IGBT w zasilaczach grzewczych indukcyjnych: Jak działa i dlaczego jest stosowany

IGBT jest jednym z najczęściej stosowanych półprzewodnikowych urządzeń mocy w przemysłowych urządzeniach do nagrzewania indukcyjnego. W typowym zasilaczu indukcyjnym, znajduje się wewnątrz stopnia inwertera i przełącza prąd stały na wymaganą przez obwód rezonansowy i cewkę indukcyjną energię elektryczną zmienną.

Uproszczona ścieżka przepływu mocy to:

IGBT sam w sobie nie określa wyniku nagrzewania. Jest to jedna część systemu, w którym inwerter, elementy rezonansowe, cewka indukcyjna i obciążenie muszą współpracować.

Ⅰ. Czym jest IGBT?	Ⅳ. Przełączanie IGBT a obwód grzewczy rezonansowy
Ⅱ. Dlaczego stosować IGBT w zasilaczu do nagrzewania indukcyjnego?	V.. Co robią IGBT i DSP?
Ⅲ. IGBT czy MOSFET?

Ⅰ. Czym jest IGBT?

IGBT oznacza Bipolarny tranzystor z izolowaną bramką. Jest to półprzewodnik mocy z trzema głównymi terminalami: bramka, kolektor i emiter.

Dla sprzętu do nagrzewania indukcyjnego, ważna kwestia jest dość prosta: IGBT może przełączać stosunkowo wysokie napięcie i prąd, będąc sterowanym ze swojej bramki. Dzięki temu nadaje się do wielu mediów- i konstrukcje falowników dużej mocy.

Wewnątrz zasilacza indukcyjnego, IGBT jest zwykle obsługiwany jako przełącznik. Zamiast działać jako wzmacniacz liniowy, wielokrotnie się włącza i wyłącza.

To przełączanie przekształca szynę DC w kontrolowane wyjście AC o wymaganej częstotliwości roboczej.

Technologia IGBT została szeroko przyjęta w ogrzewaniu przemysłowym, ponieważ zapewnia użyteczną równowagę mocy, wydajność przełączania, niezawodność i koszt. Nie jest to jedyna opcja, jednak. Stosowane są również konwencjonalne tranzystory MOSFET i SiC MOSFET, zwłaszcza gdy zmieniają się wymagania dotyczące częstotliwości przełączania i wydajności.

Ⅱ. Dlaczego stosować IGBT w zasilaczu do nagrzewania indukcyjnego?

Cewka indukcyjna potrzebuje prądu przemiennego o częstotliwości odpowiedniej dla procesu nagrzewania. Zwykłego zasilania sieciowego nie można po prostu podłączyć bezpośrednio do cewki.

Najpierw prostowane jest przychodzące zasilanie sieciowe. Dla falownik następnie przełącza powstałą szynę DC i zasila rezonansowy obwód grzewczy.

Tutaj właśnie wkracza IGBT.

Powstały prąd przepływa przez cewkę indukcyjną i wytwarza zmienne pole magnetyczne. Kiedy przewodzący przedmiot wejdzie w to pole, W metalu indukuje się prąd elektryczny, a w obrabianym przedmiocie wytwarzane jest ciepło.

Dla systemu przemysłowego, wyboru urządzenia dokonuje się na poziomie konwertera, a nie na podstawie prostej zasady typu „wysoka moc oznacza IGBT”.”

Wysokomocowy stalowy system grzewczy pracujący z umiarkowaną częstotliwością, Na przykład, generuje zupełnie inne wymagania elektryczne niż kompaktowa jednostka grzewcza wysokiej częstotliwości.

Napięcie, aktualne, częstotliwość przełączania, topologia, chłodzenie i obciążenie rezonansowe wpływają na wybór.

Jest jeszcze jeden praktyczny punkt. Obciążenie doświadczane przez zasilacz indukcyjny nie jest całkowicie stałe.

Gdy stalowa część wchodzi do cewki, obciążenie elektryczne odbite z powrotem do falownika się zmienia. wraz z nagrzewaniem się części, zmienia się rezystancyjność, materiały ferromagnetyczne również zmieniają zachowanie magnetyczne w zależności od temperatury. Odwracacz i system sterowania muszą zatem działać niezawodnie, podczas gdy obciążenie samo w sobie się zmienia.

Przepływ mocy przez zasilacz indukcyjnego nagrzewania IGBT.

Ⅲ. IGBT czy MOSFET?

Tranzystory MOSFET krzemowe na ogół przełączają szybciej i są powszechnie stosowane tam, gdzie wymagana jest wyższa częstotliwość przełączania. IGBT pozostają praktycznym wyborem w wielu systemach przemysłowych, gdzie duże napięcie i prąd muszą być obsługiwane przy częstotliwościach dostosowanych do urządzenia.

Tranzystory MOSFET SiC przesunęły tę granicę dalej. Łączą w sobie zdolność do pracy przy wysokim napięciu z szybszym przełączaniem, chociaż koszt urządzenia, konstrukcja napędu bramy, Należy również wziąć pod uwagę ochronę i układ systemu.

Jednym z ograniczeń IGBT jest jego zachowanie podczas wyłączania. Ładunek zmagazynowany wewnątrz urządzenia wytwarza: prąd ogonowy, co przyczynia się do strat przełączania. Jak częstotliwość przełączania wzrasta, ta strata staje się coraz bardziej istotna.

To nie oznacza, że IGBT ma jedną stałą maksymalną częstotliwość dla każdej aplikacji. Generacja urządzenia, aktualne, napięcie, temperatura złącza oraz to, czy falownik używa twardego czy miękkiego przełączania, mają znaczenie.

W urządzeniach do nagrzewania indukcyjnego, dobór półprzewodników dokonuje się z uwzględnieniem rzeczywistego poziomu mocy, zakresu częstotliwości, obwodu rezonansowego, warunków chłodzenia i oczekiwanego obciążenia.

Ⅳ. Przełączanie IGBT a obwód grzewczy rezonansowy

Większość przemysłowych zasilaczy do nagrzewania indukcyjnego używa obciążenia rezonansowego.

Cewka indukcyjna zapewnia indukcyjność, podczas gdy kondensatory są dodawane, aby utworzyć wymagane obwodu rezonansowego. W zależności od konstrukcji zasilacza, może to być wykorzystujące rezonans szeregowy, równoległy rezonans lub inne układy rezonansowe.

Podstawowa relacja może być postrzegana jako:

Prąd przepływający przez przemysłową cewkę indukcyjną może być bardzo duży. Rezonans pomaga systemowi radzić sobie z wymianą energii między indukcyjną a pojemnościową częścią obwodu, podczas gdy falownik dostarcza rzeczywistą energię zużywaną przez obrabiany przedmiot oraz straty elektryczne.

To jest również powód, dla którego falownika nie można projektować niezależnie od cewki.

Zmiana induktora, geometrii przedmiotu obrabianego lub warunki pracy zmieniają obciążenie. W maszynie produkcyjnej, te zmiany muszą pozostawać w zakresie roboczym zasilacza.

Techniki miękkiego przełączania są często stosowane w celu zmniejszenia strat półprzewodnikowych. Zamiast zmuszać IGBT do przełączania w najgorszej kombinacji napięcia i prądu, obwód jest tak prowadzony, aby przełączanie występowało w korzystniejszych warunkach elektrycznych.

Dokładna implementacja zależy od topologii falownika.

W wielu falownikach do rezonansowego nagrzewania indukcyjnego, częstotliwość przełączania jest ściśle związana z częstotliwością pracy obwodu rezonansowego. Dokładny związek zależy od topologii falownika i metody sterowania.

V.. Co robią IGBT i DSP?

Nowoczesne urządzenia do nagrzewania indukcyjnego często łączą konwersję mocy IGBT z cyfrowym sterowaniem DSP.

Ich zadania są różne.

W zależności od konfiguracji zasilania, to System sterowania DSP może przetwarzać sygnały napięcia i prądu, regulować moc wyjściową, sterować lub śledzić częstotliwość pracy, zarządzać czasem nagrzewania i reagować na awarie.

W zautomatyzowanym sprzęcie, ta sama platforma sterująca może również wymieniać informacje z PLC lub systemami linii produkcyjnej. Sprzężenie zwrotne temperatury, przepisy procesowe, limity alarmowe i rejestry produkcji mogą być dodane tam, gdzie wybrany system je obsługuje.

Jest to szczególnie przydatne w produkcji ciągłej. Zmiany prędkości linii, Specyfikacja przedmiotu obrabianego lub wymagania dotyczące ogrzewania mogą wymagać innych warunków pracy, a zasilacz musi podążać za tym procesem w kontrolowany sposób.

Z tego powodu, opisując nagrzewnicę indukcyjną po prostu jako „maszynę IBT”.” nie mówi zbyt wiele o jego rzeczywistym działaniu.

Ani IGBT, ani DSP nie działają w izolacji. Stabilne ogrzewanie indukcyjne zależy od falownika, obwodu rezonansowego, cewka indukcyjna, system chłodzenia i strategia sterowania dopasowana do obciążenia.

Klucz na wynos

A IGBT przełącza szynę DC wewnątrz falownika; samo w sobie nie determinuje wyniku podgrzewania. Użyteczna wydajność pochodzi z falownika, obwodu rezonansowego, cewka indukcyjna, chłodzenie i kontrola dopasowane do obciążenia. Wybór między IGBT, MOSFET a SiC wynika z mocy, częstotliwość, topologii i zmieniającego się obciążenia.

Często zadawane pytania

Kliknij pytanie, aby rozwinąć odpowiedź.

Czy IGBT jest jedynym urządzeniem mocy stosowanym w podgrzewaniu indukcyjnym?

Nie. Krzemowe MOSFETy i SiC MOSFETy są również stosowane, szczególnie przy wyższych częstotliwościach przełączania. IGBT pozostaje praktycznym wyborem tam, gdzie należy obsługiwać znaczne napięcie i prąd przy częstotliwościach odpowiednich dla urządzenia.

Co to jest prąd ogonowy IGBT, i dlaczego to ma znaczenie?

Prąd końcowy to prąd, który przez krótki czas płynie po wyłączeniu z powodu ładunku zgromadzonego w urządzeniu. Zwiększa to straty przełączania, a strata rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania.

Czy wyższa moc zawsze oznacza, że ​​falownik powinien używać tranzystorów IGBT??

Niekoniecznie. Wyboru urządzenia dokonuje się na podstawie poziomu mocy, zakresu częstotliwości, obwodu rezonansowego, chłodzenie i oczekiwane obciążenie — nie z prostego „wysoka moc oznacza IGBT” reguła.

Co robi DSP w zasilaczu nagrzewania indukcyjnego IGBT??

IGBT obsługuje przełączanie zasilania; DSP obsługuje sterowanie, monitorowanie i ochrona — regulacja mocy wyjściowej, częstotliwość śledzenia, zarządzanie czasem ogrzewania i reagowanie na awarie.