SE462884B

SE462884B - ALTERNATING CONNECTOR FOR INDUCTION HEATING

Info

Publication number: SE462884B
Application number: SE8803811A
Authority: SE
Inventors: T Nilsson
Original assignee: Heat Tech Ab
Priority date: 1988-10-25
Filing date: 1988-10-25
Publication date: 1990-09-10
Also published as: WO1990004881A1; SE8803811D0; SE8803811L

Description

»462dàs4' - 2 10 15 20 25 30 35 fig. l visar en växelriktarkoppling enligt föreliggande uppfinning, fig. 2 visar ström- och spänningskurvor för växelriktar- , kopplingen enligt fig. l, fig. 3 visar en alternativ växelriktarkoppling enligt före- liggande uppfinning, fig. 4 visar ström- och spänningskurvor för växelriktar- kopplingen enligt fig. 3, och fig. 5 visar en växelriktarkoppling enligt föreliggande uppfinning med direkt återkoppling från lastkretsen till venti- lerna. »462dàs4 '- 2 10 15 20 25 30 35 Fig. 1 shows an inverter connection according to the present invention, Fig. 2 shows current and voltage curves for inverter, the coupling according to Fig. 1, Fig. 3 shows an alternative inverter connection according to the present invention, Fig. 4 shows current and voltage curves for the inverter the coupling according to Fig. 3, and Fig. 5 shows an inverter connection according to the present invention with direct feedback from the load circuit to the lerna.

I fig. 1 visas ett principiellt kopplingsschema för föreliggande uppfinning, varvid endast de för uppfinningen väsentliga delarna av kopplingen medtagits i denna likspm i övriga figurer för att underlätta förståelsen av uppfinningen och göra figurerna mer överskådliga. Givetvis kan transformator, kablage och strömske- nor ingå i kopplingen.Fig. 1 shows a basic circuit diagram for the present invention, wherein only the parts essential to the invention of the coupling has been included in this equation in the other figures to facilitate the understanding of the invention and make the figures more clear. Of course, the transformer, cabling and power supply nor be included in the connection.

Växelriktaren matas från en likströmskälla l via en induktor 2 så att matningen sker strömstyvt. I kopplingen ingår också en parallellresonant lastkrets 3, en andra induktor 4 med mittuttag och två ventiler 5,6. Dessa delar bildar tillsammans en ström- styvt matad push-pullomriktare, normalt tillkommer dock styrdon för styrning av ventilerna. Allt detta är känd teknik.The inverter is supplied from a direct current source 1 via an inductor 2 so that the feeding takes place current-rigidly. The coupling also includes one parallel resonant load circuit 3, a second inductor 4 with center socket and two valves 5.6. These parts together form a current rigidly fed push-pull drive, however, controls are normally added for controlling the valves. All this is known technology.

Kopplingen enligt föreliggande uppfinning använder däremot en återkoppling från lastkrets till ventilerna utan användning av några aktiva kretsar eller någon form av faskompensering, vilket ï jämfört med normala styrdon eliminerar ett stort antal komponen- ter. Återkopplingen styr därmed ventilerna i fas med lastkretsens växelspänning varför fasskillnader mellan denna spänning och 10 15 20 25 30 35 3 ' ' i 462 884 ventilernas till- och frànslag i huvudsak beror pà ventilerna.The coupling according to the present invention, on the other hand, uses a feedback from the load circuit to the valves without the use of some active circuits or some form of phase compensation, which ï compared to normal controls eliminates a large number of components ter. The feedback thus controls the valves in phase with the load circuit alternating voltage why phase differences between this voltage and 10 15 20 25 30 35 3 '' i 462 884 the on and off of the valves mainly depends on the valves.

Ventilerna skall vara sä anordnade att frànslagets fördröjning är längre än tillslagets (i praktiken är detta alltid fallet).The valves must be so arranged that the switch - off delay is longer than that of the switch-on (in practice this is always the case).

Kopplingen enligt uppfinningen kommer dä att uppvisa kommute- ringar såsom beskrives nedan.The coupling according to the invention will then have a commutative rings as described below.

I fig. 2 visas spänningskurvor och strömkurvor för de tva i kopplingen ingående ventilerna 5,6. Den tändande ventilen tänder efter växelspänningens nollgenomgàng, vilket medför att den dä har negativ spänning över sig och därför kan ej nàgon ström gà genom ventilen trots att den tänds. När den släckande ventilen därefter släcker, ökar spänningen över båda ventilerna tills den när sådan potential att spänningen över den tändande ventilen blir positiv. När detta inträffar kommuterar strömmen frän släc- kande ventil till tändande.Fig. 2 shows voltage curves and current curves for the two in coupling including valves 5.6. The ignition valve lights up after the zero crossing of the alternating voltage, which means that it then has negative voltage across it and therefore no current can flow through the valve even though it is lit. When the extinguishing valve then goes out, the voltage across both valves increases until it when such potential that the voltage across the ignition valve becomes positive. When this occurs, the current from the slack valve to ignite.

Kommuteringen sker alltså utan att den släckande ventilens se- riediod tvingas fràn ledande till blockerande tillstànd och hä- rigenom elimineras de strömspikar och förluster som förorsakas av diodens återhämtning.The commutation thus takes place without the diode is forced from leading to blocking state and h this eliminates the current spikes and losses that are caused of diode recovery.

Detta arbetssätt, dvs kommutering efter växelspänningens nollge- nomgäng för en strömstyvt matad omriktare, vilket blir konsek- vensen av styrsättet, ger därigenom vid god dimensionering lägre kopplingsförluster än det vanliga arbetssättet. Denna princip har tills helt nyligen helt förbisetts, vilket torde vara för- klaringen till att man i dag utnyttjar en komplicerad styrning med ett stort antal olika komponenter, vilka enligt uppfinningen kan ersättas med ett fàtal, icke aktiva komponenter.This mode of operation, ie commutation after the zero voltage of the alternating voltage, throughput for a current-rigid converter, which becomes a consequence the meaning of the control method, thereby gives with good dimensioning lower connection losses than the usual way of working. This principle has until very recently been completely overlooked, which should be the explanation for using complex control today with a large number of different components, which according to the invention can be replaced with a few, inactive components.

I fig. 3 visas en vidareutveckling av kopplingen enligt uppfin- ningen och i fig. 4 visas ström- resp. spänningskurvorna för kopplingen i fig. 3. Kommuteringsprincipen enligt föreliggande uppfinning medför att ventilerna 5, 6 obehindrat kan parallell- kopplas med kondensatorer 9, 10. Detta medför minskade kopp- lingsförluster utan att andra förluster uppstår, tack vare att dessa kondensatorer omladdas av lastkretsen. Värmeutvecklingen i kretsen blir sålunda ytterligare reducerad. a4eå-às4 - . 4 10 15 20 25 30 35 I fig. 5 visas en lösning av direkt återkoppling fràn lastkret- sen till transistorerna/ventilerna, lämplig att användas till- sammans med bipolartransistorer och släckbara tyristorer, sä kallade gto's.Fig. 3 shows a further development of the coupling according to the invention. and in Fig. 4 the current resp. the voltage curves for the coupling in Fig. 3. The commutation principle according to the present invention means that the valves 5, 6 can freely parallel coupled with capacitors 9, 10. This results in reduced coupling losses without incurring other losses, thanks to these capacitors are recharged by the load circuit. Heat generation in the circuit is thus further reduced. a4eå-às4 -. 4 10 15 20 25 30 35 Fig. 5 shows a solution of direct feedback from the load circuit. to the transistors / valves, suitable for use in together with bipolar transistors and extinguished thyristors, so called gto's.

Styrdonet innefattar endast en transformator ll och tvá dioder 12, 13. Dioderna är inte absolut nödvändiga men ger en bättre funktion. Detta styrdon tillåter endast en transistor i taget att vara ledande och tvingar den transistor som leder att ta hela strömmen (storleken pà strömmen är redan bestämd och hålls konstant via matningsinduktorn) och den andra transistorn att vara helt avstängd.The controller comprises only one transformer 11 and two diodes 12, 13. The diodes are not absolutely necessary but provide a better one feature. This controller only allows one transistor at a time to be conductive and forces the transistor leading to take the entire current (the size of the current is already determined and maintained constant via the supply inductor) and the other transistor to be completely off.

Kopplingen enligt föreliggande uppfinningen, som kan sägas vara en självoscillerande växelriktare, kommer att uppvisa mánga lik- heter med kända oscillatorkopplingar, men de väsentliga skill- naderna jämfört med dessa bestär i att denna föreliggande växel- riktare är sä anordnad att den arbetar i switch:mode med kommu- tering efter nollgenomgäng med fyrkantformad ström genom venti- lerna och att ventilerna alltid innehåller en seriediod 7, 8.The coupling according to the present invention, which can be said to be a self-oscillating inverter, will exhibit many similarities known oscillator couplings, but the essential differences compared to these consists in the fact that this present exchange rectifier is arranged so that it works in switch: mode with after zero crossing with a square-shaped current through the and that the valves always contain a series diode 7, 8.

De ovan beskrivna principerna kan användas pà sàväl push-pull- omriktare som omriktare med helbrygga.The principles described above can be applied to both push-pull inverter as inverter with full bridge.

Uppfinningen belyses nedan med ett utföringsexempel i form av ett genomfört försök.The invention is illustrated below with an exemplary embodiment in the form of a completed experiment.

Exempel En omriktare pà ca 700 W uteffekt innefattande kopplingen enligt uppfinningen enligt fig. 5 konstruerades och prövades. Den an- vända frekvensen var 300 kHz och maximal spänning över transis- torerna var 574 V.Example A converter of about 700 W output power including the connection according to the invention of Fig. 5 was constructed and tested. The an- the reverse frequency was 300 kHz and the maximum voltage across the the towers were 574 V.

Styrningen av transistorerna var väl definierad förutom under ca 40 nanosekunder eller ca 1,1 % av periodtiden vid varje kommu- tering, detta att jämföra med de 130 - 250 nanosekunder, som ef» 10 5 462 .8._.4 hela kommuteringsförloppet tar. Omriktarens verkningsgrad var ca 93 % och kopplingsförlusterna uppgick till ca 2,4 %, Som jämförelse kan nämnas att för en konventionell omriktare, dvs. en omriktare med kommmutering före nollgenomgàng, vid 300 kHz och baserat pá en teoretisk beräkning med användande av data frän datablad pà komponenter av bästa prestanda kan man möjligen teoretiskt komma ned till drygt 4 % kopplingsförluster. Sålunda överträffar man med omriktaren enligt uppfinning praktiskt det teoretiskt optimala värdet för en konventionell omriktare, för vilken man dock i praktiken räknar med åtminstone 10 % kopp- lingsförluster.The control of the transistors was well defined except for approx 40 nanoseconds or about 1.1% of the period time at each communication tering, this to compare with the 130 - 250 nanoseconds, which ef » 10 5 462 .8 ._. 4 the whole commutation process takes. The efficiency of the inverter was approx 93% and the connection losses amounted to about 2.4%, By way of comparison, for a conventional converter, i.e. a drive with commutation before zero crossing, at 300 kHz and based on a theoretical calculation using data from data sheets on components of best performance one can possibly theoretically come down to just over 4% connection losses. Thus with the drive according to the invention, it practically exceeds that theoretically optimal value for a conventional converter, for which, however, in practice accounts for at least 10% of copper losses.

Claims

10 15 20 25 30 fèeá Bs4i. 1 ß ß P a t e n t k r a v

1. Inverter connection with extinguishing valves intended for induction heating with a DC side and an AC side, the DC side of which is connected via a reactor to a supply DC side and the AC side of which is connected to a parallel resonant circuit, where the valves (5) series diode (7,8), characterized in that the valves (5,6) are arranged controlled by direct feedback of the output voltage, whereby the inverter becomes self-oscillating at the same time as it operates in switch mode with commutation of current between the valves after the AC voltage. nollgenomgàng.

An inverter connection according to claim 1, characterized in that the feedback takes place via a transformer (11).

3. An inverter connection according to claim 2, characterized in that the feedback via transformer also comprises a series diode (l2, l3) for each valve (5,6).

4. An inverter connection according to claims 1 - 3, characterized in that the valves (5,6) are connected in parallel with capacitors (9,10).

Inverter coupling according to claims 1 - 4, characterized in that the valves are four in number and arranged in a bridge coupling.

An inverter connection according to claims 1 - 5, characterized in that the valves consist of transistors of bipolar, igbt, mosfet or sit type or of extinguished thyristors or combinations thereof, which in all cases are connected in series wo, with a diode.