosterowany mostek trójfazowy 6T pozwala szybko ( chwilowe przejście z modu prostownika na inwerter ) do zera obniżyć wartość prądu Idc po braku komutacji tyrystorów falownika równoległego LC i zwarciu zasilania w falowniku. Ponieważ stabilizowany jest prąd Idc to układ jest „zwarciowo” samobezpieczny. Natomiast system wykrywający zwarcie falownika zadaje przez chwile regulatorowi zerowy prąd Idc i po zaniku prądu czyli odblokowaniu tyrystorów falownika LC system wznawia prace. Zwarcie falownika nigdy nie powinno mieć miejsca. Można też stosować mostek półsterowany 3D + 3T. Przy małych napięciach wyjściowych Udc składowy półmostek 3T pracuje jako inverter ! Wyzerowanie prądu jest jednak niemożliwe ale nie osiąga on szybko niebezpiecznego poziomu bowiem w miarę szybko odcinane jest przy rozwiązaniu 3D+3T kontaktorem ( po polsku stycznik) zasilanie trójfazowe.

Zastosowanie transformatora sieciowego pozwala na dowolny wybór maksymalnego napięcia Udc a dodatkowo polepsza bezpieczeństwo zwarciowe częściowo celowo nieuziemionego systemu. Zwarcie mimo iż w systemie izolowanym bezpieczne musi być monitorowane i doczekać się właściwej reakcji. Indukcyjność rozproszenia transformatora ogranicza szybkość komutacji prostownika i wyższe harmoniczne prądu wprowadzane do sieci zasilającej oraz ogranicza prąd superzwarcia. Alternatywnie można zastosować trójfazowy dławik komutacyjny o napięciu circa 5%.

Ponieważ izolowany pomiar prądu stałego Idc jest kosztowny można też stosować pomiar prąd zmiennego na wejściu prostownika – invertera dwoma lub trzema transformatorkami - przekładnikami prądowymi.

Prostownik sterowany fazowo i jego system jest typowy i powinien być zbudowany ( koszt projektu i produkcji ) ze standardowych „klocków”

Z punktu widzenia efektywności procesu przemiany przez falownik mocy prądu stałego w moc prądu zmiennego tyrystory mostka falownika równoległego LC powinny być wyzwalane jak najpóźniej pod koniec swojego półokresu ale jednak na tyle wcześnie aby komutacja była pewna. Indukcyjność rozproszenia połączeń może być nie wystarczająca dla ograniczenia szybkości narastania prądu di/dt po załączeniu nowej pary tyrystorów falownika i konieczne jest zastosowanie dławików stromościowych ( najlepiej nasycanych czyli przewleczony pierścień ferrytowy lub pierścień z proszków żelaza lub pierścień z cienkiej taśmy ) w szereg z tyrystorami lub obwodem LC. Bramkowe impulsy wyzwalania tyrystorów muszą być szybkie i silne z uwagi na szybko narastający załączany prąd. Z uwagi na podanie tyrystorom falownika napięcia wstecznego nie wolno stosować tyrystorów asymetrycznych ASCR. W gruncie rzeczy prawdziwie szybki tyrystor jest zawsze tyrystorem asymetrycznym ASCR. Oczywiście w falowniku są stosowane szybkie tyrystory ale jednak nie te prawdziwie szybkie ASCR co ogranicza częstotliwość pracy do 5 KHz a typowo do 1-3 KHz.

Gdy konieczna jest większa częstotliwość pracy nawet do 20 KHz konieczne jest zastosowanie prawdziwie szybkich tyrystorów asymetrycznych ASCR wraz z dodatkowymi szybkimi odcinającymi szeregowymi diodami mocy. Czasem może być konieczne dodatkowe chronienie wrażliwych tyrystorów ASCR przed napięciem wstecznym antyrównoległymi diodami ale już na małe prądy.

Tyrystory ASCR lepiej nadają się do falownika szeregowego jak w schemacie GE.

W razie problemów ze startem falownika można dołożyć jeszcze rozruchową parę tyrystorów i kondensator komutacyjny.

Wszystkie tyrystory są chronione przed przepięciami komutacyjnymi dwójnikami RC. W nagrzewnicach dużej mocy moc strat w rezystorach dwójników gasików / snubberów RC falownika jest duża i stosowane są specjalne rezystory mocy.

Temperatura radiatorów czy innych elementów systemu powinna być monitorowana jako że świadczy to o długotrwałym przeciążeniu, awarii wentylatora lub awarii pompy zdemineralizowanej wody chłodzącej radiatory tyrystorów lub zbyt wysokiej temperaturze otoczenia. Osiągniecie poziomu ostrzeżenia emituje Alarm dla systemu monitoringu i automatyki ale nie przerywa pracy. Dopiero przekroczenie kolejnego pułapu temperatury przerywa prace. Takie rozwiązanie daje obsłudze czas na adekwatną reakcje nie dezorganizując od razu pracy linii produkcyjnej.

Podaną do nagrzewanego przedmiotu moc można w przybliżeniu zmierzyć odpowiednim watomierzem elektromagnetycznych podając mu napięcie na cewce obwodu LC i przekładnikiem prąd w cewce L co może być trudne lub pomnożyć Idc x Udc uzyskując moc prądu stałego podanego do falownika. Można też mierzyć moc zasilającego sieciowego prądu trójfazowego. W praktyce prąd Idc ustala się przy rozruchu procesu produkcyjnego na takim poziomie aby w warunkach procesowych uzyskać odpowiednią temperaturę nagrzewanego przedmiotu mierzoną pirometrem lub kamerą termowizyjną. Właściwa końcowa temperatura i czasy dają w efekcie weryfikowalną w laboratorium na przykład twardość i wytrzymałość zahartowanego przedmiotu.

Sterowany fazowo prostownik wprowadza do sieci zasilającej spore harmoniczne (5, 7, 11, 13...) i przy niepełnym wysterowaniu dodatkowo pobiera moc bierną. Lepszy z tego punktu widzenia jest półsterowany prostownik 3D+3T. Przy dużych mocach rozwiązaniem jest bezzakłóceniowe załączanie do sieci zasilającej trójfazowych szeregowych obwodów LC nastrojonych na dominującą 5 harmoniczną. Bezzakłóceniowe załączanie musi być wykonywane tyrystorami jako że powtarza się wraz cyklem produkcyjną ogromną ilość razy. Pojemność trójfazowego kondensatora kompensacyjno – filtrującego wynika z faktycznie pobieranej mocy biernej i musi być dobrana do konkretnej potrzeby. Gdy inne odbiorniki pobierają dużo mocy biernej trójfazowy obwód LC może być załączany na stałe i operacyjne łączniki tyrystorowe są zbędne.

W rozwiązaniach bardzo dużej mocy należy połączyć szeregowo dwa sterowane fazowo prostowniki zasilane z transformatora sieciowego napięciami przesuniętymi o 30 deg czyli w konfiguracji gwiazdowej i trójkątnej co eliminuje największe harmoniczne 5 i 7.

W generatorach mocy do nagrzewania indukcyjnego i pojemnościowego częstotliwości średnio i krótkofalowej tradycyjnie są stosowane lampy nadawcze. Stosowane dawniej do regulacji fazowej napięcia anodowego tyratrony zostały zastąpione tyrystorami. Przykładowy schemat generatora średniofalowego mocy 10 KW z triodą nadawczą i tyratronami podano w S. Malzacher, Elektronika przemysłowa, PWN 1976, na stronie 156.

O ile tyratrony były sterowane fazowo po stronie wysokiego napięcia do 6 KVdc trójfazowego transformatora, to tyrystory podają transformatorowi regulowane fazowo napięcie sieciowe 380Vac a po stronie wysokiego napięcia stosowany jest prostownik diodowy.

Do generatorów małych nagrzewnic średniofalowych i krótkofalowych doskonale nadają się tranzystory Mosfet.