Basis Einzelheiten High Frequency Induction Heating

Einführung

Induktionserwärmung ist ein berührungsloser Heizung-Prozess. Es verwendet Hochfrequenz-Strom zu Wärme-Materialien, die elektrisch leitfähig sind. Da berührungslose ist, der Erwärmungsprozess das Material erhitzt wird nicht verunreinigen. Es ist auch sehr effizient, da die Wärme tatsächlich innerhalb des Werkstücks erzeugt wird. Dies kann mit anderen Methoden, bei denen Wärme, in eine Flamme generiert wird, Heizung oder Heizelement, die dann an das Werkstück angewendet wird bezeichnen. Aus diesen Gründen bringt Induktion Heizung sich einige spezielle Anwendungen in der Industrie.

Wie funktioniert die Induktion Heizung?

Eine Quelle von Hochfrequenz-Strom wird verwendet, um ein großes Wechselstrom durch eine Spule zu fahren. Diese Spule ist bekannt als die Arbeit-Spule. Das entgegengesetzte Bild angezeigt. Im Laufe der Strom durch diese Spule erzeugt ein Magnetfeld sehr intensiv und sich schnell verändernden im Raum innerhalb der Arbeit-Spule. Das Werkstück erhitzt wird in dieser intensiven magnetischen Wechselfeld eingelegt. Je nach der Art der Werkstückmaterial passieren einige Dinge...

Das wechselnde Magnetfeld induziert einen Stromfluss im leitfähigen Werkstück. Die Anordnung von der Arbeit-Spule und das Werkstück kann als einem elektrischen Transformator betrachtet werden. Die Arbeit-Spule ist wie die primäre elektrischer Energie wird zugeführt, wo das Werkstück ist wie eine einzelne Umdrehung sekundären, die kurzgeschlossen wird. Dadurch enorme Ströme fließen durch das Werkstück. Diese sind bekannt als Wirbelströme. Darüber hinaus lässt die hohe Frequenz in Induktionsheizung Anwendungen verwendet ein Phänomen namens Skin-Effekt. Diese Skin-Effekt zwingt den Wechselstrom in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche des Werkstücks fließen. Der Skin-Effekt erhöht den wirksamen Widerstand des Metalls zur Passage des großen Stromes. Es erhöht somit den Heizung-Effekt, der durch den Strom in das Werkstück induziert.

(Obwohl die Erwärmung durch Wirbelströme erwünscht in dieser Anwendung ist, es ist interessant festzustellen, dass auf große Längen zu vermeiden, dieses Phänomen in ihrer Transformatoren Transformator-Hersteller gehen. Laminierte Trafo Kerne, Eisenpulver Kerne und Ferrite werden alle zum verhindern, dass die Wirbelströme fließen innerhalb, ferritkerne, Transformatoren. Innerhalb eines Transformators ist im Laufe der Wirbelströme höchst unerwünscht, da Heizung des magnetischen Kerns verursacht und repräsentiert macht, die verschwendet wird.)

Und für Eisen Metalle?

Für eisenhaltige Metalle wie Eisen und einige Arten von Stahl gibt es ein zusätzliche Heizung-Mechanismus, der zur gleichen Zeit wie die oben genannten Wirbelströme stattfindet. Das intensive abwechselnde Magnetfeld im Inneren der Spule Arbeit wiederholt magnetisiert und de-magnetises die Eisen-Kristalle. Diese schnelle Kippen der magnetischen Domänen verursacht erhebliche Reibung und Heizung im Inneren des Materials. Heizung aufgrund dieser Mechanismus wird als Hysterese Verlust bezeichnet und ist am größten für Materialien, die eine große Fläche innerhalb ihrer B-H-Kurve haben. Dies kann ein großer beitragender Faktor zum bei Induktionserwärmung, aber findet nur in eisenhaltigen Materialien. Aus diesem Grund eignen eisenhaltige Materialien sich leichter für Heizung durch Induktion als ne-Materialien.

Es ist interessant festzustellen, dass Stahl seine magnetischen Eigenschaften beim Erhitzen über ca. 700 ° C verliert. Diese Temperatur ist bekannt als die Curie-Temperatur. Dies bedeutet, dass über 700 ° C es keine Erhitzung des Materials Hysterese Verluste darf. Jede weitere Heizung des Materials muss aufgrund der induzierten Wirbelströme allein sein. Dies macht die Heizung Stahl über 700 ° C mehr eine Herausforderung für die Induktion Heizungsanlagen. Die Tatsache, dass Kupfer und Aluminium sind sowohl nicht-magnetischen und sehr gute elektrische Leiter, machen diese Materialien auch eine Herausforderung, effizient zu heizen. (Wir werden sehen, dass die beste Vorgehensweise für diese Materialien ist, die Frequenz um Verluste durch den Skin-Effekt zu übertreiben zu erhöhen.)

Was dient Induktion Heizung?

Induktive Erwärmung kann für jede Anwendung verwendet werden, wo wir wollen ein elektrisch leitfähiges Material in einer sauberen, effizienten und kontrollierten Weise zu erhitzen.

Die häufigsten Anwendungen gehört zum versiegeln die manipulationssichere Siegel, die an die Spitze der Medizin und Getränke Flaschen festsitzen. Eine Abdichtungsfolie beschichtet mit "hot-Melt-Kleber" ist in die Plastikkappe eingefügt und bei der Herstellung auf den oberen Teil jeder Flasche verschraubt. Diese Folie, die Dichtungen dann schnell erhitzt werden, da die Flaschen unter einen Induktionskocher auf der Produktionslinie übergeben. Die erzeugte Wärme schmilzt den Kleber und Dichtungen die Folie auf den oberen Teil der Flasche. Wenn die Kappe entfernt wird, bleibt die Folie bietet eine luftdichte Versiegelung und Verhütung von Manipulationen und Kontamination der Inhalt der Flasche, bis der Kunde die Folie durchstößt.

p Style = "Text-Gedankenstrich: 0px;"> Eine andere häufige Anwendung ist "Getter feuern" Kontamination von evakuierten Röhren entfernen, wie TV-Bildröhren, Vakuumröhren und verschiedene gas-Entladungslampen. Ein Ring aus leitfähigem Material, genannt einen "Getter" wird innerhalb der evakuierten Glas Schiff platziert. Da Induktionsheizung eine berührungslose Prozess kann, den es verwendet werden kann ist, um die Getter zu heizen, die bereits innerhalb eines Schiffes versiegelt ist. Eine Induktionsspule Arbeit liegt in der Nähe der "Getter" auf der Außenseite der Vakuum-Röhre und die AC-Quelle eingeschaltet ist. Innerhalb von Sekunden ab dem Induktionsheizgerät ist der "Getter" beheizten weiß heiß und Chemikalien, die in ihrer Beschichtung reagieren mit alle Gase im Vakuum. Das Ergebnis ist, dass die Getter alle letzten verbleibenden Spuren von Gas im Inneren der Vakuum-Röhre absorbiert und die Reinheit des Vakuums erhöht.

Eine weitere häufige Anwendung für Induktionserwärmung ist noch einen Prozess namens Zone-Reinigung in der Halbleiter-Industrie verwendet. Dies ist ein Prozess, bei dem Silizium mittels einer beweglichen Zone der Schmelze gereinigt wird. Suche im Internet wird sicher weitere Informationen zu diesem Prozess auftauchen, die ich wenig über weiß.

Weitere Anwendungen sind, schmelzen, Schweißen und Löten oder Metalle. Kochende Induktions-Kochfelder und Reiskocher. Metall Härten von Munition, Zahnrad Zähne, sah, dass die klingen und Gelenkwellen usw. auch gemeinsame Anwendungen sind, da der Induktion-Prozess die Oberfläche des Metalls sehr schnell erwärmt. Daher kann es für Oberfläche Härten und Härtung der lokalisierten Bereichen metallische Teile von "Sternebewertung" die Wärmeleitung der Wärme tiefer in das Teil oder Umgebung verwendet werden. Die berührungslose Induktion Heizung auch bedeutet, dass es Wärme Materialien in analytische Anwendungen ohne die Gefahr einer Kontamination der Probe genutzt werden kann. Ähnlich, Metall, die medizinische Instrumente sterilisiert werden können, durch Erhitzen sie gegen hohe Temperaturen, während sie noch in einer bekannten sterilen Umgebung versiegelt werden, um Keime zu töten.

Was ist erforderlich für die Induktion Heizung?

In der Theorie sind nur 3 Dinge unerlässlich Induktionserwärmung zu implementieren:

1. Eine Quelle der Hochfrequenz-Strom,
2. Einer Arbeit Spule das wechselnde Magnetfeld erzeugen,
3. Ein elektrisch leitfähigen Werkstück zu erwärmen,

In diesem sind praktischen Induktions-Heizsysteme in der Regel ein wenig komplexer. Beispielsweise ist ein Impedanzanpassung Netzwerk oft zwischen der Hochfrequenz-Quelle und die Spule Arbeit erforderlich um gute Kraftübertragung zu gewährleisten. Wasser-Kühlsysteme sind auch in high-Power Induktion Heizungen, um die Abwärme aus der Arbeit-Spule, passende Streckennetz und die Leistungselektronik zu entfernen. Schließlich wird in der Regel einige Steuerelektronik eingesetzt, um steuern die Intensität der Heizung-Aktion, und mal die Heizzyklus konsistente Ergebnisse sicherzustellen. Die Steuerelektronik schützt das System vor durch eine Reihe von ungünstigen Betriebsbedingungen beschädigt wird. Das Grundprinzip der Betrieb von jedem Induktionskocher bleibt jedoch das gleiche wie oben beschrieben.

Praktische Umsetzung

In der Praxis ist die Arbeit-Spule normalerweise in eine resonante Tank-Schaltung integriert. Dies hat eine Reihe von Vorteilen. Erstens macht es entweder die aktuelle oder die Spannung Wellenform sinusförmig geworden. Dies minimiert die Verluste im Umrichter dadurch, dass es entweder NULL Spannung-Umschaltung oder NULL-Strom-Wechsel je nach der genauen Anordnung gewählt. Die sinusförmige Wellenform auf der Arbeit-Spule auch dar ein reiner Signal und weniger Funkinterferenzen zu nahe gelegenen Anlagen. Diesem späteren Zeitpunkt sehr wichtiger in leistungsstarken Systemen. Wir werden sehen, dass es eine Reihe von Resonanz, die der Designer ein Induktionskocher für die Arbeit-Spule auswählen kann:

Serie resonant Tank Schaltung

Die Arbeit-Spule erfolgt mittels eines Kondensators platziert in Serie mit ihm auf die beabsichtigte Betriebsfrequenz Resonanz. Dies bewirkt, dass den Strom durch die Spule Arbeit sinusförmig sein. Die Resonanz der Serie vergrößert auch die Spannung über der Arbeit Spule, weit höher als die Ausgangsspannung des Wechselrichters allein. Der Umrichter sieht eine sinusförmige Laststrom muss aber den vollen Strom, der in der Arbeit-Spule fließt. Aus diesem Grund besteht die Arbeit-Spule oft aus vielen Drehungen des Drahtes mit nur ein paar Ampere oder zig Ampere fließt. Erhebliche Heizleistung wird durch resonante Spannungsanstieg über die Arbeit-Spule in der Serie-resonante Anordnung erlaubt, während den Strom durch die Spule (und Wechselrichter) bleibt auf ein vernünftiges Niveau erreicht.

Diese Anordnung wird häufig in Dinge wie Reiskocher verwendet, wo die Sendeleistung ist niedrig und der Umrichter befindet sich neben dem Objekt zu erwärmen. Die wichtigsten Nachteile der Serie resonant Anordnung sind, dass der Umrichter dasselbe aktuelle tragen muss, die in der Arbeit-Spule fließt. Darüber hinaus kann der Spannungsanstieg aufgrund Serie Resonanz sehr ausgeprägte geworden, wenn nicht vorhanden in der Arbeit-Spule auf die Rennstrecke zu dämpfen deutlich Größe Werkstücke. Dies ist kein Problem in Anwendungen wie Reiskocher, wo das Werkstück ist immer die gleiche, und seine Eigenschaften sind zum Zeitpunkt der Konzeption des Systems bekannt.

Der Tank-Kondensator ist in der Regel für eine hohe Spannung wegen der resonanten Spannungsanstieg erfahren in der Serie abgestimmt Resonant Circuit bewertet. Es muss ferner die vollständige aktuelle ca führen.Rried durch die Arbeit Spule und dies ist in der Regel kein Problem in low-Power-Anwendungen.

Parallele resonant Tank-Schaltung

Die Arbeit-Spule erfolgt bei bestimmungsgemäßen Betrieb Frequenz durch einen Kondensator parallel dazu platziert Resonanz. Dies bewirkt, dass den Strom durch die Spule Arbeit sinusförmig sein. Die parallele Resonanz vergrößert auch den Strom durch die Spule Arbeit, weit höher als die aktuelle Ausgabe-Fähigkeit des Wechselrichters allein. Der Umrichter sieht eine sinusförmige Laststrom. Allerdings hat es in diesem Fall nur den Teil der Laststrom tragen, die eigentlich wirklich funktioniert. Der Umrichter muss keinen zirkulierenden Strom in der Spule Arbeit voll zu tragen. Das ist sehr wichtig, da macht Faktoren bei der induktiven Erwärmung Anwendungen in der Regel gering sind. Diese Eigenschaft der parallelen Resonant Schaltung kann eine zehnfache Senkung im aktuellen vornehmen, die von der Wechselrichter und die Drähte, die Anschluss an die Arbeit-Spule unterstützt werden müssen. Leitvermögen Verluste sind in der Regel proportional zur aktuellen, kariert, sodass eine zehnfache Senkung Laststrom eine erhebliche Einsparung Leitvermögen Verluste in den Umrichter darstellt und zugehörige Verkabelung. Dies bedeutet, dass die Arbeit-Spule an einem Ort entfernten vom Umrichter platziert werden kann, ohne massive Übertragungsverluste die Futtermittel Drähte.

Arbeit-Spulen, die mit dieser Technik oft bestehen aus nur ein paar Runden einen dicken Kupferleiter, aber mit großen Ströme von vielen hundert oder tausend Ampere fließt. (Dies ist notwendig, die erforderlichen Ampere runden die Induktionserwärmung zu tun bekommen.) Wasserkühlung ist für alle aber die kleinsten Systeme üblich. Dies ist erforderlich, um überschüssige Wärme erzeugt durch den Durchgang von der großen Hochfrequenz-Strom durch die Arbeit-Spule und seine zugehörigen Tank-Kondensator zu entfernen.

In der parallelen resonant Tank-Schaltung kann die Arbeit-Spule als induktiver Last mit "Power Factor Correction" Kondensator angeschlossen über sie betrachtet werden. Der PFC-Kondensator stellt reaktive Stromfluss gleich und entgegengesetzt die große induktive Stromaufnahme von der Arbeit-Spule. Die wichtige Sache zu erinnern ist, dass diese riesigen Strom die Arbeit-Spule und der Kondensator lokalisiert ist und nur Blindleistung schwappt hin und her zwischen den beiden darstellt. Nur echte Stromfluss vom Umrichter ist daher die relativ kleine Menge benötigt, um die Verluste in der "PFC" Kondensator und der Spule Arbeit zu überwinden. Es gibt immer einige Verlust in diesem Tank-Schaltung durch Dielektrische Verluste im Kondensator und Skin-Effekt verursacht ohmsche Verluste in der Spule Kondensator und Arbeit. Daher wird eine kleine Strömung immer vom Umrichter auch mit kein Werkstück vorhanden gezeichnet. Wenn eine verlustbehaftete Werkstück in der Arbeit-Spule eingefügt wird, dämpft dies die parallele Resonant-Schaltung durch die Einführung eines weiteren Verlustes in das System. Daher nimmt die Stromaufnahme durch die parallele resonant Tank-Schaltung, wenn ein Werkstück in der Spule eingegeben werden.

Impedanzanpassung

Oder einfach "Matching". Dies bezieht sich auf die Elektronik, die sitzt zwischen der Quelle der Hochfrequenz-Energie und der Arbeit-Spule, die wir zum Heizen verwenden. Um ein solides Stück Metall über Induktionserwärmung Erhitzen wir eine große aktuelle fließen auf der Oberfläche des Metalls führen müssen. Allerdings kann dies mit dem Umrichter bezeichnen, die die Hochfrequenz-Energie erzeugt. Der Umrichter arbeitet im Allgemeinen besser (und das Design ist etwas leichter) wenn es relativ hohe Spannung aber ein geringer Strom betreibt. (In der Regel sind Probleme in der Leistungselektronik gestoßen, wenn wir versuchen, große Ströme ein- und ausschalten in sehr kurzer Zeit zu wechseln.) Erhöhung der Spannung und Verringerung den aktuellen ermöglicht gemeinsamen Switch Modus MOSFETs (oder schnelle IGBTs) verwendet werden. Die vergleichsweise geringen Strömungen machen den Umrichter weniger empfindlich auf Layout-Probleme und streunende Induktivität. Es ist die Aufgabe des entsprechenden Netzes und die Arbeit-Spule selbst transformieren die Spannung/niedrig-Hochstrom-vom Umrichter zu den niedrig-Spannung/Hochstrom-benötigt, um das Werkstück effizient zu heizen.

Wir können die Tank-Schaltung, die Einbeziehung der Arbeit Spule (Lw) und den Kondensator (Cw) als parallele Resonant Schaltung vorstellen. Dies hat einen Widerstand (R) durch verlustbehaftete Werkstück in der Arbeit-Spule durch die magnetische Kopplung zwischen den zwei Leitern gekoppelt. Sehen Sie den gegenüberliegenden Schaltplan.

In der Praxis der Widerstand der Arbeit Spule und den Widerstand des Kondensators Tank, und der reflektierte Widerstand des Werkstücks alle einen Verlust in der Tank-Schaltung einführen und dämpfen die Resonanz. Daher ist es sinnvoll, alle diese Verluste kombiniert in einem einzigen "Verlust-Widerstand". Im Falle einer parallelen Resonant Circuit erscheint dieser Verlust-Widerstand direkt über dem Tank-Circuit in unserem Modell. Dieser Widerstand stellt die einzige Komponente, die wirkliche Macht beanspruchen kann, und daher können wir denken, dieser Verlust-Resistenz als eine Belastung, die wir, auf effiziente Weise zu Antriebsleistung in versuchen.

Wenn bei Resonanz getrieben sind die Stromaufnahme durch die Tank-Kondensator und der Spule Arbeit gleich in maGnitude und Gegenteil in phase und deshalb heben sich gegenseitig heraus, was die Quelle der Macht angeht. Dies bedeutet, dass die einzige Belastung gesehen von der Stromquelle an die Resonanzfrequenz der Verlust-Widerstand über die Tank-Circuit ist. (Beachten Sie, dass beiderseits der Resonanzfrequenz angetrieben, eine zusätzliche "aus-der-Phase"-Komponente auf die aktuelle, verursacht durch die unvollständige Annullierung von der Arbeit Spule Strom und der Tank Kondensator Strom gibt. Diese reaktives Strom erhöht das gesamte Ausmaß der die Stromaufnahme aus der Quelle aber trägt nicht zu jeder nützliche Heizung im Werkstück.)

Die Aufgabe, das passende Netzwerk ist einfach, diesen relativ großen Verlust-Widerstand über die Tank-Circuit bis auf einen niedrigeren Wert zu verwandeln, die besser der Inverter versucht passt, es zu fahren. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, diese Impedanz-Transformation einschließlich Erschließung der Arbeit-Spule, mit einem Ferrit-Übertrager, ein kapazitiver Teiler anstelle der Tank-Kondensator oder eine passende Schaltung, z. B. ein L-Match-Netzwerk zu erreichen.

Bei einem L-Match-Netzwerk kann es der relativ hohen Lastwiderstand der Tank-Schaltung bis auf etwas rund 10 Ohm verwandeln die Umrichter besser passt. Diese Zahl ist typisch ermöglichen den Umrichter von mehreren hundert Volt ausgeführt, während die Ströme auf einem mittleren Niveau zu halten, so dass standard-Switch-Modus MOSFETs verwendet werden können, um die switching durchzuführen. Das L-Spiel-Netzwerk besteht aus Komponenten, Lm und Cm gegenüber gezeigt.

Das L-Spiel-Netzwerk verfügt über mehrere wünschenswerte Eigenschaften in dieser Anwendung. Die Induktivität am Eingang mit dem L-Match-Netzwerk stellt eine schrittweise steigenden induktive Reaktanz, alle Frequenzen, die höher als die Resonanzfrequenz der Tank-Schaltung. Dies ist sehr wichtig, wenn die Spule Arbeit besteht darin, aus einer Spannungsquelle Wechselrichter zugeführt werden, die ein Rechteck-Ausgangsspannung erzeugt. Hier ist eine Erklärung, warum das so ist...

Die Rechteck-Spannung, erzeugt durch den Halbbrücken- und Vollbrücken-Schaltungen ist reich an hohe Frequenz Oberschwingungen sowie die gewünschte Grundfrequenz. Direkter Anschluss von solch eine Spannungsquelle eine parallele Resonant Circuit würde übermäßige Ströme fließen bei allen Oberschwingungen der Frequenz Antrieb führen! Dies ist, weil der Tank-Kondensator in der parallelen Resonant-Schaltung eine zunehmend geringere kapazitive Reaktanz zu steigenden Frequenzen darstellen würden. Dies ist potentiell sehr schädlich für eine Spannungsquelle Inverter. Es führt große aktuelle Spitzen an die switching Übergänge wie der Umrichter versucht, schnell aufladen und Entlastung des Tank-Kondensators an steigenden und fallenden Kanten von dem Rechteck. Die Einbeziehung des Netzes L-Match zwischen dem Wechselrichter und der Tank-Schaltung negiert dieses Problem. Jetzt sieht die Ausgabe des Wechselrichters die induktive Reaktanz von Lm im entsprechenden Netzwerk zuerst, und alle Oberschwingungen der Wellenform Laufwerk sehen eine allmählich ansteigende induktive Impedanz. Dies bedeutet, dass maximale fließt der Strom bei der gewünschten Frequenz nur und wenig harmonischen fließt Strom, machen den Wechselrichter aktuelle in eine glatte Wellenform.

Schließlich ist das L-Spiel-Netzwerk mit richtigen tuning bieten eine leichte induktive Last zuschalten. Diese etwas rückständigen Wechselrichter Laststrom kann NULL-Spannung-Switching (ZVS) die MOSFETs in der Wechselrichter-Brücke erleichtern. Dies reduziert deutlich die Schaltspannung Schaltverluste wegen Gerät Ausgabe Kapazitätsbelag in MOSFETs mit hohen Spannungen betrieben. Das Gesamtergebnis ist weniger Heizung im Halbleiter und erhöhte Lebensdauer.

Zusammenfassend lässt sich sagen erreicht die Einbeziehung eines L-Match-Netzes zwischen Wechselrichter und die parallele resonant Tank-Schaltung zwei Dinge.

1. Impedanz passend, so dass die erforderliche Menge an Energie auf das Werkstück vom Umrichter versorgt werden kann,
2. Präsentation einer steigenden induktive Reaktanz, hohe Frequenz Oberschwingungen den Wechselrichter sicher und glücklich zu halten.

Am vorherigen Schaltplan oben wir sehen, dass der Kondensator in das passende Netzwerk (Cm) und der Tank-Kondensator (Cw), die beide parallel sind. In der Praxis werden beide Funktionen in der Regel von einem einzigen Zweck gebaut-Kraftkondensatoren erreicht. Die meisten seiner Kapazität können mit einer kleinen Menge, vorausgesetzt, die Impedanzanpassung-Aktion mit passenden Induktor (Lm.) Kämmen diese zwei Kapazitäten zu einem führt uns auf das LCLR-Modell für die Arbeit-Spule-Anordnung, ankommen, die häufig in der Industrie für Induktionserwärmung verwendet wird als in parallelen Resonanz mit der Arbeit-Spule, betrachtet werden.

Die LCLR Arbeit Spule

Dieser Anordnung bezieht die Arbeit-Spule in einer parallelen Resonant Circuit und nutzt das L-Spiel-Netzwerk zwischen den Tank-Schaltung und Wechselrichter. Das passende Netzwerk wird verwendet, um den Tank Schaltung erscheinen als eine geeignetere Belastung an den Umrichter und Ableitung ist im obigen Abschnitt diskutiert.

Die LCLR Arbeit Spulehat eine Reihe von wünschenswerten Eigenschaften:

1. Eine riesige fließt der Strom in der Spule Arbeit, aber der Umrichter muss nur einen geringen Strom liefern. Die große zirkulierenden aktuelle beschränkt sich auf Arbeit Spule und der parallele Kondensator, die in der Regel sehr nahe beieinander liegen.
2. Nur vergleichsweise geringe Ströme entlang der Übertragungsleitung vom Umrichter an den Tank angeschlossen, so dass diese leichter Pflicht-Kabel nutzen können.
3. Jede streunende Induktivität der Übertragungsleitung wird einfach Teil der übereinstimmenden Netzwerk Induktivität (Lm.) die Hitze-Station kann daher sich abseits der Wechselrichter.
4. Der Umrichter sieht eine sinusförmige Laststrom, so dass es von ZCS oder ZVS reduzieren die Schaltverluste und deshalb Kühler laufen profitieren kann.
5. Die Serie passende Induktivität kann geändert werden, um für verschiedene Lasten innerhalb der Spule Arbeit gerecht zu werden.
6. Die Tank-Schaltung kann über mehrere passende Induktivitäten von vielen Wechselrichter Leistungsstufen über diese erreichbar mit einem einzigen Wechselrichter erreichen gefüttert werden. Die passenden Induktivitäten bieten inhärente Austausch von den Laststrom zwischen dem Wechselrichter und auch machen das System zu einigen nicht übereinstimmende in die switching Augenblicken der parallelgeschalteten Wechselrichter tolerant.

Weitere Informationen über das Verhalten des LCLR resonant Netzwerks finden Sie im Abschnitt "neuen" unten markierten "LCLR Netzwerk Frequenzgang."

Ein weiterer Vorteil der LCLR Arbeit Spule Anordnung ist, dass keine Hochfrequenz-Transformator zum Bereitstellen der Impedanzanpassung-Funktion erforderlich ist. Ferrittransformatoren fähig zur Behandlung mehrere Kilowatt sind groß, schwer und recht teuer. Darüber hinaus muss der Transformator gekühlt werden, um überschüssige Wärme erzeugt durch die hohe Ströme fließen in seine Dirigenten zu entfernen. Die Einbeziehung des Netzes L-Spiel in die LCLR Arbeit Kunststoffspule Anordnung entfernt die Notwendigkeit eines Transformators, den Umrichter auf der Arbeit-Spule, sparen Kosten und vereinfacht das Design entsprechen. Allerdings sollte der Designer schätzen, dass ein 1:1 Trenntransformator noch zwischen Wechselrichter und die Eingabe für die LCLR Arbeit Spule Anordnung erforderlich sein kann, wenn galvanische Trennung vom Stromnetz erforderlich ist. Dies hängt, ob Isolierung wichtig ist, und ob die wichtigste PSU in der Induktionskocher bietet bereits ausreichende elektrische Isolation dieser Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.

Konzeptionelle Schaltplan

Die schematische mit System zeigt den einfachsten Wechselrichter fahren seiner LCLR Arbeit Spule Anordnung.

Beachten Sie, dass dieser Schaltplan MOSFET Gate-Schaltung und Kontrolle Antriebselektronik nicht zeigen!

Der Wechselrichter in diesem Vorführmuster war eine einfache Halbbrücken-bestehend aus zwei MTW14N50-MOSFETs gemacht mein auf-Halbleiter (früher Motorola.) Es wird von einer geglätteten Gleichstrom gespeist mit Entkopplung Kondensator über die Schienen, die aktuellen AC-Anforderungen des Wechselrichters zu unterstützen. Jedoch soll es realisiert werden, dass die Qualität und die Verordnung der Stromversorgung für Induktionserwärmung Anwendungen nicht entscheidend ist. Voll-Welle rektifiziertem (aber un-smoothed) Netz können sowie geglättete und geregelte DC arbeiten, wenn es um Heizung Metall, aber Spitze Strömungen sind für die gleiche durchschnittliche Heizleistung höher. Es gibt viele Argumente für die Größe des Kondensators DC Bus bis zu einem Minimum zu halten. Insbesondere verbessert es den Leistungsfaktor von Stromaufnahme vom Stromnetz über einen Gleichrichter und es minimiert auch die gespeicherten Energie bei Fehlerzustände innerhalb der Wechselrichter.

Der DC blockierenden Kondensator dient lediglich den DC Ausgang vom Halbbrücken-Umrichter ab Stromfluss durch die Spule Arbeit zu verursachen zu stoppen. Es wird ausreichend groß bemessen, nimmt nicht Teil in die Impedanzanpassung und bewirkt nicht nachteilig auf den Betrieb der LCLR Arbeit Spule Anordnung.

In high-Power-Designs ist es üblich, eine voll-Brücke (H-Brücke) von 4 oder mehr switching-Geräten zu verwenden. In solche Designs ist die passende Induktivität normalerweise gleichmäßig zwischen den Beinen zwei Brücke aufgeteilt damit die Laufwerk-Spannung-Wellenformen in Bezug auf Boden ausgeglichen werden. Der DC blockierenden Kondensator kann auch beseitigt werden, wenn die aktuellen Mode-Steuerelement verwendet wird, um sicherzustellen, dass keine net DC zwischen den Beinen Brücke fließt. (Wenn beide Beine der H-Brücke unabhängig voneinander gesteuert werden können dann gibt es Spielraum für steuernde macht-Durchsatz mit Phasenverschiebung Steuerelement. Siehe Punkt 6 unten im Abschnitt über "Power-Steuerelementmethoden" für weitere Details.)

Bei noch höheren Mächten ist es möglich, mehrere separate Umrichter effektiv parallel verbunden zu verwenden, um die hohen Laststrom Anforderungen erfüllen. Die separate Wechselrichter sind jedoch nicht direkt parallel an die Ausgangsklemmen ihre H-Brücken gebunden. Jeder der verteilten Wechselrichter ist an der entfernten Arbeit Spule über eine eigene paar passende Induktivitäten angeschlossen, die gewährleisten, dass die Gesamtbelastung gleichmäßig, unter allen der Wechselrichter verteilt ist.

Diese übereinstimmenden Drosselspulen bieten auch eine Reihe von zusätzlichen Vorteilen, wenn Wechselrichter auf diese Weise parallel sind. Erstens ist die Impedanz zwischen jeder zwei Wechselrichter Ausgänge gleich zweimalder Wert der passende Induktivität. Diese induktive Impedanz begrenzt den "schießen zwischen" Strom, der zwischen parallelgeschalteten Wechselrichter fließt, wenn ihre switching Augenblicken nicht perfekt synchronisiert sind. Zweitens beschränkt diese gleichen induktive Reaktanz zwischen Wechselrichter die Rate, welche Schuld Strom steigt, wenn einer der Inverter einem Geräteausfall Exponate, potenziell Beseitigung Ausfall von weiteren Geräten. Schließlich da alle verteilten Wechselrichter bereits über Induktivitäten verbunden sind, zusätzliche Induktivität zwischen die Umrichter lediglich diese Impedanz hinzugefügt und hat nur den Effekt der etwas erniedrigend Stromaufteilung. Daher müssen die verteilten Wechselrichter für die Induktionserwärmung nicht unbedingt physisch nahe beieinander liegen. Wenn sie nicht sogar aus der gleichen Lieferung ausführen müssen, dann Trenntrafos in den Designs enthalten sind!

Fehlertoleranz

Die LCLR Arbeit Spule Anordnung ist unter einer Vielzahl von möglichen Fehlerbedingungen sehr gut erzogen.

1. Leerlaufspannung Arbeit Spule.
2. Kurzschluss Arbeit Spule (oder Tank Kondensator.)
3. Ausgeschaltete Zuges in Arbeit-Spule.
4. Leerlaufspannung Tank Kondensator.

Alle diese Fehler führen zu einem Anstieg der Impedanz der Umrichter und daher einen entsprechenden Rückgang die Stromaufnahme vom Umrichter dargestellt werden. Der Autor hat persönlich einen Schraubendreher verwendet, um zwischen einer Arbeit Spule mit mehreren hundert Ampere Kurzschluss. Trotz Funken am Standort der angewandten Kurzschluss, die Belastung der Umrichter wird reduziert, und das System überlebt diese Behandlung mit Leichtigkeit.

Das Schlimmste, das was passieren kann ist, dass die Tank-Schaltung verstimmt wird, so dass seine natürlichen Resonanzfrequenz oberhalb der Arbeitsfrequenz des Wechselrichters. Da die Laufwerk-Frequenz noch nahe Resonanz gibt es noch erhebliche Ströme aus der Wechselrichter. Aber der Leistungsfaktor ist aufgrund der Verstimmung reduziert und die Wechselrichter-Laststrom beginnt die Spannung zu führen. Diese Situation ist unerwünscht weil die Laststrom von Wechselrichter Änderungen Richtung vor der angelegten Spannungsänderungen gesehen. Das Ergebnis davon ist, dass Strom Kraft-kommutierte ist zwischen Freilauf-Dioden und die gegnerischen MOSFET jedes Mal, wenn der MOSFET eingeschaltet ist. Dadurch wird eine erzwungene umgekehrte Erholung der Freilauf Dioden, während sie bereits erhebliche Durchlassstrom befördern. Daraus ergibt sich eine große aktuelle Aufstockung durch die Diode und die gegnerischen MOSFET, die eingeschaltet ist.

Zwar kein Problem für spezielle schnelle Wiederherstellung Gleichrichter, kann diese erzwungene Wiederherstellung Probleme verursachen, wenn die MOSFETs systeminterne Körper Dioden zum Bereitstellen der Freilauf-Diode-Funktion verwendet werden. Diese großen aktuellen Spikes bilden nach wie vor einen erheblichen Leistungsverlusten und Bedrohung für Zuverlässigkeit. Jedoch sollte es verwirklicht werden, dass die ordnungsgemäße Kontrolle des Wechselrichters Betriebsfrequenz sollten sicherstellen, dass es die Resonanzfrequenz der Tank-Schaltung spürt. Daher die führende Kraft Faktor Bedingung sollte im Idealfall nicht entstehen, und sollte sicherlich nicht für längere Zeit beibehalten. Die Resonanzfrequenz sollte verfolgt werden, bis zu seiner Grenze, dann das System Herunterfahren wenn es außerhalb eines akzeptablen Frequenzbereich gewandert ist.

Energie-Control-Methoden

Es ist oft wünschenswert, die Menge der Energie, die durch einen Induktionskocher verarbeitet zu steuern. Dies bestimmt die Rate, bei welcher, die Hitze Energie auf das Werkstück übertragen wird. Die Einstellung der Leistung dieser Art von Induktionskocher kann in einer Reihe von verschiedenen Möglichkeiten gesteuert werden:

1. Variation der Zwischenkreis-Spannungs.

Die Macht von der Umrichter verarbeitet kann verringert werden, durch die Reduzierung der Versorgungsspannung zuschalten. Dies kann durch Ausführen des Wechselrichters über eine Variable Spannung DC-Versorgung wie einen gesteuerten Gleichrichter mit Thyristoren, DC Versorgungsspannung abgeleitet vom Stromnetz zu variieren. Die Impedanz dargestellt an den Umrichter ist weitgehend konstant mit unterschiedlichem Energieniveau, also der Macht-Durchsatz des Wechselrichters etwa proportional zum Quadrat der Versorgungsspannung. Variation der Zwischenkreisspannung ermöglicht volle Kontrolle über die Macht von 0 % bis 100 %.

Es sollte jedoch darauf hingewiesen, dass der Durchsatz genaue Leistung in Kilowatt richtet sich nicht nur auf die Gleichspannung an den Umrichter, sondern auch auf die Belastung-Impedanz, die die Arbeit-Spule an den Umrichter durch das passende Netzwerk präsentiert. Daher, wenn präzise Stromsteuerung erforderlich ist die eigentliche Induktion Heizleistung muss gemessen werden, im Vergleich zu den angeforderten "Energieeinstellung" vom Betreiber und eine Fehler-Signal eingespeist, zurück zu der Zwischenkreisspannung in geschlossenen Weise zur Minimierung des Fehlers immer anzupassen. Dies ist notwendig, die konstanten Leistung zu pflegen, denn der Widerstand des Werkstücks erheblich ändert, wenn es sich erwärmt. (Dieses Argument für geschlossene Stromüberwachung gilt auch für alle Methoden, die Folgen unten.)

2. Variabler das Pflicht-Verhältnis der Geräte im Umrichter.

Die Macht von der Umrichter verarbeitet kann verringert werden, durch Reduzierung der zu der Zeit der Schalter in den Umrichter. Macht ist nur auf der Arbeit-Spule in der Zeit stammen, die die Geräte eingeschaltet sind. Der Laststrom bleibt dann mit Freilauf durch die Geräte-Körper-Dioden während der Totzeit, wenn beide Geräte ausgeschaltet sind. Variiert das Pflicht-Verhältnis der Schalter ermöglicht die volle Kontrolle über die Macht von 0 % bis 100%. Ein erheblicher Nachteil dieser Methode ist jedoch die Kommutierung der schwere Ströme zwischen aktiven Geräten und ihren Freilauf-Dioden. Gezwungen umgekehrte Wiederherstellung der Freilauf-Dioden, die auftreten können, wenn das Pflicht-Verhältnis erheblich reduziert wird. Für dieses Grund-Pflicht wird Ratio-Control nicht normalerweise in high-Power-Induktionserwärmung-Wechselrichter verwendet.

3. Variation der Arbeitsfrequenz des Wechselrichters.

Die Stromversorgung durch den Wechselrichter an die Arbeit-Spule kann reduziert werden, durch die Verstimmung des Wechselrichters aus der natürlichen Resonanzfrequenz der Tank-Schaltung, die Einbeziehung der Arbeit-Spule. Die Taktfrequenz des Wechselrichters die resonante Bereich der Tank-Schaltung verschoben wird, gibt es weniger resonant Aufstieg in der Tank-Schaltung und der Strom in der Spule Arbeit abnimmt. Daher weniger zirkulierenden aktuelle wird in das Werkstück induziert und die Wirkung der Heizung wird reduziert.

Um den macht-Durchsatz zu verringern ist der Umrichter normalerweise verstimmten auf der hohen Seite der natürlichen Resonanzfrequenz Tank Schaltungen. Dadurch wird die induktive Reaktanz am Eingang der entsprechenden Schaltung immer dominant werden, da die Frequenz erhöht. Daher beginnt die Stromaufnahme vom Umrichter durch das passende Netzwerk Verzögerung in Phase und Amplitude zu verringern. Beide Faktoren tragen zu einer Verringerung der Wirkleistung-Durchsatz. Darüber hinaus gewährleistet der rückständigen Leistungsfaktor, dass die Geräte im Umrichter noch mit NULL Spannung über sie schalten, und es keine Freilauf-Diode Wiederherstellungsproblemen gibt. (Dies kann mit der Situation, der auftreten würde, wenn der Umrichter auf der niedrigen Seite der Resonanzfrequenz der Arbeit Spule verstimmt waren bezeichnen. ZVS ist verloren, und die Freilauf-Dioden sehen Sie erzwungene Rückseite-Recovery, während bedeutende Laststrom tragen.)

Diese Methode macht-Niveau zu steuern, die Verstimmung ist sehr einfach, da die meisten Induktions-Heizungen bereits Kontrolle über die Taktfrequenz des Wechselrichters um sorgen für unterschiedliche Werkstücke und Arbeit Spulen. Der Nachteil ist, dass es nur eine begrenzte Auswahl an Kontrolle bietet, gibt es ein Limit, wie schnell die Leistungshalbleiter gemacht werden können, wechseln. Dies trifft besonders auf high-Power-Anwendungen wo können die Geräte bereits in der Nähe von Höchstgeschwindigkeiten switching ausgeführt werden. High-Power-Systeme, die mit dieser Macht-Kontrolle-Methode erfordern eine detaillierte thermische Analyse der Ergebnisse der Schaltverluste auf verschiedenen Ebenen um sicherzustellen, dass das Gerät Temperaturen bleiben immer in tolerierbaren Grenzen.

Ausführlichere Informationen zur Stromüberwachung von Verstimmung finden Sie im neuen Abschnitt unten markierten "LCLR Netzwerk Frequenzgang."

4. Variieren den Wert der Induktivität im entsprechenden Netzwerk.

Die Stromversorgung durch den Wechselrichter an die Arbeit-Spule kann variiert werden, indem Sie ändern den Wert des entsprechenden Netzwerkkomponenten. Das L-Spiel-Netzwerk zwischen den Wechselrichter und die Tank-Schaltung besteht technisch eine induktive und kapazitive Teil. Aber der kapazitive Teil parallel zu der Arbeit der eigenen Spule Tank Kondensator und in der Praxis, sind diese in der Regel ein und dasselbe Teil. Daher ist der einzige Teil des passenden Netzes, das Anpassen der Induktivität.

Das passende Netzwerk ist verantwortlich für die Umwandlung der Abschlusswiderstand von Workcoil zu einer geeigneten Abschlusswiderstand durch den Umrichter angetrieben werden. Ändern die passende Induktivität Induktivität, passt den Wert, den den Abschlusswiderstand übersetzt wird. Im Allgemeinen führt die Verringerung der Induktivität die passende Induktivität die Arbeit Spule Impedanz bis auf eine niedrigere Impedanz transformiert werden. Diese niedrigeren Abschlusswiderstand Wechselrichter vorgestellt bewirkt, dass mehr Strom vom Umrichter bezogen werden. Erhöhen die passende Induktivität Induktivität bewirkt dagegen einen höheren Abschlusswiderstand an den Umrichter vorgelegt werden. Diese leichtere Last ergibt sich eine geringere Stromfluss vom Umrichter an die Arbeit-Spule.

Der Grad der Leistungsregelung durch Ändern der passenden Induktivität erreichbare ist mäßig. Es ist eine auch eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems - Dies ist der Preis für die L-Match Kapazitiv und Tank-Kapazität in einer Einheit kombiniert. Das L-Spiel-Netzwerk leiht im Wesentlichen einige der die Kapazität von der Tank-Kondensator um die passenden durchzuführen, wodurch die Tank-Schaltung um bei einer höheren Frequenz zu schwingen. Aus diesem Grund ist die passende Induktivität in der Regel behoben oder in groben Schritten entsprechend das beabsichtigte Werkstück erhitzt werden, anstatt geben Sie den Benutzer eine voll einstellbare Energieeinstellung angepasst.

5. Impedanzanpassung Transformator.

Die Stromversorgung durch den Wechselrichter an die Arbeit-Spule kann in groben Schritten variiert werden, indem mit einem gezapften RF-Stromtransformator Impedanz-Konvertierung durchführen. Obwohl die meisten des Gewinns durch die LCLR-Anordnung zur Beseitigung der einem sperrigen und teuren Ferrit-Stromtransformator, kann es große Änderungen im System-Parameter in einer Weise ausrichten, die keine Frequenz abhängig ist. Der Ferrit-Transformator bieten auch galvanische Trennung als auch Impedanz Transformation Pflicht, den macht-Durchsatz festgelegt.

Zusätzlich werden der Ferrit-Transformator zwischen den Umrichter-Ausgabe und die Eingabe für die L-Match-Schaltung platziert wird seine Design-Erfordernisse in vielerlei Hinsicht entspannt. Erstens heißt Auffinden des Transformators in dieser Position die Impedanzen auf beide Wicklungen sind relativ hoch. d.h. Spannungensind hohe und Strömungen sind vergleichsweise klein. Es ist einfacher, einen herkömmlichen Ferrit-Einbautransformator für diese Bedingungen zu entwerfen. Die massive zirkulierenden aktuelle in der Arbeit-Spule ist aus dem Ferrit-Trafo stark reduziert Probleme mit der Kühlung ferngehalten. Zweitens, obwohl der Transformator Ausgangsspannung Quadrat-Welle vom Umrichter sieht, tragen seine Wicklungen Strömungen, die sinusförmige sind. Die mangelnde hochfrequente Oberwellen reduziert im Transformator aufgrund der Skin-Effekt und Proximity-Effekt innerhalb der Dirigenten.

Schließlich sollte das Transformator-Design für minimalen Inter-winding Kapazitäts- und gute Isolation auf Kosten der erhöhten Streuinduktivitäten zu optimieren. Der Grund dafür ist, dass jede Streuinduktivitäten, ausgestellt durch einen Transformator befindet sich in dieser Lage lediglich die passende Induktivität am Eingang mit der L-Match-Schaltung hinzufügt. Streuinduktivitäten im Transformator ist daher nicht als schädlich für Leistung als Inter-winding Kapazität.

6. Phase Shift Kontrolle der H-Brücke.

Wenn die Spule Arbeit von einer Spannung gefüttert Vollbrücke (H-Brücke) Inverter angetrieben wird gibt es noch eine andere Methode der Leistungsregelung zu erreichen. Wenn die switching Augenblicken der beiden Brücke-Beine unabhängig voneinander gesteuert werden können eröffnet dann die Möglichkeit der Steuerung macht Durchsatz durch die Phasenverschiebung zwischen den Beinen zwei Brücke anpassen.

Wenn beide Beine Switch genau in der Phase zu überbrücken, Ausgangsspannung sie beide das gleiche. Das bedeutet, es gibt keine Spannung über den

Tags: Base details of High Frequency Induction Heating