Cung cấp hiệu quả nguồn gia nhiệt cảm ứng

NGUỒN GIA NHIỆT CẢM ỨNG - CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG HIỆU QUẢ

Nguồn cung cấp cho gia nhiệt cảm ứng từ trường phải đáp ứng các yêu cầu khác nhau. Nếu nhìn vào các ứng dụng điển hình từ quan điểm về sức mạnh và tần số cần thiết, nó trở nên rõ ràng rằng cả dải công suất và dải tần số bao gồm từ ba đến bốn bậc logarit. Hình 1 cho thấy một số ứng dụng được sử dụng rộng rãi của điện cảm ứng trong sơ đồ công suất tần số. Vùng được khoanh cho thấy các khu vực chính của ứng dụng. Có rất nhiều ứng dụng khác được nằm bên ngoài khu vực được đánh dấu.

Rõ ràng là nguồn cung cấp năng lượng khác nhau được yêu cầu cho nhiều ứng dụng. Sự khác biệt không chỉ trong dữ liệu điện của thiết bị, mà chủ yếu là trong cấu trúc liên kết mạch. tuy nhiên, có những tính năng phổ biến với hầu như tất cả các loại nguồn cung cấp năng lượng được sử dụng, và chúng có thể được quy cho các tính chất vật lý của sự sắp xếp công việc của cuộn cảm.

TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VIỆC THỰC HIỆN

Bố trí phôi cuộn cảm ứng tương ứng với máy biến áp với cuộn dây thứ cấp bị rút ngắn. Trong sơ đồ mạch tương đương đơn giản, nó có thể được xem như là kết nối song song hoặc hàng nối tiếp của điện trở và điện cảm tương đương. Để phân tích chi tiết hơn, kết nối song song của các thành phần được chọn, như trong Hình 2.

Hình 2. Sơ đồ mạch tương đương và sơ đồ vector của bố trí phôi - cuộn cảm ứng

Về mặt lý thuyết có thể kết nối điện dẫn với phôi gia công trực tiếp với nguồn điện AC. Điều này có thể được thực hiện với tần số của nguồn điện áp có thể được điều chỉnh theo yêu cầu của quy trình. Đối với hầu hết các yêu cầu thực tế có thể thấy rằng dòng điện phản ứng I_L của điện cảm, làm giảm điện áp cung cấp 90 °, sẽ lớn hơn vài lần (với hệ số từ 3 đến 10) so với dòng I_R đang hoạt động, đang cùng pha với điện áp. Điều này được hiển thị ở bên phải trong hình 2 như một sơ đồ vectơ.

Chỉ có I_R hoạt động mới làm cho phôi gia nhiệt. Đúng là dòng điện cảm kháng I_L của inductor là cực kỳ cần thiết để tạo ra từ trường xoay chiều, tuy nhiên nó lại (dòng I_L) không không đóng góp vào năng lượng tiêu hao trong phôi gia công. Vì nguồn điện và các đường truyền phát có thể chịu tải cực cao do cường độ của nó, nên có thể có khả năng không thuận lợi cho cân bằng năng lượng để kết nối trực tiếp cuộn cảm với nguồn điện. Nguồn điện và các đường dẫn truyền sẽ phải được mở rộng trên kích thước để bao gồm các yêu cầu dòng phản ứng.

ƯU ĐIỂM CỦA TẢI CỘNG HƯỞNG

Công suất phản kháng của cuộn cảm không nhất thiết phải được cung cấp bởi nguồn điện, nó cũng có thể được tạo ra trong tải. Một cấu hình tải đơn giản, đã được thử và thử nghiệm trong nhiều năm nay và cho phép phương pháp này, được gọi là mạch dao động. Một mạch dao động được tạo ra khi một tụ điện được kết nối song song hoặc nối tiếp với cuộn cảm. Vì lợi ích của sự đơn giản, nghiên cứu này chỉ đề cập đến một mạch cộng hưởng song song (Hình 3) một mạch cộng hưởng nối tiếp hoạt động tương tự như mạch cộng hưởng song song.

Hình 3. Mạch cộng hưởng LC song song

Dòng I­_C tụ điện dẫn điện áp xoay chiều U lệch pha với hiệu điện thế 90 °. Nó cũng là một dòng phản ứng, tuy nhiên pha của nó bị dịch chuyển 180 ° so với pha của dòng điện cảm ứng I_L. Lượng của cả hai dòng phản ứng phụ thuộc vào tần số. Tuy nhiên, trong khi dòng phản ứng tụ điện tăng lên khi tần số tăng, thì dòng điện phản ứng qua cuộn cảm bị giảm với sự gia tăng tần số. Đối với sự sắp xếp như trong Hình 3, có một tần số chính xác tại đó các giá trị tuyệt đối của cả hai dòng phản ứng là giống hệt nhau, như thể hiện trong sơ đồ vectơ trong Hình 3 bên phải. Tần số này được gọi là tần số cộng hưởng (khi đó, I=I_R)

Vì các pha của cả hai dòng phản ứng là ngược lại, trong trường hợp cộng hưởng thì cảm kháng cuộn cảm được bù hoàn toàn bằng dòng dung kháng của tụ điện. Nguồn điện bên ngoài chỉ phải cung cấp I = I_R dòng điện đang hoạt động, nó không được nạp với bất kỳ công suất phản kháng nào.

Hành vi có lợi của mạch dao động cộng hưởng được mô tả đã dẫn đến việc nó trở thành phương pháp được thiết lập trong hầu hết các ứng dụng gia nhiệt cảm ứng. Một số biến đặc trưng cho mạch cộng hưởng song song được hiển thị bên dưới.

Với cảm ứng gia nhiệt cao tần, tần số cộng hưởng thay đổi trong quá trình gia nhiệt. Cường độ dòng xoáy gây ra trong phôi giảm từ bề mặt vật liệu vào bên trong. Độ sâu thâm nhập [2] là khoảng cách δ từ bề mặt, tại đó mật độ dòng đã giảm xuống còn 1 / e-fold của mật độ dòng bề mặt. Nó phụ thuộc vào tần số cũng như độ dẫn điện cụ thể và tính thấm từ tính của vật liệu phôi. Vì các thông số vật liệu thay đổi theo nhiệt độ và cường độ trường, điện cảm của bố trí phôi dẫn và do đó cả hai, tần số cộng hưởng và dampimg dao động cũng thay đổi. Sự thay đổi tần số cộng hưởng này cần phải được chọn và đánh giá bởi nguồn điện, để tần số hoạt động của nguồn điện phải liên tục theo dõi tần số cộng hưởng của tải cộng hưởng.

Hình 4. Đặc tính tần số của một mạch cộng hưởng song song

Hình 4 cho thấy đặc tính tần số của một mạch cộng hưởng song song. Biểu đồ trên cùng cho thấy độ lớn của trở kháng, và phần dưới cùng cho thấy phản ứng pha của trở kháng phức tạp như một hàm của tần số. Độ lớn tối đa của trở kháng, cũng như sự dịch chuyển pha 0 ° giữa điện áp và dòng điện tại tần số cộng hưởng là đặc trưng của mạch cộng hưởng song song.

RESONANT CONVERTERS

Để gia nhiệt cảm ứng, các loại bộ chuyển đổi tần số khác nhau được phát triển theo thời gian chuyển đổi dòng điện thành dòng điện xoay chiều với các thông số phù hợp với quy trình tương ứng. Hầu hết là bộ chuyển đổi cộng hưởng. Bộ chuyển đổi cộng hưởng (Hình 5) thuộc về một bộ chuyển đổi tần số được sử dụng để cấp nguồn cho tải cộng hưởng. Hầu hết các bộ chuyển đổi cộng hưởng là bộ chuyển đổi gián tiếp (liên kết dc), nhờ đó bộ chỉnh lưu lối vào và biến tần phụ trợ được kết nối bằng bộ đệm năng lượng cảm ứng hoặc điện dung (liên kết dc). Với tất cả các bộ chuyển đổi cộng hưởng, các yêu cầu công suất phản kháng của cuộn cảm có thể được cung cấp cục bộ từ các tụ điện của mạch dao động. Bộ chuyển đổi phổ biến nhất trong lớp này là các bộ chuyển đổi cộng hưởng song song và chuỗi. Tuy nhiên, các hệ thống phức tạp hơn cũng được sử dụng, chẳng hạn như cấu trúc liên kết L-LC chẳng hạn. Bộ chuyển đổi PWM cũng có thể được sử dụng kết hợp với mạch cộng hưởng. Một bộ chuyển đổi trực tiếp cũng có thể được sử dụng để cung cấp một mạch dao động.

Hình 5. Các loại nguồn gia nhiệt cảm ứng

Nói chung, các bộ chuyển đổi phức tạp hơn không thể được sử dụng phổ biến như các bộ chuyển đổi cộng hưởng song song hoặc song song đơn giản. Giới hạn của chúng chủ yếu là do dải tần số giới hạn ở cấu hình bộ chuyển đổi đã cho. Các ứng dụng băng thông rộng không thể thực hiện được với các loại trình chuyển đổi này hoặc rất khó thực hiện.

PARALLEL RESONANT CONVERTERS

Bộ chuyển đổi cộng hưởng song song là một bộ chuyển đổi gián tiếp, được lắp ráp từ một bộ chỉnh lưu được điều khiển hoàn toàn, một liên kết dòng DC và bộ điều khiển tải, tự điều khiển hoặc tải biến tần. Một cuộn cảm song song được kết nối với đầu ra của biến tần. Hình. 6 cho thấy một bộ chuyển đổi cộng hưởng song song với một biến tần IGBT.

Hình 6: Bộ chuyển đổi cộng hưởng song song với biến tần IGBT

Các công tắc chặn ngược được yêu cầu trong bộ biến tần của bộ chuyển đổi cộng hưởng song song. Vì lý do này, các điốt Schottky với các đặc điểm phục hồi mềm được kết nối theo chuỗi với IGBT hoặc MOSFET. Một thyristor là chặn ngược tự nhiên. Nên một bộ chuyển đổi cộng hưởng song song với biến tần thyristor do đó dễ thiết kế.

Do liên kết dc quy nạp, bộ chuyển đổi cộng hưởng song song có các đặc tính của nguồn điện. Sản lượng dòng điện của nó gần như có dạng sóng hình chữ nhật, điện áp được tạo ra ở tải cộng hưởng là hình sin. Hình 7 cho thấy dạng sóng điển hình của dòng điện đầu ra và điện áp của bộ chuyển đổi cộng hưởng song song.

Hình 7: Điện áp và dòng điện của bộ chuyển đổi cộng hưởng song song

Tần số chuyển đổi của một biến tần cộng hưởng song song có nguồn gốc từ tần số cộng hưởng của tải và phải được điều chỉnh lại nhanh chóng trong trường hợp thay đổi tải. Điều khiển công suất thường được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu được điều khiển hoàn toàn. Hệ số công suất dòng bên của bộ chuyển đổi phụ thuộc vào điện áp đầu ra của nó và ngày càng giảm dần trong phạm vi tải một phần.

Trong một thời gian dài của lịch sử phát triển công nghệ, bộ chuyển đổi cộng hưởng song song là hệ thống ưu tiên cho việc gia nhiệt cảm ứng của vật liệu. Khi sử dụng thyristors, hệ thống điều khiển góc tuyệt đối tinh vi cho phép đạt được mức công suất tối đa. Các thành phần công suất có khả năng ngắt, ví dụ như MOSFET transitor hoặc IGBT chẳng hạn (Hình 8) cho phép vận hành cả ở tần số cộng hưởng và với một pha dịch chuyển hơi mang tính điện dung hoặc cảm ứng ở đầu ra biến tần.

Hình 8: Bộ chuyển đổi cộng hưởng song song 800kW, 450V, 200kHz, MOSFET inverter

Bộ chuyển đổi cộng hưởng song song có thể được sử dụng trong dải tần số rất rộng, đạt được hiệu suất hoạt động cao với điều khiển chuyển mạch được tối ưu hóa động. Mạch công suất cao và sự ngắn mạch trên cuộn cảm có thể dễ dàng quản lý. Theo quy định, không cần biến áp đầu ra. Nó chỉ trong trường hợp các cuộn cảm rất ngắn, ví dụ những cuộn cảm thường được sử dụng cho ứng dụng tôi cảm ứng, một biến áp là cần thiết ngay trước cuộn cảm để phù hợp với trở kháng của nó đối với trở kháng đầu ra của bộ chuyển đổi. Một yếu tố công suất yếu trong phạm vi tải một phần là một bất lợi của bộ chuyển đổi cộng hưởng song song.

SERIES RESONANT CONVERTERS

Cuộn cảm cuộn cảm L_L cũng có thể được kết nối với tụ điện C_L đến một mạch cộng hưởng nối tiếp, có thể được sử dụng như một bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp.

Hình 9: Bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp với biến tần IGBT

Bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp là bộ chuyển đổi nạp điện áp. Biến tần của nó được kiểm soát tải và nó có thể được vận hành hoặc tự chuyển mạch hoặc tải chuyển mạch. Công suất có thể được điều khiển bởi tần số của biến tần, điều chế xung điều khiển biến tần hoặc thay đổi điện áp liên kết dc.

Bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp cũng có sẵn cho dải tần số và dải công suất rộng (Hình 10). Vì điện áp cao có thể đạt được tương đối đơn giản với sự trợ giúp của các mạch cộng hưởng nối tiếp, chúng lý tưởng cho các lò nung nóng chảy công suất cao và thường ở bất cứ nơi nào có điện áp cuộn cảm cao. Trong trường hợp của cả hai cuộn cảm nhỏ hơn và các cuộn cảm ngắn, thì một biến áp đầu ra cũng phải được sử dụng.

Hình 10: Bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp 2.400 kW, 800 V, 150 kHz, Biến tần IGBT

Bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp mang lại hiệu quả hoạt động cao nhất trong các kiểu vì chỉ cần một vài thành phần để thiết lập bộ biến tần được chuyển đổi, và các tổn thất chuyển mạch trong biến tần chuyển tải có thể giảm hiệu quả thông qua chuyển mạch tối ưu. Nếu điều khiển công suất được thực hiện bởi hệ thống điều khiển của biến tần, có thể sử dụng bộ chỉnh lưu không kiểm soát được. Bằng cách này, năng lượng tốt có thể đạt được trong mọi điều kiện hoạt động.

CONVERTERS WITH L-LC LOADS

Sự phát triển của điện tử công suất chủ yếu được thúc đẩy bởi công nghệ chuyển đổi cho các hệ thống truyền động điện. Những bộ chuyển đổi này thường có một bộ chỉnh lưu không được kiểm soát, một liên kết điện áp và một bộ biến tần IGBT. Bộ chỉnh lưu không kiểm soát có hệ số công suất lớn hơn bộ chỉnh lưu được điều khiển, có hệ số công suất thay đổi theo góc điều khiển của nó. Vì vậy, topo với một chỉnh lưu không kiểm soát được hệ thống ưa thích cũng trong điều khoản của bộ chuyển đổi cộng hưởng.

Một bộ chỉnh lưu không kiểm soát và một liên kết điện áp là một phần của mạch cơ bản của bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp. Vì, tuy nhiên, một mạch cộng hưởng song song được ưu tiên hơn một mạch cộng hưởng nối tiếp, các giải pháp đã được tìm thấy mà làm cho nó có thể để nuôi mạch cộng hưởng song song từ bộ chuyển đổi nạp điện áp. Điều này không thể được thực hiện trực tiếp. Tuy nhiên, nhiệm vụ có thể được giải quyết bằng cách thêm một cuộn cảm cuộn cảm LS ở đầu ra của

Biến tần (Hình 11). Cấu trúc liên kết này thường được đề cập đến trong tài liệu kỹ thuật như một mạch L-LC. Nhược điểm của loại chuyển đổi này là hệ thống phức tạp hơn nhiều, và quan trọng hơn, dải tần số hữu dụng bị hạn chế đáng kể. Điều này là do giá trị LS phải được thiết kế chặt chẽ cho tần số hoạt động của bộ chuyển đổi.

Hình 11: Bộ chuyển đổi với tải L-LC

Mạch L-LC có hai điểm cộng hưởng (Hình 12): một điểm song song và một điểm cộng hưởng theo chuỗi. Tùy thuộc vào các đặc tính và ứng dụng mạch mong muốn, cả hai có thể được sử dụng. Để điều khiển biến tần, các thuật toán đặc biệt phải được sử dụng để tìm điểm cộng hưởng mong muốn (song song hoặc nối tiếp) và xác định rõ điểm làm việc. Mặc dù mạch L-LC có lợi thế là cả tần số và công suất đều có thể được điều khiển thông qua biến tần. Công nghệ này đã trở nên được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây, mặc dù bộ chuyển đổi L-LC chỉ có thể được sử dụng trong một dải tần số giới hạn. Có nhiều ứng dụng mà dải tần số hoạt động nhỏ là đủ.

Hình 12: Đặc tính tần số của mạch dao động L-LC

CONVERTER WITH PWM INVERTER

Trong bộ chuyển đổi nạp điện áp như trong Hình 11, biến tần có thể được điều khiển theo các thuật toán khác nhau. Các IGBT không nhất thiết phải được chuyển một lần mỗi chu kỳ điện áp tải, như với bộ chuyển đổi L-LC. Vì thế, trong trường hợp tần số hoạt động rất thấp, ví dụ dưới 200 Hz, nó có thể được hưởng lợi để điều khiển biến tần với mẫu xung có trọng số sin (Hình 13), theo đó tần số điều chế giống như tần số cộng hưởng của song song mạch cộng hưởng.

Hình 13: Chuyển đổi với biến tần PWM; top: điện áp đầu ra và dòng điện; dưới cùng: tải điện áp

Trong điều kiện này, dòng đầu ra của biến tần nằm trong pha với thành phần cơ bản của điện áp đầu ra và hầu như không làm biến tần thành công suất phản kháng. Điện áp tải là sinusoidal, giống như dòng điện dẫn. Phương pháp điều khiển được mô tả có nghĩa là các ứng dụng có tần số hoạt động lên đến 200 Hz có thể được sử dụng.

CONVERTER WITHOUT RESONANT CIRCUIT (DIRECT CONVERTER)

CONVERTER KHÔNG CÓ MẠCH CỘNG HƯỞNG (CHUYỂN ĐỔI TRỰC TIẾP)

Bộ chuyển đổi liên kết điện áp dc với bộ biến tần PWM cũng có thể nạp trực tiếp cuộn cảm (Hình 14). Vì không có mạch cộng hưởng và không có tải cộng hưởng tồn tại, tần số đầu ra của bộ chuyển đổi có thể được tự do thay đổi trong khi vận hành. Điều này có thể thuận lợi cho một số ứng dụng nhất định. Công suất đầu ra của bộ chuyển đổi trực tiếp có thể được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng của xung biến tần (Hình 15).

Hình 14: Bộ chuyển đổi trực tiếp không có mạch cộng hưởng

Hình 15: Điều khiển điện áp PWM của bộ chuyển đổi không có mạch cộng hưởng

Mạch này có một bất lợi nghiêm trọng; toàn bộ dòng điện dẫn, bao gồm toàn bộ dòng phản ứng, chảy qua biến tần và cáp kết nối giữa cuộn cảm và biến tần.

Với loại hình cấu trúc liên kết này, biến tần phải vượt quá kích thước. Vì các tổn thất trong các cáp kết nối cho thấy sự tăng squarelaw với dòng điện, hiệu suất của hệ thống giảm tổng thể, so với các bộ chuyển đổi cộng hưởng có cùng mức công suất. Chỉ cần phải liên tục thay đổi tần số hoạt động trong quá trình gia nhiệt có thể biện minh cho việc sử dụng mạch này.

PHẦN KẾT LUẬN

Nhìn vào tương lai, các bộ chuyển đổi cộng hưởng sẽ tiếp tục duy trì vị trí của chúng như các hệ thống cung cấp điện tiêu chuẩn hiệu quả cao cho các ứng dụng gia nhiệt cảm ứng. Bộ chuyển đổi cộng hưởng song song và nối tiếp sẽ vẫn được sử dụng làm hệ thống phổ dụng. Các chất bán dẫn công suất hiện đại cũng như các thuật toán điều khiển tối ưu sẽ dẫn đến giảm thêm các tổn thất chuyển mạch phụ thuộc vào tần số trong biến tần. Điều này có nghĩa là tần số hoạt động tối đa của các bộ chuyển đổi như vậy có thể được tăng thêm.

Các cấu trúc liên kết chuyển đổi mới, chẳng hạn như bộ kết nối điện áp với tải cộng hưởng L-LC, đã đạt được tầm quan trọng đáng kể, mặc dù có một số hạn chế so với các bộ chuyển đổi cộng hưởng song song và nối tiếp. Vì các lý do liên quan đến hệ thống, chúng chỉ có thể được sử dụng trong phạm vi tần số rất hẹp mà không thay đổi thành phần của chúng. Các thành phần bổ sung, chẳng hạn như choke khớp nối, góp phần làm tăng tổn thất.

Bộ chuyển đổi trực tiếp không có mạch cộng hưởng sẽ chỉ được sử dụng cho các ứng dụng cần điều chỉnh liên tục tần số hoạt động trong khi vận hành. Nó là nếu không kém so với bộ chuyển đổi cộng hưởng về hiệu quả của nó mà nó thực sự là không có thay đổi bản địa khi nói đến hiệu quả năng lượng.

Ngày càng có nhiều tầm quan trọng đang được gắn vào một sự giảm thiểu trong hệ thống nhiễu loạn của các bộ chuyển đổi tần số. Nó không chỉ là yếu tố sức mạnh của yếu tố cơ bản đóng một vai trò quan trọng ở đây. Việc tải hệ thống với dòng điện hài hòa có thể dẫn đến nhiều vấn đề khác nhau và cần phải được kiểm tra. Chỉnh lưu xung cao hơn, mạch hiệu chỉnh hệ số công suất hoặc công nghệ lọc tích cực có thể hữu ích ở đây. Sự cải thiện cos φ và giảm dòng hài hòa cả hai dẫn đến việc nâng cao hiệu suất năng lượng của nguồn điện.

Tần số thyristors, sự phát triển hơn nữa trong đó đã gần như dừng lại, bây giờ chỉ được sử dụng bởi một số ít các nhà sản xuất chuyển đổi trong biến tần công suất cao và ở tần số hoạt động thấp. Ngày càng nhiều các thyristor frequency bị các nhà sản xuất ngưng sử dụng, kết quả là việc sử dụng chúng có thể tiếp tục suy yếu.

Do đặc tính thuận lợi của chúng, IGBT là lý tưởng để sử dụng trong các bộ chuyển đổi liên kết điện áp dc dòng lớn. Cấu trúc liên kết này tạo cơ sở cho nhiều loại trình chuyển đổi được mô tả. Phổ biến nhất trong số này là bộ chuyển đổi cộng hưởng nối tiếp và bộ chuyển đổi với tải L-LC. Các bộ chuyển đổi với điều chế PWM có trọng số sin của biến tần cũng có thể được sử dụng để nuôi một mạch cộng hưởng song song thông qua một cuộn cảm ứng.

IGBT và MOSFET là các công nghệ bán dẫn, ở một mức độ nào đó, cạnh tranh với nhau. Đối với MOSFET tần số cao vẫn mang lại nhiều lợi ích hơn so với IGBT, mặc dù phạm vi của các ứng dụng IGBT liên tục phát triển.

Nó sẽ vẫn còn một thời gian trước khi các chất bán dẫn điện từ silicon carbide (SiC) được sử dụng trong các bộ chuyển đổi tần số trung bình và công suất cao. Các IGBT và MOSFETs dựa trên silicon sẽ vẫn là thành phần của sự lựa chọn trong một thời gian dài sắp tới. Các lĩnh vực ứng dụng tương lai cho các thành phần SiC đầu tiên có thể được tìm thấy trong các bộ chuyển đổi tần số cao.

Nguyen Dinh Son