Yüksek Frekanslı İndüksiyonlu Isıtma

Giriş

İndüksiyonlu ısıtma, temassız bir ısıtma işlemidir. Elektrik iletken olan malzemeleri ısıtmak için yüksek frekanslı elektriği kullanır. Temassız olduğu için, ısıtma işlemi ısıtılan malzemeyi kirletmez. Ayrıca, ısı gerçekten iş parçası içerisinde üretildiğinden çok etkilidir. Bu, işlenecek parçaya uygulanan bir alev veya ısıtma elemanında ısı üretildiği diğer ısıtma yöntemleriyle karşılaştırılabilir. Bu sebeplerden ötürü, İndüksiyon Isıtma sanayide kendine özgü bazı uygulamalara katlanmaktadır.

Endüksiyon Isıtma Nasıl Çalışır?

Yüksek frekanslı bir elektrik kaynağı, bir bobin üzerinden büyük bir alternatif akım sürmek için kullanılır. Bu bobin, çalışma bobini olarak bilinir. Karşıdaki resmi görün. Akımın bu bobin üzerinden geçişi, iş bobini içindeki boşlukta çok yoğun ve hızlı değişen bir manyetik alan oluşturur. Isıtılacak iş parçası, bu yoğun, değişen manyetik alanın içine yerleştirilir. İş parçası malzemesinin niteliğine bağlı olarak, bir takım şeyler olur ...

Alternatif manyetik alan, iletken iş parçasında bir akım akışı oluşturur. İş bobininin ve iş parçasının düzenlemesi bir elektrik transformatörü olarak düşünülebilir. İş bobini, elektrik enerjisinin beslendiği birincil gibidir ve iş parçası, kısa devrede olan tek turlu bir ikincil gibidir. Bu, muazzam akımların iş parçası boyunca akmasına neden olur. Bunlar girdap akımları olarak bilinirler. Buna ek olarak, indüksiyon ısıtma uygulamalarında kullanılan yüksek frekans, cilt etkisi olarak adlandırılan bir fenomene neden olur. Bu cilt etkisi, alternatif akımın, iş parçasının yüzeyine doğru ince bir tabaka içinde akmasına neden olur. Cilt etkisi, metalin büyük akım geçişine karşı etkin direncini arttırır. Bu nedenle, iş parçasında indüklenen akımın neden olduğu ısıtma etkisini büyük ölçüde arttırır.

(Her ne kadar bu uygulamada girdap akıntılarından kaynaklanan ısıtma arzu edilirse de transformatör imalatçılarının transformatörlerinde bu olguyu önlemek için çok büyük önemi vardır.Lamine transformatör göbekleri, toz demir çekirdekleri ve ferritler, girdap akımlarını önlemek için kullanılırlar transformatör göbeklerinin içinden akmanın önlenmesi Bir trafonun iç kısmında girdap akıntılarının geçişi, manyetik göbeğin ısıtılmasına ve boşa harcanmış enerjiye neden olacağı için son derece istenmemektedir.)

Ve demir metalleri için mi?

Demir ve bazı çelik türleri gibi demirli metaller için, yukarıda bahsedilen girdap akımlarıyla aynı zamanda yer alan ilave bir ısıtma mekanizması vardır. İş bobininin içerisindeki yoğun alternasyonlu manyetik alan, demir kristallerini art arda mıknatıslar ve de manyetizarlar. Manyetik alanların hızlıca ters çevrilmesi, materyalin içinde büyük miktarda sürtünme ve ısıtmaya neden olur. Bu mekanizma sayesinde ısıtma Histerizis kaybı olarak bilinir ve BH eğrisi içinde geniş bir alanı olan malzemeler için en iyisi olur. Bu, indüksiyon ısıtması sırasında oluşan ısıya büyük katkıda bulunan bir faktör olabilir, ancak sadece demirli malzemeler içinde gerçekleşir. Bu nedenle demirli malzemeler indüksiyonla demir dışı malzemelerden daha kolay ısınmaya yardımcı olurlar.

Çelik yaklaşık 700 ° C'nin üzerinde ısıtıldığında manyetik özelliklerini kaybettiğine dikkat çekmek ilginçtir. Bu sıcaklık Curie sıcaklığı olarak bilinir. Bu, 700 ° C'nin üstünde sıcaklıklarda, histerezis kayıplarına bağlı olarak malzemenin ısıtılması mümkün olmadığı anlamına gelir. Malzemenin daha fazla ısıtılması, tek başına indüklenmiş girdap akımlarından kaynaklanmalıdır. Bu, 700 ° C'nin üstündeki ısıtma fırını, indüksiyonlu ısıtma sistemleri için daha zorlu hale getirir. Bakır ve Alüminyumun hem manyetik olmayan hem de çok iyi elektrik iletkenleri olması, bu malzemelerin verimli bir şekilde ısıya meydan okumasını sağlayabilir. (Bu materyaller için en iyi etki yolunun, cilt etkisi nedeniyle kayıpları abartma frekansının arttırılması olduğunu göreceğiz.)

İndüksiyon Isıtma Nedir?

İndüksiyon ısıtma, elektrik iletken bir malzemenin temiz, verimli ve kontrollü bir şekilde ısıtılmasını istediğiniz herhangi bir uygulama için kullanılabilir.

En yaygın uygulamalardan biri, ilaç ve içecek şişelerinin tepesine yapışmış anti-sabotaj contalarını sızdırmaz hale getirmek içindir. "Sıcak tutkal" ile kaplanmış bir folyo sızdırmazlık elemanı plastik kapağa yerleştirilir ve imalat sırasında her bir şişenin üstüne vidalanır. Bu folyolar daha sonra, şişeler üretim hattında bir indüksiyon ısıtıcısının altına geçtikçe hızlı bir şekilde ısıtılır. Oluşan ısı yapışkanı eritir ve folyoyu şişenin tepesine sızdırmaz hale getirir. Başlık çıkarılırsa, folyo hava geçirmez bir conta olmaya devam eder ve müşteri mühür folyo delleyene kadar şişenin içindekilerin kurcalanmasını veya kirlenmesini önler.

Bir diğer yaygın uygulama, TV resim tüpleri, vakum tüpleri ve çeşitli gaz deşarj lambaları gibi boşaltılan tüplerden kirlenmeyi gidermek için "kazan yakma" yöntemidir. Boşaltılmış cam kabın içine "alıcı" olarak adlandırılan bir iletken malzeme halkası yerleştirilir. İndüksiyonlu ısıtma temassız bir prosestir çünkü bir kapta zaten kapalı olan alıcıyı ısıtmak için kullanılabilir. Bir indüksiyon bobini, vakum tüpünün dışındaki alıcıya yakın konumda bulunur ve AC kaynağı açıktır. İndüksiyon ısıtıcısı çalıştırıldıktan birkaç saniye sonra, alıcı beyaz sıcakta ısıtılır ve kaplamasındaki kimyasallar vakum içindeki herhangi bir gazla reaksiyona girer. Bunun sonucunda alıcı, vakum tüpü içerisindeki son kalan iz izlerini emer ve vakumun saflığını arttırır.

İndüksiyonlu ısıtma için bir başka ortak uygulama, yarı iletken imalat sanayiinde kullanılan Zon arıtma olarak adlandırılan bir işlemdir. Bu, silikanın erimiş maddenin hareketli bir bölgesi vasıtasıyla saflaştırıldığı bir işlemdir. Bir İnternet Araması, az tanıdığım bu süreç hakkında daha fazla ayrıntı bulacağınızdan emin.

Diğer uygulamalar eritme, kaynak ve lehimleme veya metalleri içerir. İndüksiyon pişirme ocağı ve pirinç ocakları. Mühimmat, dişli dişleri, testere bıçakları ve tahrik milleri vb. Metallerin sertleştirilmesi de yaygın uygulamalardır, çünkü indüksiyon işlemi metal yüzeyini çok hızlı ısıtır. Bu nedenle yüzey sertleşmesi ve metalik parçaların lokalize alanlarının sertleştirilmesi için parçaya veya çevresindeki bölgelere daha derin ısı iletimi "dışarıya çıkarak" kullanılabilir. İndüksiyonlu ısıtmanın temassız olması da, malzemenin analitik uygulamalarda numuneyi kirletme riski olmadan ısıtmak için kullanılabileceği anlamına gelir. Benzeri bir şekilde, metal tıbbi aletler, mikropları öldürmek için, hala bilinen steril bir ortamda mühürlenirken, yüksek sıcaklığa ısıtılarak sterilize edilebilir.

Endüksiyon Isıtma için ne gereklidir?

Teorik olarak, indüksiyon ısıtmasını uygulamak için yalnızca 3 şey gereklidir:

1. Yüksek Frekanslı bir elektrik gücü kaynağı,
2. Alternatif manyetik alanı oluşturmak için bir iş bobini,
3. Isılacak elektriksel olarak iletken bir iş parçası,

Bunu söyleyerek, pratik indüksiyon ısıtma sistemleri genellikle biraz daha karmaşıktır. Örneğin, iyi bir güç aktarımı sağlamak için Yüksek Frekans kaynağı ile iş bobini arasında genellikle bir empedans eşleştirme ağı gerekir. Su soğutma sistemleri, yüksek güç endüksiyonlu ısıtıcılarda, çalışma bobininden, eşleşen ağından ve güç elektronundan atık ısıyı uzaklaştırmak için de yaygın olarak kullanılır. Son olarak, bazı kontrol elektroniği, genellikle ısıtma eyleminin yoğunluğunu kontrol etmek ve tutarlı sonuçların elde edilmesi için ısıtma devrini zamanlamak için kullanılır. Kontrol elektroniği, sistemi bir dizi olumsuz çalışma koşuluyla hasar görmesini de önler. Bununla birlikte, herhangi bir indüksiyon ısıtıcısının temel çalışma prensibi, daha önce tarif edildiği gibi aynı kalır.

Pratik uygulama

Uygulamada, çalışma bobini genellikle bir rezonant tank devresine dahil edilir. Bu bir takım avantajlara sahiptir. Öncelikle, akım ya da voltaj dalga biçimi sinüzoidal hale gelir. Bu, seçilen kesin düzenlemeye bağlı olarak sıfır voltaj anahtarlamadan veya sıfır akım anahtarlamasından yararlanmaya izin vererek invertördeki kayıpları en aza indirir. İş bobinindeki sinüsoidal dalga formu aynı zamanda daha saf bir sinyali temsil eder ve yakında bulunan ekipmanlara daha az Radyo Frekansı Parazitlenmesine neden olur. Bu daha sonraki nokta, yüksek güçlü sistemlerde çok önemli hale geldi. İndüksiyon ısıtıcısı tasarımcısının iş bobini için seçebileceği bir dizi rezonant şemanın olduğunu göreceğiz:

Seri rezonant tank devresi

İş bobini, seri ile yerleştirilen bir kapasitör vasıtasıyla amaçlanan çalışma frekansında rezonansa yapılır. Bu, çalışma bobinindeki akımın sinüsoidal olmasına neden olur. Seri rezonans, çalışma bobinindeki gerilimi de büyütür ve inverterin çıkış geriliminden çok daha yüksektir. İnverter, sinüzoidal bir yük akımı görür, ancak çalışma bobininde akan tam akımı taşımalıdır. Bu nedenle, çalışma bobini çoğu zaman sadece birkaç amper veya onlarca amperin aktığı çok sayıda dönüş telden oluşur. Önemli ısıtma gücü, seri-rezonant düzenlemede çalışma bobini boyunca rezonant gerilim yükselmesine izin vererek elde edilir; bu arada bobin boyunca (ve inverter) akımı mantıklı bir seviyeye getirir.

Bu düzenleme, güç seviyesinin düşük olduğu ve invertörün ısıtılacak nesnenin yanında bulunduğu pirinç ocakları gibi şeylerde yaygın olarak kullanılır. Seri rezonant düzeninin ana sakıncaları, invertörün çalışma bobininde akan aynı akımı taşımasıdır. Buna ek olarak, devreyi nemlendirmek için iş bobininde önemli ölçüde boyutta bir iş parçası yoksa, seri rezonansa bağlı voltaj yükselmesi çok belirginleşebilir. Bu pirinç ocakları gibi iş parçasının daima aynı pişirme kabına sahip olduğu uygulamalarda sorun değildir ve özellikleri tasarım aşamasında iyi bilinir.

Depo kapasitörü tipik olarak, seri ayarlanmış rezonant devrede yaşanan rezonant gerilim yükselmesi nedeniyle yüksek voltaj için derecelendirilmiştir. Ayrıca, düşük güç uygulamalarında genellikle bir sorun oluşturmamakla birlikte, iş bobini tarafından taşınan tam akımı taşıması gerekir.

Paralel rezonant tank devresi

İş bobini, buna paralel yerleştirilen bir kondansatör vasıtasıyla amaçlanan çalışma frekansında rezonansa yapılır. Bu, çalışma bobinindeki akımın sinüsoidal olmasına neden olur. Paralel rezonans, ayrıca, çalışma bobinindeki akımı, inverterin çıkış akım kapasitesinden çok daha fazla büyütür. İnverter, bir sinüzoidal yük akımı görür. Bununla birlikte, bu durumda sadece gerçekte çalışmakta olan yük akımının bir bölümünü taşımak yeterlidir. İnverter, çalışma sargısında tam devridaim akımı taşımak zorunda değildir. İndüksiyonlu ısıtma uygulamalarında güç faktörleri genellikle düşük olduğu için bu çok önemlidir. Paralel rezonant devrenin bu özelliği invertör ve onu iş bobine bağlayan teller tarafından desteklenmesi gereken akımın on kat azaltılmasını sağlayabilir. İletim kayıpları tipik olarak akım karesi ile orantılıdır, bu nedenle yük akımında on kat azalma, invertördeki ve bağlantı kablolamasındaki iletkenlik kayıplarında önemli bir tasarruf anlamına gelir. Bu, çalışma bobininin, besleme kablolarında büyük kayıplara uğramaksızın invertörden uzak bir yere konabileceği anlamına gelir.

Bu tekniği kullanarak iş bobinleri genellikle kalın bir bakır iletkenden sadece birkaç turdan oluşur; ancak yüzlerce veya binlerce amperin büyük akıntıları akıyor. (Bu, indüksiyonlu ısıtmayı yapmak için gerekli Ampere dönüşlerini sağlamak için gereklidir.) Su soğutma, en küçük sistemlerin hepsi için ortaktır. Bu, büyük çalışma frekansı ve ilgili depo kapasitörü boyunca yüksek yüksek frekanslı akımın geçmesiyle oluşan fazla ısıyı temizlemek için gereklidir.

Paralel rezonant tank devresinde, çalışma bobini, ona bağlı bir "güç faktörü düzeltme" kapasitörlü bir endüktif yük olarak düşünülebilir. PFC kapasitörü, iş bobini tarafından çekilen büyük indüktif akıma karşı eşit ve tersine reaktif akım akışı sağlar. Hatırlanması gereken en önemli şey, bu muazzam akımın çalışma bobinine ve kondansatörüne lokalize edilmiş olması ve sadece ikisi arasında geriye ve geriye doğru sönen reaktif güç oluşturmasıdır. Dolayısıyla invertörden gelen tek gerçek akım, "PFC" kapasitöründeki ve çalışma bobinindeki kayıpların üstesinden gelmek için gereken nispeten küçük miktardır. Bu tank devresinde, kapasitördeki dielektrik kayıp ve cilt etkisi nedeniyle kapasitör ve iş bobininde direnç kayıplarına neden olarak daima bir miktar kayıp vardır. Bu nedenle, herhangi bir iş parçası olmadan bile inverterden küçük bir akım çekilir. Kayıplı bir iş parçası çalışma bobinine yerleştirildiğinde, bu, paralel rezonant devresini, sisteme daha fazla zarar vererek nemlendirir. Bu nedenle, paralel rezonant tank devresi tarafından çekilen akım bobine bir iş parçası girildiğinde artmaktadır.

Empedans eşleştirme

Veya basitçe "Eşleştirme". Bu, yüksek frekanslı güç kaynağı ile ısıtma için kullandığımız çalışma bobinleri arasında bulunan elektronikleri ifade eder. İndüksiyon ısıtması ile sağlam bir metal parçasını ısıtmak için, metal yüzeyinde çok büyük bir akım akmasına neden olmamız gerekir. Bununla birlikte, bu, yüksek frekanslı güç üreten invertörle karşılaştırılabilir. İnverter oldukça yüksek gerilimde, ancak düşük akımda çalışırsa, genellikle daha iyi çalışır (ve tasarım biraz daha kolaydır). (Genellikle, çok kısa sürelerde büyük akımları açıp kapatmaya çalıştığımızda güç elektroniğinde sorunlarla karşılaşırız.) Voltajı artırıp akım azaltmak, ortak anahtar modlu MOSFET'lerin (veya hızlı IGBT'lerin) kullanılmasına izin verir. Nispeten düşük akımlar, inverterin yerleşim konularına ve serserili endüktansa karşı daha az hassas olmasını sağlar.

Paralel rezonans devresi olarak çalışma bobini (Lw) ve kapasitörü (Cw) içeren tank devresini düşünebiliriz. Bu, iki iletken arasındaki manyetik bağlantı nedeniyle iş bobininde biriken kayıplı iş parçasına bağlı olarak dirençlidir (R). Karşılık şemaya bakın.

Uygulamada, çalışma bobininin direnci, tank kapasitörünün direnci ve iş parçasının yansıtılan direnci tank devresine bir kayıp getirir ve rezonansı hafifletir. Bu nedenle, bu kayıpların hepsini tek bir "kayıplı dirence" dönüştürmek yararlıdır. Paralel rezonans devresinde bu kaybın direnci, modelimizdeki doğrudan tank devresinde görülür. Bu direniş, gerçek gücü tüketen tek bileşeni temsil eder ve bu nedenle bu kayıp direncini, gücü gücü verimli bir şekilde yönlendirmeye çalıştığımız yük olarak düşünebiliriz.

Rezonansla tahrik edildiğinde, tank kapasitörü ve iş bobini tarafından çekilen akım büyüklük ve faz açısından zıttır ve bu nedenle güç kaynağı ile ilgili olarak birbirini iptal eder. Bu, rezonant frekansta güç kaynağının gördüğü tek yükün, tank devresi boyunca kaybetme direnci olduğu anlamına gelir. (Rezonant frekansın her iki tarafında tahrik edildiğinde, çalışma sargısı akımının ve deponun kondansatör akımının tamamlanmamış iptali nedeniyle akım için ek bir "faz-dışı" bileşen bulunur.Bu reaktif akım toplam büyüklüğü arttırır akım kaynaktan çekilir ancak iş parçasında herhangi bir faydalı ısıtmaya katkıda bulunmaz.)

Eşleşen ağın görevi, tank devresindeki nispeten büyük kayıp direncini, sürücüye sürmeye çalışan invertere daha uygun olan daha düşük bir değere dönüştürmektir. Bu empedans transformasyonunu gerçekleştirmek için, iş bobinine dokunmak, bir ferrit transformatörü, tank kondansatörü yerine kapasitif bölücü veya bir L-eşleme ağı gibi eşleşen bir devreyi dahil etmek için birçok farklı yol vardır.

L eşleşme ağında tank devresinin nispeten yüksek yük direncini invertöre daha iyi uyan yaklaşık 10 ohm bir değere dönüştürebilir. Bu rakam, inverterin birkaç yüz volttan çalışmasına izin vermek için tipik bir özelliktir ve akımları orta seviyeye kadar tutarak anahtarlama işlemini gerçekleştirmek için standart anahtarlamalı MOSFET'ler kullanılabilir. L-eşleşme ağı, karşıt olarak gösterilen Lm ve Cm bileşenlerinden oluşur.

L-eşleşme ağı bu uygulamada çok sayıda arzu edilen özelliklere sahiptir. L eşleşme ağındaki girişteki indüktör, tank devresinin rezonant frekansından daha yüksek olan tüm frekanslara kademeli olarak artan bir endüktif reaktans sunar. Bu, çalışma sargısı, kare dalga voltajı çıkışı üreten bir voltaj kaynağı dönüştürücüden beslendiğinde çok önemlidir. İşte neden böyle olduğunu açıklayan ...

Çoğu yarım köprü ve tam köprü devreleri tarafından üretilen kare dalga gerilimi, arzulanan temel frekansın yanında yüksek frekans harmoniklerinde de zengintir. Böyle bir gerilim kaynağının paralel rezonant devrelere doğrudan bağlantısı, aşırı frekanslı akımların sürücü frekansının tüm harmoniklerinde akmasına neden olur! Bunun nedeni, paralel rezonant devredeki tank kapasitörünün artan frekanslara kademeli olarak daha düşük bir kapasitans reaktansı sunmasıdır. Bu, voltaj kaynaklı bir invertör için potansiyel olarak çok zararlıdır. İnvertör, kare kanalın yükselen ve düşen kenarlarında depo kapasitörünü hızlı bir şekilde şarj etmeye ve boşaltmaya çalıştığı için, anahtarlama geçişlerinde büyük akım sıçramaları meydana getirir. İnverter ile depo devresi arasına L-eşleşme şebekesinin dahil edilmesi bu sorunu reddeder. Şimdi invertörün çıkışı, eşleme ağında Lm'nin indüktif reaktansını görür ve tahrik dalga formunun tüm harmonikleri giderek artan indüktif empedans görür. Bu, maksimum akım sadece istenilen frekansta akar ve az harmonik akımı akar, böylece inverter yük akımı pürüzsüz dalga formuna getirilir.

Sonunda, doğru ayarlama ile L-eşleşme ağı invertere hafif endüktif bir yük sağlayabilir. Bu biraz gecikmeli invertör yük akımı, inverter köprüsündeki MOSFET'lerin Sıfır Gerilim Anahtarlamasını (ZVS) kolaylaştırabilir. Bu, yüksek voltajlarda çalışan MOSFET'lerin cihaz çıkış kapasitansı nedeniyle açma anahtarlama kayıplarını önemli ölçüde azaltır. Genel sonuç, yarıiletkenlerde daha az ısıtma ve daha uzun ömür demektir.

Özetle, invertör ile paralel rezonant tank devresi arasına bir L eşleşme ağı eklenmesi iki şeyi gerçekleştirir.

1. İnverterden iş parçasına gerekli miktarda güç sağlanacak şekilde eşleştirme empedansı,
2. İnverteri güvenli ve mutlu tutmak için yüksek frekanslı harmoniklere artan bir endüktif reaktans sunumu.

Yukarıdaki önceki şemata bakarsak, eşleşme şebekesindeki kapasitörün (Cm) ve tank kapasitörünün (Cw) her ikisinin de paralel olduğunu görüyoruz. Pratikte bu işlevlerin her ikisi de genellikle tek amaçlı güç kapasitörü ile gerçekleştirilir. Kapasitasyonunun büyük bir kısmı, çalışma bobiniyle paralel rezonansa sahip ve eşleşen indüktör (Lm.) Ile empedans eşleştirme hareketi sağlayan küçük bir miktar ile düşünülebilir. Bu iki kapasitansın birine birleştirilmesi, LCLR modeline ulaşmamıza neden olur. İndüksiyon ısıtması için endüstride yaygın olarak kullanılan iş bobini düzenlemesi.

LCLR iş bobini

Bu düzenleme, çalışma bobinini paralel rezonant devrelere dahil eder ve tank devresi ile çevirici arasındaki L eşleşme ağını kullanır. Eşleşen ağ, tank devresini invertere daha uygun bir yük gibi göstermek için kullanılır ve türevleri yukarıdaki bölümde açıklanmıştır.

LCLR iş bobini bir dizi istenen özelliğe sahiptir:

1. İş bobinde büyük bir akım akar, ancak invertörün sadece düşük bir akım tedarik etmesi gerekir. Büyük devridaim akımı, genellikle birbirine çok yakın olan çalışma bobini ve paralel kondansatörü ile sınırlanır.
2. İnverterden tank devresine kadar iletim hattı boyunca sadece nispeten düşük akım akar, bu nedenle daha hafif kablo kullanılabilir.
3. İletim hattının sapmış tüm endüktansı eşleşen ağ endüktansının bir parçası olur (Lm.). Bu nedenle ısı istasyonu inverterden uzakta bulunabilir.
4. İnverter, sinüzoidal bir yük akımı görür, böylece anahtarlama kayıplarını azaltmak için ZCS veya ZVS'den fayda sağlayabilir ve bu nedenle daha soğuk çalışır.
5. Dizilim eşleşen indüktör, iş bobininin içine yerleştirilen farklı yükleri karşılamak üzere değiştirilebilir.
6. Tank devresi, bir invertörle elde edilebilenin üstünde güç seviyelerine ulaşmak için birçok invertörden birkaç eşleşen indüktör aracılığıyla beslenebilir. Eşleşen indüktörler, yük akımının invertörler arasında özünde paylaşımını sağlar ve ayrıca, paralelleştirilmiş invertörlerin anahtarlama zamanlarında bazı uyuşmazlıklara karşı sisteme toleranslı olmasını sağlar.

LCLR rezonant ağı davranışıyla ilgili daha fazla bilgi için aşağıdaki "LCLR şebeke frekansı yanıtı" etiketli yeni bölüme bakın.

LCLR iş bobini düzenlemesinin diğer bir avantajı, empedans eşleme fonksiyonunu sağlamak için yüksek frekanslı bir transformatör gerektirmemesidir. Birkaç kilovatla çalışabilen ferrit transformatörleri büyük, ağır ve oldukça pahalıdır. Buna ek olarak, trafonun iletkenlerinde akan yüksek akımların oluşturduğu aşırı ısıyı gidermek için transformatör soğutulmalıdır. L-eşleşme ağının LCLR iş bobini düzenlemesine dahil edilmesi, inverterin çalışma bobiniyle eşleştirilmesi için bir transformatör gerekliliğini ortadan kaldırır, böylece maliyet tasarrufu sağlanır ve tasarım kolaylaşır. Bununla birlikte, tasarımcı şebekeden elektrik izolasyonu gerekiyorsa inverter ile LCLR çalışma bobini düzenlemesi girişi arasında 1: 1 izolasyonlu bir trafonun gerekli olabileceğini takdir etmelidir. Bu, izolasyonun önemli olup olmadığına,

Kavramsal şematik

Sistem şeması belows, LCLR iş bobini düzenlemesini çalıştıran en basit sürücüyü göstermektedir.

Bu şemanın MOSFET gate-drive devresini ve kontrol elektroniğini göstermediğini unutmayın!

Bu gösteri prototipindeki invertör, on-semiconductor (eski adıyla Motorola) yaptığım iki adet MTW14N50 MOSFET'den oluşan basit bir yarı köprüdü. İnverterin AC akım taleplerini desteklemek için demiryolları boyunca ayırıcı kapasitörle düzleştirilmiş bir DC kaynağından beslendi . Bununla birlikte, indüksiyon ısıtma uygulamaları için güç kaynağının kalitesinin ve regülasyonunun kritik olmadığı anlaşılmalıdır. Tam dalga rektifiye edilmiş (fakat yumuşatılmış) şebeke, metal ısıtma söz konusu olduğunda düzgün çalışılmış ve regüle edilmiş DC gibi çalışabilir, ancak pik akımları aynı ortalama ısıtma gücü için daha yüksektir. DC bus kondansatörünün boyutunu en aza indirgemek için birçok argüman bulunmaktadır. Özellikle ana beslemeden bir doğrultucu vasıtasıyla çekilen akımın güç faktörünü geliştirir,

DC-bloke edici kapasitör, yarı-köprü inverterin DC çıkışını, çalışma bobininden akım akmasına neden olmak için durdurmak için kullanılır. Empedans eşleşmesinde yer almaması ve LCLR iş bobini düzenlemesinin çalışmasını olumsuz olarak etkilemeyecek kadar büyüklüğündedir.

Yüksek güçlü tasarımlarda, 4 veya daha fazla anahtarlama cihazının tam köprü (H köprüsü) kullanılması yaygın bir uygulamadır. Bu tür tasarımlarda, eşleşen endüktans genellikle iki köprü ayakları arasında eşit olarak bölünür ve böylece sürücü voltaj dalga formları toprağa göre dengelenir. DC-bloke edici kapasitör, eğer mevcut mod kontrolü, köprü ayakları arasında hiçbir net DC akışı olmaması için kullanılıyorsa ortadan kaldırılabilir. (H-köprüsünün her iki bacağı bağımsız olarak kontrol edilebiliyorsa, faz kayması kontrolü kullanılarak güç akışını kontrol etme kapsamı vardır Daha ayrıntılı bilgi için "Güç kontrol yöntemleri" ile ilgili aşağıdaki bölümdeki 6. paragrafa bakınız.)

Daha yüksek güçlerde, yüksek yük akımı taleplerini karşılamak için etkin şekilde paralel bağlanmış birkaç ayrı invertör kullanmak mümkündür. Bununla birlikte, ayrı invertörler, H-köprülerinin çıkış terminallerinde doğrudan paralel değildir. Dağıtılan invertörlerin her biri, toplam yükün tüm invertörler arasında eşit olarak yayılmasını sağlayan kendi eşleştirme endüktörü çifti vasıtasıyla uzaktan çalışma bobinine bağlanır.

İnverterler bu şekilde paralelleştirildiğinde, bu eşleşen indüktörler de bir takım ek avantajlar sağlar. İlk olarak, herhangi bir iki invertör çıkışından sonraki empedans eşleşen endüktans değerinin iki katına eşittir. Bu endüktif empedans, anahtarlamalı eviriciler mükemmel şekilde senkronize edilmezse, paralel eviriciler arasında akan "ateş" akımı sınırlar. İkincisi, invertörler arasındaki bu aynı endüktif reaktans, inverterlerin birisi bir cihaz arızası gösteriyorsa, muhtemelen diğer cihazların arızalanmasını ortadan kaldırarak arıza akımının yükselme oranını sınırlar. Son olarak, tüm dağıtılan invertörler zaten indüktörler aracılığıyla bağlandığından, invertörler arasındaki ilave endüktanslar sadece bu empedansa katkıda bulunur ve sadece akım paylaşımını biraz bozan etkiye sahiptir. Dolayısıyla, indüksiyon ısıtması için dağıtılan invertörler mutlaka birbirlerine fiziksel olarak yakın konumda bulunmaları gerekmez. İzolasyon transformatörleri tasarımlara dahil edilirse, aynı beslemeden bile kaçmaya ihtiyaç duymazlar!

Hata toleransı

LCLR iş bobini düzenlemesi, çeşitli olası arıza koşullarında çok iyi davranıyor.

1. Açık devre iş bobini.
2. Kısa devre çalışma bobini, (veya tank kapasitörü.)
3. İş bobininde kısa devre.
4. Açık devre tank kapasitörü.

Bütün bu arızalar, frekans çeviriciye sunulan empedansın artmasına ve dolayısıyla frekans çeviriciden çekilen akımın düşmesine neden olur. Yazar şahsen birkaç ampul taşıyan bir iş makinesinin dönüşleri arasında kısa devre yapmak için bir tornavida kullandı. Uygulanan kısa devrenin bulunduğu yerde kıvılcımlar oluşmasına rağmen, inverterdeki yük azaltılır ve sistem bu tedaviden kolaylıkla geçer.

Olabilecek en kötü şey, tank devresinin doğal rezonans frekansının invertörün çalışma frekansının biraz üzerine çıkması için detune haline gelmesidir. Sürücü frekansı hala rezonansa yakın olduğundan, invertörden hala önemli miktarda akım akışı var. Ancak, güç faktörü bozulma nedeniyle azaltılır ve invertör yük-akımı gerilimi başlatmaya başlar. Bu durum istenmemektedir, çünkü inverter tarafından görülen yük akımı, uygulanan gerilim değişmeden önce yön değiştirmektedir. Bunun sonucu, akımın, MOSFET'in her açıldığında serbest tekerlek diyotları ile karşıt MOSFET arasında kuvvet-komütasyonu olmasıdır. Bu, önemli miktarda ileri akım taşırken, serbest tekerlek diyotlarının zorla geri alınmasına neden olur.

Özel hızlı kurtarma redresörleri için bir sorun değil iken, MOSFET'lerin iç lastik diyotları serbest tekerlek diyot fonksiyonunu sağlamak için kullanılıyorsa, bu zorunlu kurtarma problemlere neden olabilir. Bu büyük akım spike'leri hala önemli bir güç kaybı ve güvenilirlik tehdidini temsil ediyor. Bununla birlikte, invertör çalışma frekansının doğru bir şekilde kontrol edilmesinin, tank devresinin rezonant frekansını izlediğinden emin olunması gerekir. Bu nedenle, lider güç faktörü koşulu, ideal olarak ortaya çıkmamalı ve kesinlikle herhangi bir süre için ısrar etmemelidir. Rezonans frekansı sınırına kadar izlenmeli, daha sonra sistem kabul edilebilir bir frekans aralığının dışına çıkarsa kapanmalıdır.

Güç kontrol yöntemleri

Bir indüksiyon ısıtıcısı tarafından işlenen gücü kontrol etmek çoğunlukla arzu edilir. Bu, ısı enerjisinin işlenecek parçaya aktarım hızını belirler. Bu tip indüksiyon ısıtıcısının güç ayarı birkaç farklı şekilde kontrol edilebilir:

1. DC bağlantı voltajını değiştirme.

İnverter tarafından işlenen güç, invertere gelen besleme voltajını azaltarak düşürülebilir. Bu, şebeke kaynağından türetilen DC besleme gerilimini değiştirmek için tiristörleri kullanarak kontrollü bir doğrultucu gibi değişken voltajlı bir DC beslemesinden invertör çalıştırılarak yapılabilir. İnvertöre sunulan empedans değişen güç seviyesinde büyük ölçüde sabittir, bu nedenle invertörün güç çıkışı, besleme voltajının karesi ile kabaca orantılıdır. DC bağlantı geriliminin değiştirilmesi, gücün% 0'dan% 100'e kadar tam olarak kontrol edilmesini sağlar.

Bununla birlikte, kilovat cinsinden tam güç çıkışı sadece inverterin DC besleme gerilimine değil aynı zamanda çalışma bobininin eşleştirici ağ üzerinden invertere sunduğu yük impedansına bağlı olduğunu da belirtmek gerekir. Bu nedenle hassas güç kontrolü istenirse, operatörün talep ettiği "güç ayarı" na kıyasla gerçek indüksiyon ısıtma gücü ölçülmeli ve hatayı en aza indirgemek için DC bağlantı voltajını sürekli olarak kapalı devre modunda ayarlamak için geri beslenen bir hata sinyali ölçülmelidir . Bu sabit gücü korumak için gereklidir, çünkü iş parçasının direnci ısınırken önemli derecede değişir. (Kapalı çevrim güç kontrolü için bu bağımsız değişken, aşağıdaki tüm yöntemler için de geçerlidir.)

2. İnverterdeki cihazların çalışma oranını değiştirme.

İnverter tarafından işlenen güç, invertördeki anahtarların çalışma süresini azaltarak düşürülebilir. Güç, cihazların açık olduğu zamanlarda çalışma bobinine tahsis edilir. Yük akımı, her iki cihaz da kapatıldığında ölü süre boyunca cihaz gövdesi diyotları vasıtasıyla serbest tekerleğe bırakılır. Anahtarların görev oranını değiştirme, gücün% 0'dan% 100'e kadar tam olarak kontrol edilmesini sağlar. Bununla birlikte, bu yöntemin önemli bir dezavantajı, aktif cihazlar ve serbest tekerlek diyotları arasında ağır akımların iletilmesi. Görev oranı önemli ölçüde azaltıldığında meydana gelebilecek serbest tekerlek diyotlarının zorla ters çevrilmesi. Bu nedenle, yüksek güç endüksiyonlu ısıtma inverterlerinde görev oranı kontrolü genellikle kullanılmaz.

3. İnverterin çalışma frekansının değiştirilmesi.

İnverterin çalışma bobinine verdiği güç, inverteri çalışma bobini içeren tank devresinin doğal rezonant frekansından ayıracak şekilde azaltılır. İnverterin çalışma frekansı, depo devresinin rezonans frekansından uzaklaştıkça, tank devresinde rezonant yükselme daha az olur ve çalışma bobinindeki akım azalır. Bu nedenle iş parçasına daha az dolaşım akımı gelir ve ısıtma etkisi azaltılır.

Güç çıktısını azaltmak için, inverter doğal rezonant frekansı tank devrelerinin yüksek tarafında normalde detanedilir. Bu, eşleşme devresinin girişindeki endüktif reaktansın, frekans arttıkça giderek baskın hale gelmesine neden olur. Dolayısıyla eşleştirici şebeke tarafından invertörden çekilen akım fazda gecikmeye başlar ve genlikte azalır. Bu faktörlerin her ikisi de gerçek güç akışında bir azalmaya katkıda bulunur. Buna ek olarak, gecikmeli güç faktörü, inverterdeki cihazların hala sıfır voltaj ile açılmasını sağlar ve serbest tekerlek diyot kurtarma problemleri yoktur. (Bu, inverterin çalışma bobininin rezonant frekansının düşük tarafında yer değiştirmesi durumunda ortaya çıkacak durumla çelişebilir. ZVS kaybolur,

Güç seviyesini detrüksiyon ile kontrol etmenin bu yöntemi çok basit çünkü çoğu indüksiyonlu ısıtıcılar, farklı iş parçalarını ve çalışma bobinlerini karşılamak için inverterin çalışma frekansı üzerinde zaten kontrol sahibidir. Olumsuz yönü, güç yarı iletkenlerinin geçiş hızının sınırlandırılması nedeniyle yalnızca sınırlı bir kontrol yelpazesi sunmaktadır. Bu, özellikle cihazların maksimum devir hızlarına yakın çalıştığı yüksek güç uygulamalarında özellikle geçerlidir. Bu güç kontrol yöntemini kullanan yüksek güç sistemleri, cihaz sıcaklıklarının her zaman tolare edilebilir sınırlar dahilinde kalmasını sağlamak için farklı güç seviyelerinde anahtarlama kayıplarının sonuçlarının ayrıntılı bir termal analizini gerektirir.

Giderilmesiyle güç kontrolü hakkında daha ayrıntılı bilgi için aşağıdaki "LCLR şebeke frekansı yanıtı" etiketli yeni bölüme bakın.

4. Eşleşen ağdaki indüktör değerinin değiştirilmesi.

İnverterin çalışma bobinine verdiği güç, eşleşen ağ bileşenlerinin değerini değiştirerek değiştirilebilir. İnverter ile depo devresi arasındaki L eşleşme şebekesi teknik olarak bir endüktif ve bir kapasitif kısımdan oluşur. Fakat kapasitif parça, çalışma bobininin kendi tank kondansatörüne paraleldir ve pratikte bunlar genellikle bir ve aynı kısımdır. Bu nedenle, eşleşen ağın ayarlanabilen tek parçası, endüktördür.

Eşleştirme ağı, iş makinesinin yük empedansını invertör tarafından tahrik edilmesi için uygun bir yük empedansına dönüştürmekten sorumludur. Eşleşen indüktörün endüktansının değiştirilmesi, yük empedansının çevrileceği değeri ayarlar. Genel olarak, eşleşen indüktörün endüktansının azaltılması, iş bobini empedansının daha düşük empedansa dönüştürülmesine neden olur. İnvertöre sunulan bu düşük yük empedansı invertörden kaynaklanacak daha fazla enerjiye neden olur. Aksine, eşleşen indüktörün endüktansının arttırılması, invertere daha yüksek bir yük empedansının sunulmasına neden olur. Bu daha hafif yük inverterin çalışma bobininden daha düşük güç akışı ile sonuçlanır.

Uyumlu indüktör değiştirilerek ulaşılabilir güç kontrolü derecesi ılımlıdır. Toplam sistemin rezonans frekansında da bir değişiklik var - Bu, L-eşleme kapasitansını ve tank kapasitansını bir üniteye birleştirmek için ödeyeceğiniz bedelidir. Eşleme işlemini gerçekleştirmek için L-eşleşme ağı esasen tank kapasitöründen bazı kapasitelerden ödünç alır, böylece tank devresinin daha yüksek bir frekansta rezonansa bırakılır. Bu nedenle eşleşen indüktör, kullanıcıya tam olarak ayarlanabilen bir güç ayarı sağlamak yerine, ısınacak olan iş parçasına uyacak şekilde kaba adımlarla sabitlenir veya ayarlanır.

5. Empedans eşleştirme transformatörü.

İnverterin çalışma bobinine sağladığı güç, empedans dönüşümünü gerçekleştirmek için dokunulan bir RF güç transformatörü kullanarak kaba adımlarla değiştirilebilir. LCLR düzenlemesinin yararlarından çoğu hantal ve pahalı bir ferrit güç transformatörünün ortadan kaldırılmasına rağmen, frekans bağımlı olmayan bir şekilde sistem parametrelerindeki büyük değişiklikler karşılayabilir. Ferrit güç transformatörü ayrıca, elektrik çıktılarını ayarlamak için elektrik izolasyonu sağlayabilir ve empedans dönüştürme görevini yerine getirebilir.

Buna ek olarak, ferrit güç transformatörü, inverterin çıkışı ile L-eşleşme devresinin girişi arasına yerleştirilirse, tasarım kısıtlamaları bir çok yönden rahatlıyor. İlk olarak, transformatörün bu konumda bulunması, her iki sarımdaki empedansların nispeten yüksek olduğu anlamına gelir. yani voltajlar yüksektir ve akımlar kıyasla küçüktür. Bu koşullar için geleneksel bir ferrit güç transformatörü tasarlamak daha kolaydır. Çalışma bobinindeki devasa dolaşım akımı ferrit transformatörün dışında tutulur ve soğutma problemleri büyük ölçüde azaltılır. İkincisi, transformatör invertörden gelen kare dalga çıkış gerilimini görse de, sargılar sinüzoidal olan akım taşıyor. Yüksek frekans harmoniklerinin olmaması, cilt etkisi ve iletkenler içindeki yakınlık etkisi nedeniyle trafonun içindeki ısıtmayı azaltır.

Son olarak, transformatör tasarımı, sızıntı endüktansı artışı pahasına, minimum sargı içi kapasitans ve iyi izolasyon için optimize edilmelidir. Bunun nedeni, bu konumda bulunan bir transformatör tarafından sergilenen sızıntı endüktansı, sadece L-eşleşme devresindeki girişteki eşleşen endüktansa ilave olmasıdır. Bu nedenle, transformatördeki sızıntı endüktansı, sarımlar arası kapasitans kadar performansa zarar vermez.

6. H köprüsünün faz kayması kontrolü.

Çalışma bobini voltaj beslemeli bir tam köprü (H-köprü) invertör ile çalıştırıldığında, güç kontrolü elde etmenin bir başka yöntemi vardır. Her iki köprü ayağının anahtarlama anları bağımsız olarak kontrol edilebiliyorsa, iki köprü ayakları arasındaki faz kaymasını ayarlayarak güç akışını kontrol etme olasılığını açar.

Her iki köprü ayakları da tam olarak fazda değiştiğinde, ikisi de aynı gerilimi verirler. Bunun anlamı, çalışma bobini düzenlemesinde gerilim olmadığı ve çalışma bobininde hiçbir akım akışı olmadığıdır. Tersine, her iki köprü ayakları faz fazında devreye girdiğinde çalışma sargısı üzerinden maksimum akım akar ve maksimum ısıtma sağlanır. % 0 ila% 100 arasındaki güç seviyeleri, diğer köprü bacağının sürücüsüne kıyasla sürücünün 0 ° ile 180 ° arasındaki köprünün yarısına değiştirilmesi ile başarılabilir.

Bu teknik, güç kontrolünün daha düşük güç kontrolü tarafında sağlanabilmesi nedeniyle son derece etkilidir. Sürücü tarafından görülen güç faktörü daima iyi kalır, çünkü invertör iş bobininin rezonant frekansından ayıklanmaz, bu nedenle serbest dönen diyotlar yoluyla reaktif akım akışı en aza indirilir.

İndüksiyonlu Isıtma Kapasitörleri

Yüksek güç endüksiyonlu ısıtmada kullanılan kondansatörler için gereksinimler belki de her tür kondansatör için en zorlayıcıdır. Bir endüksiyonlu ısıtıcının depo devresinde kullanılan kondansatör bankası, çalışma bobininde akan tam akımı uzun süre boyunca taşımalıdır. Bu akım, genellikle onlarca ya da yüzlerce kilohertzde yüzlerce amperdir. Aynı frekansta tekrarlanan% 100 voltaj değişimine maruz kalırlar ve iş bobini boyunca oluşan tam gerilimi görürler. Yüksek çalışma frekansı dielektrik ısıtma ve iletkenlerde cilt etkisi nedeniyle önemli kayıplara neden olur. Sonuç olarak, saptırılmış endüktans mutlak bir minimumda tutulmalıdır, böylece kondansatör bağlı olduğu çalışma bobininin makul derecede düşük endüktansı ile karşılaştırıldığında yoğun devre elemanı olarak görünür.

Doğru dielektrik seçimi ve genişletilmiş folyo yapım teknikleri, üretilen ısı miktarını en aza indirgemek ve etkili seri endüktansı minimumda tutmak için kullanılır. Bununla birlikte, bu tekniklerle bile, indüksiyon ısıtma kapasitörleri, taşıması gereken muazzam RF akımlarından dolayı önemli güç dağılımı sergilemektedir. Dolayısıyla tasarımlarında önemli bir faktör, dielektrikin ömrünü uzatmak için kondansatör içerisinden etkili bir şekilde ısı çıkarılmasına izin vermektir.

Aşağıdaki üreticiler amaçla yapılmış bileşenler üretmektedir:

High Energy Corp. (İngiltere distribütörü AMS Technologies'dir.)

Vishay Bileşenleri.

Celem Güç Kapasitörleri. İsrail merkezli.

High Energy Corp.'un yüksek güçlü endüksiyon ısıtma kapasitörleri aralığı

Celem Güç Kondansatörlerinden yüksek güç iletim soğutmalı mika kondansatör . Celem 
(Resimler Steve Conner'ın izniyle )

Celem iletken soğutmalı bileşenlerdeki bağlantı plakalarının geniş yüzey alanlarına ve derecelendirme etiketinde yazılı reaktif gç değerine (KVAR) dikkat ediniz. Alüminyum kutuların üst kısmında gösterilen daha yüksek güç üniteleri, su soğutma hortumları için dahili olarak üretilen ısıyı temizlemek için bağlantılara sahiptir.

LCLR ağ frekansı yanıtı

LCLR ağı, iki endüktör, bir kondansatör ve bir dirençten oluşan 3. dereceden bir rezonant sistemdir. Aşağıdaki bode çizimi, şebeke içindeki voltajların ve akımların bazılarının sürücü frekansı değiştikçe nasıl değiştiğini göstermektedir. YEŞİL izler eşleşen indüktörden geçen akım ve dolayısıyla inverter tarafından görülen yük akımını temsil eder. KIRMIZI izler, tank kondansatöründeki voltajı temsil eder; bu, indüksiyon ısıtma iş bobinindeki voltajla aynıdır. Üstteki grafik bu iki nicelikteki AC büyüklüklerini gösterirken alttaki grafik, frekans çeviricideki AC çıkış voltajına göre sinyallerin göreli fazını göstermektedir.

Bode çiziminin genlik bölümünden yalnızca çalışma frekansında (üst kırmızı iz) maksimum gerilimin bir frekansta geliştiği görülür. Bu frekansta iş bobinindeki akım da maksimum seviyededir ve en büyük ısıtma etkisi bu frekansta geliştirilmiştir. Bu frekansın invertörden çekilen maksimum yük akımına karşılık geldiği görülebilir (üst yeşil iz). İnverter yük akımının büyüklüğünün, maksimum ısıtma sağlayan frekansın biraz daha düşük bir frekansta boş olduğuna dikkat etmek gerekir . Bu çizelge bir indüksiyon ısıtma uygulamasında doğru ayarlamanın önemini göstermektedir. Yüksek bir Q sistemi için bu iki frekans birbirine çok yakın. Maksimum güç ile minimum güç arasındaki fark sadece birkaç kilohertz olabilir.

Alt grafiden, maksimum güç noktasının altındaki frekanslar için, çalışma bobini voltajının (yeşil) inverterin çıkış voltajı ile aynı fazda olduğunu görebilirsiniz. Çalışma frekansı arttıkça, çalışma bobini voltajının faz açısı maksimum güçün işlendiği noktada aniden 180 derece boyunca değişir (faz ters çevirme). Bundan sonra çalışma bobini voltajının faz açısı, maksimum güç noktasının üzerindeki tüm frekanslar için invertör çıkış voltajından 180 derece kaydırılır.

Alt grafikte, frekans çeviriciden gelen yük akımının, çalışma frekansı kademeli olarak arttıkça bir değil iki ani faz değişikliği sergilediğini de görebiliyoruz. İnvertör yük akımı başlangıçta, düşük frekanslarda invertörün çıkış gerilimini 90 derece geride bırakıyor. Çalışma frekansı ağın "boş frekansından" geçtiği için yük akımı 180 derece boyunca 90 derecelik faz kablosuna kadar aniden döner. İnvertör akımı maksimum güç noktasına erişilinceye kadar 90 derece ilerliyor ve burada tekrar 180 derece dönüyor ve 90 derece gecikmeli faza bir kez daha geri dönüyor.

Frekans çeviricinin çıkış gerilimi ile aynı fazda olan akımının gerçek güç aktarımına katkıda bulunduğu düşünülürse, bu ani geçişlerin -90 derece ila +90 derece arasında açıkça daha detaylı bir incelemeye ihtiyaç duyduğunu görebiliriz ...

Yukarıdaki bode çizimi boş frekans ve maksimum güç noktası etrafındaki ilgi alanını daha ayrıntılı olarak gösterir. Ayrıca, indüksiyon ısıtma tankı devresinin çeşitli iş parçalarının mevcut olduğu davranışını gösteren bir eğri çizgisi sergiliyor. Bu, şebekenin hiçbir iş parçasının bulunmadığı ve arasında kalan tüm yüklerin bulunmadığı büyük kayıplı bir iş parçasıyla nasıl davrandığına dair bir fikir edinmemizi sağlar.

İş parçası takılı değilken, kayıplar düşüktür ve Q faktörü yüksektir. Bu, üstteki grafikte keskin pik akımları ve voltajları ortaya çıkarır ve alttaki grafikte ani değişen faz kaymaları. Kayıplı bir iş parçası tanıtıldığından, LCLR ağının genel Q faktörü düşer. Bu, invertör yük akımı ve çalışma bobinindeki gerilim arasında daha az rezonant yükselmeye neden olur. Rezonant tepeler, Q faktörü düştükçe daha az boyu olur ve daha geniş olur. Aynı şekilde, daha düşük Q faktörleri için invertör akım dalga formu ve iş bobini voltajı fazı daha az hızla dönmüştür.

Bu grafiklerden, LCLR düzenlemesinin rezonans frekansını ve kontrol gücü çıktısını izlemesi gereken herhangi bir kontrol sistemi için birkaç sonuç çıkarabiliriz. Öncelikle, iş parçası mevcut olmadığında LCLR ağında daha fazla rezonans artışı var. Dolayısıyla, invertörden gelen akım, sistemde önemli bir kayıp olmamasına rağmen çalışma bobini ve tank kondansatör akımlarının gök patlamasını önlemek için düşürülmelidir. İkincisi, eğer invertör sıfır derece kadar hızlı bir şekilde dönmesi nedeniyle bir lider veya gecikmeli bir yük akımı görmemesi halinde, yükü olmayan invertör yük akımı çok doğru bir şekilde izlenmelidir.

Tersine, büyük bir kayıplı iş parçası mevcut olduğunda, LCLR düzenlemesinde doğurduğu daha az rezonant yükselme olacağı ve inverterin, çalışma bobininde istenen seviyedeki akıma ulaşmak için daha fazla yük akımı sağlaması gerektiği söylenebilir. Bununla birlikte, kontrol elektronikleri artık rezonans frekansını çok yakından takip etmeye ihtiyaç duymamaktadır çünkü azaltılmış Q, fazı daha yavaş bir şekilde kaydıran bir yük akımı vermektedir.

Son olarak, LCLR indüksiyon ısıtıcısının rezonans frekansını izlemek için otomatik bir kontrol straterjisi düşünüldüğünde yukarıdaki çizimden birkaç nokta dikkate alınmaya değerdir. Çok kayıplı malzeme parçaları için (veya önemli miktarda toplam kayıp getiren büyük miktarda metaller için), invertör yük akım fazının (alttaki yeşil çizelge) bazen sıfır derecelerden önde gelen faza geçemediğini görebilirsiniz. Bu ağır iş yükleri ile inverter yük akımının faz içi olamayacağı ve her zaman bir miktar geride kaldığı anlamına gelir. Dahası, frekans süpürüldüğünden inverter yük akımı monoton değildir. Dolayısıyla, inverter çıkışındaki Akım Trafosu (CT) üzerinden doğrudan geribildirim uygulanabilir bir seçenek değildir. Hiçbir iş parçasının takılı olmadığı veya sadece ılımlı ısıtma yükleri olmadan iyi çalıştığı görünse de,(Serbest çalışan bir güç osilatörü oluşturmak için bir BT kullanarak inverter çıkış akımından doğrudan geribildirim, düşük yükte salınan ancak iş yükü arttıkça kendi kendine salınımdan yoksun bir tasarıma neden olur.)

Buna karşılık, çalışma bobini voltajı (ve tank kapasitörü voltajı) fazının (alttaki kırmızı grafiğin) gittikçe artan frekansla monoton olduğunu görebiliriz. Dahası, -90 derecelik faz-gecikme noktasından, tam olarak iş bobininin yüklenme derecesine bakılmaksızın maksimum güç sağlayan frekansta geçer. Bu iki avantaj, tank kapasitörü voltaj dalga formunu mükemmel bir kontrol değişkeni yapar. Sonuç olarak, invertör frekansı, maksimum güç çıkışı elde etmek için depo kapasitörü voltajı ve sürücü çıkış voltajı arasında tutarlı bir 90 derece gecikme elde edecek şekilde kontrol edilmelidir. Aşağıda, bode komplo diyagramında bazı ilgi alanlarını etiketleyebiliriz.

Beyaz dikey çizgi, deponun kapasitör voltajının (ve ayrıca çalışma bobini gerilimi) invertör çıkış voltajını 90 derece geride bıraktığı frekansı gösterir. Bu aynı zamanda çalışma bobini boyunca maksimum voltajın geliştiği ve içerisinden maksimum akım akışı gerçekleştiği nokta. Beyaz çizgi, iş parçasında olası maksimum ısıtma efektini geliştirmek için nerede olmasını istediğiniz yerdir. İnvertör yük akımı fazına baktığımızda (alt yeşil çizge), bunun ne kadar hızlı veya yavaş olursa olsun beyaz çizgiyi aştığında, bunun daima 0 derece ile -90 derece arasında olduğunu görebiliriz. Bu, inverterin faz-fazlı veya en kötü durumda güç faktöründe biraz geride bir yük akımı görmesi anlamına gelir. Böyle bir durum, inverterdeki ZVS yumuşak anahtarlamayı desteklemek ve serbest tekerlek diyotu ters-geri kazanım problemlerini önlemek için idealdir.

Beyaz çizginin sağına baktığımızda "İndüktif Yük bölgesi" olarak etiketlenmiş mavi renkte gölgeli alan var. Çalışma frekansı maksimum güç noktasının üzerine çıktıkça, çalışma bobinindeki voltaj azalır ve iş parçasında daha az ısıtma etkisi oluşur. İnverter yük akımı da düşer ve inverterin çıkış gerilimine göre fazda gecikmeye başlar. Bu özellikler, mavi gölgeli bölgeyi, indüksiyonlu ısıtma gücünü kontrol altına almak için kullanmak için ideal bir yer haline getirir. Maksimum güç noktasının yüksek tarafında sürücü sürüş frekansı ayarsızlaştırıldığında, güç çıkışı azaltılabilir ve inverter her zaman gecikmeli güç faktörünü görür.

Tersine, beyaz çizginin solunda "Kapasitif Yük bölgesi" olarak etiketlenmiş bir frekans bandı var. Çalışma frekansı azami güç noktasının altına düştüğünde, çalışma bobini voltajı düşer ve daha az ısıtma etkisi oluşur. Buna rağmen, iş parçasındaki kayıplar düşük ve Q faktörü yüksek olduğunda muhtemelen önde gelen bir faz açısına dönen invertör yük akımı eşlik eder. Önemli yük akımı ZVS'nin kaybolmasına ve artan anahtarlama kayıpları ve gerilim aşırı sapmalarına maruz kalan serbest dönen diyotların zorla ters çevrilmesine neden olduğu için, bu durum bir çok katı hal inverter için istenmemektedir. Dolayısıyla kapasitif yük bölgesi, güç çıkış kontrolü sağlamak için önerilmez.

Düşey mor çizgi, kapasitif yük bölgesinin diğer ucunu işaretler; burada, invertör yük akımı, gecikmeli "Endüktif" yük akımına geçer. Bu ikinci Endüktif bölge, önemli güç çıkışı sağlamadığı ve potansiyel olarak zararlı kapasitif yük bölgesinden geçmeden ulaşılamadığı için pek de ilgisizdir. LCLR şebekesi bir kare dalga invertör voltajından çalıştırıldığında, tahrik frekansının bir harmoniksünde önemli miktarda akım akışı riski vardır. Şemada sadece tamlık için işaretlenmiştir.

Not:Depo kapasitör geriliminin fazı bir kontrol değişkeni olarak önerildi ve yukarıdaki çizelgelerde geniş bir şekilde tartışıldı. Bunun nedeni, bu voltajın yüksek frekanslı bir voltaj transformatörü kullanılarak kolaylıkla algılanabilmesi ve gerekli tüm kontrol bilgilerini sağlamasıdır. İnverter çıkış gerilimine göre 90 derecelik bir faz kayması sergilemekle birlikte (başlangıçta istenmeyen görünebilir), tank kapasitörü akımını algılamaya çalışmaktan daha iyi bir kontrol değişkeni halindedir. Depo kapasitörü akımı invertör çıkışıyla aynı fazda olsa da, bu akım yüzlerce amf olabilir, kapalı çekirdekli ferrit CT'leri pratik yapmaz. Dahası, tank kapasitörü voltaj dalga biçiminin 90 derecelik faz kayması, sıfır geçişlerin, inverterin potansiyel olarak gürültülü anahtarlama zamanlarından uzakta kasıtlı olarak değiştirildiğidir.

Soğutma gereksinimleri

#Su soğutma hakkında yorum ekle #

Isıtma resimleri

  

  

  

  

  

  

  

Dalga Şekilleri

Bu, LCLR iş bobini düzenlemesinin rezonans frekansının yakınına sürülmesi durumunda invertör çıkış akım dalga formunu gösterir. Bu nokta, maksimum güç çıkışı ve dolayısıyla maksimum ısıtma etkisine karşılık gelir. İnvertörün akım yüklemesinin neredeyse saf bir sinüzoidoz olduğunu göz önünde bulundurun.

Bu, doğal rezonant frekansının üzerinde LCLR iş bobini düzenlemesini çalıştırırken inverter çıkış akım dalga formunu göstermektedir. Bu çalışma noktası, düşük güç verimi ve azalan ısıtma efekti sağlar. LCLR iş bobini düzenlemesinin doğal rezonans frekansının üzerindeki frekanslarda, eşleme ağının endüktif reaktansı hakimdir ve invertörün yük akımı uygulanan gerilimi geciktirir. İnverterin kare dalga voltaj çıktısını zamanla entegre eden endüktif yükten kaynaklanan üçgen yük akımına dikkat edin.

Bu, rezonansa yakındığında çalışma bobinindeki normal çalışma voltajını gösterir. Gerilim dalga biçiminin saf bir sinüzoid olduğuna dikkat edin. Bu akım dalga formu için de geçerlidir ve harmonik radyasyonu ve RF girişimini en aza indirir. Bu durumda, çalışma bobinindeki voltaj da frekans çeviriciye verilen DC bus geriliminden daha yüksektir. Bu özelliklerin her ikisi de indüksiyon ısıtma tankı devresinin yüksek Q faktörüne atfedilir.

Bu, çalışma bobininin doğal rezonant frekansının altında bir frekansa bozulduğunda, inverterin çıkış voltajını gösterir. Kare kanalın aşırı yükselme ve düşme sürelerine dikkat edin, aşırı gerilim aşırı aşımı ve zil sesi eşliğinde. Bunların hepsi, bu istenmeyen çalışma modunu sürdürecek şekilde MOSFET gövdesi diyotlarının zorla ters çevrilmesine atfedilir. (Overshoot ve zil, invertör düzeninde parazit salınım haline getiren şok etkisi uyandıran sersemlik endüktansı geri kazanım akım spike'larından kaynaklanmaktadır.)

Bu, çalışma bobininin doğal rezonant frekansının biraz üzerine ayarlandığında, inverterin çıkış voltajını gösterir. Kare dairesinin yükselme ve düşme sürelerinin daha kontrollü olduğuna ve nispeten az miktarda aşırı atış veya zil varlığına dikkat edin. Bunun nedeni, inverter uygun çalışma modunda çalıştığında gerçekleşen Zero Voltage Switching (ZVS) 'dir.

Bu, frekans çeviricinin çalışma bobininin rezonant frekansına tam olarak ayarlandığında çıkış voltajını gösterir. Bu durum aslında maksimum güç çıktısına ulaşmasına rağmen, MOSFET'lerin Zero Voltage Switching (Zero Gerilim Anahtarlaması) 'na pek erişmiyor. Gerilim dalga formunun yükselen ve düşen kenarlarındaki küçük çentiklere dikkat edin. Bunlar, bir sonraki MOSFET'nin açılmadan önce ölü zaman süresince köprü bacağının orta noktasının karşıt besleme hattına tam olarak iletilmemesi nedeniyle oluşur. Uygulamada, invertere sunulan az miktarda endüktif reaktans gerekli dönüşümü sağlamakta ve ZVS'ye ulaşılmasına yardımcı olmaktadır. Bu nedenle bir önceki fotoğraf için açıklanan durum tam olarak ayarlandığı için tercih edilir.