Силовая электроника №1'2005

Измерение параметров индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным

Юрий Болотовский
Леонид Гутин
Иван Таназлы
Александр Шуляк


Высокочастотные источники питания для индукционного нагрева металлов занимают особое место среди устройств силовой электроники. В настоящее время известно достаточно большое количество силовых тиристорных и транзисторных схем, реализующихся в источниках питания для индукционного нагрева. Вне зависимости от типа применяемой схемы, процесс согласования индуктора с источником питания в ряде случаев представляет собой достаточно сложную задачу, для облегчения решения которой необходимо знание параметров индуктора при индукционном нагреве. Одному из способов экспериментального определения этих параметров посвящена эта статья.


Индуктор представляет собой систему из проводов, создающих высокочастотное электромагнитное поле, и нагреваемого проводящего материала. Следует отметить нелинейность этой системы, определяемую различным поведением нагреваемого материала в полях с различными на-пряженностями и частотами. Этим определяется нежелательность измерения параметров системы «индуктор — проводящий материал» при напряжениях и токах, протекающих в индукторе и существенно отличающихся от тех, которые характеризуют систему в номинальном режиме работы.

Известны способы и устройства для измерения добротности Q индукторов [1, 2]. В данных устройствах измерение Q производится на малых токах, что в ряде случаев может привести к погрешностям, необходимости пересчета полученных параметров или увеличению объема экспериментальных работ при согласовании источника питания с индукторами для индукционного нагрева. Рассмотрим разряд конденсатора C на упрощенную эквивалентную последовательную схему замещения индуктора, состоящую из активного сопротивления R и индуктивности L (рис. 1). Коммутация в схеме производится идеальным ключом K.

Рис. 1. Схема разряда конденсатора на эквивалентную последовательную схему замещения индуктора
Рис. 1. Схема разряда конденсатора на эквивалентную последовательную схему замещения индуктора

Будем считать, что сопротивление R состоит из трех сопротивлений

 

Rинд=R1+R2 (1)

 

где R1 — сопротивление индуктора, учитывающее потери в меди; R2 — приведенное суммарное сопротивление нагреваемого тела; R3 — сопротивление ключа, вносимое в контур.

Определим также сопротивление индуктора:

Общеизвестно, что ток в цепи, приведенной на рис. 1, описывается следующим выражением:

 (2)

где U0 — напряжение, до которого заряжен конденсатор в момент замыкания ключа;

Мгновенное значение кривой тока (2) приведено на рис. 2.

Рис. 2. Мгновенное значение кривой тока в схеме для измерения параметров индуктора
Рис. 2. Мгновенное значение кривой тока в схеме для измерения параметров индуктора для индукционного нагрева

Определим декремент затухания

(3)

 Из (3), логарифмируя и преобразуя, получим:

 (4)

Далее:

Отсюда:

 (5)

Из (5) получим:

 (6)

Считая C известным, из (6) получим Li:

(7)

Из (7) и (4) получим Ri:

(8)

Таким образом, для схемы, приведенной на рис. 1, по осциллограмме (рис. 2) определяется значение Ti и соответствующий этому значению декремент затухания Δi, а затем по формулам (7) и (8) вычисляются значения Li и Ri. Если имеется возможность вычисления по осциллограмме нескольких значений Ti и Д;, то для каждой из этих пар вычисляются Li, Ri, после чего L и R вычисляются как среднее значение соответствующих Li и Ri.

На рис. 3 приведен упрощенный вариант принципиальной схемы экспериментальной установки индукционного нагрева(не показана система заряда емкости С).

Рис. 3. Упрошенный вариант принципиальной схемы экспериментальной установки
Рис. 3. Упрошенный вариант принципиальной схемы экспериментальной установки индукционного нагрева

В данной схеме ключ K (рис. 1) заменен встречно-параллельно включенными тиристорами VS1, VS2, отпирающие сигналы на которые подаются от системы управления. Емкость С заменена емкостями С1, С2, С3 (количество емкостей показано условно), которые подключаются к схеме через ключи К1, К2, К3, позволяющие вручную менять величину разрядной емкости. Токовый сигнал снимается с помощью датчика тока, в качестве которого может быть использован низкоомный безындуктивный шунт или трансформатор тока, выполненный на ферритовом кольце. Кривая тока фиксируется с помощью осциллографа с памятью. Лучше всего использовать осциллограф, позволяющий осуществлять цифровую обработку зафиксированной кривой.

Проиллюстрируем процесс измерения параметров индуктора на модели, построенной в среде OrCAD 9.2 (рис. 4).

Рис. 4. Схема модели, иллюстрирующая определение параметров индуктора
Рис. 4. Схема модели, иллюстрирующая определение параметров индуктора

Здесь применены тиристоры ТБ143-630-14, описываемые следующей моделью [3]:

.subckt TB143-630-14  anode gate cathode

*    «Typical» parameters

X1 anode gate cathode Scr params:

+Vdrm=1500v Vrrm=1500v Ih=500ma Vtm=2.0v Itm=1980

+dvdt=1e9 Igt=320ma Vgt=2.5v Ton=3.2u Toff=32us

+Idrm=70ma

*    01-6-4 Kurai.

ends

Управление тиристорами осуществляется с помощью источников постоянного напряжения VDC, емкость С1 заряжена до напряжения 310 В (начальные условия). Параметры элементов приведены на рис. 4.

Результаты моделирования приведены на рис. 5.

На нижней осциллограмме приведена кривая тока через индуктор, а на верхней — сопротивление тиристоров VS1, VS2, полученное как частное от деления напряжения на тиристорах V(C1:2, VS1:Cathode) на ток I(R1). Обозначим его RT.

В соответствии с обозначениями, приведенными на рис. 2, и по осциллограммам, приведенным на рис. 5, заполним таблицу 1.

В таблице 1 в столбце I приведены i-е значения амплитуд токов (см. рис. 2), в столбце t — время в микросекундах ti, соответствующее i-му значению амплитуды тока, в столбце T — разница между ti+2 и ti, в столбце Δ — отношение Ii к Ii+2, в столбце RT — сопротивление тиристора в момент времени, соответствующий Ii, в столбце L — значение индуктивности индуктора Li, вычисленное по формуле (7), в столбце R — суммарное сопротивление Ri, вычисленное по формуле (8), в столбце RTC — среднее значение i-го и i+2-го сопротивлений тиристора, в столбце Rинд — сопротивление индуктора, равное разности между Ri и RТСi.

По табличным данным, средние значения вычисленных индуктивности и сопротивления составляют L = 99,996 мкГн, Rинд = 0,08096 Ом. Очевидно, что приведенный пример является нереальным, поскольку такая точность измерения на экспериментальной установке невозможна. Пример приведен для иллюстрации достоверности алгоритма вычисления.

Примем, что точность снятия информации с осциллографа— 10%. По таблице 1 с учетом случайного разброса параметров Ii и ti, исходя из предельно допустимого отклонения в 10%, построена таблица 2.

Средние значения полученных по таблице 2 значений индуктивности и сопротивления индуктора составляют L = 99,11 мкГн и Rинд = 0,0801 Ом. Для получения значений сопротивления R1, учитывающего потери в меди, необходимо провести вышеописанный эксперимент для индуктора, из которого удалено нагреваемое тело.

Некоторые соображения по зависимости изменения L, R1 и R2 от частоты и материала нагреваемого тела приведены в известной книге [1].

Для измерения параметров индуктора для каждого типа тиристора, применяемого в качестве ключевого элемента (см. схему на рис. 3), с помощью моделирования в среде OrCAD следует получить значения сопротивлений RTi в зависимости от токов Ii.

В таблице 3 такие значения приведены для тиристора ТБ143-630-14. В случае необходимости получения значений тока между приведенными значениями Ii используется линейная интерполяция.

Таблица 3. Зависимость сопротивлений тиристора от амплитудных значений тока через индуктор
Таблица 3. Зависимость сопротивлений тиристора от амплитудных значений тока через индуктор

Таким образом, методика экспериментального определения параметров индуктора сводится к следующему:

1. Необходимо изготовить экспериментальную установку в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3. Количество подключаемых емкостей определяется диапазоном требуемых частот и измеряемыми параметрами индуктора. Для более точного подбора величины емкости рекомендуется использовать следующий ряд емкостей: 1; 2; 4; 8; 16; 32; 64… мкФ. Применение такого ряда позволяет получать любую величину емкости с точностью до 1 мкФ. Для питания схемы необходим блок питания, обеспечивающий получение плавно изменяемого напряжения на емкости. Фиксация кривой тока через индуктор (см. рис. 2) производится с применением осциллографа с памятью. Для повышения точности желательно наличие цифровой обработки кривой.

  1. Исходными данными для эксперимента являются рабочее напряжение U индуктора и частота f. По значению напряжения U определяется напряжение U0, до которого необходимо зарядить разрядную емкость. Путем подбора величины разрядной емкости находится частота, максимально близкая к заданной.
  2. По полученной осциллограмме определяются значения Ii и ti для максимально возможного i.
  3. Для зафиксированных значений Ii по таблице 3 с использованием в случае необходимости линейной интерполяции определяются значения RT.
  4. Производится расчет L и Rинд по формулам (7) и (8).

Полученные по приведенной методике параметры индуктора могут использоваться для определения его КПД, coscp, а последовательная схема замещения с этими параметрами может применяться при моделировании системы индукционного нагрева.

Литература

  1. Бабат Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. М.: Энергия. 1965.
  2. Rudnev V., Cook R., Loveless D., Black D. Induction Heat Treatment. Basic Principles, Computation, Coil Construction, and Design Consideration. Modern Power Supplies, Load Matching, Process Control and Monitoring. New York — Basel — Hong Kong. Marcel Dekker Inc. 1997.
  3. Болотовский Ю. И., Таназлы Г. И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная» книга. М.: Солон-Пресс. 2005.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_01_104.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо