M ni pro induk ní oh ev Bc. Miroslav N mec 2013 ZÁPADO ESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

Transkript

1 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 ZÁPADOESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY DIPLOMOVÁ PRÁCE Mni pro indukní ohev vedoucí práce: Ing. Jií Fot, Ph. D. 01/013 autor: Bc. Miroslav Nmec

2 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013

3 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Abstrakt Pedkládaná diplomová práce je zpracována s cílem uvést pehled používaných mni ve zdrojích pro indukní ohev, jejich výhody, nevýhody, zpsoby ízení a dimenzování. Dále práce zahrnuje modelový výpoet indukního zaízení, na jehož základ je zvolen vhodný mni jako zdroj indukní energie. V další ásti je shrnut matematický model obvodu a provedena simulace chování zvoleného mnie v rzných provozních stavech a pechodových djích. Na závr práce je zpracována volba typových souástek pro tento uvažovaný mni. Zvolená aplikace indukního ohevu je provedena s pedpokladem budoucího možného využití práce na katede výkonové elektroniky a elektromechaniky. Klíová slova indukní prohívací zaízení; polovodiový stedofrekvenní zdroj; rezonanní mni; indukní cívka; usmrovaová a stídaová ást; stejnosmrný meziobvod

4 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Abstract This diploma thesis is processed to give an overview of commonly used converters in the sources for induction heating, their advantages, disadvantages, methods of control and dimensioning. The thesis also includes a model calculation of the induction heating device, which makes a suitable choice of inverter as a source of inductive energy. The next section summarizes the mathematical model and contains a simulation of circuit behavior of selected converter in various operating states and transient processes. The last part contains a selection of type components for the semiconductor source. Chosen application of induction heating is done with the assumption of possible future use of the work at the Department of Electromechanics and Power Electronics. Key words induction heating device; semiconductor middle frequency source; resonant inverter; induction coil; rectifier and inverter section; DC link section

5 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Prohlášení Pedkládám tímto k posouzení a obhajob diplomovou práci, zpracovanou na závr navazujícího studia na Fakult elektrotechnické Západoeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatn, s použitím odborné literatury a pramen uvedených v seznamu, který je souástí této práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý pi ešení této diplomové práce, je legální. V Plzni dne Bc. Miroslav Nmec....

6 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Podkování Tímto bych rád podkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Jiímu Fotovi, Ph.D. za cenné profesionální rady, pipomínky a benevolentní pístup k mé innosti. Dále bych rád vyjádil svj dík všem, kteí se podíleli na kontrole obsahové správnosti práce. Také dkuji za podporu své rodin, pátelm a kolegm v zamstnání, bez které by bylo provedení práce nesrovnateln obtížnjší.

7 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Obsah OBSAH... 7 SEZNAM SYMBOL A POUŽITÝCH ZKRATEK: ÚVOD TEORIE INDUKNÍHO OHEVU ZÁKLADNÍ VZTAHY ZÁVISLOST HLOUBKY VNIKU NA FREKVENCI ÚINNOST INDUKNÍHO OHEVU INDUKNÍ ELEKTROTEPELNÁ ZAÍZENÍ INDUKNÍ KELÍMKOVÉ PECE KANÁLKOVÉ INDUKNÍ PECE INDUKNÍ PROHÍVACÍ ZAÍZENÍ INDUKNÍ ZAÍZENÍ PRO POVRCHOVÝ OHEV Kalení Pájení Svaování trubek Rafinaní petavování ZDROJE PRO INDUKNÍ ELEKTROTEPELNÁ ZAÍZENÍ PÍMÉ PIPOJENÍ K SÍTI DÍVE VYRÁBNÉ ZDROJE NAPÁJENÍ S PROMNNOU VÝSTUPNÍ FREKVENCÍ Stedofrekvenní rotaní generátory Tyristorové mnie kmitotu Vysokofrekvenní zdroje napájení MODERNÍ ZDROJE PRO INDUKNÍ OHEV Usmrovaová ást Stídaová ást ZPSOBY ÍZENÍ INDUKNÍHO PROCESU ZMNOU FREKVENCE ZMNOU VÝKONU ízení v usmrovaové ásti ízení v meziobvodu ízení výkonu stídaem ízení výkonu v transformaním stupni NÁVRH INDUKNÍHO PROHÍVACÍHO ZAÍZENÍ VOLBA PRACOVNÍ FREKVENCE DOBA PROHÍVÁNÍ MATERIÁLU ELEKTRICKÝ VÝPOET INDUKNÍ OHÍVAKY Urení základních rozmr Urení odpor a indukností Urení potebného potu závit indukní cívky Pevedení parametr zátže na cívkovou stranu

8 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Urení parametr rezonanního kondenzátoru NÁVRH TOPOLOGIE A PARAMETR MNIE PRO INDUKNÍ OHEV Urení hodnot vyhlazovacího kondenzátoru Návrh regulaního obvodu Volba typových souástek tyristorového usmrovae Volba typových souástek napového stídae POÍTAOVÁ SIMULACE ZÁVR POUŽITÁ LITERATURA PÍLOHY

9 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Seznam symbol a použitých zkratek: [ ] a 1 [m] a [m] AC C [F] c Al [JK -1 kg -1 ] C g [F] C R [J/K] d 1 [m] d [m] d c [m] DC du g [V] d v [m] F [-] f g [s -1 ] f s [s -1 ] G [kg hod -1 ] G t [kg] H [A m -1 ] I 1 [A] I [A] I Cnom [A] I d [A] I dmax [A] IGBT I gst [A] I T(AV) [A] I T(AV)M [A] I T(ef) [A] úhel ízení usmrovae hloubka vniku elektromagnetického pole ve vodii indukní cívky hloubka vniku elektromagnetického pole v ohívaném materiálu z angl. altarnate current stídavý proud velikost kapacity rezonanního kondenzátoru obvodu zátže mrná tepelná kapacita hliníku velikost kapacity vyhlazovacího kondenzátoru v meziobvodu tepelná kapacita chladie vnitní prmr indukní cívky vnjší prmr ohívaného materiálu (válcového vývalku) prmr náhradního válce nulové tloušky souosého obvodu z angl. direct current stejnosmrný proud zvlnní naptí na vyhlazovacím kondenzátoru náhradní prmr ohívaného válcového tlesa rozmrový koeficient funkce F pro urení pevodního pomru p frekvence zdroje indukního ohevu frekvence sít hmotnost ohívané oceli za jednotku asu hmotnost ohívané oceli pi urené dob ohevu intenzita magnetického pole na jeden metr délky vsázky proud indukní cívkou sekundární proud v ohívaném materiálu jmenovitá hodnota propustného proudu IGBT tranzistoru stední hodnota usmrnného proudu maximální stední hodnota usmrnného proudu Insulated Gate Bipolar Tranzistor - Bipolární tranzistor s izolovaným hradlem stední hodnota proudu do zátže stední hodnota propustného proudu tyristoru maximální stední hodnota propustného proudu tyristoru efektivní hodnota propustného proudu tyristoru 9

10 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 J [A m - ] proudová hustota J 0 [A m - ] velikost proudové hustoty pi povrchu vsázky j x [A m - ] velikost proudové hustoty v závislosti na argumentu x uvnit vsázky k 1 [-] konstanta k 1 pro urení reaktance a odporu náhradního obvodu zátže k [-] konstanta k pro urení reaktance a odporu náhradního obvodu zátže L 1 [H] vlastní induknost cívky indukního prohívacího zaízení l 1 [m] délka indukní cívky l [m] délka ohívaného materiálu (válcového vývalku) L I [H] induknost cívky náhradního obvodu zátže L n [H] vlastní induknost vsázky m [-] poet fází napájecí sít usmrovae MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - Polem ízený tranzistor m R [kg] hmotnost chladie N 1 [-] poet závit indukní cívky N [-] poet závit sekundáru (vsázka má N = 1) p [-] pevodní pomr soustavy vsázka - indukní cívka P (x) [-] rozmrový koeficient funkce P v závislosti na argumentu x P c ov [W] ovená velikost výkonových ztrát na kondenzátoru R c PF Power Factor - Faktor výkonu - daný pomrem inného a zdánlivého výkonu P g [kw] výkon stedofrekvenního zdroje p p [-] pulsnost usmrovae P TOT(AV) [W] ztrátový výkon tyristor propustným proudem q [W m - ] mrný píkon indukního ohevu na jednotku plochy vsázky Q (x) [-] rozmrový koeficient funkce Q v závislosti na argumentu x Q cg [Vs] napové množství na vyhlazovacím kondenzátoru C g Q I [-] jakost rezonanního obvodu Q n [-] jakost obvodu náhradního válce r 1 [m] vnitní polomr indukní cívky R 1 [] vlastní odpor cívky indukního prohívacího zaízení r [m] vnjší polomr ohívaného materiálu (válcového vývalku) 10

11 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 R C [] R I [] R K [] r n [m] R n [] R THCR [K/W] R THCHL [K/W] R THJC [K/W] R THRA [K/W] R VT [m] S p [W m - ] t [s] T [s] T 1 [s] T A [ C] T C(AV) [ C] tg [-] t i [m] T J(AV) [ C] t v [s] U [V] U [V] U C [V] U CES [V] U cmax [V] U di [V] U di0 [V] U DRM [V] U g [V] U M [V] U TO [V] W s [kwh kg -1 ] odpor reprezentující ztráty v dielektriku a ve vodiích k rezonannímu kondenzátoru odpor náhradního obvodu zátže odpor reprezentující ztráty v dielektriku náhradní polomr ohívaného válcového tlesa vlastní odpor vsázky tepelný odpor pechodu pouzdro-chladi tepelný odpor pechodu pouzdro-chladi + pechodu chladi-vzduch tepelný odpor pechodu ip - pouzdro polovodiové souástky tepelný odpor pechodu chladi-vzduch diferenciální odpor tyristoru (propustné ásti V-A charakteristiky) Poyntingv vektor (záivý vektor) doba prohívání materiálu doba periody spínání pulsního mnie doba sepnutí pulsního mnie teplota okolí - T A =40 C maximální teplota pouzdra polovodiové souástky ztrátový initel dielektrika kondenzátoru tlouška keramické izolaní vrstvy indukního prohívacího zaízení maximální teplota ipu polovodiové souástky vle mezi vývalkem a ohívaným vývalkem efektivní hodnota fázového naptí usmrovae indukované naptí v ohívaném materiálu velikost kondenzátoru v meziobvodu zdroje indukního ohevu maximální hodnota blokovacího naptí IGBT tranzistoru maximální velikost naptí pro správnou volbu vyhlazovacího kondenzátoru stední hodnota usmrnného naptí pi úhlu ízení stední hodnota usmrnného naptí pi úhlu ízení =0 opakovatelné špikové blokovací naptí tyristoru velikost naptí zdroje indukního ohevu amplituda napájecího naptí usmrovae prahové naptí tyristoru skutená spoteba stedofrekvenní energie 11

12 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 w s [kwh kg -1 ] mrná energie potebná pro ohátí 1kg oceli z 0 C na 100 C W s *[kwh kg -1 ] Spoteba elektrické energie ze sít na 1kg oceli x [-] X LI [] X Ln [] Y (x) [-] z [-] 1 [-] 1 [S m -1 ] [S m -1 ] e [-] g [-] g [-] [-] argument x udává vztah (pomr) mezi prmrem vývalku a hloubkou vniku reaktance náhradního obvodu zátže pro frekvenci f g vlastní reaktance vsázky pro frekvenci f g rozmrový koeficient funkce Y v závislosti na argumentu x, P (x) a Q (x) pomrná doba sepnutí pulsního mnie rozmrový koeficient nutný urení elektrických parametr cívky mrná elektrická vodivost materiálu indukní cívky mrná elektrická vodivost materiálu vsázky elektrická úinnost penosu energie z cívky do vsázky úinnost zdroje indukního ohevu; rotgen = 0,85; polovodi = 0,9-0,95 úinnost napájecího zdroje indukního ohevu tepelná úinnost zahrnující ztráty vyzaováním 1 [ C] poátení teplota materiálu ped ohevem; 1 = 0 C [ C] teplota materiálu po ohevu Cu [ C] teplota indukní cívky v prbhu indukního ohevu 0 [H m -1 ] permeabilita vakua; 0 = 4*10-7 H m -1 1 [H m -1 ] permeabilita materiálu indukní cívky [H m -1 ] permeabilita materiálu vsázky r1 [-] relativní permeabilita materiálu indukní cívky r [-] relativní permeabilita materiálu vsázky [-] Ludolfovo íslo; =3, [ m] mrný elektrický odpor materiálu indukní cívky [ m] mrný elektrický odpor materiálu vsázky m [Wb] maximální hodnota stídavého magnetického toku [rad s -1 ] elektrická úhlová rychlost 1

13 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Úvod Každé indukní tepelné zaízení je tvoeno temi ástmi. Zdrojem vhodn upravené elektrické energie, výstupní cívkou, která zajišuje penos energie pomocí elektromagnetického pole a vsázky ohívaného pedmtu. Elektricky vodivý materiál lze ohívat vložením do elektromagentického pole. Indukování energie do ohívaného materiálu koresponduje s principem fungování transformátoru, kdy indukní cívka zaízení pro ohev pedstavuje primár a vsázka sekundár s jedním závitem nakrátko. V ohívaném materiálu podle Lenzova indukního zákona vznikají víivé proudy, které vytváejí teplo popsané Jouleovým zákonem. Indukní ohev je progresivní technologie využívaná v mnoha prmyslových odvtvích jako tavení kov, letování, kalení, lisování za tepla, pedehev a podobn. Hlavními výhodami indukního ohevu jsou vysoká hustota výkonu a rychlosti ohevu, pesné urení ohívaných zón a dobré ízení teploty kovu. Dále mezi výhody patí možnost regulace intenzity ohevu, povrchové vrstvy nejsou ohroženy chemickými zmnami jako pi ohevu plamenem a nevznikají žádné produkty spalování. Také je zapotebí zmínit dobrou úinnost indukního ohevu a ve spojení s pedchozími body také minimální negativní úinek na životní prostedí. Souasné využití technologie indukního ohevu pro stední a vysoké frekvence v eské republice využívá v pevážné míe stedofrekvenní rotaní a vysokofrekvenní elektronkové generátory ze šedesátých až osmdesátých let minulého století, které jsou již znan zastaralé. V roce 008 bylo v provozu podle informací z mezinárodní konference nd International conference on Heat Treatment, , Brno, eská republika, kus elektronkových generátor. Tyto staré zdroje mají velké nevýhody v podob nedostatku náhradních díl, pítomnosti vysokého naptí (až desítky kv), velmi nízké úinností okolo 50%, s tím spojené problematiky odvádní vysokého množství odpadního tepla, nutnosti pozvolného nábhu zdroje, velmi drahých oprav a podobn. Dnes jsou zastaralé stedo- a vysokofrekvenní zdroje nahrazovány výhradn zdroji s polovodiovými výkonovými souástkami obsahující IGBT a MOSFET tranzistory, pípadn diody a tyristory. Výhodou tchto zaízení je vysoká úinnost až 90%, zhruba poloviní zástavbová plocha, nižší spoteba chladícího média, okamžitý nábh do plného výkonu a výrazn nižší cena opravitelnosti poruch. Tato práce si klade za cíl shrnout teoretické základy indukního ohevu vetn pehledu základních indukn tepelných aplikací, dále provést shrnutí používaných zdroj pro tyto 13

14 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 prmyslové aplikace. Podrobnji se v úvodní ásti bude práce zabývat principy fungování zdroj pro indukní ohev, v dnešní dob již tém výhradn zastoupených polovodiovými mnii elektrické energie. Bude proveden základní rozbor fungování jednotlivých typ zdroj a možné zpsoby jejich ízení. V další ásti bude proveden výpoet zvoleného indukního zaízení tak, aby jeho parametry tvoily vstupní údaje pro návrh mnie, jako zdroje vhodn upravené elektrické energie pro toto zaízení. Bude proveden návrh vlastností jednotlivých souástek uvažovaného zdroje vetn volby polovodiových souástek a výpotu tepelného schématu a návrhu vyhlazovacího prvku ve stejnosmrném meziobvodu. V poslední ásti bude ukázáno silové a ídící schéma pro možnost simulace vybraných ustálených a pechodových jev. Budou provedeny simulace, které by mly potvrdit myšlenky prezentované v prbhu práce a výpoty ustálených hodnot. Simulace také naznaí chování zdroje v pechodových jevech a odhalí nutné požadavky pro pípadný reálný návrh. Na závr se provede zhodnocení výsledk a pípadn úvaha o možnosti realizace zvolené aplikace indukního ohevu. 14

15 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Teorie indukního ohevu.1 Základní vztahy Indukované naptí v ohívaném materiálu lze zapsat rovnicí U f g N m / 4, 44 f g m (.1.1), kde g f je frekvence napájecího naptí induktoru, N poet závit sekundáru (tedy v našem pípad N 1 ), m maximální hodnota stídavého magnetického toku. Sekundární proud lze pibližn vyjádit jako I N1I1 (.1.). Intenzita magnetického pole na jeden metr délky pi uvažování homogenního magnetického pole bude H N 1 I 1 (.1.3). V ohívaném tlesu se proudová hustota nerozdlí rovnomrn, ale v závislosti na frekvenci klesá od povrchu ke stedu zhruba exponenciáln podle vzorce: j x kx J 0 e (.1.4). Vzdálenost od povrchu, kde proudová hustota klesne na hodnotu 1/ e 0,368 J 0 se nazývá hloubka vniku, znaí se a a lze vyjádit: a (.1.5), kde g f g g 0 r (.1.6) je úhlová frekvence zdroje napájení ( f g je frekvence), je mrný odpor vsázky, Hm * 10 je permeabilita vakua a r je relativní permeabilita vsázky. Úpravou vzorce pro hloubku vniku a dosazením známých konstant dostaneme: a 503,3 * [mm] (.1.7). f g r Materiál. Závislost hloubky vniku na frekvenci Ze vztahu pro a je vidt, že ím je frekvence vyšší, tím je menší hloubka vniku. Toho lze dobe využít pi regulaci výstupu mnie a pi volb konkrétní aplikace indukního ohevu. V tabulce níže jsou uvedeny orientaní hodnoty hloubky vniku pro ocel a m v závislosti na frekvenci: Rezistivita [.mm.m] Relativní permeabilita r [-] Hloubka vniku a [mm] 50 Hz 500 Hz 5 khz 50 khz 500 khz 5 MHz 50 MHz ocel 0 C 0, ,6 0, 0,06 0,0 0,006 ocel 800 C 1, ,5,4 0,75 0,4 0,075 m 0 C 0, ,3 0,1 0,03 0,001 m 600 C 0, ,8 1,8 0,6 0,18 0,06 0,018 Tab..1 15

16 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Od povrchu vsázky se do hloubky vniku a vyvine pibližn 86% celkového tepla a ve zbývající ásti zbylých 14%. Volbou vysoké frekvence (ádov desítky khz až jednotky MHz) tedy docílíme, že bude oháta pouze tenká povrchová vrstva vsázky, pi nízké frekvenci (ádov desítky Hz) se naopak rovnomrn proheje celá vsázka. Pro rovnomrné ohátí celé vsázky v co nejkratší dob je vhodné volit takové parametry, aby prmr vsázky byl asi 3,5krát vtší než hloubka vniku. V další tabulce jsou uvedeny orientaní charakteristické hodnoty pro nkteré materiály: Materiál Tavný bod [ C] Rezistivita [.mm.m] Mrné teplo [kj.kg -1.K -1 ] Skupenské teplo [kj.kg -1 ] Teplotní souinitel odporu [K -1 ] Tepelná vodivost [W.m -1.K -1 ] hliník 658 0,08 897x ,03x olovo 37 0,1 130x ,x ,8 bronz 913 0, x10 6-0,5x zlato ,04 130x ,4x m , x ,93x ocel , x10 6-4,48x Úinnost indukního ohevu Úinnost ohevu souvisí zejména s tvarem induktoru, který je obvykle zhotoven z dutého mdného vodie protékaného chladicí kapalinou a jeho geometrické uspoádání musí zaruovat co nejtsnjší elektromagnetickou vazbu se vsázkou. Úinnost indukního ohevu lze pibližn popsat vztahem d 1 d 1 1 a 1 6,5 d 1 (.3.1), kde d 1 je prmr indukní cívky, d je prmr vsázky, a je hloubka vniku, 1 je mrný odpor materiálu induktoru, je mrný odpor materiálu vsázky a je permeabilita materiálu vsázky. Je dležité, aby len v závorkách byl co nejmenší, z toho vyplývá požadavek na velikost pomru a a : 1 1 d d 6,5 8 a (.3.), piemž vztah 1 6,5 mže dosáhnout reáln d hodnoty 1,1. V souladu s výše uvedenou rovnicí bude minimální frekvence s ohledem na rozumnou 6 úinnost f g min (.3.3). Následující tabulka uvádí orientaní hodnoty úinnosti d Tab.. indukního ohevu válcové vsázky v závislosti na pomru a : d 16

17 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 d /a [-] ,6 0,4 [%] Tab..3 3 Indukní elektrotepelná zaízení 3.1 Indukní kelímkové pece Používají se pro tavení kov a vyrábjí se v nich pedevším vysoce kvalitní oceli. Existují kelímkové pece s nevodivým a vodivým kelímkem. Napájení tchto pecí je stedním kmitotem 500Hz 5kHz, nebo malým, tedy 50Hz až 150Hz. Vsázka v kelímcích víí, což zajišuje homogenitu teploty i složení taveného kovu. Pece s vodivým kelímkem mají podstatn vyšší úinnost pro tavení mdi a hliníku. Kelímky jsou vyrábny z ocelolitiny nebo ze šamotu a grafitu. Zahívání vsázky je zajištno ohátím vodivého kelímku cívkou navinutou na jeho vnjší stranu. Vsázka se pak ohívá prostupem tepla. Menší ást elektromagnetického pole cívky kelímku ohívá pímo vsázku. Princip fungování je ukázán na obrázku Kanálkové indukní pece U kanálkových pecí tvoí kanálek se vsázkou sekundární stranu transformátoru a vsázka v podstat jeden závit nakrátko. Elektromagentické pole indukní cívky ohívá pímo vsázku, kanálek je elektricky nevodivý. Pece se používají pedevším pro tavení barevných kov, zejména mdi, hliníku a jejich slitin a k pihívání roztavené litiny. Pi zvyšování výkonu do kanálkové indukní pece mže nastat pi pekroení kritické hodnoty tzv. uskipovací jev, kdy dojde k perušení prstence roztaveného kovu. V tu chvíli pestane elektrodynamické psobení pole, prstenec se opt spojí a jev se opakuje. Vznikají rázy, které jsou pro provoz pece nežádoucí. Problém se eší zakrytým kanálkem zapuštným do spodní ásti pece, kdy hydrostatický tlak vsázky zabrauje vzniku uskipovacího jevu. 3.3 Indukní prohívací zaízení Toto zaízení je používáno pro kování nebo lisování za tepla materiál válcového nebo tyhranného tvaru. Z toho dvodu mají indukní pece ohívaky obvykle válcový tvar. Prohívací zaízení musí zajišovat rovnomrné prohátí materiálu v celém prezu. Toho lze dosáhnout použitím vhodné frekvence indukovaného elektromagnetického pole. Ta indukní cívka -keramická vložka 3-vodivý kelímek 4-vsázka Obr

18 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 je závislá na tloušce ohívaného materiálu, kdy je nutné ohát vhodn silnou povrchovou vrstvu a zbytek materiálu je prohíván vedením tepla. Závislost požadované frekvence na tloušce materiálu ukazuje následující tabulka: d [mm] f [Hz] Tab. 3.1 Rovnomrnost prohátí je dostatená, pokud není rozdíl teplot na povrchu a v ose materiálu vtší než 100 C. 3.4 Indukní zaízení pro povrchový ohev Pro povrchové ohívání materiál do tloušky jednotek mm se používají indukní zaízení s výstupní frekvencí desítky khz až jednotky MHz. Povrchový ohev je využíván pro technologie: - kalení - pájení - svaování - rafinaní petavování Kalení Pro kalení se používá optimální výkon v rozmezí 1-0kW/cm. Optimální frekvence je 0,015 0,5 dána vztahem f g ( ), kde f g d d je optimální frekvence zdroje a d je požadovaná hloubka kalení [mm] Pájení Frekvenní rozsah výstupního elektromagnetického pole pro pájení je khz až,5mhz. Pro mkké pájení s teplotními rozsahy 150 C až 450 C se používá výkon 0,5kW až 5kW. Pro tvrdé pájení s teplotními rozsahy 450 C 1-svaovaná trubka -indukní cívka 3-indukovaný proud 4-vodicí klady 5-svar Obr. 3. až 1050 C se používají výkony 3kW až 30kW. Obrázek dole ukazuje speciální induktor pro pájení tí rzných tvar souasn. 18

19 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Svaování trubek Trubky se svaují pomocí posunujícího se induktoru. Používá se frekvencí 8kHz až 500kHz a výkon 50kW až 700kW v závislosti na potebné hloubce prohátí. Princip svaování trubek je ukázán na obrázku Rafinaní petavování Používá se zdroj s frekvenním rozsahem 400kHz až 5MHz pi výkonech 10kW až 50kW. Obr Zdroje pro indukní elektrotepelná zaízení Zdroje pro indukní zaízení lze rozdlit do nkolika kategorií. Prvn se jedná o zdroje s pevnou síovou frekvencí 50Hz a s promnlivým výstupním výkonem. Dále se jedná o zdroje s promnnou frekvencí v pásmech stedních a vysokých kmitot. Jako frekvenn promnné zdroje se díve používaly rotaní generátory, stejn jako zdroje vysokých frekvencí se díve využívaly vysokofrekvenní elektronkové generátory. Dnes jsou vesms všechny nov vyrábné zdroje promnných frekvencí postaveny z polovodiových souástek. Úvodní ást kapitoly se zabývá pro tuto práci mén zajímavými indukními zaízeními pro pímé pipojení k síti, dále je uveden pehled a princip díve používaných zdroj a poslední ást se podrobnji zabývá moderními polovodiovými zdroji. 4.1 Pímé pipojení k síti Síová frekvence 50Hz je vhodná pro nkteré aplikace indukního ohevu. Pímo ze sít je možné napájet v konkrétních pípadech indukní kelímkové pece, indukní ohívaky pro válcová tlesa vtších prmr (160mm až 500mm) a indukní kanálkové pece. Kanálkové indukní pece se používají jednofázové s jedním kanálkem, dvojfázové se dvma nebo tymi a trojfázové se temi nebo šesti kanálky. Jednofázové a dvojfázové pece zatžují sí nesymetrií odbru. Pokud není v provozu více indukních jednofázových nebo dvojfázových zaízení, která by bylo možné cyklicky zapojit na rzné fáze, aby se nesymetrie odbru vykompenzovala, je nutné použít symetrizaní zaízení. V principu se vždy jedná o vyladní reaktance zátže pouze na innou složku vhodným zapojením kapacity pípadn 19

20 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 induknosti do výstupního obvodu zaízení. 4. Díve vyrábné zdroje napájení s promnnou výstupní frekvencí První aplikace indukního ohevu vyžadující použití napájecího zdroje s promnnou frekvencí využívaly napájení ze stedofrekvenních rotaních generátor, tyristorových mni kmitotu nebo vysokofrekvenních elektronkových generátor. Dnes vyrábné zdroje jsou tém výhradn postaveny z IGBT a MOSFET tranzistor, pípadn v kombinaci s tyristory nebo diodami Stedofrekvenní rotaní generátory Výstupní frekvence rotaních generátor se mže pohybovat v rozmezí 500Hz až 10kHz. Tato soustrojí sestávají nejastji z asynchronního motoru s kotvou nakrátko nebo kroužkovou a ze stejnosmrného dynama pípadn synchronního alternátoru. Budící proud je vyrábn bu v rotaním budii s derivaním regulátorem, nebo v polovodiovém usmrovai. Velikostí budícího proudu se ídí výkon dodávaný do výstupního obvodu pecní cívky. Tento obvod musí být rezonann vyladný, takže vtšinou obsahuje kondenzátorovou baterii. Princip fungování stedofrekvenního rotaního generátoru je naznaen na obr A kw vyp. A A G C 3 M LI RI Obr Tyristorové mnie kmitotu Tyristorový mni obsahuje vstupní usmrova, meziobvodovou tlumivku a výstupní jednofázový stída. Meziobvodová tlumivka vyhlazuje usmrnný proud, omezuje nárst zkratového proudu v pípad prohoení mstku stídae a oddluje vstupní usmrova a 0

21 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 stída tak, že zachycuje okamžité napové rozdíly mezi tmito ástmi. Stída je ízen zátží, kterou tvoí kombinace odporu a induknosti výstupního induktoru a kapacity kompenzaního kondenzátoru. Tyristory T1, T3 a T, T4 stídav vedou proud a tím jsou do zátže zavádny proudové obdélníkové pulzy. Naptí zátže má pi správn vyladném výstupním obvodu ist sinusový prbh. Tyristorové mnie však mají nevýhodu pímého psobení na napájecí sí potlaovanou u popsaných zdroj napíklad použitím hradících len a filtr vyšších harmonických. Píklad tyristorového mnie kmitotu je ukázán na obr 4.. Tyristorové mnie kmitotu mají samozejm využití i v dnešní dob a jsou též nadále vyrábny. Bude jim proto vnován prostor i v dalších kapitolách. LG/ V1 V3 V5 ULg T1 L1 LI L Ud Ug L3 T4 V4 V6 V LG/ Obr. 4. R'I C T3 T 4..3 Vysokofrekvenní zdroje napájení Princip fungování vysokofrekvenního elektronkového generátoru pro zdroje frekvencí nad 50kHz je naznaen na obrázku 4.3. Induknost vinutí vysokofrekvenního transformátoru tvoí s kompenzaním kondenzátorem oscilaní obvod, který pracuje na dané vysoké frekvenci. Zptná vazba oscilátoru je provedena odbokou na vinutí a zavedena na mížku triody. L1 L L3 Obr

22 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Moderní zdroje pro indukní ohev Výrazný rozvoj výkonové polovodiové techniky v druhé polovin 0. století a jeho pokraující prbh umožnil nástup tchto technologií také do oblasti zdroj pro elektrotepelné indukní aplikace. Sledovanými vlastnostmi polovodiových souástek byly a jsou pedevším napové a proudové parametry. V oblasti stedofrekvenních a vysokofrekvenních zdroj zejména spínací asy a ztráty a také celková cenová dostupnost souástek. S masívním nasazováním polovodi v prmyslu všechny tyto parametry smují správným smrem s ohledem na využitelnost ve zdrojích pro indukní aplikace. Obrázek 4.4 ukazuje souasné Výkon 1000 kw 100 kw 10 kw Tyristory IGBT MOSFET elektronkové generátory 1 kw 10 Hz 100 Hz 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz Obr. 4.4 Fekvence využití polovodiových souástek v závislosti na požadovaném výkonu a frekvenci. Moderní zdroje pro indukní ohev pedstavují frekvenní mnie upravující vstupní trojfázovou energii na výstupní jednofázovou o požadované frekvenci. Existují varianty mni s rzným zpsobem ízení výstupních parametr pedevším výkonu, naptí a frekvence. Toto ízení je možné realizovat na úrovni všech jednotlivých ástí mni, tedy v usmrovai, v meziobvodu nebo ve stídai. Dále je možné využívat vstupních a výstupních transformátor, rzných filtr, pulsních mni apodobn. Bžn se mnie vtších výkon pro indukní zaízení z dvodu rozumného dimenzování kompenzují na stran zátže kondenzátory, protože výstupní induktor spolen se vsázkou mají výrazn induktivní charakter. Spolen s kompenzaní kapacitou tvoí induknost výstupní cívky rezonanní obvod, jehož kmity jsou tlumeny odporem, který pedstavuje vsázka. Kompenzaní kondenzátor mže být k zátži pipojen sériov nebo paraleln, což má pímý vliv na ešení stídae frekvenního mnie Usmrovaová ást Usmrovae mní vstupní stídavé veliiny na stejnosmrné a nejastji se jedná o mnie s vnjší komutací. Zdrojem bývá zpravidla stídavá trojfázová rozvodná sí, ke které je usmrova pipojen pes mniový transformátor, nebo u menších výkon pímo.

23 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 V poslední dob se na míst usmrova s vnjší komutací také asto používají mnie s vlastní komutací z dvodu znan lepších hodnot úiníku pi vhodném ízení. Velikost stední hodnoty usmrnného naptí je u mstkových spojení dána vztahem mu U di 0 sin ( ), kde m je poet fází a U je efektivní hodnota napájecího m naptí. Pi uvažování pulsnosti usmrova p p m, lze tento vztah pepsat na tvar U di 6 p pu 0 sin (4.3.1.). Tato velikost stední hodnoty usmrnného naptí platí pro p p neízené usmrovae nebo pro usmrovae s úhlem ízení 0. V pípad ízených usmrova je hodnota usmrnného naptí snížena v závislosti na nastavení úhlu ízení, nap. u pln ízeného mstkového usmrovae je hodnota usmrnného naptí U cos ( ). di U di Neízený diodový usmrova Nejjednodušším typem usmrovae je neízený, který obsahuje pouze diody. Výstupní naptí má pevn danou velikost a nelze jej žádným zpsobem ídit, velikost je dána vztahem ( ). Proto musí zdroj s tímto vstupním usmrovaem umožovat regulaci výstupních veliin v meziobvodu nebo ve stídai Tyristorový usmrova ízený usmrova s vnjší komutací obsahuje tyristory, které je možné podle vztahu ( ) spínat tak, abychom získali požadovanou velikost výstupního naptí. Použitím tohoto typu usmrovae je možné ídit výkon napájecího zdroje pomocí ízení velikosti naptí ve stejnosmrném meziobvodu. Tento mni má však své významné nedostatky. Zaprvé, pi výstupním naptí nižším než maximálním je PF odebíraného proudu ze sít redukován na hodnoty, jež nejsou akceptovatelné moderními požadavky na nová zaízení. Zadruhé, rychlost odezvy napájecího zdroje je nutn pomalá, nebo je dána frekvencí sít Diodový usmrova se snižovacím pulsním mniem Tetím typem je kombinace diodového usmrovae a snižovacího pulsního mnie. Úrove naptí nebo proudu je dána rychle spínaným tranzistorem. Usmrovaový stupe zdroje tedy umožuje mnit výstupní energii ízením velikosti proudu v meziobvodu, zárove je ale PF a úiník odebíraného proudu ze sít maximální. Také rychlost odezvy na požadavek ízení mže být velmi rychlá díky relativn vysoké rychlosti spínání snižovacího pulsního mnie. 3

24 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Výstupní naptí tohoto mnie tedy neízeného diodového usmrovae doplnného o snižovací pulsní mni je U U z ( ), kde z je pomrná doba sepnutí a je di di0 T1 definována vztahem z ( ), piemž T je perioda spínání pulsního mnie a T 1 T doba jeho sepnutí. Všechny popsané usmrovae neodebírají ze sít ist sinusový proud, což zpsobuje nežádoucí harmonické zkreslení. Pro všechny aplikace indukního ohevu, jejichž výkon nepesáhne 600kW jsou využitelné šestipulsní usmrovae. Pro aplikace s vyššími výkony, nebo pi požadavku na eliminaci vyšších harmonických, je nutné použít dvanáctipulsních usmrova s šestifázovým napájením. Použití vícepulsních usmrova sice vede k dalšímu snížení vyšších harmonických, ale také k neúmrnému zvýšení ceny zdroje. Pulsnost usmrovae ád harmonických ,5% 11% 4,5%,9% 1,5% 1% 0,9% 0,8% 1,6% 1,6% 4,5%,9% 0,% 0,1% 0,9% 0,8% 4,6% 1,6% 0,7% 0,4% 0,% 0,1% 0,9% 0,8% Tab Pulsní usmrovae Moderním typem usmrova, které je možné použít ve vstupní ásti napájecích zdroj pro indukní ohev, jsou pulsní usmrovae. Jedná se o mnie, které obsahují vypínatelné souástky a díky možnosti variabilního pipínání napájecích fází na výstup je možné udržet odebíraný proud usmrovaem ve fázi s napájecím naptím a zajistit, aby ml pibližn sinusový tvar. Tím tyto mnie zajišují omezení vyšších harmonických odebíraného proudu a úiník cos = 1, také umožují prchod výkonu v obou smrech. Pulsní usmrovae existují ve variantách proudových a napových. Proudové pulsní usmrovae jsou vhodné jako napájecí zdroj pro proudové stídae. V meziobvodu mají vyhlazovací tlumivku a na vstupu do usmrovae kombinaci kondenzátor plnících akumulaní funkci energie. Jejich schéma je shodné se schématem proudových stída. Napové pulsní usmrovae jsou vhodné jako napájecí zdroj napových stída. V meziobvodu mají kondenzátor a obsahují zptné diody. Jejich schéma je shodné se schématem napových stída. ízení výkonu ve zdrojích s tmito typy usmrova v aplikacích pro indukní ohev mže být zajištno pouze doplnním o snižovací pulsní mni, stejn jako je to možné u diodových usmrova, pípadn ve stídaovém stupni. Platí také stejné vztahy pro výstupní naptí v závislosti na pomrné dob sepnutí z. 4

25 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Stídaová ást Stídaová ást zdroj pro indukní ohev spíná stejnosmrný proud nebo naptí a vzniká jednofázový stídavý výstup. Dv hlavní konfigurace stída jsou plmstek a celý mstek (H-mstek) a jsou využívány S1 S3 v proudem i naptím napájených stídaích. Varianta s poloviním mstkem je využívána v aplikacích s výkony cca do zátž 5kW. Vtšina používaných stídaových konfigurací obsahuje H-mstek ukázaný S4 S na obrázku vpravo. Tato kombinace ty vtví obsahuje tyi spínae S1 S4. Když jsou sepnuty spínae S1 a S, tee Obr. 4.5 proud výstupním obvodem zleva doprava, pokud jsou sepnuty spínae S3 a S4, tee proud opaným smrem. Tak, jak se opakuje proces spínání, je generován na výstupu stídavý proud o takové frekvenci, s jakou souástky spínáme. Levnjší variantou mže být napíklad použití poloviního mstku, který má ve vtvích pipojeným k napájení místo spína S1 a S4 dva kondenzátory. Spínae S a S3 nyní opt, v závislosti na tom který je otevený, generují výstupní stídavý obdélníkový prbh proudu jako ve variant plného mstku. Toto zapojení lze však použít pouze v pípad nižších nárok na výstupní naptí a výkon stídae. Existují dv základní varianty stída a to proudové a napové. Napové stídae mají ve svém stejnosmrném meziobvodu jako prvek akumulující energii kondenzátor a jejich výstupem je obdélníkový prbh spínaného naptí. Proud je pak vyvolán v závislosti na druhu pipojené zátže. Proudové stídae mají jako akumulaní prvek v meziobvodu tlumivku a na výstupu generují obdélníkový prbh spínaného proudu. Obrázek 4.6 shrnuje rzné možnosti použití napových a proudových stída a možnost ízení výstupního výkonu a frekvence pro indukní ohev v závislosti na usmrovaovém stupni, typu ízení stídae a typu výstupního obvodu. Ve stídaích je možné pro frekvence spínání do 10kHz použít tyristory, pro frekvence do 50kHz jsou hlavn používány IGBT tranzistory a pro vyšší kmitoty jsou bžn voleny MOSFET tranzistory (viz obrázek 4.4) DC zdroj 5

26 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Proudovému stídai je stejnosmrným obvodem vnucován proud nebo naptí s nepromnným smyslem a velikostí. V pípad použití tyristor v tchto stídaích je proto nutné, aby byly tyto souástky vybaveny komutaními obvody se dvma funkcemi: vypínací a akumulaní. Vypínací fukce komutaního obvodu zajišuje podmínky pro vypnutí souástky pi komutaci stídae. Pi plnní akumulaní funkce musí komutaní obvod Stídae pro indukní ohev Typ Napové Proudové DC zdroj Promnný pro regulaci výkonu Nepomnný DC zdroj Promnný pro regulaci výkonu Nepomnný DC zdroj ízení stídae Konstantní výstupní PF pro minimalizaci ztrát ízení výkonu promnnou frekvencí nebo fází Konstantní výstupní PF pro minimální ztráty S promnnou fází pro rozšíené ízení výkonu S promnným pomrným sepnutím pro ízení výkonu Výstupní obvod Sériový rezonanní Sériový rezonanní Sério - paralelní kombinace Paralelní rezonanní Paralelní rezonanní Sériový rezonanní Obr. 4.6 umožovat spojitý prbh proudu nebo naptí stejnosmrným i stídavým obvodem pi všech spínacích procesech a také musí vytváením vhodných napových pomr na zátži zajišovat zmnu smyslu proudu v zátži Napové stídae se sériovým rezonanním výstupem Základní topologie obvodu s napovým stídaem a jednoduchým sériovým výstupem do zátže R-L je uvedena na obrázku 4.7. R-L zátž pedstavuje výstupní induktor v kombinaci se vsázkou. Vstupní zdroj naptí pedstavuje vyhlazovací kondenzátor výstupního naptí usmrovae. Na míst spínacích souástek mohou být použity tyristory do spínacích frekvencí 10kHz. V pípad použití tchto souástek však z dvodu potebného vypínacího asu (vedení nulovou diodou) nemže být spínáno pi prchodu proudu zátže nulou ale ped tímto okamžikem. Spínání pi prchodu nulou lze zajistit pouze použitím tyristor s komutaními 6

27 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 obvody s dvma funkcemi nebo jiných souástek, nap. IGBT nebo MOSFET T1 D1 T3 tranzistor. Spínání souástek ped prchodem nulou ukazuje graf na obrázku níže. Pi použití tranzistor, Cg Rg LI R'I C které nepotebují spínací prodlevu, je možné spínat pi prchodu proudu zátže nulou, tedy ve stavu rezonance. Tuto T4 D4 Obr. 4.7 T variantu ukazuje graf 3 na obrázku níže. Díky tomto zpsobu spínání se omezují vypínací ztráty a tedy úinnost a PF stídae jsou maximální. Ze zdroje se na výstup penáší maximální výkon. V tomto pípad musí být pro ízení výkonu použit iditelný stejnosmrný zdroj, tedy iditelný usmrova. Tranzistory mohou být spínány také nad rezonancí. 1 - naptí V tomto pípad jsou spínae S3 stídae a S4 vypnuty ped prchodem proudu nulou. Proud je pak - veden diodami D1 a D. proud stídae Tranzistory S1 a S pak mohou pod rezonancí být sepnuty až proud zmní polaritu. Tento zpsob provozu 3 - proud stídae mnie omezuje spínací ztráty a pi rezonanci umožuje pracovat nad rezonancí pro možnost ízení výkonu. 4 - proud stídae Napové stídae nad rezonancí s jednoduchým sériovým Obr. 4.8 výstupem potebují na výstupu osadit pro zvýšení proudu výstupní transformátor. Porovnání jednoduchých proudových a napových stída ukazuje následující tabulka. D3 D 7

28 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Napový vstupní vyhlazovací kondenzátor obdélníkové výstupní naptí sinusový výstupní proud sériový rezonanní výstup vstupní proud = výstupní proud naptí x jakost zátže nejlepší pro zátže s malou jakostí Q Typ stídae Tab. 4. Proudový vstupní vyhlazovací tlumivka obdélníkový výstupní proud sinusové výstupní naptí paralelní rezonanní výstup vstupní naptí = výstupní naptí proud x jakost zátže nejlepší pro zátže s velkou jakostí Q Napové stídae se sériovým pipojením k paralelní zátži Jednou z možných modifikací napových stída je varianta s interní sériovou T1 D1 T3 D3 indukností a kapacitou pipojené na výstupu do paralelního rezonanního Cg Rg CS obvodu. Základní topologie je T4 D4 LS T D uvedena na obrázku 4.9. Hodnoty vnitní sériové induknosti a kapacity jsou voleny nad rezonancí frekvence Obr. 4.9 LI R'I stídae. C Dležitou vlastností tohoto zdroje je, že vnitní obvod izoluje mstek stídae od 1 - naptí stídae zátže. Další vlastnost tohoto zdroje se projevuje pi naladní vnitního obvodu na tetí harmonickou spínací frekvence. Výkonový zdroj je v tom pípad schopen dodat plný výkon do paralelního obvodu zátže naladného bu na spínací frekvenci nebo také na jejích tetí harmonickou. - výstupní proud stídae 3 - proud zátže pi rezonanci 4 - proud zátže pi frekvenci 3. harm. Obr

29 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Napové stídae se sériovým pipojením k paralelní zátži bžn používají tyristory pro spínání energie v mstku a nemají regulovatelný DC vstup. Regulace výstupního výkonu je dosaženo zmnou spouštcí frekvence odpovídající rezonanní frekvenci paralelního výstupního obvodu. Prbhy tohoto typu stídae jsou ukázány na obrázku Graf 1 ukazuje tvar naptí na výstupu mstku. Graf ukazuje proud z mstku a graf 3 proud do zátže a proud, když je zátž naladna na spínací frekvenci. Obdobné prbhy pro provoz zátže naladné na tetí harmonickou spínací frekvence jsou ukázány na obrázku 4.10, graf Proudové stídae Proudové stídae se vyznaují použitím napov promnného DC zdroje následovaného velkým induktorem jako vstup mstkového stídae a paralelního rezonanního výstupního obvodu jak je ukázáno na zjednodušeném schématu na obrázku Níže uvedený graf na obrázku 4.1 ukazuje sinusové výstupní naptí mstku graf 1, obdélníkový výstupní proud graf, což jsou obrácené prbhy, než u napových stída. Naptí ve stejnosmrném mezioobvodu se podobá pln usmrnné napové sinusové vln graf 3. Na grafech 4 a 5 je ukázáno naptí na spínaích. Obdobn jaku u napových stída je možné tyto mnie pi použití tyristor bez komutaních obvod se dvma funkcemi použít pouze pro spínání nad rezonanní frekvencí. Pro spínání pi prchodu naptí zátže nulou 1 - naptí stídae - výstupní proud stídae 3 - naptí DC meziobvodu 4 - naptí na spínaích T1, T 5 - naptí na spínaích T3, T4 je nutné použít nap. IGBT nebo MOSFET tranzistory. Obr. 4.1 Pi provozování stídae na rezonanní frekvenci je komutace provádna v dob prchodu naptí zátže, stejnosmrného meziobvodu a spínacích souástek nulou. Cg Rg T1 T4 D1 D4 LI Obr C R'I T3 T D3 D 9

30 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Zpsoby ízení indukního procesu Rzné aplikace indukního ohevu vyžadují odlišné zpsoby ízení zdroj pro tento ohev. V prbhu elektrotepelného procesu mže být nutné mnit nejen velikost výkonu ale pípadn také frekvenci nebo výstupní naptí. 5.1 Zmnou frekvence ízení frekvence je možné realizovat u nepímých mni používaných ve zdrojích pro indukní ohev pouze jedním zpsobem. Tím je ízení výstupního jednofázového stídae na požadovaný kmitoet. ízení mže být realizováno manuáln obsluhou nebo automaticky regulátorem. Zmnou požadované frekvence je možné ídit také výkon indukního ohevu, nebo lze rozlaováním rezonanního obvodu zmnit impedanci zátže. Nutno podotknout, že pi rozlaování rezonanního obvodu nedodává zdroj mén energie, ale její ást je spotebována na jalovou složku odebíraného výkonu, která se výrazn zvtšuje s vyšším rozladním obvodu. 5. Zmnou výkonu Regulace výkonu zdroje pro indukní ohev mže být narozdíl od regulace frekvence realizována nkolika zpsoby ízení v usmrovaové ásti Výkon dodávaný do obvodu indukní cívky je možné regulovat v usmrovaové ásti zdroje. Toho mže být docíleno osazením vypínatelných souástek, jako jsou zejména tyristory, pípadn také IGBT nebo MOSFET tranzistory v moderních usmrovaích. ízením tchto usmrova mžeme docílit požadované velikosti naptí nebo proudu v meziobvodu v rozmezí od nuly do maxima, což odpovídá stejnému rozmezí dodávaného výkonu. Další opatení pro ízení výkonu v navazujících stupních zdroje již nejsou potebné. 5.. ízení v meziobvodu V meziobvodu je možné provedení ízení dodávaného výkonu napíklad snižovacím pulsním mniem. Použití však bude zejm pro jisté konkrétní pípady, kdy je napíklad nežádoucí vyšší zkreslení naptí napájecí sít vlivem odebíraného proudu s obsahem vyšších harmonických. V tom pípad je možné usmrnit napájecí naptí neízeným vícepulsním usmrovaem a velikost výkonu ídit snižovacím pulsním mniem v meziobvodu. 30

31 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec ízení výkonu stídaem Velikost výkonu mžeme ídit rzným zpsobem spínání výstupního stídae. Je možné použít tyi základní varianty ízení a to obdélníkové amplitudové obdélníkové šíkové šíkové pulsní šíkové pulsn modulované První varianta je popsána v odstavci výše, nebo se jedná o ízení výkonu stídae v usmrovaové ásti nebo v meziobvodu. Šíkové pulsn modulované a šíkov pulsní ízení je možné použít pouze u mni s frekvencí a) obdélníkové amlitudové x=? t do jednotek khz nebo spíše stovek Hz a u zdroj s menšími výkony, nebo spínací ztráty souástek a b) obdélníkové šíkové jejich dynamické vlastnosti by byly neúmrn nároné. x=? t Pro stedofrekvenní a vysokofrekvenní aplikace, stejn tak i pro aplikace s velkými c) šíkové pulsní výkony bude zejm výhodné použít první nebo druhé varianty x=? t ízení. Obdélníkové šíkové ízení mže ješt zahrnovat variantu symetrickou a nesymetrickou, kdy se rozdíln spíná jedna a druhá d) šíkové pulsn modulované x=? t skupina souástek stídae. Principy ízení stída ukazuje obrázek Obr ízení výkonu v transformaním stupni Krom výše uvedených princip je nutné jako možnost zmínit ízení výstupního výkonu mni pro indukní ohev odbokami napájecího nebo pizpsobovacího transformátoru. 31

32 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Návrh indukního prohívacího zaízení Postup návrhu je nutné provést tak, že se nejprve vypoítají parametry indukního ohevu, z tchto parametr vzejdou požadavky na zdroj indukního ohevu (mni), na jejichž základu bude možné zvolit vhodné polovodiové souástky a parametry kondenzátoru v meziobvodu. S ohledem na požadovaný cíl práce provést návrh mnie, který by pípadn bylo možné realizovat a z logických dvod poteby vhodné ukázky pracovních režim polovodiového zdroje, bylo zvoleno následující zadání: ukázková aplikace indukního ohevu bude zahrnovat mni pro indukní prohívací zaízení o výkonu 0kW a pracovní frekvenci 8kHz pro prohívání tyového materiálu kruhového prezu o prmru 0mm. U indukního prohívacího zaízení se pedpokládá ohátí tyového materiálu z konstrukní oceli z teploty 0 C na cca 150 C. Je požadováno rovnomrné prohátí materiálu. Výkon zdroje byl zvolen takový, aby se již jednalo o zajímavou silovou aplikaci s vyššími hodnotami pracovních proud ve všech ástech obvodu. Frekvence a prmr ohívaného materiálu jsou spjaty mezi sebou principem popsaným níže a vycházelo se z odhadnutého vhodného prmru ohívaného materiálu s pihlédnutím k odpovídající frekvenci pro ohev takovéhoto prmru. 6.1 Volba pracovní frekvence Jak bylo naznaeno v úvodní kapitole práce, v indukním ohevu existují rzné aplikace, které vyžadují použití rzných pracovních kmitot. Pro indukní prohívací zaízení je nutné použít zdroj s takovým kmitotem, který zajistí, že energie ze zdroje efektivn vstoupí do ohívaného materiálu. Aby toho bylo dosaženo, je nutné zvolit pracovní frekvenci tak, aby polomr ohívaného vývalku r byl pibližn,5 3 násobkem hloubky J J J Sp Sp' Sp Sp' Sp Sp' J' J' J' X < 3,5 Obr. 6.1 X > 5 r vniku a. Pro argument x, který je definován jako x (6.1.1) lze optimální a X = 3,5 5 3

33 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 frekvenci volit v rozmezí pro x 3,5 5. Pokud bychom zvolili píliš malý kmitoet, neboli velkou hloubku vniku a a tedy malý argument x, stává se ohívaný materiál pro elektromagnetické záení przaným. V opaném pípad, pi volb píliš vysokého kmitotu je malá hloubka vniku a a tedy velký argument x, do materiálu vniká záení do píliš malé hloubky a teplo se vyvíjí pouze u povrchových vrstev. Uvedené skutenosti závislosti przanosti materiálu, rozložení proudové hustoty a optimalizace pracovní frekvence shrnuje obrázek 6.1, kde dopadajícího elektromagnetického záení a J je proudová hustota ve vývalku. Obrázek 6. ukazuje graf, který zobrazuje závislost množství absorbované energie, jež se pemní v materiálu na S p je Poyntingv vektor teplo, na argumentu x. Prbh 0,1 grafu koresponduje s výše 0 uvedenými principy. Obr. 6. Z tabulky 3.1, která vychází ze vztahu pro výpoet hloubky vniku a ze vztahu pro optimální frekvenci, jsme zvolili pro uvažovaný materiál o prmru 0mm frekvenci zdroje 8kHz. 6. Doba prohívání materiálu Pro možnost návrhu indukního prohívacího zaízení je nutné znát dobu prohívání materiálu, která je závislá na velikosti vývalku a použité frekvenci. Pi výpotu se poté urí délka indukní cívky tak, aby bylo možné prohát požadované množství materiálu za jednotku asu. Urení potebné doby ohevu je možné provést obsáhlým výpotem P Pp 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, t [s] t [min] khz 1 khz 50 Hz 0 1,,0 3,0 5,0 7, d [cm] Obr. 6.3 neustáleného stavu vedení tepla ve válcové vsázce s konstantním píkonem energie q do x 33

34 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 povrchu válce. Pro zjednodušení použijeme pevzatý obrázek 6.3, kde lze pro odeíst dobu ohevu t 0,5 min. d 0mm 6.3 Elektrický výpoet indukní ohívaky Urení základních rozmr Pro ohátí 1kg materiálu z konstrukní oceli z teploty 0 C na 150 C je poteba dodat asi 1 w s 0,8 kwhkg energie. Pro pibližný odhad potebné stedofrekvenní energie lze uvažovat elektrickou úinnost penosu energie z cívky do vsázky 0, 75 a tepelnou úinnost zahrnující ztráty vyzaováním povrchu 0, 88. Skutená spoteba w 1 stedofrekvenní energie je potom 0 s,8 W 0,345 kwh kg s ( ). e 0,75* 0,88 Skutená spoteba energie ze sít (neboli potebný píkon zdroje pro indukní ohev) je potom Ws Ws* g 0,9. g 0,345 0,9 0,384 kwhkg 1 (6.3.1.), pi uvažování úinnosti napájecího zdroje Rozmry indukní cívky uríme z potebného výkonu (viz výše), doby potebné k ohevu (viz odst. 5.) a hmotnosti ohívané oceli. Za jednu hodinu oheje indukní prohívací zaízení Pg G W * s 0 0,384 5,08kg hod 1 e ( ) konstrukní oceli. Za dobu G 5,08 t 0,5min urenou výše oheje zaízení G t t 0,5 0, 434kg ( ) materiálu. Z výrazu pro výpoet hmotnosti válcového tlesa a pi znalosti materiálových konstant a prmru vývalku je možné urit jeho délku l G 0,434 t r s 0, hustota konstrukní oceli. 18,18cm ( ), kde 3 s 7600kg m je stední mrná Z již známých rozmr ohívaného vývalku d r ( ) a l je nyní možné urit potebné rozmry indukní cívky. Vnitní prmr cívky d1 r1 ( ) má být jen o co nejmén vtší než vnjší prmr vývalku d, aby se nezhoršovala elektrická vazba obvod a tím i elektrická úinnost. Mezi cívkou a vsázkou však musí být umístna keramická izolaní vrstva tloušky t i 1 cm, aby se nesnižovala tepelná úinnost. Vzhledem k teplotní roztažnosti materiálu a k omezené pesnosti výroby je nutné ješt poítat s vlí mezi válcovým vývalkem a vnitní keramickou vložkou t v 0,5 1cm. Vnitní prmr indukní 34

35 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 cívky mžeme poté urit jako d d t t 0,5 0,3 3, cm ( ) pro 1 i v 6 t i 0, 5cm a t v 0, 3cm. Bžn navrhované hodnoty t i a t v jsme zámrn poddimenzovali s ohledem na pípadný režim používaní indukního zaízení (nikoliv pro prmyslové, ale pro studijní využití a krátkodob). Délka cívky l 1 se volí podle výrazu d1 d l1 l 3 ( ), v našem pípad zvolíme koeficient, tedy Indukní cívka Keramická vyzdívka Ohívaný pedmt d1 d 3,6 l1 l 18,18 19, 78cm ( ) O36.0 Obr. 6.4 O Urení odpor a indukností Pro výpoet odpor a indukností obvodu využijeme znalost základních rozmr urených v pedchozím odstavci. Ob ásti souosého obvodu pepoteme na náhradní válce nulové tloušky s prmrem d c d 1 a1 (6.3..1), kde a ,3 * (6.3..) je f g r1 hloubka vniku pro mdnou indukní cívku, 8 1,010 m je mrný odpor mdi pro Cu 50C, f g 8000Hz je frekvence indukního ohevu a r1 1. Dosazením za a 1 dostaneme a1 503,3 503,3 7,9610 f g r1 cm (6.3..3) a následn d c d a 3,6 0,0796 3, 6796cm (6.3..4). 1 1 Abychom mohli urit vlastní induknost cívky L 1 a její vlastní odpor R 1, musíme nejprve stanovit koeficient 1 z tabulky, str. 171 v [8]. dc 3, f f f 0,186 f 0,18 0, l1 19,78 (6.3..5). Vlastní induknost cívky je potom: 35

36 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 dc 1 7 0, , L1 0 N N1 6,6710 N1 H l1 0,1978 d c N1 (6.3..6) a dále vlastní odpor cívky je R1 1 (6.3..7). Délka cívky l U 1 ve g a 1 l jmenovateli je redukována o souet všech izolaních mezer mezi závity, což je pi namáhání izolace naptím Vm vyjádeno druhým lenem v závorce. Naptí g U je maximální hodnota naptí zdroje a nyní jej uríme z pedpokladu použití šestipulsního neízeného usmrovae (resp. ízeného s 0 ), kondenzátoru v stejnosmrném meziobvodu a jednofázového stídae. Z obecných princip usmrova a stída je zejmé, že se na výstupu mnie mže objevit maximální hodnota naptí zdroje U g stejná, jako je maximální hodnota naptí ve stejnosmrném meziobvodu, tedy 6 p U U g U c U di0 sin sin 540V p 6 (6.3..8). Vlastní odpor cívky R 1 tedy lze urit jako d c N1 8 0, N1 R1 1,010 1,79510 U g a 7, , l (6.3..9). Nyní uríme náhradní prmr vsázky, její vlastní induknost a vlastní odpor podle stejných vzorc jako pro indukní cívku. Odlišn se uruje náhradní prmr vsázky, pro jehož výpoet nejprve uríme hloubku vniku a a posléze argument x. N a 1, ,3 503,3 f g r ,59cm 6 ( ), kde 1,1010 m je stední mrný odpor konstrukní oceli, f g 8000Hz je frekvence indukního ohevu a 1 r je relativní permeabilita oceli, uvažujeme-li stední teplotu cca 635 C. Argument x r 0,01 se pi znalosti r a a urí jako x,397, 4 ( ). Nyní a 0,0059 mžeme z tabulky 1 na str. 169 v [8] urit hodnoty funkcí P x 0, 4517 a Q x 0, Z tchto hodnot vypoteme náhradní polomr vsázky a poté obdobným zpsobem jako u indukní cívky i její induknost a odpor. Tyto parametry nyní budou zahrnovat také vzájemné psobení cívky a vsázky. Náhradní polomr vsázky je uren 36

37 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 (6.3..1), kde x vzorcem r 1 Qx Y x r n x Qx P 0,4517 Y x 1 1 1,469 ( ) a dále x,4 0,78078 r n 1 1 0, ,469 0, 868cm ( ). Nyní je opt nutné stanovit koeficient,4 n z tabulky, str. 171 v [8]. f f f 0,0955 f 0,1 0, r l 1,736 18,18 ( ). Induknost vsázky L n se urí jako L n 3 0, ,6810 N 1,569 H 7 0rn N l 0,1818 ( ), N 1, protože vsázka tvoí jeden závit nakrátko. Reaktance vsázky je dána vztahem 9 5 X L f L , , ( ). Odpor Ln n g n vsázky R n R n je uren vztahem Y x 6 1,469 x Px 1,1010,397 0,4517 8,87410 l 0, Ln 7,88510 ( ). Jakost obvodu náhradního válce se vypoítá Qn 0, R 8,87410 ( ). Podle vypoítaného potebného potu závit indukní cívky v následujícím odstavci mžeme urit induknost a odpor cívky nezávislé na parametru n N 1. Vlastní induknost L1 6,67 10 N1 6, ,78 10 H ( ) a odpor 5 5 R 1, , ,0994 (6.3..0). 1 N Urení potebného potu závit indukní cívky Pevodní pomr p pro pevod parametr ze vsázky na cívkovou stranu se urí jako F p N ( ). Funkci F uríme ze znalosti rozmr cívky, vsázky a náhradních Y 1 x d d l 3,6796 1,41 19,78 l1 l l 19,78 18,18 18,18 (6.3.3.) dle vzorce 33.0 str. 111 v [8], dv rn. Pevodní pomr p je nyní c v 1 válc jako F ; ; F ; ; F0,186;0,0955;1,088 0,

38 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 p Y F x 1,469 0, N 0,881 N 0,663 N ( ) a dále p ( ). 0,663 N1 0,39 N1 Nyní mžeme urit konstanty k 1 a k, na základ jejich znalosti lze pozdji urit reaktanci a odpor náhradního obvodu vsázka indukní cívka. Konstanta k 1 se urí podle vzorce k 1 d c 0 1 l1 Y F x L n , ,885 10,84110 ( ) 1,469 0, Konstanta k se urí podle vzorce k 1d c U g Y a1 l , , F x 5 R n 3, ,0 10 7, , ( ) 7 0, , ,1978 0, , ,469 0, , Souet kvadrát konstant je k k, , ,3496 ( ) Hledaný poet závit indukní cívky N 1 lze urit z podmínky, že do vyladného obvodu zátže je nutné pivádt plný výkon zdroje. Lze odvodit rovnice, že náhradní odpor R I reprezentující odpor cívky a vývalku se vypoítá jako R I R p R ( ). Dále 1 n platí, že pi vyladném rezonanním obvodu je potebné, aby odpor R I ml velikost U g 540 R 15, 0,97 0, I ( ), kde koeficient 0,97 respektuje odhadnuté P g ztráty 3% výkonu zdroje, které bude mít oscilaní kondenzátor. Dosazením do pedchozí rovnice za R 1 a p dostaneme po úprav výraz N RI ' 533 závit ( ). 5 1, ,39 R 1 n Pevedení parametr zátže na cívkovou stranu Pevodní pomr p 0,39 N 0, ,71 ( ). 1 p je po dosazení potu závit 38

39 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Ig(I1) I Ig(I1) L1 L R LI Ug Ug R1 M1 R'I C C Nyní mžeme obvod s parametry cívky a vsázky transfigurovat na obvod s náhradními parametry L I a R I, které zahrnují jak induknost a odpor cívky, tak i induknost a odpor vsázky a také respektují vzájemnou induknost mezi obvody. 5 R ' R p R 5, ,71 8, ,987 (6.3.4.) a I 1 n Obr. 6.5 RI ' 14,987 R I 15, 45 ( ). Výsledná induknost 0,97 0,97 L I L1 p Ln 1, ,711, , H ( ) a reaktance indukní cívky je 3 X L f L , ,68 ( ). LI I g I Elektrická úinnost pecního obvodu je 5 p Rn ,71 8, e 0, ,99% ( ). R 15,45 I Pro ovení vypoítaných parametr mžeme použít vzorce R I ' k N ( ) a 1 X LI k1n1 LI k1n1 LI ( ), které po dosazení dají hodnoty odporu a f g induknosti 5 R ' 5, ,988 ( ) a I 4, X LI 1, ( ), které odpovídají námi vypoteným 8000 hodnotám výše Urení parametr rezonanního kondenzátoru Kapacita C potebná pro vyladní obvodu do stavu rezonance se urí z požadavku na rovnost reaktancí sériového rezonanního obvodu, tedy 39

40 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 X LI X CI fl I 1 f C g 1 1 C, f L , g I 7 F ( ). 3 L f g L I I , Jakost oscilaního obvodu je Q I 5, (6.3.5.). R R 15,45 I I Ztráty ve vodiích odhadnme na 30% ztrát v dielektriku. 3 tg 3, Rc 1,30 Rk 1,30 1,30 367,1 10 ( ), kde 7 C 8000, tg 3,5 10 je typická hodnota ztrátového úhlu dielektrika kondenzátor. Nyní mžeme ovit velikost ztráty na odporu R c jako 3 Pc ov Rc I g 367, ,04 503, 65W ( ). Námi pedpokládané ztráty 3% P g byly 600W, výsledek je možné akceptovat. 6.4 Návrh topologie a parametr mnie pro indukní ohev V pedchozích odstavcích byl proveden elektrický výpoet indukní ohívaky a také byly uvedeny základní principy a topologie jednotlivých ástí zdroje. V naší aplikaci indukního prohívacího zaízení s výstupní frekvencí 8kHz a výkonem 0kW zvolíme jako základní topologii obvodu mnie ízený šestipulzní tyristorový usmrova s kondenzátorem ve stejnosmrném meziobvodu jako napový zdroj a jednofázový výstupní stída s IGBT tranzistory a zptnými diodami. Zátž je navržena z pedchozích odstavc jako sériová rezonanní. Ze zvolené topologie mnie vyplývá silové schéma pro regulaci, která bude ešena v usmrovaové ásti, pípadn jako ukázka rozlaováním. Schéma obvodu ukazuje následující obrázek. Ve schématu neznáme ješt parametry kondenzátoru ve stejnosmrném meziobvodu a hodnoty nabíjecích odpor usmrovae. Velikost induknosti a odporu sít odhadnme L L L mh (6.4.1) a R R R 0, 3 (6.4.). Napájecí 1s s 3s 1 1s s 3s Id Ig U1 L1S Rnab1 R1S V1 V3 V5 Ic T1 D1 T3 D3 U LS Rnab RS Cg LI R'I C Ug U3 L3S Rnab3 R3S Rg T4 T V4 V6 V D4 D Obr

41 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 soustavu uvažujeme 400/30V, 50Hz, TN-C(S), soumrnou, vyváženou a s konstantní hodnotou naptí (nezkreslenou). Nabíjecí odpor použijeme o velikosti R. nab Urení hodnot vyhlazovacího kondenzátoru Pro urení napové odolnosti vyhlazovacího kondenzátoru postaíme s úvahou, že maximální výstupní naptí usmrovae je ureno rovnicí ( ), a dále že dostaující rezerva pro pípadné napové pekmity je 30%, tedy UC max U di0 1,3 5401,3 700V ( ). Pro urení kapacity vyhlazovacího kondenzátoru uvažujme ustálený stav, pi kterém je naptí v meziobvodu zvlnno vlivem spínání souástek usmrovae z jedné strany a dále spínáním stídae ze strany druhé. Pro oba stavy uríme potebnou kapacitu a pro krajní možnost, kdy by se zvlnní naptí seetla, tyto kapacity také seteme. Tím bychom mli mít zajištné dostatené vyhlazení naptí v meziobvodu. Požadovanou maximální hodnotu zvlnní zvolme 1%, tedy du 0,01U 0 0, , V (6.4.1.). Dále g di 4 pedpokládejme Pg 0000 I d I gst 37, 037A ( ). U 540 g Zvlnní naptí na vyhlazovacím kondenzátoru mžeme vypoítat ze vztahu pro napové množství Q Cg du g QCg QCg Cg ( ). Napové množství lze urit jako C du g g t I d 37,037 3 ig dt 61,73 Vs 1 pf ( ). Pro velikost kondenzátoru t1 s z hlediska usmrovae pak vychází Q 3 Cg1 61, C g1 11,4310 F ( ). du 5,4 g Požadovaná velikost vyhlazovacího kondenzátoru ze strany usmrovae bude s ohledem na síovou frekvenci této ásti mnie zejm rozhodující. Pro urení velikosti kondenzátoru z hlediska stídae uríme stední hodnotu odebíraného proudu I gst 37, 037A. Z ní uríme obdobným zpsobem jako výše napové množství Q Cg I gst 37,037 3,3110 Vs ( ) a požadovaná velikost f 8000 vyhlazovacího kondenzátoru z pohledu stídae je 3 QCg,3110 Cg 0,4910 du 5,4 g 3 F ( ). Jak bylo výše pedpokládáno, rozhodující vliv na požadovanou velikost vyhlazovacího kondenzátoru má usmrova pracující s frekvencí sít f s 50Hz. 41

42 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Požadovaná velikost vyhlazovacího kondenzátoru bude 3 3 Cg Cg Cg 11,4310 0,4910 1mF 1 ( ). Urení odporu R g provedeme obdobn jako urení odporu rezonanního kondenzátoru v obvodu zátže, tedy s uvažováním ztrát ve vodiích 30% ze ztrát v dielektriku - 3 tg 3, R g 1,30 1,30 3,87 10 ( ), kde 3 pc g 3 tg 3,5 10 je typická hodnota ztrátového úhlu dielektrika kondenzátor Návrh regulaního obvodu Regulaní struktura pro ízení velikosti naptí ve stejnosmrném meziobvodu, a tedy vlastn ízení výkonu celého mnie bude vypadat dle obrázku 6.7. Na nm je vidt výkonový obvod, jehož schéma je ukázáno na obrázku 6.6 a v kapitole 7. Z výkonového obvodu je pevzat signál naptí napájecího zdroje ozn. Nap pro synchronizaci generátoru pilového naptí. Dále z výkonového obvodu odeítáme velikost naptí ve stejnosmrném meziobvodu ozn. Ug, které je vstupní veliinou pro PI regulátor tohoto naptí. Jako požadovaná veliina je výkon mnie v [kw], který je koeficientem pepoítaný na požadované naptí Obr

43 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 v meziobvodu. Požadovaná veliina je v ase 0,5s snížena na polovinu, aby byl v simulacích ukázán tento pechodový dj. Nastavení PI regulátoru bylo provedeno v simulaci s K 0, 1 a r 0, 1s. Generátor puls vytváí dvojité spínací impulsy pro tyristory podle výstupu PI regulátoru ídícího naptí. Regulaní struktura na obrázku 6.7 a simulace v kapitole 7 byly provedeny v programu PLECS firmy Plexim Volba typových souástek tyristorového usmrovae Pi volb vhodných polovodiových souástek je nutné vyjít z nejnepíznivjšího provozního stavu. U usmrovae je to pi úhlu ízení tyristor 0. To znamená, že po celou dobu piloženého kladného naptí na tyristory jsou tyto otevené a protéká jimi proud. V pípad nejnepíznivjšího stavu uvažujeme maximální proud Pg 0000 I d max 37, 037A ( ). U 540 g Doba, po kterou souástkami uvažovaný maximální proud tee, je jedna tetina periody síového kmitotu f s 50Hz, tedy 6,67ms a doba jejich chladnutí 13,33ms. Stední a efektivní hodnota maximálního proudu jednou souástkou jsou: I d max 37,037 I d max 37,037 IT ( AV ) 1, 35A (6.4.3.) a IT ( ef ) 1, 38A ( ) Proudové dimenzování souástek provedeme podle stední hodnoty prchozího proudu. Vypoítanou velikost stední hodnoty zvtšíme o bezpenostní rezervu 30%, tedy IT ( AV ) M 1,3 IT ( AV ) 1,3 1,35 16, 05A ( ). Napové dimenzování souástek provedeme podle velikosti napájecího naptí. Amplitudu síového naptí uríme U M U 30 35, 7V ( ). naptí Hodnotu maximálního opakovatelného špikového propustného naptí r U DRM a závrného U RRM uríme jako 1,5-,5 násobek hodnoty U M, tedy 1,5,5U 1,5, V U DRM M 1000 ( ) Nyní mžeme vybrat tyristor s proudovými a napovými parametry odpovídajícími výpotm výše. Pro požadované hodnoty proudu I T AV ) M ( a naptí U DRM lze vybrat napíklad tyristorový modul SEMIPACK 1 SKKT 0/1E od firmy Semikron se základními technickými parametry: U DRM 100V IT ( AV ) M 0A 43

44 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 U TO 1V R VT 16 m T J ( AV ) 15C R THJC 1,3 K / W Katalogový list tyristorového modulu je uveden v píloze této práce. Pro zvolené polovodiové souástky nyní musíme vypoítat hodnoty potebné pro vybrání vhodného chladie. Nejprve vypoítáme ztrátový výkon souástek. Tyristory v mstku jsou komutovány sítí pi kmitotu 50Hz, proto lze uvažovat jen ztráty propustným proudem a spínací ztráty je možné zanedbat. Ztrátový výkon propustným proudem pro tyristory bude: 3 PTOT ( AV ) U TO IT ( AV ) RVT IT ( ef ) 11, ,38 19, 66W ( ) Maximální teplota pouzdra pro tyristory bude TC ( AV ) TJ ( AV ) PTOT ( AV ) RTHJC 15 1,3 19,66 99, 44C ( ) Dále vypoteme velikost maximálního tepelného odporu chladie vetn odporu cesty pouzdro chladi. Tento celkový odpor oznaíme R THCHL a vypoteme jej následovn TC ( AV ) TA 99,44 40 TC ( AV ) TA PTOT ( AV ) RTHCHL RTHCHL 0,5K / W 6 PTOT ( AV ) 619,66 ( ). Na základ vypoítaného maximálního tepelného odporu R THCHL THCR THRA R R ( ), kde R THCR 0,006K / W pi použití kontaktní vazelíny. Požadovaný maximální tepelný odpor chladie R THRA tedy je R THRA 0,5 0,006 0,494K / W ( ). Tuto hodnotu spluje napíklad chladi P3/180 od firmy Semikron. Tepelný odpor zvoleného chladie je R THRA 0,39K / W a hmotnost chladie je m R 3, 1kg. Pi uvažování mrné tepelné kapacity hliníku 1 1 c Al 896JK kg je možné urit tepelnou kapacitu chladie jako C m c 3, ,6J K ( ). R R Al / Z tepelného odporu a kapacity chladie je možné urit tepelnou konstantu chladie jako R RTHRA CR 0,39 777,6 1083s ( ). Z asové konstanty chladie je vidt, že pechodový tepelný dj bude trvat ádov tisíce sekund (respektive desítky minut). Nyní ovíme podle parametr zvoleného chladie teplotu ipu a pouzder tyristor a samotného chladie. Teplota ipu tyristor bude 44

45 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 T J ( AV ) P R P R T 19,661,3 619,66 0, , 3C TOT ( AV ) THJC 6 TOT ( AV ) THCHL ( ), teplota pouzder tyristor bude TC ( AV ) 6 PTOT ( AV ) RTHCHL TA 6 19,66 0, , 7C ( ) a teplota chladie A bude TJ ( AV ) 6 PTOT ( AV ) RTHRA TA 6 19,66 0, C ( ). Uvedené teploty vyhovují. Pro provedení simulace dynamických stav mnie sestavíme zjednodušené náhradní tepelné schéma. To bude složeno z tepelného schématu souástky, pouzdra, chladie a okolí. Náhradní tepelné schéma souástky vytvoíme z katalogových hodnot tepelných odpor a kapacit urených z tranzientní tepelné charakteristiky. Tabulka odpor a asových konstant pro tyristory je uvedena níže, ve tetím ádku je dopoítaná tepelná kapacita pro jednotlivé body charakteristiky podle výrazu C Ji Ji ( ) RJi Rthjci[K/W] 0,1 0,3 0,6 0,9 i[s] 0,0045 0,03 0, 0,6 Cji[J/K] 0,045 0,1 0,33 0,667 Tab. 6.1 Další parametr, který musíme do simulace vypoítat, je tepelná kapacita pouzdra souástek. Tu vypoteme na základ znalosti tepelného odporu pechodu ip pouzdro a dále z odhadu asové oteplovací konstanty s. C ( ). Pro pouzdra tyristor vychází tepelná kapacita C CC 333,33J / K R 0,006 THCR 45

46 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Simulace byla provedena v programu Tina, náhradní schéma pro výpoet ukazuje obrázek 6.8. Rjc1 100m Rjc 300m Rjc3 600m Rjc4 900m Rcr 6m Rra 390m Cjc1 45m Cjc 100m Cjc3 330m Cjc4 667m Ccr 333,33 Cra 1,08k Ptot + V Tj + V Tc + V Tr - + Ta 40 Rjc1 100m Rjc 300m Rjc3 600m Rjc4 900m Cjc1 45m Cjc 100m Cjc3 330m Cjc4 667m Ptot Rjc1 100m Rjc 300m Rjc3 600m Rjc4 900m Cjc1 45m Cjc 100m Cjc3 330m Cjc4 667m Ptot Rjc1 100m Rjc 300m Rjc3 600m Rjc4 900m Cjc1 45m Cjc 100m Cjc3 330m Cjc4 667m Ptott Rjc1 100m Rjc 300m Rjc3 600m Rjc4 900m Cjc1 45m Cjc 100m Cjc3 330m Cjc4 667m Ptot Rjc1 100m Rjc 300m Rjc3 600m Rjc4 900m Cjc1 45m Cjc 100m Cjc3 330m Cjc4 667m Ptot Obr. 6.8 Výsledky simulace ukazuje obrázek 6.9 a Na obrázku 6.9 jsou vidt prbhy teploty ipu (nejvýše položená kivka), pouzdra souástek (kivka uprosted) a chladie (nejníže položená kivka). Ustálená teplota ipu tyristor je podle simulace 15 C, což je cca o 13 C více, než byla vypoítaná teplota. Jedná se pravdpodobn o nepesnost v zadání tranzientní tepelné impedance, protože simulace v programu Semisel firmy Semikron potvrzuje vypoítané hodnoty (výsledky simulace viz pílohy). Na obrázku 6.10 je vidt ustálená periodicky se mnící teplota ipu vlivem prchodu 46

47 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 proudu pouze tetinu doby periody. Obr Volba typových souástek napového stídae Pi volb vhodných polovodiových souástek pro napový stída se jedná s ohledem na zvolenou variantu o relativn jednoduchý postup znan podobný postupu volby tyristor usmrovae. U stídae pracujícího se spínací frekvencí f g 8000Hz by se pi výpotu totálního ztrátového výkonu mly uvažovat navíc krom ztrát zpsobených propustným proudem také ztráty spínací. V námi zvolené aplikaci se však bude v pípad 47

48 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 vyladného obvodu zátže jednat o omezenou velikost pídavného ztrátového výkonu, na druhou stranu by se ztráty mly uvažovat pro pípad spínání nad nebo pod rezonanní frekvencí. Maximální proud uvažujeme opt dle rovnice ( ). Doba, po kterou souástkami uvažovaný maximální proud tee, je jedna polovina periody spínání f g 8000Hz, tedy 6,5s a doba jejich chladnutí také 6,5s. Stední a efektivní hodnota maximálního proudu jednou souástkou jsou: Id max 37,037 Id max 37,037 IT ( AV ) 18, 5A ( ) a IT ( ef ) 6, 19A (6.4.4.) Proudové dimenzování a volbu chladie provedeme pomocí programu Semisel firmy Semikron. Proudové dimenzování je provedeno s uvažováním R-L zátže, z ehož vyplývá jistá míra pedimenzování, protože v námi uvažované aplikaci budou znan nižší spínací ztráty. Je proto možné, že nebude poteba použít pro lepší odvod ztrátového tepla ventilátor a postaí použít napíklad vtší chladi P3/180 stejn jako pro usmrova. Napové dimenzování souástek provedeme podle velikosti spínaného naptí. Velikost naptí ve stejnosmrném meziobvodu je maximáln maximálního opakovatelného špikového blokovacího naptí násobek hodnoty di0 U di 0 540V ( ), hodnotu U CES uríme jako 1,5-,5 U, tedy U 1,5,5U 0 1,5, V ( ) CES di 1350 Nyní mžeme vybrat IGBT tranzistory s proudovými a napovými parametry odpovídajícími výpotm a simulaci. Pro požadované hodnoty lze vybrat napíklad IGBT modul SKM50GB1T4 od firmy Semikron se základními technickými parametry: U CES 100V I Cnom 50A Katalogový list tyristorového modulu je uveden v píloze této práce. Pro zvolené polovodiové souástky byla provedena simulace v programu Semisel a bylo oveno, že chladi P/10 s ventilátorem budou vhodné pro dostatené odvedení ztrátového výkonu. 7 Poítaová simulace Poítaová simulace ustálených stav a vybraných pechodových jev byla provedena v programu PLECS firmy Plexim na základ zvolené aplikace indukního ohevu a vypoítaných parametr jednotlivých ástí mnie. Bylo použito ídícího schématu uvedeného na obrázku 6.7, ve kterém je vidt výkonový obvod simulující innost mnie. Schéma výkonového obvodu je ukázáno na obrázku

49 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Obr. 7.1 Schéma zahrnuje vstupní ást obsahující napájecí zdroj 3x400V AC, odpor a induknost sít o velikostech dle rovnic (6.4.1) a (6.4.) a nabíjecí odpory R nab. Velikost nabíjecích odpor byla volena pi provádní simulace innosti mnie s pihlédnutím na akceptovatelné velikosti pekmitu proudu I d. Zde je nutné podotknout, že nabití vyhlazovacího kondenzátoru v meziobvodu by bylo možné realizovat také vhodným ízením usmrovae, kdy po spuštní mnie by byl požadavek na plné otevení tyristor tlumen spouštcí rampou. V tom pípad by nárst proudu I d nebyl nepijatelný a bylo by možné se obejít bez nabíjecích odpor. Dále schéma zahrnuje šestipulsní tyristorový usmrova spínaný podle ídícího úhlu ureného PI regulátorem naptí ve stejnosmrném meziobvodu a vyhlazovací kondenzátor, podle jehož nabití je innost mnie regulována. Na výstupu obsahuje schéma jednofázový stída s IGBT tranzistory a zptnými diodami se zátží tvoenou náhradním obvodem dle obrázku

50 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Obr. 7. Obrázek 7. ukazuje prbhy naptí na vyhlazovacím kondenzátoru, proud I d a proud odebíraný ze sít jednou fází. Z graf je vidt pechodový dj nabití kondenzátoru v meziobvodu pi plném výstupním zatížení mnie v ase do 0,s s pekmitem proudu I d 10A po dobu maximáln jedné až dvou period, což je s ohledem na asové konstanty tepelného schématu na obrázku 6.8 pijatelné. Dále je vidt v ase 0,s odpojení nabíjecích odpor kondenzátoru, což zpsobí druhý proudový ráz o stejné amplitud a kratším trvání. Poté následuje interval ustáleného prbhu naptí a proud v ase od 0,s do 0,5s, kde zobrazené hodnoty odpovídají vypoítaným a oekávaným. V ase 0,5s dojde ke snížení požadavku na výkon mnie z 0kW na 10kW, což se projeví zavením tyristor usmrovae a dobou, kdy odebíraný výkon zátží stídae bhem asu cca 0,15s sníží naptí ve stejnosmrném meziobvodu. Ve chvíli, kdy naptí klesne pibližn na polovinu, zane opt pracovat PI regulátor a udržovat naptí na této úrovni, ímž je zajištna regulace výstupního výkonu na požadovaných 10kW. Obrázek 7.3 ukazuje detail ustálených prbh naptí a proud z grafu na obrázku 7. v ase 0,35s. Z uvedeného je dobe vidt zvlnní naptí na vyhlazovacím kondenzátoru ve stejnosmrném meziobvodu vetn superponovaného zvlnní od stídae s frekvencí 8kHz. 50

51 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Obr. 7.3 Obr

52 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Obrázek 7.4 ukazuje prbhy naptí a proudu na zátži a na jednom IGBT tranzistoru. Z uvedeného je dobe vidt, že výstupní obvod je správn vyladný na frekvenci 8kHz, takže výstupní proud je sinusový a ve fázi s výstupním naptím. Další dva obrázky ukazují tytéž prbhy, akorát pi rozladném obvodu zátže. Obrázek 7.5 ukazuje prbhy pi frekvenci spínání stídae 6kHz a obrázek 7.6 pi frekvenci 1kHz. Stejných prbh bychom docílili zvolením jiné hodnoty rezonanního kondenzátoru, v jednom pípad vtší než potebné a ve druhém pípad menší. U rozladného obvodu zátže je z graf vidt, že tranzistory spínají v jiný okamžik, než pi prchodu proudu zátže nulou, což znamená výrazné zvýšení spínacích ztrát. Také je vidt fázový posuv mezi naptím a proudem zátže zpsobený pevažující induktivní nebo kapacitní reaktancí zátže. Obr. 7.5 Poslední obrázek 7.6 ukazuje prbhy naptí a proud na tranzistoru v pípad, že pomrné sepnutí není 50% periody ale 40% a na vedení proudu zátže se podílejí zptné diody. Zptné diody ve skutenosti v mnii povedou proud i pi pomrném sepnutí 50% vlivem vnitních reálných parametr souástek a parazitních indukností a dále z dvodu problematického okamžiku sepnutí pi pesn nulovém proudu zátže. 5

53 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Obr. 7.6 Obr

54 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Závr Cílem této práce bylo ukázat základní ucelený náhled do problematiky zdroj pro indukní ohev v kontextu použití pro nkterou konkrétní aplikaci, možné zpsoby jejich návrhu, ízení a realizace. Dále bylo cílem provést ukázkový výpoet zvolené aplikace indukního ohevu, na jehož základu bylo možné navrhnout mni vhodný pro napájení této aplikace a provést volbu typových souástek tohoto mnie a simulace vybraných ustálených a pechodových stav zdroje. V úvodní ásti se práce vnuje náhledu do základ teorie indukního ohevu a dále piblížení základních aplikací indukního ohevu používaných v praxi. Jsou uvedeny jejich principy a pípadn požadavky na jejich napájecí zdroje. V další ásti je proveden pehled díve používaných napájecích zdroj zahrnujících pedevším motor-generátorická soustrojí a elektronkové generátory, které se v aplikacích stedo- a vysokofrekvenních zdroj používaly. Dále je zpracovaný pehled moderních polovodiových napájecích zdroj a jejich principy fungování, stejn jako možnosti provedení, vhodnost použití a zpsoby jejich ízení. V další ásti se práce vnuje výpotu indukního prohívacího zaízení s konkrétními zvolenými parametry. Z výpotu jsme obdrželi parametry zátže, které jsou potebné pro možnost simulace vybraných jev a také pro další návrhy jako napíklad velikost rezonanního kondenzátoru. Práce se nezabývala ešení výstupního pizpsobovacího transformátoru, který by v pípad realizace zejm byl potebný pro snížení výstupního naptí mnie a tím i snížení potebného potu závit indukní cívky. V závrené ásti je provedena volba typových souástek mnie vetn návrhu vhodného chladie a výpotu elektrotepelného pechodového dje. Dále jsou v závrené ásti provedeny simulace ustálených stav a pechodových dj napájecího zdroje, ze kterých plyne ovení výpot jednotlivých parametr provedených v pedchozí ásti. V prbzích naptí a proud získaných poítaovou simulací je ukázáno jak nabití kondenzátoru ve stejnosmrném meziobvodu, tak i ustálený stav prbhu pro požadovaný výkon 0kW a 10kW. také jsou ukázány prbhy pi rozladném výstupním obvodu zátže. Práce svou náplní splnila požadované cíle, které byly kladeny v úvodu, a pinesla ucelený pohled na danou problematiku. Pedpokládá se další možné využití obsahu nejen ke studijním úelm, ale také pípadné navázání další diplomovou prací s cílem realizace zvolené aplikace indukního ohevu v laboratoích katedry elektromechaniky a výkonové elektroniky na elektrotechnické fakult Západoeské univerzity v Plzni. 54

55 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec Použitá literatura [1] ERNÝ V. Indukní ohev (1), Elektro 10/00, s. 56; Indukní ohev (), Elektro 11/00, s. 55; Indukní ohev (3), Elektro 1/00; Indukní ohev (4), Elektro 1/003, s. 56; Indukní ohev (5), Elektro /003 [] Hradílek, Z a kolektiv : Elektrotepelná zaízení, IN-EL, Praha 007 [3] Vondrášek, F : Výkonová elektronika svazek mnie s vnjší komutací, Skripta ZU, Plze 003 [4] Vondrášek, F : Výkonová elektronika svazek 3 mnie s vlastní komutací a bez komutace, Skripta ZU, Plze 003 [5] Rudnev, V, Loveless, D, Cook, R : Handbook of induction heating, INDUCTOHEAT, Inc., Michigan, USA, 003 [6] Ks, V : Nízkofrekvenní rušení, Skripta ZU, Plze 003 [7] [8] Langer, E., Kožený, J. : Elektrotepelná zaízení indukní, Skripta ZU, Plze 198 [9] Segura, G. M., Induction heating converter s design, control and modeling applied to continuous wire heating, Disertaní práce, Universitat Politecninca de Catalunya, Barcelona 01 [10] Vondrášek, F : Výkonová elektronika svazek 6 projektování výkonových polovodiových mni vybrané stati, Skripta ZU, Plze

56 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Pílohy Seznam obrázk Obr. 3.1 Obr. 3. Obr. 3.3 Obr. 4.1 Obr. 4. Obr. 4.3 Obr. 4.4 Obr. 4.5 Obr. 4.6 Obr. 4.7 Obr. 4.8 Obr. 4.9 Obr Obr Obr. 4.1 Obr Princip fungování indukní kelímkové pece s vodivým kelímkem Indukní zaízení pro svaování trubek Rzné tvary indukních cívek pro lokální ohev Schéma stedofrekvenního rotaního generátoru Schéma tyristorového mnie kmitotu Principiální schéma fungování elektronkového vysokofrekvenního generátoru Pehled používaných polovodiových souástek ve zdrojích pro indukní ohev v závislosti na frekvenci a výkonu Schéma stídae - princip funkce Pehled používaných stída pro proudové a napové zdroje a rzné typy ízení Schéma obvodu s napovým stídaem a sériovým rezonanním obvodem Prbhy naptí a proud stídae se sériovým rezonanním obvodem zátže Schéma obvodu s napovým stídaem a sério-paralelní rezonanní zátži Prbhy naptí a proud stídae se sério-paralelní rezonanní zátží Schéma proudového stídae s paralelní rezonanní zátží Prbhy naptí a proud proudového stídae s paralelní rezonanní zátží Pehled základních variant ízení stída Obr. 6.1 Rozložení proudové hustoty v ohívaném materiálu v závislosti na argumenu x Obr. 6. Graf závislosti množství absorbované energie na argumentu x Obr. 6.3 Závislost doby ohevu na prmru vývalku s ohledem na použitou frekvenci Obr. 6.4 ez uspoádáním indukní cívky, keramické vložky a ohívaného tlesa Obr. 6.5 Obr. 6.6 Obr. 6.7 Obr. 6.8 Obr. 6.9 Obr Obr. 7.1 Obvod zátže s uvažováním vlastních parametr cívky a vsázky; náhradní obvod zátže Schéma zvoleného mnie pro indukní ohev Regulaní schéma zvoleného mnie pro indukní ohev Náhradní tepelné schéma pro simulaci tepelného pechodového dje Graf prbhu tepelného pechodového dje Detail ustálené teploty ipu tyristor Schéma výkonového obvodu pro simulaci vybraných jev Obr. 7. Graf prbh naptí U g, proudu I d a odebíraného proudu jednou fází

57 Mni pro indukní ohev Bc. Miroslav Nmec 013 Obr. 7.3 Obr. 7.4 Obr. 7.5 Obr. 7.6 Obr. 7.7 Detail prbh naptí U g, proudu I d a odebíraného proudu jednou fází v ustáleném stavu pi požadovaném výkonu 0kW Graf prbh naptí a proud na zátži a na IGBT tranzistoru pi frekvenci 8kHz Graf prbh naptí a proud na zátži a na IGBT tranzistoru pi frekvenci 6kHz Graf prbh naptí a proud na zátži a na IGBT tranzistoru pi frekvenci 1kHz Graf prbh naptí a proud na zátži a na IGBT tranzistoru pi z=0,4 Seznam tabulek Tab..1 Tab.. Závislost hloubky vniku na frekvenci pro m a ocel Fyzikální vlastnosti vybraných materiál Tab..3 Orientaní hodnoty úinnosti ohevu v závislosti na pomru a /d Tab. 3.1 Závislost požadované frekvence na tloušce materiálu Tab. 4.1 Obsah vyšších harmonických pro p-pulsní usmrovae Tab. 4. Porovnání proudových a napových stída Tab. 6.1 Parametry tranzientní tepelné impedance a tepelné kapacity ipu tyristor

58 SKKT 0, SKKT 0B THYRISTOR BRIDGE,SCR,BRIDGE SEMIPACK 1 Thyristor / Diode Modules SKKT 0 SKKT 0B Features Typical Applications* 1) Symbol Conditions Values Units SKKT NOS by SEMIKRON

59 RECTIFIER,DIODE,THYRISTOR,MODULE Fig. 1L Power dissipation per thyristor vs. on-state current Fig. 1R Power dissipation per thyristor vs. ambient temp. Fig. L Power dissipation per module vs. rms current Fig. R Power dissipation per module vs. case temp. Fig. 3L Power dissipation of two modules vs. direct current Fig. 3R Power dissipation of two modules vs. case temp NOS by SEMIKRON

60 SKKT 0, SKKT 0B THYRISTOR BRIDGE,SCR,BRIDGE Fig. 4L Power dissipation of three modules vs. direct and rms current Fig. 4R Power dissipation of three modules vs. case temp. Fig. 5 Recovered charge vs. current decrease Fig. 6 Transient thermal impedance vs. time Fig. 7 On-state characteristics Fig. 8 Surge overload current vs. time NOS by SEMIKRON

61 RECTIFIER,DIODE,THYRISTOR,MODULE Fig. 9 Gate trigger characteristics Dimensions in mm * The specifications of our components may not be considered as an assurance of component characteristics. Components have to be tested for the respective application. Adjustments may be necessary. The use of SEMIKRON products in life support appliances and systems is subject to prior specification and written approval by SEMIKRON. We therefore strongly recommend prior consultation of our personal NOS by SEMIKRON

62 P3SEMIKRON, leading manufacturer of diode thyristor power semicondictor modules Heatsink For isolated power modules P3 Dimensions in mm Features Dimensions in mm ADR by SEMIKRON

63 P3SEMIKRON, leading manufacturer of diode thyristor power semicondictor modules Fig.3a Total thermal resistance vs. length Fig.3b Total thermal resistance vs. length Fig.6 Total thermal resistance versus length Fig.7 Total thermal resistance vs.air velocity Fig.8 Pressure drop vs air flow, and associated fan SKF3 Fig.10 Total transient thermal impedance vs.time ADR by SEMIKRON

64 P3SEMIKRON, leading manufacturer of diode thyristor power semicondictor modules Dimensions in mm Dimensions in mm ADR by SEMIKRON

65 SEMIKRON / SemiSel 4.1 Project: Topology Circuit AC/DC B6C Circuit: V in 30 V I out A I out rms A f in 50 Hz Form Factor Overload factor 1 Overload duration 1sec Device : Product line SemiPack Device SKKT0 Recommended voltage 800V Max. junction temparature 15 C Use maximum values Yes V T0.5 = 1.3V V T0.15 = 1.00V r T.5 = mohm r T.15 = mohm R th(j-s) = 1.4 K/W Data set from: Not set No Comment Cooling: Ambient temperature 40 C Number of sw itches per heat sink 6 Number of parallel devices on the same heat sink 1 Additional pow er source at this heat sink 0 W Predefined SK-Heat Sink P3_180 Correction factor 1 Natural air cooling, flow rate: 5 m 3 /h R th(s-a) 0.36 K/W Losses and temperatures: Steady State Overload Losses device 1 W 1 W Losses tot 14 W 14 W Heat Sink Temperature 85 C 85 C Junction temperature 114 C 114 C semisel.semikron.com/ergebnisse.asp?print=true 1/

66 SEMIKRON / SemiSel 4.1 Evaluation: This configuration w orks fine. semisel.semikron.com/ergebnisse.asp?print=true /

67 SKM50GB1T4 SEMITRANS Fast IGBT4 Modules SKM50GB1T4 Features IGBT4 = 4. Generation Fast Trench IGBT (Infineon) CAL4 = Soft switching 4. Generation CAL-Diode Isolated copper baseplate using DBC Technology (Direct Copper Bonding) UL recognized, file no. E6353 Increased power cycling capability With integrated Gate resistor For higher switching frequenzies up to 0kHz Typical Applications* AC inverter drives UPS Electronic welders at fsw up to 0 khz Remarks Case temperature limited to T c = 15 C max, recomm. T op = C, product rel. results valid for T j = 150 Absolute Maximum Ratings Symbol Conditions Values Unit IGBT V CES T j =5 C 100 V I C T c =5 C 81 A T j =175 C T c =80 C 6 A I Cnom 50 A I CRM I CRM = 3xI Cnom 150 A V GES V t psc V CC = 800 V V GE 15 V T j =150 C 10 μs V CES 100 V T j C Inverse diode I F T c =5 C 65 A T j =175 C T c =80 C 49 A I Fnom 50 A I FRM I FRM = 3xI Fnom 150 A I FSM t p = 10 ms, sin 180, T j =5 C 70 A T j C Module I t(rms) T terminal =80 C 00 A T stg C V isol AC sinus 50 Hz, t = 1 min 4000 V Characteristics Symbol Conditions min. typ. max. Unit IGBT V CE(sat) I C =50A T j =5 C V V GE =15V chiplevel T j =150 C.0.40 V V CE0 T j =5 C V chiplevel T j =150 C V r CE V GE =15V T j =5 C m chiplevel T j =150 C m V GE(th) V GE =V CE, I C = 1.7 ma V I CES V GE =0V T j =5 C ma V CE = 100 V T j =150 C ma C ies f=1mhz.77 nf V CE =5V C oes f=1mhz 0.0 nf V GE =0V C res f=1mhz 0.16 nf Q G V GE = - 8 V V 80 nc R Gint T j =5 C 4.0 t d(on) V CC = 600 V T j =150 C 98 ns t I C =50A r T j =150 C 9 ns V GE =±15V E on T R G on =8. j =150 C 5.5 mj t d(off) R G off =8. T j =150 C 35 ns t f di/dt on =1700A/μs T j =150 C 75 ns E off di/dt off =670A/μs T j =150 C 4.5 mj R th(j-c) per IGBT 0.53 K/W GB by SEMIKRON Rev

68 SKM50GB1T4 SEMITRANS Fast IGBT4 Modules SKM50GB1T4 Features IGBT4 = 4. Generation Fast Trench IGBT (Infineon) CAL4 = Soft switching 4. Generation CAL-Diode Isolated copper baseplate using DBC Technology (Direct Copper Bonding) UL recognized, file no. E6353 Increased power cycling capability With integrated Gate resistor For higher switching frequenzies up to 0kHz Typical Applications* AC inverter drives UPS Electronic welders at fsw up to 0 khz Remarks Case temperature limited to T c = 15 C max, recomm. T op = C, product rel. results valid for T j = 150 Characteristics Symbol Conditions min. typ. max. Unit Inverse diode V F = V EC I F =50A V GE =0V chiplevel T j =5 C..54 V T j =150 C V V F0 T j =5 C V chiplevel T j =150 C V r F T j =5 C m chiplevel T j =150 C m I RRM I F =50A T j =150 C 35 A Q rr di/dt off =1380A/μs V GE =±15V T j =150 C 8.7 μc E rr V CC = 600 V T j =150 C 3.8 mj R th(j-c) per diode 0.84 K/W Module L CE 30 nh R CC'+EE' T C =5 C 0.65 m terminal-chip T C =15 C 1 m R th(c-s) per module K/W M s to heat sink M6 3 5 Nm M t to terminals M5.5 5 Nm Nm w 160 g GB Rev by SEMIKRON

69 SKM50GB1T4 Fig. 1: Typ. output characteristic, inclusive R CC'+ EE' Fig. : Rated current vs. temperature I C = f (T C ) Fig. 3: Typ. turn-on /-off energy = f (I C ) Fig. 4: Typ. turn-on /-off energy = f (R G ) Fig. 5: Typ. transfer characteristic Fig. 6: Typ. gate charge characteristic by SEMIKRON Rev

70 SKM50GB1T4 Fig. 7: Typ. switching times vs. I C Fig. 8: Typ. switching times vs. gate resistor R G Fig. 9: Transient thermal impedance Fig. 10: Typ. CAL diode forward charact., incl. R CC'+ EE' Fig. 11: CAL diode peak reverse recovery current Fig. 1: Typ. CAL diode peak reverse recovery charge 4 Rev by SEMIKRON

71 SKM50GB1T4 SEMITRANS GB This is an electrostatic discharge sensitive device (ESDS), international standard IEC , Chapter IX * The specifications of our components may not be considered as an assurance of component characteristics. Components have to be tested for the respective application. Adjustments may be necessary. The use of SEMIKRON products in life support appliances and systems is subject to prior specification and written approval by SEMIKRON. We therefore strongly recommend prior consultation of our staff. by SEMIKRON Rev

72 SEMIKRON / SemiSel 4.1 file:///m:/nmec/diplomka/semikron _ SemiSel 4.1.htm 1 z :04 Project: Topology Circuit DC/AC Direct Inverter Circuit V d Wave form I max I out rms t roof 540 V Rectangular A A 0.5 t/t f sw 8 khz Overload factor 1 Overload duration 10 s Device : Circuit SEMITRANS Device SKM50GB1T4 Use maximum values No Max. junction temparature 175 C Transistor E = tr 5 mj (@ 600 V) V = CE V r = C mohm V = CE.sat.0 V I = c A R = th(j-c) 0.53 K/W Diode E = d 0.36 mj V = T V r = T mohm V = f.0 V I = f A R = th(j-c) 0.84 K/W R = th(c-s) 0.05 K/W Data set from 010/1/1 Cooling: Ambient temperature 40 C Number of switches per heat sink 4 Number of parallel devices on the same heat sink 1 Additional power source at this heat sink 0 W Predefined SK-Heat Sink P3_10 Correction factor 1 Forced Air Cooling, Flow Rate: 80 m 3 /h R th(s-a) K/W Calculated losses and temperatures: Rated current Overload P cond tr 3 W 3 W P sw tr 3 W 3 W P tr 55 W 55 W P cond d 0.00 W 0.00 W P sw d 1.9 W 1.9 W P d 1.9 W 1.9 W