Z E SZ Y T Y N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E LE K TR Y K A z. 139
1994 N r kol. 1247
Bogusław GRZESIK Marcin KASPRZAK
FALOWNIKI ŚREDNIEJ I WYSOKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI DO NAGRZEWANIA INDUKCYJNEGO - STAN AKTUALNY
Streszczenie. W stęp zaw iera charakterystykę urządzeń falow nikow ych do nagrzew ania indukcyjnego. Pierw sza część zaw iera om ów ienie rozw iązań podstaw ow ych falowników przeznaczonych do nagrzew ania indukcyjnego, gdzie podano zasady ich funkcjonow ania i w łaściw ości. W drugiej części przedstaw iono przegląd urządzeń falow nikow ych oferow anych przez liczące się europejskie firm y w ytw arzające urządzenia do nagrzew ania indukcyjnego.
Przegląd zaw iera głów ne dane: moc, częstotliw ość, typ falow nika oraz typ stosow anych zaw orów. Trzecia część zaw iera krótki przegląd publikacji naukow ych pośw ięconych nagrzew aniu indukcyjnem u.
MEDIUM AND HIGH FREQUENCY INVERTERS FOR INDUCTION HEATNING - A REVIEW
Sum m ary. The characterisation o f a system s for induction heating, containing inverter, is given at the begining. Basic topologies o f inverters for induction heating are described in the first part o f the paper - there are principles o f operation and its feautures presented in this part. T he review o f the offert given by m ain E uropean firms producing equipm ent for induction heating is presented in the second part. It gathers such data as rated power, frequency, topology and types o f sw itches. T he final part contains the short review o f recently published papers devoted to induction heating.
HHBEPTOPbl CPEAHEfl H BblCOKOfi MACTOTbl AAfl MHAYKLIMOHHOrO HArPEBA - COBPEMEHHOE COCTOHHHE
Pe3iOMe. Bo BBeAOHMn npeAcraBAeHa xapaKTepucrnKa cucreM aar MHAyKUHOHHoro Harpesa, C0Aep>Kai4nx nHsepTop. OcnoBHbie TonoAornu MHBepiopoB aar MHAyKLinoHHoro HarpeBa onucaHbi b nuepBoiii Macrrn craTbn, a uacTHOCTH AaioTca npuHunnbt abmctbmr m CBOfiCTBa HHBepiopoB. Bo btopom MacTu npeACTaBAeH o63op ycTpotiCTB BeAyutux eBponwcKnx onpM, BbirtycKaiomx oSopyAOBaHne aar nHAyxunoHHoro HarpeBa. OHa npHBOAur TaKHe AaHHbie xax HOMMHaAbHaa MOi^HOCTb, HacroTa, TonoAorna h -mribi BeHTHAeH.
3aKAK3HHreAbHaa nacrrb coAepxtwr xpaTKHH o63op HeAaBHO ony6AHKOBaHyx CTaieH, nocBRujeHHbix HHAyKLiHOHHOMy HarpeBy.
150 B. Grzesik. M. Kasprzak
1. WSTĘP
P rzedstaw iany m ateriał stanowi w yniki pierw szego etapu obszerniejszej całości, której celem je st teoretyczne i laboratoryjne porów nanie podstaw ow ych struktur falowników rezonansow ych przeznaczonych do nagrzew ania indukcyjnego w zakresie częstotliwości kilkudziesięciu do kilkuset kHz. W yniki zaplanowanej analizy porów naw czej są przeznaczone zarów no dla konstruktorów , ja k i użytkow ników tego rodzaju urządzeń.
Celem niniejszej pracy je st przedstaw ienie stanu aktualnego w zakresie falowników o częstotliw ościach do kilkuset kH z przeznaczonych do nagrzew ania indukcyjnego. Materiał został opracow any na podstaw ie najnow szych danych podaw anych przez producentów falowników oraz na podstaw ie danych zaw artych w literaturze naukowej. Stan aktualny dostępnych na rynku urządzeń falownikowych dotyczy firm europejskich. Przegląd światowej literatury naukowej pozw ala sądzić, że produkow ane w Europie urządzenia nie odbiegają od urządzeń światowych.
Stan aktualny om ów iono głów nie na tle dwóch podstaw ow ych struktur falowników rezonansowych: 1) falownika szeregow ego (rys.2.1) oraz falownika rów noległego (rys.3 .1).
Falow niki te stanow ią pew ien rodzaj odniesienia. W spom niano rów nież o falowniku E, który jest jedynym falow nikiem um ożliw iającym uzyskanie częstotliw ości pracy rzędu kilku MHz.
U rządzenie falow nikow e do nagrzew ania indukcyjnego charakteryzow ane jest zazwyczaj za pom ocą następujących param etrów i czynników [9,22,29]:
- zakres częstotliw ości, - zakres mocy, - sprawność, - napięcie zasilające,
- typ obw odu głów nego falownika,
- typ zaw orów (określony typ tranzystora, tyrystory GTO), - m oc zainstalowana,
- rodzaj sterow ania (analogow e, cyfrow e, mikroprocesorow e),
- zabezpieczenia (od zwarć, od przerw, od skutków w ahań napięcia zasilającego, od doziem ień )
- sposób kom unikacji z otoczeniem (np. łącze szeregowe),
- sposób przyłączenia induktora do falownika (bezpośrednio, kablem koncentrycznym ), - typ chłodzenia,
Falow niki średniej. 151 - poziom zakłóceń w prow adzanych do sieci zasilającej (prąd odkształcony, m oc bierna), - poziom zakłóceń elektrom agnetycznych,
- poziom zakłóceń akustycznych,
- konstrukcja m echaniczna (stacjonarna, przew oźna, przeciw w ybuchow a itp.), - gabaryty,
- masa,
- stopień niezawodności,
- w yposażenie dodatkow e (np. pom iar tem peratury), - cena.
2. PODSTAWOWE RODZAJE FALOWNIKÓW
O pisyw ane falow niki są podstaw ow ym i układam i, które m ogą być stosow ane do nagrzew ania indukcyjnego w zakresie od 1 kH z do około 1 MHz. W artość m ożliw ej do uzyskania częstotliw ości przy danym typie falow nika oraz danych param etrach znam ionow ych i określonym typie zaw oru je s t w yznaczona przez w artość strat kom utacyjnych. O m ów ienie zasad funkcjonow ania poszczególnych falow ników służy w skazaniu przyczyn pow staw ania strat kom utacyjnych i m ożliw ości ich zm niejszenia.
2.1. Falownik rezonansowy szeregowy napięciowy [17,2,1,11]
Falow nik rezonansow y szeregow y napięciow y pokazano na rys. 1. Zasilany je s t on ze źródła napięciow ego E. Z budow any je st z czterech zaw orów sterow anych, prądow o jednokierunkow ych, T1-T4. R ów nolegle do nich w łączone są diody D1-D4. Pom iędzy punkty środkow e obydw u półm ostków T1,T3 - T 2,T4 w łączony je s t szeregow y obw ód rezonansow y RLC ( <a0 je st je g o częstotliw ością drgań nietłum ionych). O dbiornik RLC
Rys. 1. Schem at falow nika rezonan
sow ego szeregow ego napięciow ego
Fig. 1. V oltage fed series resonant inverter
152 B. Grzesik. M. Kasprzak (w zbudnik w raz ze w sadem ) jest reprezentow any przez rezystancję R i pew ną część indukcyjności L. Zaw ory falow nika przełączane są z częstotliw ością ©¡.W yróżnia się trzy zakresy częstotliw ości przełączania co/a>0, które w yznaczają trzy sposoby pracy:
I - 0<©i<0.5fflo II - 0.5©o<<»j<a)o
III - G to ^ i
Przebiegi czasow e napięcia kondensatora uc , napięcia u j zaw oru T l pokazano odpow iednio na rys. 2. a, b, c. M inim alne w zględne straty uzyskuje się, gdy <3,/co0= l - układ je st w rezonansie - rys. 2.d. Z achodzi to na granicy II i III sposobu pracy. Załączanie i w yłączanie zaw orów zachodzi przy zerow ym prądzie. N iekorzystnym zjaw iskiem jest to, że załączanie zaw orów sterow anych zachodzi przy dużej w artości napięcia. Należy zwrócić uw agę na III sposób pracy, w którym załączanie zaw orów sterow anych T* zachodzi w bardzo korzystnych w arunkach - przy zerow ym prądzie i zerow ym napięciu. Przy wyłączaniu panują w arunki niekorzystne - zachodzi ono przy niezerow ym prądzie i niezerowym napięciu na zaworach. Zerow e napięcie na załączanych zaw orach T* um ożliw ia zastosowanie obw odów odciążających (przyłączonych rów nolegle do zaw orów T*) w postaci kondensatorów - daje to radykalne zm niejszenie strat kom utacyjnych. Potw ierdzeniem tego je st praca [N I], w której zaprezentow ano falownik na tranzystorach bipolarnych pracujący zgodnie z III sposobem, zaw ierający kondensatory odciążające, przy czym osiągnięto częstotliw ość 100 kHz, co je st znacznym osiągnięciem .
Regulacja m ocy odbiornika (iL (rm s ))^ ^ j est realizow ana najczęściej poprzez regulację napięcia E. Moc odbiornika (R ) falow nika m ożna obliczyć w edług przybliżonej zależności:
Ps=(tt2/8) (E2/R ) cosp (1)
gdzie: E - napięcie zasilania, R - rezystancja odbiornika oraz p - kąt przesunięcia pomiędzy napięciem gałęzi RLC oraz jej prądem. .
Zależność ta została w yprow adzona przy przy założeniu dużej w artość dobroci, Q>8, pracy w pobliżu rezonansu, zasilaniu ze źródła napięcia E. Założono zaw ory idealne. Przyjęte założenia oraz bezpośrednio zależność (1) um ożliw ia przybliżone porów nanie falownika szeregowego z falownikiem rów noległym , np. przez porów nanie m ocy zainstalowanych.
Falow niki średniej. 153
a) b)
c) d)
Rys. 2. Przebiegi czasow e prądu odbiornika - ¡ l , napięcia na zaw orze T l - u j oraz napięcia na kondensatorze C - uc falow nika z rys. 1; a) I sposób pracy:
0<a>j<0.5<Do , b) II sposób pracy: O.5a>0<a>i<a>0, c) III sposób pracy: a>o <0)j, d) praca przy rezonansie coi/co0= 1
Fig. 2. W aveform s o f load current - iL, T l sw itch voltage - u j and capacitor C voltage - uc o f inverter show n in Fig. 2.1.1; a) I-rst m ode o f operation: 0<coj<0.5co0,
b )I I-n d m ode o f operation: O.5co0<coj<(o0 , c) III-rd m ode o f operation: co0<o>j, d) operation in resonance coi/co0 = l
M ożliw a je st regulacja m ocy odbiornika poprzez odstrojenie od częstotliw ości rezo
nansow ej - niew ielkie odstrojenie od rezonansu odpow iada w przybliżeniu zm ianie kąta (3. R egulacja m ocy poprzez odstrojenie od rezonansu nie je s t stosow ana w falow nikach o częstotliw ościach powyżej kilkunastu kHz.
154 B . G rzesik. M. Kasprzak 2.2. F a lo w n ik rezo n an so w y rów noległy p rą d o w y [10,2,4,1]
Falow nik rezonansow y rów noległy prądow y jest drugim rezonansow ym układem podstawowym . Schem at falow nika zam ieszczono na rys. 3.
Falow nik jest zasilany ze źródła prądu J. W łaściw y falownik stanowi m ostek czterech zaw orów (w przedstaw ionym na rys.3. w ariancie - zaw orów złożonych) T l - T4. Do punktów środkow ych półm ostków falow nika T1-T3 oraz T2-T4 przyłączony je st obwód rezonansow y rów noległy RL-C. W zbudnik w raz ze w sadem reprezentow ane są poprzez gałąź RL. N apięcie na gałęziach zaw orow ych T l - T4 przy ich nieprzew odzeniu przyjmuje w artości dodatnie i ujem ne - z tego pow odu szeregowo z tranzystorem musi być włączona dioda.
Przy zastosow aniu sym etrycznych napięciow o tyrystorów G TO nie je st konieczne stosow anie szeregowej diody. Indukcyjności LI - L4 reprezentują indukcyjności montażowe lub indukcyjności w łączone celow o dla ograniczenia di/dt. Falow nik ten je st dualny w stosunku do falow nika szeregowego. C harakterystyczne stany pracy falow nika można zilustrować za pom ocą przebiegów czasow ych napięć i prądów z rys. 4. Indukcyjności Ll - L4 m ają wartości rów ne zero. Przebiegi na rys. 4.a sporządzono dla II sposobu pracy:co0<co, - w taki sposób pracują falowniki tyrystorow e. N a rys. 4.c. zam ieszczone są przebiegi przy III sposobie pracy: co0><Qi. III sposób pracy m ożna zrealizow ać tylko za pom ocą zaworów sterow alnych (tranzystory, tyrystory GTO). W arunki kom utacji zaw orów zarów no przy II, ja k i przy III sposobie pracy są niekorzystne. N ajniższą w artość strat kom utacji uzyskuje się w rezonansie, tzn. przy C0j=(no - stan taki przedstaw iono na rys. 4.b. W przypadku gdy indukcyjności L l - L4 m ają w artości różne od zera, to w celu zm inim alizow ania strat sterow nie realizow ane musi być tak, ja k pokazuje rys. 4.d - osiąga się tu m niejsze straty od
>d
Rys. 3. Falow nik rezonansow y rów noległy prądow y
Fig. 3. Current fed parallel resonant inverter
*3 '4
T
Falow niki średniej... 155 strat pow stających przy CDj=a>0, gdy Ll=L2=L3=L4=0. C zęstotliw ości osiągane w tego typu falow nikach są na poziom ie kilkudziesięciu do kilkuset kH z [ 2 ].
M oc odbiornika m ożna regulow ać odstrojeniem od rezonansu lub/i poprzez zm ianę prądu zasilającego falownik. W falow nikach prądow ych zw ykle stosuje się sposób drugi, poniew aż realizacja kom utacji m iękkiej w ym aga utrzym ania falow nika w rezonansie.
Przyjm ując założenia takie, ja k przyjęto do w yprow adzenia zależności (1) m ożna ustalić przybliżoną form ułę określającą m oc odbiornika (2).
gdzie: E - napięcie zasilania, R - rezystancja odbiornika, <j> - kąt przesunięcia fazow ego gałęzi RL, P - kąt przesunięcia pom iędzy napięciem gałęzi RLC oraz jej prądem .
K aty <)> oraz P w zależności (2) pokazują, w jak i sposób w pobliżu rezonansu zm ienia się m oc odbiornika.
U proszczone modele, na podstaw ie których ustalono zależności (2) oraz (1) um ożliw iają przeprow adzenie porów nania falow ników . N a przykład bezpośrednio z zależności (2), (1) w ynika stosunek napięcia zasilającego falow nik szeregow y do napięcia zasilającego falownik rów noległy, E s/E r, określony zw iązkiem (3).
gdzie: m= l/(L C) 1/2
Zależność (3) została w yprow adzona przy następujących założeniach: 1) falownik rów noległy zasilany jest ze źródła E poprzez dław ik, 2) w zbudnik w raz ze w sadem je st taki sam dla obydw u typów falow ników . D la przykładu w zbudnika w raz ze w sadem o następujących param etrach: R =0.795, L=8.1 pH (połączenie szeregow e), P=30 kW , fi=50 kH z stosunek ten, gdy obydw a falow niki są w rezonansie, je s t rów ny Eg/E r~0.4. W podobny sposób uzyskać m ożna zależności na m oce zainstalow ane falowników.
Pr=(7t2/8) (E2/R ) (cos2<t>/cos2P) (2)
E s/E r=(7t2/8) ((1/(1+(coL/R)2)1/2 (3)
156 B. Grzesik. M. Kasprzak
a) b)
Rys.4. Przebiegi czasow e napięcia kondensatora u ę , prądu odbiornika ¡ l oraz napięcia zaw oru T l u j w falowniku rezonansow ym rów noległym prądow ym z rys. 3.
L 1=L2=L3=L4=0: a) II sposób pracy coQ<aii, b) praca w rezonansie coo=o)j c)III sposób pracy co0>a>j, L1=L2=L3=L4*0: d) sterow anie m inim alizujące straty kom utacyjne
Fig. 4. W aveform s o f capacitor C voltage u ę , load current - ¡l, and T1 sw itch voltage - u j o f the current fed resonant inverter show n in Fig. 3; L1=L2=L3=L4=0:
a) Il-nd m ode o f operation ooo<<oi, b) operation in rezonance fflo=®i c) III-rd m ode o f operation coo>coi ; L1=L2=L3=L4*0: d) minimizing sw itching loss o f energy control
2.3. Falownik klasy E
Schem at podstaw ow y falow nika klasy E pokazano na rys. 5. Falow nik klasy E jest w ynikiem poszukiw ań m ożliw ości uzyskania częstotliw ości napięcia/prądu odbiornika rzędu kilku M hz [19,5], Falow nik ten um ożliw ia pracę z takim i częstotliw ościam i ze w zględu na zastosow aną kom utację miękką. Jest ona realizow ana tak, że załączanie odbyw a się przy zerow ym napięciu oraz zerow ym prądzie, a w yłączanie przy zerow ym napięciu tranzystora.
Tak realizow ana kom utacja m inim alizuje straty kom utacji. O pisane w arunki komutacji uzyskuje się poprzez odpow iednią syntezę param etrów elem entów falownika.
Falow niki średniej...
-157
Rys. 5. Falow nik klasy E Fig. 5. E-class inverter
3. URZĄDZENIA FALOWNIKOWE FIRM EUROPEJSKICH
Stan aktualny urządzeń falow nikow ych dostępnych na rynku europejskim opracow ano na podstaw ie najaktualniejszych m ateriałów ośm iu firm europejskich [22-29]. W zięto pod uw agę urządzenia o częstotliw ościach pow yżej 10 kHz, głów nie tranzystorow e. Syntetyczny obraz stanu aktualnego pokazano na rys. 6. gdzie na w ykresie: częstotliw ość f - m oc P pokazano położenie w yrobów poszczególnych firm. N a rysunku tym naniesiono linie stałego iloczynu f[fIz|*P [kW ]. Pełny obraz stanu aktualnego w ym agałby pokazania na tym w ykresie dodatkow o typu falow nika oraz użytych zaw orów. Spośród analizow anych firm tylko ELIN IN TER N A TIO N A L SA ujaw nia typ falow nika i je st to falow nik rezonansow y prądow y.
Żadna z firm nie produkuje urządzeń półprzew odnikow ych o częstotliw ości pracy powyżej 500 kHz. O ferow ane urządzenia w yposażone są w sterow anie m ikroprocesorow e um ożli
w iające cyfrow ą kom unikację z otoczeniem . W raz z zasilaczem D C oraz falow nikiem , firmy oferują sprzęt dodatkow y, np.: bezpośredni i pośredni pom iar tem peratury, osprzęt um ożliw iający nagrzew anie w próżni czy też w osłonie gazów obojętnych. O ferow any sprzęt m oże być w ykonany jak o przew oźny lub stacjonarny. C hłodzenie urządzeń realizow ane je st jak o w ym uszone pow ietrzne lub cieczow e w obiegu zam kniętym . Z akłócenia w prow adzane do sieci (m oc bierna i w yższe harm oniczne prądu) i zakłócenia elektrom agnetyczne oferow anych urządzeń utrzym yw ane są poniżej w artości w yznaczanych przez odpow iednie norm y. U rządzenia w yposażone są w szereg zabezpieczeń przed skutkam i aw arii, np.:
zw arcia, przerw y, zw iększanie/zm niejszanie się napięcia zasilającego. W iele firm zapew nia o takich zaletach sw ych w yrobów , ja k przejrzystość konstrukcji, łatw a diagnostyka, rozbieralność i napraw ialność. Jedna z firm oferuje naw et urządzenie w obudow ie przeciw w ybuchow ej.
158 B. G rzesik. M. Kasprzak
P[kW]
1 0 20 30 40 60 80 1 0 0 200 300 500 1 0 0 0
Rys. 6. Stan urządzeń falow nikow ych firm europejskich [FF1] - [FF8] Fig. 6. State o f inverter system s m ade by european firms [FF1] - [FF8]
4. PRACE BADAWCZE W ZAKRESIE URZĄDZEŃ FALOWNIKOWYCH
T em atyka prac badaw czych z zakresu urządzeń falownikowych skoncentrow ana je st na:
- falownikach rezonansow ych o dw óch podstaw ow ych strukturach: na falowniku szeregowym i falow niku rów noległym (takich ja k opisano pow yżej),
- falownikach o kom utacji m iękkiej (np. szeregowy z kondensatoram i odciążającym i), - sterow aniu m ocy odbiornika realizow anym w falowniku na zasadzie podobnej do
sterow ania fazow ego w klasycznych falownikach napięciow ych [6], - sterow aniu m ikroprocesorow ym ,
- wprowadzaniu now ych typów zaw orów ,
- syntezow aniu now ych struktur obow odów głów nych i sterowania, - sym ulacji i projektow aniu [7],
Prace te m ają na celu uzyskanie m aksym alnie w ysokiej częstotliw ości przy możliwie w ysokiej m ocy [13,18].
Falow niki średniej. 159
5. WNIOSKI
Z pracy w ynikają następujące w nioski:
1. Podstaw ow ym i param etram i charakteryzującym i falow niki są m oc i częstotliw ość.
2. Podstaw ow ym i typami falow ników sa następujące układy:
- falow nik rezonansow y szeregow y napięciow y, - falownik rezonansow y rów noległy prądow y oraz - falownik klasy E.
3. Pierw sze dw a rodzaje falow ników najszerzej stosow ane są w praktyce. Trzeci przy częstotliw ościach rzędu kilku M H z oraz m ocach rzędu kilkuset W. Przeprow adzona bardzo uproszczona ocena porów naw cza tych falow ników nie w skazuje na bardzo w yraźną przew agę jednego z nich. D okładna ocena techniczno-ekonom iczna musi uw zględnić w ym ienione w e w stępie param etry i czynniki. W ocenie tej m usiałyby być uw zględniona geom etria w zbudnika z w sadem oraz m ateriał wsadu. W szeroko prow adzonej analizie porów nawczej należałoby falow nik napięciow y oraz prądow y porów nać z innymi rodzajam i falowników.
4. W przypadku konieczności uzyskania częstotliw ości pracy w zakresie kilkunastu (ok.
10) M H z do kilkudziesięciu (ok. 50) M H z najbardziej przydatnym je st falownik sekw encyjny klasy E.
5. T yp stosow anych zaw orów zależy od częstotliw ości pracy oraz od typu falownika,:
do lO k H z -G T O , do 50 kH z - IGBT, pow yżej 50 kH z - M OSFET.
6. D any proces nagrzew ania indukcyjnego m oże być realizow any za pom ocą różnych typów falowników.
7. Stan aktualny urządzeń falow nikow ych przeznaczonych do grzejnictw a indukcyjnego w zakresie 10 kH z do 500 kH z i m ocach 1 kW do 1500 kW oferow anych przez znane firmy europejskie pokazuje rys. 6. W ynika z niego, że oferta ta um ożliw ia realizację praw ie w szystkich procesów w ym agających nagrzew ania indukcyjnego.
8. W iele firm zapewnia, iż sterow anie w oferow anych urządzeniach je s t realizow ane z pom ocą techniki p P - je st to istotny czynnik ze w zględu na w spółczesne w ym ogi co do kom unikacji z otoczeniem
160 B. G rzesik. M. Kasprzak 9. O prócz zasadniczych urządzeń (zasilacza DC i falow nika) oferta analizow anych firm
obejm uje w szelkiego rodzaju sprzęt pom ocniczy ułatw iający organizację procesu technologicznego; np. system y bezpośredniego lub pośredniego pom iaru temperatury, kom ory um ożliw iające nagrzew anie w próżni czy też w osłonie gazowej.
10. O ferta krajow a obejm uje przew ażnie urządzenia do nagrzew ania indukcyjnego w zakresie do 10 kH z [4,8,11,12,15,16,20],
11. Prow adzone prace naukow e i konstrukcyjne m ają na celu osiągnięcie znacznych częstotliw ości przy odpow iednio dużych mocach. W pracach tych uw zględniane są system atycznie najnow sze rodzaje zaw orów (np. JFET, FCT, M CT) [5],
LITERATURA
1. C asella P., Pham Huu Phut, B erthon A.: High frequency current inverter w ith parallel load for induction heating, 2nd European C onference on Pow er Electronics and A p p licatio n s, G renoble, France 22-24 Sept. 1987, Proceedings, Vol. 1, pp.277-280.
2. Dede E. J., et all: Transistors are replacing electronic tubes and thyristors in induction heating generators, E lektrow ärm e international, 50 Jahrgang, H eft B 1/1992, S. B 26 - B32.
3. Ferrieux J.-P., Forest F.: A lim entations à découpage convertisseurs à résonance, Masson, Paris, New Y ork 1987.
4. G awęcka H., N asiłow ski J.: G enerator z tranzystoram i M O SFET do grzania indukcyjnego, W iadom ości Elektrotechniczne Rok LX, 1992 nr 11.
5. H obson L., H inchliffe S., H artm an M. T.: High frequency pow er inverters for electric process heating applications, Third International C onference on Pow er Electronics and V ariable-Speed Drives, London 13-15 July 1988 C onference Publications No 291, pp.
210-213.
6. H A M A D A Satoshi, FUJ1W ARA Emilio, O GIN O Yasum asa, N A K A O K A M utsuo: New Z ero-V oltage Sw itching PW M Full-Bridge D C-D C Converters U tilizing Saturable R eactors, Proc. o f 6th Conf. on Pow er Electronic and M otion Control, Vol. 1, pp. 69-73, Budapest 1990.
Falow niki średniej.. 161 7. Jain P.K., Dewan S.B.: D esigning a com plete inverter system for a series tuned induction
heating/m elting load, T hird International C onference on Pow er Electronics and V ariable-Speed D rives, C onference Publications No 291, pp. 456-461.
8. Kołodziej H., G rzesik B., M yrcik C.: M ałogabarytow y zasilacz do pieca indukcyjnm ego M ateriały konferencji: N ow oczesne urządzenia i technologie elektroterm iczne w m etalurgii, organizow ow ane przez Polski K om itet Elektroterm ii, SEP, SITH P, Szczyrk 1987, s. 184-193.
9. Landis J.P.: A static pow er supply for induction heating, IEEE Transactions on Industrial Electronics and C ontrol Instrum entation, June 1970, Vol. IEC I-17 N o 4, pp. 313-320.
10. M alesani L., Tenti P.: M edium -frequency G TO inverter for induction heating applications, 2nd E uropean C onference on Pow er Electronics and A p p licatio n s, G renoble, France 22-24 Sept. 1987, Proceedings, Vol. 1, pp.257-262.
11. M azany D.: Sm olarz J.: Induction heating o f steel bars in progressive heaters supplied from transistor voltage inverters. X II Sym posium Electrom agnetic Phenom ena in N onlinear Circuits, Poznan, Technical U niversity o f Poznań - Institute o f Electrical Engineering, 16-18 O ctober 1991, pp. 99-105.
12. M ichalski A ., Serafin S.: Zastosow anie tranzystorów m ocy w przem iennikach częstotliwości dla grzejnictw a indukcyjnego, M ateriały konferencji Podstaw ow e Problem y E nergoelektroniki, G liw ice - U stroń 15-18 marzec 1993, s. 393-401.
13. M ućko J.: Tranzystorow y konw erter rezonansow y o podw yższonej częstotliw ości pracy i niskich stratach kom utacyjnych, IV K rajow a K onferencja E nergoelektroniki, PA N i Instytut Sterow ania i E lektroniki Przem ysłow ej Politechniki W arszaw skiej, Mat. konf., t. 1, s. 270-279.
14. Nuns J.: Transistors are replacing valves in induction heating, 2nd E uropean Conf. on Pow er E lectronics and A ppllic., G renoble, France 22-24 Sept. 1987, Proceedings, Vol. 1, pp.257-262.
15. Ogos J., Kołodziej. H ., N ow ak J., M yrcik C., G rzesik B.,: Prototypow e urządzenie do indukcyjnego nagrzew ania rur, M ateriały konferencji:N ow oczesne urządzenia i technologie elektroterm iczne w m etalurgii, Polski Kom. E lektroterm ii, SEP, SITH P, Szczyrk 1987, s. 164-172.
16. Posłuszny M.: Design o f resonant converters for pow er supply, X II Sym posium Electrom agnetic Phenom ena in N onlinear Circuits, Poznań, T echnical U niversity o f Poznań - Institute o f Electrical Engineering, 16-18 O ctober 1991, pp. 159-164.
17. Revankar G .N., K arande D.S.: V oltage-Fed H igh-Frequency Bridge Inverter Circuit, IEEE Trans, on Ind. Electron, and Contr. Instrum ent., Vol. IECI-21, No 4, Nov. 1974, pp. 226-229.
18. Revankar G. N. V ijay A. Pathw ardhan: Tim e-Sharing High Frequency Inverter Circuit, IEEE Trans, on Ind. Electron, and Contr. Instrum ent., Vol. IECI-21, No 3, Aug. 1974, pp. 199-203.
19. Sajdak C., Samek E.: N agrzew anie indukcyjne, W ydaw nictw o Śląsk, K atow ice 1987.
20. Skoczkowski i inni: Tyrystorow e w yżarzarki indukcyjne, Konf. N ow oczesne urządzenia i technologie elektroterm iczne w m etalurgii, Polski K om itet Elektroterm ii, SEP.SITHP, Szczyrk 1987.
21. Sokal N., Sokal A.: Class E - A N ew Class o f High-Efificiency Tuned Single-Ended Sw itching Pow er A mplifiers, IEEE J. o f Solid-State Circuits, Vol. SC, N o 3, June 1975, pp. 168-176.
22. M ateriały firm y AHT, Austria.
23. M ateriały firmy A EG -ELO TERM GM BH, Niemcy.
24. M ateriały firmy ELV A Induksjon a.s. Boleveien 10, N orw egia 25. M ateriały firm y G.H. ELIN IN TER N A TIO N A L S. A. Hiszpania.
26. M ateriały firmy H EA T T EC H Induction AB, Szwecja.
27. M ateriały firmy IN DU C TO ELPH IA C Belgia.
28. M ateriały firmy Linn H igh Therm , N iemcy.
29. M ateriały firmy RAD YN E LIM ITED , Anglia.
Recenzent: Dr hab.inż. Maciej Tondos W płynęło do Redakcji 28 m arca 1994
Abstract
T he review concerns inverters w hich are designed for induction heating and which frequency is w ithin the range o f 10 kH z to 1 MHz. M ain European firms and recently published scientific papers constitute a base for the paper. Part 1 - Introduction, characterises system s for induction heating containing inverters. T hey are: frequency, pow er, efficiency,
162__________________________ _________________________ ________ B. Grzesik. M. Kasprzak
Falow niki średniej.
163
short circuit im m unity, reliability, w eight, dim ensions, electrom agnetic com patibility, acoustic com patibility and so on. Basic topologies are described in part 2. V oltage fed with series resonant circuit is the first one - Fig. 1. C urrent fed parallel resonant inverter depicted in Fig.3 is the second basic topology. As the third basic topology inverter o f class E was adm itted - its schem atic diagram is presented in F ig.5. T he first and the second structures w ere investigated by m eans o f com puter sim ulation. C hosen results are given in Fig.2 for series inverter and in Fig.4 for parallel one. W aveform s for series inverter (Fig.2) are calculated for three m odes o f operation: I) 0<co,<0.5<i>o, II O.5(0o, <cOi<0o, HI) coo<<Oi w here ©o is dam ped frequency o f R LC series circuit. T here m eans that it operates w ith resonance frequency, that pow er o f resistance R reaches its m axim um and com m utation loss is m inim um .
S im ilar analysis w as carried out for current fed parallel inverter (Fig.3). It resulted with w aveform s presented in fig.4. F or parallel inverter w orking w ith resonance frequency (Oi=coo the pow er o f resistance R is m axim um and com m utation loss is m inim um too. These two invertes w ere com pared assum ing that the current in series R-L-C circuit o f the series inverter and the capacitor voltage in parallel R-L | | C circuit o f the parallel inverter are sinusoidal.
Series connected R-L are treated as a load (inductor together w ith heated m etal piece) for tw o invertes that are taken into consideration. U sing above assum ptions it is possible to derive form ulae for pow er o f the load resistance R. For series inverter it is equation (1) in w hich angle P is the shift betw een voltage o f the w hole R -L-C branch and its current. Sim ilar form ula is set for parallel inverter - (3). Both form ulae can be used for com parison purposes.
For instance, supplying DC voltages ratio Es/E t is described by equation (4). W hen Q=coL/R»3 it has the value o f Es/E ^ 0 .4 . T he paper describes shortly the third high frequency topology, that is class E inverter. Its schem atic diagram is presented in Fig.5. It allow s to reach sw itching frequency o f 1 MHz. T he third part o f the paper is the review o f the offert given by m ain European firms producing equipm ent for induction heating. F ig.6 sum m arises this review.
