Nagrzewnica indukcyjna 1 kW

Trochę mnie nie było, widzę że temat sie rozwija.
Wybór padł na falownik szeregowo - równoległy.
Kolega slu-1982 przedstawił sposób synchronizacji w amerykańskich rozwiązaniach. Jest to nic innego jak cewka Rogowskiego (o której pisałem) nieco inaczej wykonana. Podane prze ze mnie rozwiązania synchronizacji sterownika SG3525 przy falowniku szeregowym, można dostosować do falownika szeregowo - równoległego właśnie zastępując transformator prądowy cewką Rogowskiego.
Jest ona wprowadzona w obwodzie równoległych elementów kondensatora i wzbudnika. W ten sposób osiągamy pracę z częstotliwością rezonansową obwodu równoległego. Dla takich warunków schemat zastępczy obwodu uprości się do dwóch elementów :
- szeregowego dławika L1
- obwodu równoległego w rezonansie o charakterze rezystancyjnym R = Lo/(Ro Co)
gdzie :
L1 - indukcyjność dławika szeregowego
R - rezystancja w rezonansie obwodu równoległego
Lo - indukcyjność układu wzbudnik - wsad
Ro - rezystancja układu wzbudnik - wsad
Co - pojemność kondensatora równoległego.
Nie wspominam celowo o dodatkowym kondensatorze szeregowym, gdyż jego pojemność powinna być na tyle duża aby nie wprowadzał do obwodu dodatkowej częstotliwości rezonansowej.
O tym że układ powinien pracować z częstotliwością rezonansu obwodu równoległego wie dobrze Kolega slu-1982, gdyż spotkał się z takim problemem w SSTC, tam jednak do synchronizacji użyto antenki ze względów na wysokie napięcia uzwojenia wtórnego. Ponieważ synchronizacja przy pomocy PLL jest dość rzadko stosowana w konstrukcjach amatorskich zaproponowałem synchronizację z zastosowaniem SG3525, zwłaszcza że był on dobrze znany Koledze mosfetkiler.
Podałem obwód "synchronizacja.pdf" i jego podłączenie do wprowadzenia sync (pin 3), przy czym
był on przeznaczony do synchronizacji prądem w falowniku szeregowym. Zmiana przetwornika powoduje, że układ reaguje nie na prąd a na strumień (czyli pochodną prądu po czasie) i umiejscawiając go w torze obwodu równoległego dokonamy synchronizacji falownika szeregowo - równoległego, powinno się przy tym zrezygnować z zastosowania ograniczających napięcie diod Zenera

Jeszcze jedno odnośnie PL180577B1. Pisałem niejednokrotnie, że dla nieodpowiednio dobranych
wartości indukcyjności układ nie będzie sterowany nigdy w zerze prądu, bo tego zera nie będzie.
Jeżeli indukcyjność szeregowa będzie mniejsza niż indukcyjność równoległa układ będzie działał,
to stare rozwiązanie, w którym na początku stosowano tyratrony a potem tyrystory.
Są to rozwiązania zbliżone do zmodernizowanych generatorów iskrowych, jednakże przy ich prostym sterowaniu mają mała moc wyjściową i stanowią raczej ciekawostkę niż rozwiązanie technologiczne problemu.

Nieco obliczeń.
Do przykładowych obliczeń wziąłem przedstawione kiedyś wartości. Założymy że generator tak steruje przełączaniem tranzystorów, że obwód równoległy złożony z kondensatora i równoległego wzbudnika pracuje w rezonansie. Napięcie zasilania falownika jest stałe i wynosi 300V, wartość
indukcyjności szeregowej przyjąłem równą L1 = 13µH, a kondensator ma pojemność Co = 1,3µF
(tu nie ma żadnej zbieżności w stylu "dziesięć razy większy"). Wprowadzmy następujące wielkości

Ud = 300 V - napięcie zasilania falownika
Uo = 0,45 Ud (falownik półmostkowy) - wartość skuteczna napięcia wyjściowego falownika (1- harmoniczna)
Ucsk - wartość skuteczna napięcia na kondensatorze
2πfo = √[1/(LoCo) - Ro²/(4Lo²)] - częstość rezonansowa obwodu równoległego
Q = 2πfoLo/Ro - dobroć obwodu rezonansowego
Isk - wartość skuteczna prądu falownika
Ic = Iwzb = Q Isk - wartość skuteczna prądu kondensatora i wzbudnika
Rz = Lo/(RoCo) - rezystancja obwodu równoległego w rezonansie
Z = √[(2πfoL1)² + Rz²] - impedancja obwodu złożonego z indukcyjności szeregowej i obwodu równoległego w rezonansie
P - moc wydzielana w rezystancji Ro

Temperatura 0°C
Lo = 3 µH
Ro = 0,2 Ω
fo = 80,416 kHz
Rz = 11,53 Ω
Q = 7,58
Z = 13,26 Ω
Isk = Uo/Z = 10,18 A
Ic = Iwzb = 77,2 A
Ucsk = 117 V
P = Ro Iwzb² = 1192 W

Temperatura 520°C
Lo = 4,68 µH
Ro = 0,31 Ω
fo = 64,309 kHz
Rz = 11,61 Ω
Q = 6,1
Z = 12,74 Ω
Isk = Uo/Z = 10,59 A
Ic = Iwzb = 64,6 A
Ucsk = 123 V
P = Ro Iwzb² = 1294 W

Temperatura 740°C
Lo = 2,4 µH
Ro = 0,138 Ω
fo = 89,987 kHz
Rz = 13,37 Ω
Q = 9,83
Z = 15,25 Ω
Isk = Uo/Z = 8,84 A
Ic = Iwzb = 87 A
Ucsk = 118 V
P = Ro Iwzb² = 1044 W

Wziąłem jedynie trzy wartości aby nie zaciemniać obrazu zbędnymi obliczeniami.
Wnioski.
Zmiany częstotliwości rezonansowej są dość duże i nie jest możliwe przeprowadzenie procesu bez
jej zmiany. Zastosowanie synchronizacji umożliwi w tym przykładowym układzie grzejnym pracę
z niewielkimi zmianami mocy.
Wszystko wygląda ładnie i wydaje sie że takie sterowanie powinno rozwiązać problem nagrzewania.
Niestety rzeczywistość wygląda nieco inaczej. Wartość mocy dotyczy układ wzbudnik wsad, dopiero znajomość sprawności wzbudnika pozwala ocenić rzeczywiste zależności w trakcie nagrzewania. Dopóki wsad jest magnetyczny sprawność jest dość duża powiedzmy 85% a ze względu na temperaturę odpływ ciepła ze wsadu jest stosunkowo niski. Sytuacja zmienia się radykalnie przy przekraczaniu temperatury Curie, spada sprawność np. do 65% a jednocześnie
wzrastające straty mocy spowodowane wzrastającą temperaturą powodują zatrzymanie nagrzewania. Ponieważ największa moc występuje dla częstotliwości rezonansowej żadne zmiany częstotliwości nie są w stanie jej podwyższyć, każda regulacja powodująca zmianę częstotliwości
powoduje jedynie zwiększenie prądu tranzystorów oraz jednocześnie zmniejsza moc wydzielaną w obciążeniu. Dlatego też aby umożliwić nagrzewanie należy zwiększyć pojemność kondensatora równoległego (skokowo) po przekroczeniu temp. Curie tak jak to miało miejsce w generatorach maszynowych (i to mimo synchronizacji, ale o tym już kiedyś pisałem).
Dla naszego obwodu przyjmijmy że w temp. 740°C dołączymy dodatkowy kondensator tak aby całkowita pojemność wynosiła 2,3 µF. Mamy :

Temperatura 740°C
Lo = 2,4 µH
Ro = 0,138 Ω
Co = 2,3 µF
fo = 67,586 kHz
Rz = 7,56 Ω
Q = 7,38
Z = 9,36 Ω
Isk = 14,4 A
Ic = Iwzb = 106,4 A
Ucsk = 109 V
P = Ro Iwzb² = 1562 W

Te przybliżone obliczenia dotyczą nagrzewania skrośnego i np. podczas topienia a zwłaszcza hartowania zależności mogą mieć zupełnie inny przebieg.

Nie mylcie różnych obwodów. Dla poprawnej pracy falownika szeregowego w pobliżu rezonansu konieczne jest ograniczanie prądu pobieranego przez falownik gdyż może on wzrastać do wartości
ograniczonych jedynie rezystancjami, dla obwodu szeregowo - równoległego w przypadku występowania rezonansu w gałęzi równoległej prąd ma najmniejszą wartość i można taki falownik
zasilać ze zrodła o stałym napięciu niezależnym od prądu. Jeżeli mówicie o "górce prądu" oznacza to że dostrajacie do rezonansu obwód szeregowego dławika i szeregowego kondensatora (tego , który ma odcinać składową stałą) czyli nie ten co trzeba. Dlatego albo nie stosujcie tego kondensatora (tylko jeżeli nie ma transformatora a dławik szeregowy jest powietrzny) albo jego wartość przyjmijcie tak dużą aby częstotliwość rezonansu szeregowy dławik - szeregowy kondensator była co najmniej 10 razy mniejsza od częstotliwości rezonansu kondensator równoległy - wzbudnik. Stosowanie dwóch zbliżonych do siebie częstotliwości rezonansowych jest dobre DRSSTC ale nie w nagrzewnicy.
Tam zmiany indukcyjności są pomijalne w przeciwieństwie do nagrzewania indukcyjnego.
Ponadto dla obwodu bez kondensatora szeregowego możliwa jest praca z jednym tylko tranzystorem i diodą.

Do mosfetkiler.
Nie wiem jakie są parametry obwodu równoległego, więc nic nie mogę powiedzieć.
Gałąz mostka złożona z kondensatorów pełni ta samą funkcję co kondensator separujący.
Indukcyjność rdzenia ze szczeliną można dość dokładnie obliczyć

Al = 400 π Ae/g [nH/zw²]

Ae - pole powierzchni przekroju poprzecznego rdzenia [m²]
g - długość szczeliny powietrznej [m]
o ile oczywiście nie występuje składowa stała oraz indukcja w rdzeniu jest mniejsza od Bsat.
Dla Twoich danych Al = 220, L = 10,78 µH, f = 34,3 kHz, więc szacunki był prawidłowe.
O dopasowaniu do rezonansu szeregowego przekonał się kinio98 gdy paliły się uzwojenia dławika szeregowego pod wpływem zbyt dużego prądu.

A co do opisu patentowego to układ działa tak. Włączający się tranzystor powoduje przepływ prądu
przez dławik szeregowy doładowując kondensator obwodu rezonansowego, ponieważ czas tego impulsu jest dużo mniejszy od okresu drgań obwodu równoległego jego amplituda musi być bardzo duża. Doładowany kondensator rozładowuje się w układzie równoległym. Potem ponownie załączany jest tranzystor i cykl pracy się powtarza. W falowniku szeregowo - równoległym istnienie
diod zwrotnych (w patencie celowo wprowadzono diodę w szereg z tranzystorem) powoduje odprowadzenie nadmiaru prądu dławika, dlatego tranzystor mogą pracować ciągle ze znacznie mniejszymi prądami. Napisałem "może pracować" co wcale nie oznacza że to się opłaca (duża redukcja mocy).

W "górce prądu" chodzi o prąd wzbudnika, bo jeśli tak to wszystko jasne.
Górka, która ja miałem na myśli odnosiła się do prądu falownika. W takim układzie odwód nie zachowuje się szeregowo, patrz obliczenia przykładowe gdzie Ucsk prawie stałe, tak jak przystało na obwód równoległy (wzrastają prądy nie napięcia).

Co do stosunku częstotliwości to oczywiste jest że liczba 10 jest może za duża. W Twoim przypadku jest to 240/34,3 = 7, a dla 3 też by się nic nie stało. Każdy kto wie o co chodzi wie także, że nieważna jest krotność ale sam fakt dużej różnicy. Aby jednak wszyscy mogli zrozumieć co miałem na myśli przyjąłem tak dużą wartość (lubię okrągłe liczby).

O tym jak zachowuje się obwód szeregowo - równoległy decyduje stosunek indukcyjności szeregowej do równoległej. Jeżeli indukcyjność równoległa jest mniejsza niż szeregowa to "bocznikuje" ona kondensator a obwód posiada cechy zbliżone do obwodu równoległego. Wzrastająca indukcyjność równoległa (np. indukcyjność pustego wzbudnika jest większa niż indukcyjność wzbudnika ze wsadem) powoduje że jej działanie "bocznikujące" kondensator maleje, a obwód przyjmuje cechy obwodu szeregowego. Dlatego ważne jest dla poprawnej pracy takiego falownika zachowanie pewnego minimalnego stosunku indukcyjność szeregowa - indukcyjność równoległa, to powoduje jednak zmniejszenie możliwej mocy wyjściowej. Mamy wiec wybór większe bezpieczeństwo - mniejsza moc, lub na odwrót. W ogólności ze względu na zmienność obciążenia unika się stosowania tego obwodu w "nagrzewnicach uniwersalnych" (tych komercyjnych).

Jeżeli kondensatory (ogólnie jakiekolwiek elementy) łączymy równolegle na szynach, to dla największej równomierności prądu podłączenia powinniśmy wykonywać na przeciwległych końcach
tych szyn (tak aby prąd wpływał z jednej strony, a wypływał z drugiej).
Jeżeli chodzi o wzbudniki to drugi po transformacji miał na pewno większa indukcyjność niż pierwszy. Wezmy dla uproszczenia że stosunek średnicy do wysokości obu wzbudników był taki sam, pierwszy miał N1 = 3 zwoje, drugi N2 = 2 zwoje oraz że średnica pierwszego D1 była dwa razy większa niż drugiego D2.
Stosunek indukcyjności po transformacji (p = 6÷1)

L1/L2 = (D1/D2) [N1²/(p² N2²)] = 0,125
czyli 8 - krotna zmiana indukcyjności równoległej.

Dodatkowo, gdy częstotliwość regulujemy ręcznie i została ona ustawiona na rezonans, a następnie
wyjmiemy wsad ze wzbudnika to obwód równoległy w tych warunkach ma charakter pojemnościowy
i zwiększa prąd tranzystorów. Jeżeli jednak układ sterowania będzie utrzymywał warunki rezonansu w obwodzie równoległym efekt zwiększenia prądu nie wystąpi, prąd będzie mniejszy niż dla wzbudnika ze wsadem.

Kondensatory Celemu są bardzo drogie, ponadto jeżeli stosujemy typy bez wprowadzonego chłodzenia wodnego, należy to chłodzenie dorobić na wyprowadzeniach (typy conduction cooled capacitors).
O wiele rozsądniejsze ceny ma polski producent kondensatorów MITRA, interesowałem się kiedyś ich produktami i ceny są do "przełknięcia" a mogą wykonać pojedynczy kondensator w miarę dostosowany do potrzeb odbiorcy (przynajmniej tak było kiedyś). Warto także zaglądnąć do naszych południowych sąsiadów www.zez-silko.cz/

Dla jednego tranzystora w dławiku pojawi się składowa stała, która może nasycić rdzeń dławika i doprowadzić do awarii (jak sądzę chodzi tu o dławik na rdzeniu ETD 10,78µH).

Chodzi o ten układ z opisu patentowego? Bo jeżeli tak to awaria murowana.

Przykładowe obliczenie układu z patentu. Układ zasilany jest trójfazowo poprzez prostownik z filtrem LC. Na wyjściu prostownika przyjmujemy napięcie Ud = 540 V. Nagrzewnica posiada następujące parametry :
Lo = 50 µH
Ro = 0,3 Ω
Cr = 5 µF
Częstotliwość pracy nagrzewnicy
fo = 10,055 kHz
Obwód ładowania kondensatora
Lr = 5 µH
Indukcyjność zastępcza obwodu ładowania kondensatora
Lz = (Lo × Lr )/(Lo + Lr) = 4.55 µH
Amplituda prądu tranzystora
Im = Ud √(Co/Lz) = 566 A
Czas trwania impulsu ładującego
tp = 15 µs
Czas zaniku drgań (do 1%)
τ = 1,54 ms
Max. częstotliwość powtarzania impulsów ładujących
fi = 1/(τ + tp) = 643 Hz
Energia pojedynczego impulsu
Ei = Pi tp = 2 Im Ud tp = 9,17 J
Max. moc w obciążeniu
Pmax = Ei fi = 5,897 kW
W praktyce moc bedzie nieco mniejsza, można przyjąć że wyniesie ok. 5 kW

Uwaga błąd! Powinno być
Ei = Pi tp = 2 Im Ud tp/π = 2,92 J
Pmax = Ei fi = 1,88 kW

Zgadza sie chodziło tylko o to aby naświetlić różnicę. W obwodach przez Was stosowanych zupełnie inaczej wygląda stosunek indukcyjności szeregowej do równoległej. Aby można mówić o impulsowym doładowywaniu kondensatora indukcyjność szeregowa powinna być kilkakrotnie mniejsza od równoległej. Ja wstępnie przyjąłem wartość 10, co umożliwiło mi przyjęcie założenia że w trakcie impulsu doładowującego wzrost prądu wzbudnika można zaniedbać. Mogłem więc przeprowadzić prostą analizę bez rozwiązywania układu równań różniczkowo - całkowych określających rzeczywisty rozpływ prądów. Sterowanie tego falownika jest wyjątkowo proste (autorzy opisu patentowego nie przyłożyli się tutaj pisząc o wykrywaniu zera prądu tranzystora), tranzystor powinien być sterowany impulsami o długości odpowiadającej połowie okresu drgań obwodu złożonego z indukcyjności zastępczej i pojemności kondensatora. Jeżeli indukcyjność wzbudnika jest dużo większa od indukcyjności szeregowej to można czas impulsu sterującego wyznaczyć z równania :

Ts = 1,05 π √(Lr Cr) (to nie jest czas tp)

Impuls ten można otrzymać z wyjścia przerzutnika monostabilnego (np. 555), który poprzez sterownik (zalecam układ scalony sterownika high side) steruje tranzystorem. Przerzutnik monostabilny można sterować impulsami szpilkowymi o regulowanej częstotliwości.
Dioda szeregowa tranzystora powinna mieć klasę napięciową 2Ud z równolegle podłączonym
dwukierunkowm transilem o napięciu Up wynoszącym ok. 1,5 Ud.
Kondensator ładuje sie max. do 2Ud, dławik Lr dla bezpieczeństwa powinien być powietrzny.
Na wejściu zamiast filtra LC można zastosować zwykły kondensator elektrolityczny wysokiej jakości (ze względu na impulsowy prąd pobierany). Moc pobierana przez urządzenie jest proporcjonalna do częstotliwości powtarzania impulsów doładowujących.

Uwaga!
Jeżeli wartość indukcyjności równoległej jest zbliżona do wartości indukcyjności szeregowej
to wyłączenie tranzystora nie odbędzie się z zerowym prądem. O tym czy tranzystor ulegnie szkodzeniu zadecyduje wartość energii zgromadzonej w dławiku Lr w stosunku do powtarzalnej
energii przebicia lawinowego tranzystora polowego.