HU196683B - Pulse-operation supply unit without choke for induction heating - Google Patents

Description

A találmány tárgya indukciós melegítés céljára szolgáló olyan egyszerű felépítésű impulzusüzemű tirjsztoros tápforrás, amely főáramkörében fojtótekercset nem tartalmaz. Ez a tápforrás az eddigi rezgőkörös tiriszioros invertereknél általában kisebb helyigényű és tömegű, olcsóbb kivitelű és jobb hatásfokú, valamint rugalmasabb üzemű. További költségmegtakarítást jelent, hogy az esetek nagy részében szükségtelen az egyenfeszültséget szolgáltató tápfonás feszültségének változtatása, mert a találmány szerinti tápforrás teljesítménye a rezgőkörben lévő tirisztor gyújtásával zérustól a névleges értékig folyamatosan változtatható.

Az indukciós hevítés bizonyos technológiai alkalmazásásainál célszerű, vagy elkerülhetetlen a váltakozóáramú hálózatról vett villamos energia átalakítás nagyobb frekvenciájúvá.Ezt a feladatot újabban egyre inkább félvezetős tápforrásokkal oldják meg. A Középfrekvenciás tartományban azok a rezgőkörös tirisztoros tápforrások terjedtek el leginkább, amelyek közel szinuszos induktorfeszültséget szolgáltatnak. Ilyen tápforrásokat ismertetnek pl. a következő szakkönyvek: Berkovics, Ivenszkij, Joffee, Matcsak, Morgun: Nagyfrekvenciás tiriszioros átalakítók. Energia Kiadó Leningrád 1973. és Heumann, Stumpe: Tirisztortechnika. Műszaki Könyvkiadó 1971./5.3.4. Rezgőkörös inverterek 200—208 old.). Ezen inverterek hátrányai közé tartozik, hogy nem elég nagy a határfrekvenciájuk, nem eléggé rugalmas űzeműek, továbbá teljesítményszabályozásuk és indításuk nehéz' kés.

A legújabb kutatások — felismerve, hogy nem szinuszos induktorárammal is lehet hevíteni — különböző impulzusüzemű tápforrások létrehozására irányultak. Ezen invertereknek legfőbb előnyük, egyszerűségük és olcsóságuk mellett, abban mutatkozott meg, hogy azonos szabaddáválási idejű tirisztorral sokkal nagyobb határfrekvenciát lehetett elérni. További előnyt jelent az egyszerű teljesítményszabályozás és azonnal indítás. Legfőbb hátrányuk, hogy egyrészt a főáramkörben lévő fojtótekercsben keletkező veszteség, másrészt az induktoráramban lévő egyenáramú összetevő miatt kisebb a hatásfokuk. Ilyen invertert ismertet Peter: Réalisation d’un onduleur 40 kHz a thiristor rapidé. Electronique et Microelectronique Industrielles. 1976. No.236. folyóiratcikkében és Koller, Tevan, Tevanné: Impulzusüzemű tápforrás indukciós melegítés céljára című, 1982-ben benyújtott 186.043 lajstromszámú HU szabadalmi leírásban.

A találmány célja az, hogy olyan impulzusüzemű tápforrást hozzunk létre, amely az impulzusüzemű tápforrások előnyét megtartva vagy növelve, azok legfontosabb hátrányát már nem hordozza, azaz fojtótekercs nélküli kivitelű és az induktoráramban nem keletkezik egyenáramú összetevő. Ezáltal nemcsak az impulzusüzemű, hanem valamennyi tiriszioros tápforrásnál általában nagyobb hatásfokú^ és egyéb paramétereit tekintve is jobb tápforrást valósíthatunk meg.

A találmány rajzok alapján ismertetjük. A mellékelt rajzokon az 1. ábra a találmány szerinti tápforrás főráamkörének kapcsolási vázlatát szemlélteti, a 2. ábra a tápforrás állandósult állapotbeli működése közben mutatja be az I induktor áramának és a C kondenzátor feszültségének időfüggvényeit.

Az előbbiekben megjelölt célnak megfelelően a találmány fojtótekercs nélküli impulzusüzemű tápforrás indukciós melegítés céljára, amelynek lényegét képező főáramköre töltő tirisztort, kisütő tirisztort, kisütő diódát és kondenzátort tatalmaz, továbbá ezen főáramkor bemeneti kapcsain egyenfeszültségű tápforrásra, kimeneti kapcsain betéttel ellátott induktorra csatlakozik, amelyet az jellemez, hogy az 1. ábra szerint bemutatott főáramkörben az 1 első bemeneti kapocs az egyenfeszültségű tápforrás negatív pólusáho? és a T2 töltő tirisztor katódjához, a 2 második bemeneti kapocs az egyenfeszültségű tápforrás pozitív pólusához, a TI kisütő tirisztor .anódjához és a Dl kisütő dióda katódjához van kötve, valamint a főáramkör első kimeneti kapcsa közös a 2 második bemeneti kapoccsal, amelyhez a B betéttel ellátott I induktor egyik kapcsával csatlakozik, és ezen I induktor másik kapcsa a 3 második kimeneti kapcsot képezi, amely a C kondenzátoron keresztül a 4 csomóponthoz van kapcsolva, mely 4 csomóponthoz a T2 töltő tirisztor és a Dl kisütő dióda anódja, valamint a TI kisütő tirisztor katódja is be van kötve.

A találmány lényegét és újszerűségét az 1. ábrán látható főáramkor jelenti. Ehhez a főáramkörhöz olyan vezérlő, szabályozó és védelmi elemek is kapcsolódnak, amelyek a találmány szerinti tápforrás működéséhez szükségesek. Minthogy ezek az elemek a találmány lényegét nem érintik, továbbá közismert és azonos értékű megoldások egyikének alkalmazását jelentik, részletes bemutatásukat mellőzzük. Felépítésüket csak olyan részletességgel tárgyaljuk, amely a találmány szerinti berendezés működésének megértéséhez feltétlenül szükséges.

Az 1. ábra szerinti főáramkor bemenete egyenfeszültségű tápforrásra csatlakozik. Az egyenfeszültségű tápforrás az esetek nagy részében olyan egyenirányító lehet, amelynek kapcsaira simító kondenzátor van kötve. Az egyenirányító sokféle kivitelben képzelhető el: három-, vagy egyfázisú hídkapcsolású diódás, esetleg tirisztoros stb. Az utóbbi költségesebb megoldást a találmány szerinti tápforráshoz általában nem kell használni, mert a teljesítmény folyamatos szabályozását maga az Inverter megoldja. A főáramkor kimenetére az I induktor van bekötve, amely mágneses csatolásban van a hevítendő B betéttel. Az I induktor a főáramkor kimenetére nemcsak az 1. ábrán láthatóan, közvetlenül, hanem középfrekvenciás illesztő transzformátor közbeiktatásával is csatlakozhat. A vezérlési, szabályozási és védelmi igények kielégítése szükségessé teneti, hogy a T2 töltő tirisztor andóját az egyenfeszültségű tápforrás pozitív pólusához, katódját a 2 második bemeneti kapocshoz kell kötni. Ez esetben megszűnik a pozitív és 2 második bemeneti kapocs összekötése, és n* egyenfeszültségű tápforrás negatív pólusa a 4 csomóponthoz van bekötve. Hasonló okból helyet cserélhet a C kondenzátor és az I induktor is. Ezen esetleges változtatások hatására a találmány lényegét képező 1. ábra szerinti főáramkor változatlan marad.

A találmány szerinti berendezés a következőképEi működik. Abból indulunk ki, hogy a berendezés apcsolt helyzetben van, a C kondenzátor töltetlen, továbbá a TI kisütő tirisztor és a T2 töltő tirisztor zárt állapotban van. Az indítás első lépéseként egy Rj nagyságú ellenállással áthidaljuk az 1 első bemeneti kapcsot és a 4 csomópontot. Ezen az ellenálláson keresztül a C kondenzátor aperiodikusan feltöltődik a tápfeszültség U_o értékére ha Rj értékét úgy választjuk meg, hogy az:

egyenlőtlenség fennálljon, ahol Rg az I induktor hatásos ellenállásának, Lg az induktivitásának az értéke, Cg pedig a C kondenzátor kapacitásának értéke fg sajátfrekvenciájú szinuszos táplálás mellett. Az (í) egyenlőtlenség felírásakor elhanyagoltuk a Cg-nél sókkal nagyobb értékű, az egyenfeszültségű tápforrás kapcsain lévő simító kondenzátor hatását. Az aperiódikus feltöltődés két időállandóval zajlik le, amelyek közül a nagyobbik négyszeres értékénél a töltés gyakorlatilag befejezettnek tekinthető (a C kondenzátor feszültsége U_Q értékű). Ezután az R^értékű ellenállást kikapcsoljuk, miáltal a T₂ töltő tirisztor az egyenfeszültségű tápforrás negatív pólusát a 4 csomóponttól ismét elválasztja. Következő lépésként egy megfelelő teljesítményű első impulzusgenerátor segítségével tűszerű feszültségimpulzust kapcsolunk a 4 csomópont és az 5 kisütő vezérlő elektróda (a TI kisütő tirisztor vezérlő elektródája) közé. Ha ez az impulzus a 4 csomóponthoz képest pozitív polaritású, akkor az feszültséggel nyitó irányban előfeszített Ti kisütő tirisztor vezetni kezd. Ennek hatására az l induktor és a C kondenzátor alkotta, veszteséges rezgőkörben egy T = 1/fg periódusideig tartó, csillapodó áramlengés keletkezik. Ezt az áramot egyik irányban a TI kisütő tirisztor, a másik irányban a Dl kisütő dióda vezeti. A lengés feltétele az

R_s < 2 1 ^S_ ₍2) egyenlőtlenség fennállása. Az áramlengés közben a C kondenzátor feszültsége is csillapodó lengést végez és a T periódusidő elteltével - Ui i <U_Q feszültség marad rajta, tehát energiájának egy részét elvesztette. Mivel a T periódusidőnek megfelelő időtartamban a 4 csomópont és a 2 második bemeneti kapocs között gyakorlatilag rövidzár van (a Ti kisütő tirisztor vagy a Dl kisütő dióda folyamatosan vezet), a T2 töltő tirisztor U_Q feszültséggel nyitó irányban elő van feszítve. A T periódusidő elteltével a 4 csomópont és a 2 második bemeneti kapocs között ugrásszerűen megjelenik a C kondenzátor U! j értékű maradékfeszültsége. Ezzel a feszültségugrással vezérlünk egy második ímpulzusgcnerátort, amely az Un maradék feszültség fellépésének pillanatában megfelelő teljesítménynyel tűszerű feszültségimpulzust kapcsol az 1 első bemeneti kapocs és 6 töltő vezérlő elektróda közé. Ez a feszültségimpulzus az I első bemeneti kapocshoz képest pozitív polaritású, így az ekkor (U_Q-U) i) feszültséggel nyitó irányban előfeszített T2 töltő tirisztor vezetni kezd és közben egy fél periódusideig (T/2) tartó csillapodó lengéssel a C kondenzátor az I induktoron keresztül U j > U_Q feszültségre töltődik át. A töltőáram nullátmenetének pillanatától kezdve a T2 töltő tirisztorra (U—j-υθ) záróirányban feszültség kerül, amely viszonylag nagy értékű és így hatásosan megggyorsítja a T2 tirisztor szabaddá válását. A C kondenzátor U_mj feszültségre töltött állapotban marad mindaddig, amíg az első impulzusgenerátor T impulzuskövetési idő múlva újabb feszültségimpulzusf ad a 4 csomópont és az 5 kisütő vezérlő elektróda közé. Ha fennáll a

Tj>l,5T + tq₂ (3) reláció, ahol tq₂ a T2 töltő tirisztor szabaddá válási ideje, a berendezés folyamatosan működik és beáll az állandósult állapot. A (3) reláció az első impulzusgenerátorral automatikusan is betartható pl. úgy, hogy az a második bemeneti kapocs és a 4 csomópont között érzékeli a Dl kisütő dióda áramának megszűnésekor a T periódusidőnként fellépő feszültségugrást, és ehhez képest adja az impulzusokat. A találmány szerinti tápforrás működésének természetesen az is feltétele, hogy a TI kisütő tirisztor tq₂ szabaddá válási idejére fennálljon a

T reláció. Ha azonos szabaddá válási idejű tirisztorokat (tqi=tq₂) alkalmazunk, a Tj/T=2, feltételt kell betartani.

Ennek határesetében, állandósult állapotbeli működés közben mutatjuk be a 2. ábrán az I induktor áramának (i) és a C kondenzátor feszültségének (U_&) idő függvényeit az induktor-betét rendszert jellemző cosipA),3 fázisténvező esetén, ahol cos^ = )|r_s ² 3 (2π f_s Lg)²

Állandósult állapotban a C kondenzátor legnagyobb feszültsége valamivel kisebb, mint az indításkor fellépő U_mj maximális érték. Igazolható, hogy az U_mi/U viszonyszám cos^ változásának függvényében 1,4 érteknél kisebb.

Az 1. ábrán bemutatott esetben az első impulzusgenerátor Tj = 2T időnként adja a vezérlő impulzusokat. Ha erre méretezzük a berendezést, akkor az ilyenkor a névleges teljesítményt adja le, amely folyamatosan csökkenthető elvben zérus értékig azáltal, ha az impulzuskövetési időt T· - 2T értéktől kezdve, az első impulzusgenerátorba való külső beavatkozással folyamatosan megnöveljük.

A teljesítményszabályozás másik módja, ha Ti/Z= = állandó értéket tartva, az első impulzusgenerátort periodikusan ki-be kapcsolgatjuk (impulzuscsomag-vezérlés). Kikapcsolás után a C kondenzátor U_m feszültségre feltöltött állapotban marad, tehát az impulzusgenerátor bekapcsolásakor az újraindítás állandósult állapotból folytatódik.

Az 1. ábra szerinti induktoráram felharmonikus-tartalmát megvizsgálva megállapítható, hogy a T^/T=2 viszonyszámmal jellemzett tápforrás indukciós hevítés szempontjából mértékadó Frekvenciája a közepes értéknek tekinthető costp=0,3 esetén 0,8 fg értékű (cos^=0,05 esetén 0,85 fe, cosi/M),6 esetén 0,77 fg a mértékadó frekvencia). Ez azt jelenti, hogy a tirisz-31 torok szabaddá válására 0,4 T idő áll rendelkezésre, amely nagyobb, a 186,043 lajstromszámú HU szabadalmi leírás szerinti impulzusüzemű tápforrás tirisztorának szabaddá válásához rendelkezésre álló időnél, de sokkal nagyobb (3,2-szerese) a hídkapcsolású inverterekre vonatkozó értéknél. A találmány szerinti tápforrással - azonos szabaddáválási idejű tirisztorokkal- tehát 3,2-szer nagyobb határfrekvenciájú berendezések létesíthetők, mint a hídkapcsolású inverterekkel. Az induktoráram vizsgálatával az is igazolható, hogy a találmány szerinti tápforrás működésekor — a cosip és T;/T értékétől függetlenül - egyenáramú öszszetevő sohasem lép fel.

A tirisztorok kihasználásának a különböző inverterekben való összehasonlítására bevezetünk egy kihasználási tényezőt:

P ''UzWf ahol P a tápforrás teljesítménye, U a tirisztorokra eső maximális záróirányú feszültség, a tirisztorokon átfolyó áram négyzetes középérteke. Az U_z.I_eff szorzat szerinti mennyiséget nevezzük a tirisztorok teljesítményének. A találmány szerinti tápforrás tirisztorainak kihasználási tényezője gyakorlatilag azonos a 186043 lajstromszámú HU szabadalom szerinti impulzusüzemű tápforráséval, a hídkapcsolású inverter tirisztorainak , kihasználási tényezőjénél cosi^<0,5 esetén kisebb, cosy>>Q,5 esetén nagyobb (cosip=0,l-nél kb. 0,5-szeres, cos^=0,3-nál kb. 0,8-szoros, cos9?=ö,8 nál kb. 1,2-szeres értékű.) A tirisztorok ára azonban szabaddáválási idejük csökkenésével erősebben nő, mint teljesítményük növekedésévé], A találmány szerinti tápforrás 3,2-szeres egyenértékű határfrekvenciáját figyelembe véve, tehát még cosi/J=0,l esetén is sokkal olcsóbb tirisztorokkal lehet a fojtótekercs nélküli impulzusüzemű tápforrást megvalósítani.

A találmány szerinti impulzusüzemű tápforrás az eddigiektől eltérően fojtótekercset nem alkalmaz, A fojtótekercs szerepét maga az I induktor veszi át, tehát abban hasznos hővé alakul a C kondenzátor töltésekor átfolyó áram hatására létrejövő veszteség. Igazolható, hogy a fojtótekercs veszteségi teljesítményének elmaradása-más veszteségforrásokat is figyelembe véve — a legtöbb gyakorlati esetben azt eredményezi, hogy a találmány szerinti tápforrás hatásfoka a hídkapcsolású inverternél nagyobb. A hatásfok növekedés a hídkapcsolású inverterekkel szemben elérheti az 5%-ot. A 186.043 lajstromszámú HU szabadalmi leírás szerinti inverterekkel szemben ennél még több a hatásfok növekedése. Ennek egyik oka az, hogy a találmány szerinti inverter induktoráramának nincs egyenáramú összetevője.

Az eddigiekből kitűnik, hogy a találmány szerinti tápforrás rendkívül rugalmasan, széles határok közt képes alkalmazkodni az I induktor kapcsain mérhető paraméterek (R$ és Lg) megváltozásához mindaddig, amíg a (2), (3) es (4) reakciók fennállnak. A gyakorlati esetek nagy részében az I induktor kapcsain mérhető Lg induktivitás a B betét nélküli (üres) I induktoréhoz Képest - a B betétben indukálódó örvényáramok legeijesztő hatása miatt - csökken. Ezért, ha adott I induktor esetén a legnagyobb terhelést jelentő állapotra méretezünk, azaz fennállnak a (2), (3) és (4) ' reakciók, akkor azok a terhelés tetszőleges csökkenésekor, tehát még üres induktor esetén is fennállnak és a berendezés működőképes marad. Adott B esetéit, ha a legkisebb Lg induktivitást jelentő I induktor fjgyelebevételével tervezzük a berendezést, akkor Le növekedésével továbbra is működik. Az előzőekből következik, hogy a lehetséges legkisebb induktivitású I induktorra és legnagyobb terhelést jelentő B betétre méretezett tápforrás bármely induktor-betét rendszer esetén működőképes marad. Megjegyzendő azonban, hogy a tápfarrás által szolgáltatott névleges teljesítmény közelítőleg az induktivitás növekedése arányának négyzetgyökével csökken. Ha ez a teljesítmény nem elegendő, akkor pl. az impulzuscsomagok sűrítésével gondoskodni kell a teljesítmény növeléséről.

A találmány szerinti tápforrás leállítása vagy a tápfeszültség vagy az első impulzusgenerátor kikapcsolásával történhet. Mindkét esetben feszültség marad a C kondenzátoron. Ha ez érintésvédelmi okból zavaró körülmény, akkor a C kondenzátort ki kell sütni.

A fojtótekercs nélküli impulzusüzemű tápforrás előnyei az eddigi tirisztoros inverterekkel szemben:

- kisebb helyigény és tömeg, — olcsóbb kivitel,

- általában nagyobb hatásfok, — rugalmasabb üzemi tulajdonság, — a teljesítmény folyamatos szabályozhatósága a tápfeszültség változtatása nélkül, — azonos szabaddáválási idejű tirisztorok esetén nagyobb határfrekvencia (a hídkapcsolású inverterekkel szemben kb. 3,2-szeres).

a hídkapcsolású inverterekkel szemben:

- egyszerűbb felépítés és indítás, a 186.043 lajtromszámú HU szabadalmi leírás szerinti inverterrel szemben:

- az induktoráramnak nincs egyenáramú összetevője.

Claims (1)

1. Fojtótekercs nélküli impulzusüzemű tápforrás indukciós melegítés céljára, amely bemeneti kapcsain egyenfeszültségű tápforrásra, kimeneti kapcsain betéttel ellátott induktorra csatlakozik, azzal jellemezve, hogy a tápforrás főáramkörében egy első bemeneti kapocs (1) az egyenfeszültségű tápforrás negatív pólusához és egy töltő tirisztor (T2) katódjához, egy második bemeneti kapocs (2) az egyenfeszültségű tápforrás pozitív pólusához, egy kisütő tirisztor (TI) anódjához és kisütő dióda (Dl) katódjához van kötve, a főáramkör első kimeneti kapcsa közös a második bemeneti kapoccsal (2), amelyhez a betéttel (B) ellátott induktor (I) egyik kapcsa csatlakozik, és ezen induktor (I) másik kapcsa egy második kimeneti kapcsot (3) képez, amely kondenzátoron (C) keresztül egy csomóponthoz (4) van kapcsolva, amely csomóponthoz (4) a töltő tirisztor (T2) és a kisütő djóda (Dl) anódja, valamint a kisütő tirisztor (TI) katódja van csatlakoztatva.