PL226664B1

PL226664B1 - System for induction heating

Info

Publication number: PL226664B1
Application number: PL410111A
Authority: PL
Inventors: Roman Kieroński
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2017-08-31
Also published as: PL410111A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do nagrzewania indukcyjnego znajdujący zastosowanie w przemyśle hutniczym, a także w jubilerstwie.The subject of the invention is an induction heating system applicable in the metallurgical industry as well as in jewelery.

Znany z opisu PL 325979 A1 układ do nagrzewania indukcyjnego zawiera filtr dolnoprzepustowy przyłączony równolegle do źródła napięcia stałego oraz podłączoną do filtru gałąź zawierającą szeregowo połączone pierwszy łącznik elektroniczny, kondensator i nagrzewnicę indukcyjną. Kondensator i nagrzewnica są zbocznikowane, połączonymi równolegle i przeciwsobnie, drugim łącznikiem elektronicznym i diodą. Jako pierwszy łącznik zastosowany jest tranzystor mocy. Ponadto pomiędzy biegun dodatni filtru a pierwszy łącznik elektroniczny włączony jest dławik.The induction heating system known from PL 325979 A1 comprises a low-pass filter connected in parallel to the DC voltage source and a branch connected to the filter comprising a series connected first electronic switch, a capacitor and an induction heater. The capacitor and the heater are bypassed in parallel and push-pull connected by a second electronic connector and a diode. A power transistor is used as the first switch. In addition, a choke is connected between the positive pole of the filter and the first electronic switch.

Znana jest też rozprawa doktorska Romana Kierońskiego z 2012 roku pod tytułem Analiza pracy i sposób sterowania dwułącznikowego falownika napięcia do nagrzewania indukcyjnego. Opisany w niej układ nagrzewania indukcyjnego zawiera przyłączony do źródła napięcia stałego szeregowo połączone cewkę, pierwszy łącznik elektroniczny zbocznikowany przeciwsobnie pierwszą diodą, kondensator i nagrzewnicę. Kondensator i nagrzewnica są zbocznikowane, połączonymi równolegle i przeciwsobnie, drugim łącznikiem elektronicznym i drugą diodą.There is also a doctoral dissertation of Roman Kieroński from 2012 entitled Analysis of work and the method of controlling a two-switch voltage inverter for induction heating. The induction heating system described therein comprises a series-connected coil connected to a DC voltage source, a first electronic switch shunted in anti-parallel with a first diode, a capacitor and a heater. The capacitor and the heater are bypassed, connected in parallel and push-pull, with a second electronic switch and a second diode.

Układ, według wynalazku, zawiera przyłączone do źródła napięcia stałego, połączone szeregowo kondensator i nagrzewnicę indukcyjną, zbocznikowane dwukierunkowym łącznikiem elektronicznym. Układ charakteryzuje się tym, że pomiędzy źródłem napięcia a kondensatorem i nagrzewnicą indukcyjną, zbocznikowanymi dwukierunkowym łącznikiem elektronicznym włączona jest nieliniowa cewka rdzeniowa o magnetowodzie z materiału ferromagnetycznego połączona szeregowo z ładującym łącznikiem elektronicznym.The system according to the invention comprises a capacitor and an induction heater connected in series to a DC voltage source, bypassed by a bidirectional electronic switch. The system is characterized by the fact that between the voltage source and the capacitor and the induction heater, bypassed with a bidirectional electronic switch, a non-linear core coil made of a ferromagnetic material magnet is connected in series with the charging electronic switch.

Cewka rdzeniowa o magnetowodzie z materiału ferromagnetycznego posiada typową nieliniową charakterystykę z histerezą. W okresie gdy wzrasta indukcyjność tej cewki wielkość prądu skierowanego do źródła zmniejsza się w stosunku do układu z zastosowanym dławikiem lub cewką bez rdzenia. Tenże mały prąd powoduje mniejsze przepięcia na wyłączanym ładującym łączniku elektronicznym. Wówczas w momencie odzyskiwania własności zaworowych tego łącznika, gdy prąd zanika do zera, następuje zmniejszenie indukcyjności cewki rdzeniowej. Ograniczane są też krótkotrwałe zwarcia ponieważ indukcyjność na początku okresu rosnącego prądu, przy magnesowaniu rdzenia, jest dużo większa niż w cewce bez rdzenia.A core coil with a magnetic core of a ferromagnetic material has a typical nonlinear characteristic with hysteresis. During the period when the inductance of this coil increases, the magnitude of the current directed to the source decreases in relation to the system with an applied choke or a coil without a core. This small current causes smaller overvoltages on the disconnected charging electronic switch. Then, when the valve properties of this switch are restored, when the current decreases to zero, the core coil inductance is reduced. Short-term short-circuits are also limited because the inductance at the beginning of the rising current period, when the core is magnetized, is much greater than in a coil without a core.

Zaletami układu jest więc mniejszy wracający niepotrzebnie do źródła ładunek, mniejsze przepięcia na łącznikach, mniejsze stromości prądu łączników w czasie przejścia przez zero, większa odporność układu na krótkie zwarcia. Mniejsze są też wartości występujących prądów i napięć elektrycznych na elementach układu przy takiej samej mocy nagrzewania.The advantages of the system are therefore smaller unnecessary charge returning to the source, lower overvoltages on the switches, lower current slopes of switches during the zero crossing, higher resistance of the system to short-circuits. The values of currents and voltages on the system elements with the same heating power are also lower.

Układ, według wynalazku, umożliwia osiągnięcie częstotliwości drgań o wartości od kilkuset Hz do kilkunastu MHz.The system according to the invention makes it possible to achieve a vibration frequency of several hundred Hz to several MHz.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładowym wykonaniu na rysunku, przedstawiającym na fig. 1 schemat blokowy, a na fig. 2 schemat ideowy układu.The subject matter of the invention is illustrated in an exemplary embodiment in the drawing, which is a block diagram in Fig. 1 and a system schematic diagram in Fig. 2.

Układ do nagrzewania indukcyjnego zasilany jest ze źródła napięcia stałego U. Połączone szeregowo, kondensator C i nagrzewnica indukcyjna RoLo, zbocznikowane są dwukierunkowym łącznikiem elektronicznym S2. Pomiędzy źródłem napięcia U a kondensatorem C i nagrzewnicą indukcyjną RoLo, zbocznikowanymi dwukierunkowym łącznikiem elektronicznym S2 włączona jest nieliniowa cewka rdzeniowa L o magnetowodzie z materiału ferromagnetycznego połączona szeregowo z ładującym łącznikiem elektronicznym S1.The induction heating system is supplied from a DC voltage source U. The capacitor C and the RoLo induction heater connected in series are bypassed with a two-way electronic switch S2. Between the voltage source U and the capacitor C and the RoLo induction heater, bypassed with a bidirectional electronic switch S2, a nonlinear core coil L with a magneto core made of ferromagnetic material connected in series with the charging electronic switch S1 is connected.

W przykładowym rozwiązaniu jako ładujący łącznik elektronicznym S1 oraz jako dwukierunkowy łącznik elektronicznym S2 zastosowane zostały tranzystory MOSFET. Nieliniowa cewka rdzeniowaIn the exemplary solution, MOSFET transistors were used as a charging electronic switch S1 and as a two-way electronic switch S2. Nonlinear core coil

L o magnetowodzie z materiału ferromagnetycznego w przykładowym wykonaniu ma kilka zwojów ₂ nawiniętych na rdzeń o przekroju 1 cm² i długości 6 cm.L having a magnet core made of a ferromagnetic material in the exemplary embodiment has several turns ₂ wound on a core with a cross-section of 1 cm ² and a length of 6 cm.

Działanie układu, według wynalazku, jest następujące. Po załączeniu ładującego łącznika elektronicznego S1, przy zablokowanym dwukierunkowym łączniku elektronicznym S2, następuje ładowanie kondensatora C i przepływ prądu przez nagrzewnicę indukcyjną RoLo. Przebieg prądu ma kształt pulsu, którego wymagany czas trwania i amplituda uzależnione są od doboru indukcyjności nieliniowej cewki rdzeniowej L o magnetowodzie z materiału ferromagnetycznego. Układ pracuje w zakresie nieliniowej charakterystyki indukcyjności.The operation of the system according to the invention is as follows. When the charging electronic switch S1 is turned on, with the blocked bidirectional electronic switch S2, the capacitor C is charged and the current flows through the RoLo induction heater. The waveform of the current has the shape of a pulse, the required duration and amplitude of which depend on the selection of the inductance of the nonlinear core coil L with a magnetic core made of a ferromagnetic material. The system works within the range of non-linear inductance characteristics.

W momencie, gdy prąd ładujący łącznika elektronicznego S1 zmaleje do zera, następuje jego wyłączenie i w czasie, w którym odzyskuje on właściwości zaworowe, w obwodzie rozpoczyna płynąćWhen the charging current of the S1 electronic switch drops to zero, it is turned off and when it regains its valve properties, it starts to flow in the circuit

PL 226 664 B1 prąd rozładowania kondensatora C. Po odzyskaniu przez ładujący łącznik elektroniczny S1 zdolności zaworowych, zostaje załączony dwukierunkowy łącznik elektroniczny S2, który przejmuje dalsze przewodzenie prądu rozładowywania kondensatora C przez nagrzewnicę indukcyjną RoLo. Następnie, gdy prąd w nagrzewnicy RoLo spadnie do odpowiednio małej wartości, następuje wyłączenie dwukierunkowego łącznika elektronicznego S2, załączenie ładującego łącznika elektronicznego S1 i doładowanie kondensatora C, po czym cykl pracy powtarza się. W obwodzie, utworzonym za pomocą dwukierunkowego łącznika elektronicznego S2, przebieg prądu przyjmuje charakter drgań oscylacyjnych tłumionych o częstotliwości zależnej od parametrów tego obwodu. Sterowanie łącznikami realizowane jest przez podawanie na bramki tranzystorów MOSFET impulsów wytworzonych przez sterownik mikroprocesorowy MK.After the charging electronic switch S1 has recovered its valve capacity, the bi-directional electronic switch S2 is switched on, which takes on further conduction of the capacitor discharge current C through the induction heater RoLo. Then, when the current in the RoLo heater drops to a suitably low value, the bidirectional electronic switch S2 is switched off, the charging electronic switch S1 is switched on and the capacitor C is recharged, and the cycle is repeated. In the circuit formed by the two-way electronic switch S2, the current waveform takes the nature of damped oscillations with a frequency depending on the parameters of this circuit. The switches are controlled by feeding the pulses generated by the MK microprocessor controller to the gates of the MOSFET transistors.

Claims

1.Induction heating system comprising a capacitor and an induction heater connected in series to a DC source, bypassed with a bidirectional electronic switch, characterized in that between the voltage source (U) and the capacitor (C) and the induction heater (RoLo), bypassed with a bidirectional connector In the electronic circuit (S2), a non-linear core coil (L) with a magnetic core of a ferromagnetic material is connected in series with the charging electronic switch (S1).