Nagrzewnica indukcyjna 1 kW

Zrobię trochę zamieszania i podam rozwiązanie dla kilku kilowatów z falownikiem równoległym.

Podałem ten schemat bo nigdy nie pojawiały się rozwiązania z falownikami zasilanymi ze źródła
prądu. Układ jest o tyle prosty, że nie ma konieczności izolowania sygnałów sterujących tranzystory (obydwa tranzystory na tym samym poziomie napięcia), sygnał sprzężenia jest łatwiejszy do zyskania bo do sterowania służą momenty przejścia napięcia kondensatora przez zero (oczywiście wszystko na układzie PLL). Prądy elementów półprzewodnikowych są niskie, natomiast napięcie na nich wymaga zastosowania tranzystorów o wyższej klasie napięciowej. Przy małym dławiku w obwodzie prądu stałego zasilanie można wprost realizować z autotransformatora poprzez prostownik diodowy bez jakichkolwiek kondensatorów filtrujących.

Pewnie z tą myślą pisano ten artykuł, wskazuje na to także niewielka moc wyjściowa (choć odnosi się ona do obniżonego napięcia zasilania). Układ jest wart uwagi, ponieważ w ogólnodostępnej literaturze występują układy mostkowe lub z transformatorem. Odstąpiono tu także od klasycznej konwencji zasilania falownika równoległego prądem o stałej wartości.
Przy takim podejściu występuje ścisły związek pomiędzy amplitudą napięcia na kondensatorze
a napięciem zasilania. Przy pracy idealnie w rezonansie oraz pominięciu spadków napięć na półprzewodnikach amplituda ta jest dokładnie Π razy większa od napięcia zasilającego.
Regulację mocy można przeprowadzać poprzez zmianę napięcia zasilania (obniżenie mocy), jak i przez przesunięcie impulsów sterujących względem przejścia napięcia przez zero (zwiększenie mocy). Zamiast pary dioda + IGBT można użyć gotowych tranzystorów blokujących wstecznie np. IXRH40N120, przy zastosowaniu których (2 szt.) można przy zasilaniu 200V uzyskać 6 - 10 kW mocy wyjściowej.

Brak kondensatora szeregowego w uzwojeniach pierwotnych transformatorów.
Równoległe połączenie transformatorów oznacza, że są one wykonane idealnie tak samo, a obciążenia strony wtórnej są identyczne. Stosowanie szeregowych rezystorów po stronie pierwotnej i wtórnej jest zbyteczne. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest ich użycie w uzwojeniu pierwotnym transformatora, natomiast pojedyncze rezystory bramkowe warto bocznikować diodami Schotky'ego, zapobiegnie to "przykrym niespodziankom" spowodowanym źle dobranym czasem martwym sterownika głównego. Złe jest podłączenie uzwojeń wtórnych transformatora. Dla tak oznaczonych początków uzwojenia powstaje zwarcie skrośne w gałęziach tranzystorowych. Warto dodać elementy ograniczające przepięcia w obwodzie bramka-źródło. Zgadzam się z mosfetkilerem, że lepszym rozwiązaniem jest stosowanie układu półmostkowego. Pełny mostek warto stosować tylko wtedy, gdy obwód obciążenia dopasowywany jest transformatorem. Takie rozwiązanie ułatwia chłodzenie gdyż zbliżona ilość ciepła jest rozpraszana przez cztery (nie mam na myśli tego schematu) a nie dwa przyrządy. Zgodnie z zastrzeżeniem nic nie wspomnę o wartościach elementów.

Do P.Foryszewski.
Dla podanych wartości elementów częstotliwość rezonansowa obwodu to ok. 43kHz. Jeżeli praca odbywa się przy częstotliwościach 2 do 15 kHz to nie powinno nikogo dziwić zachowanie układu. Dla częstotliwości rezonansowej 5kHz indukcyjność dławika szeregowego powinna wynosić ok. 80uH. Oczywiście to tylko przybliżone szacunki nieuwzględniające rezystancji w obwodzie. Dla pełnego obrazu proszę dokładnie przeczytać artykuł zamieszczony przez mosfetkilera w pierwszym poście z 01.03.2010.

Niestety przez wprowadzenie dodatkowej indukcyjności nie jest to sprawa prosta do obliczeń "na piechotę". Można skorzystać z metodyki zaprezentowanej w artykule, który znalazł mosfetkiler. Można obliczenia prowadzić na ogólnych zasadach w stosunku do napięć i prądów skutecznych pierwszej harmonicznej. Zalecałbym jednak projektowanie tego obwodu w oparciu o któryś z programów symulacyjnych np. PSPICE (Windows), Oregano + SPICE lub GNUCap (Linux). Są one stosunkowo proste w użyciu. Można w nich po narysowaniu schematu na bieżąco zmieniać wartości poszczególnych elementów, napięcie i częstotliwość. Umożliwiają one symulację obwodu falownika także w trakcie rozruchu (i ja tak je używam w odniesieniu do falownika szeregowego, bo obliczenia w stanie ustalonym prowadzę na kalkulatorze programowalnym w oparciu o wyprowadzone równania). Jakiś czas temu prowadziłem symulację falownika LCLR, ale wykasowałem już ten plik, zapewne i tak mało przydatny dla Was ze względu na fakt iż pracuję w Linuksie.

Dopóki masz zbliżone wartości indukcyjności dopóty prądy tranzystorów będą zbliżone do prądu wzbudnika, czyli duże. Żadne wkładanie wsadów stalowych czy regulacja częstotliwości nic tu nie da. Zgodnie z artykułem jeżeli chcesz aby prąd wzbudnika był np. dziesięciokrotnie większy od prądu falownika indukcyjność szeregowa musi być dziesięć razy większa od równoległej. Im gorsze obciążenie (mały cosφ) tym dokładniej jest spełniona ta zależność. Poniżej obwód i przykładowe symulacje pracy falownika. Przebiegi prądów dotyczą dławików i(l_l1) dla L1 oraz i(l_l2) dla L2, a skala jest mylnie wprowadzona i dotyczy kA. Aby uczynić obwód półmostkowy równoważnym mostkowemu napięcie zasilania jest dwa razy większe. Przesunięcie wykresów ponad oś spowodowane jest składowa stałą, która ma wyjątkowo duża wartość dla tego obwodu ze względu na brak w schemacie kondensatora szeregowego. Dla symulacji 30kHz wartość dławika szeregowego zwiększono do 18uH.

Tak mosfetkiler ale przy niewielkiej różnicy wartości indukcyjności szeregowej i równoległej efekt ten nie ma większego znaczenia. Zapewne także w Twoim wykonaniu stosunek ten jest znacznie większy niż 2,8/1,8. Wtedy to (jak zresztą kiedyś dyskutowaliśmy) falownik daje się łatwiej kontrolować a w sterowaniu bardziej przypomina falownik szeregowy (przynajmniej dla częstotliwości okołorezonansowych). Wszystkie Twoje spostrzeżenia są prawdziwe ale pod warunkiem, że indukcyjność szeregowa jest znacznie większa od równoległej czyli tak jak w Waszych praktycznych układach. I jeszcze jedno, tu istotną rolę po wstawieniu wsadu odgrywa zmniejszenie indukcyjności układu grzejnego przez co stosunek Ls/Lr wzrasta. Zwiększenie rezystancji wpływa także na rozsunięcie częstotliwości rezonansowych przez co charakterystyka staje się bardziej płaska co sprzyja sterowaniu. O tym, że wpływ indukcyjności jest o wiele bardziej znaczący niż rezystancji można przekonać się analizując pracę falownika przy jednej z częstotliwości rezonansowych. Dla małych wartości cosφ możemy zapisać

Iw = Ls/Lr × If, gdzie
Iw - prąd wzbudnika
If prąd falownika
Ls -indukcyjność szeregowa
Lr - indukcyjność równoległa

W rezonansie falownik "widzi" jedynie rezystancję Rrez, rezystancja wzbudnika to Ro. Moc od strony falownika wynosi

P = Rrez×If²

Moc we wzbudniku

P = Ro×Iw²

Zaniedbując straty możemy zapisać

Rrez = Ro×Iw²/If² = Ro×(Ls/Lr)²

skąd łatwo widać jak kluczowe znaczenie dla pracy falownika ma stosunek indukcyjności, oraz że zmiana rezystancji ma znacznie mniejszy wpływ.

W ostatnim z równań jest też zawarta odpowiedź na Twoje pytanie odnośnie wpływu szczeliny powietrznej. Mała szczelina powoduje duże zmiany Lr, przy dużej zmiana Lr jest mniejsza i o pracy bardziej decyduje zmiana Ro czyli właściwości wsadu (oczywiście zmiana : przed i po włożeniu wsadu). Ja z kolei próbuję przekonać do stosowania choć najprostszych obliczeń i wykorzystania darmowych symulatorów. Jakbyśmy zresztą się nie spierali i tak obaj musimy przyznać, że każda metoda prowadząca do poprawnych rozwiązań jest tak samo dobra.