Индукционный нагрев металла

Индукционный нагрев металла

Виды индукционного нагрева

При обработке металла широко применяется процесс высокочастотного индукционного нагрева для закалки, пайки, плавки металла, разогрева перед ковкой, горячей посадки и других процессов.

Индукционный нагрев — это метод бесконтактного нагрева электропроводящих материалов токами высокой частоты.

В зависимости от технологического процесса применяются установки мощностью от единиц киловатт, до мегаватт и выше. Рабочая  частота может изменяться  от единиц килогерц до единиц мегагерц.

В XX веке для генерации тока использовались в основном ламповые и электромашинные генераторы. Недостаток ламповых генераторов это невысокий КПД, обычно менее 50%. Срок службы лампы не превышал нескольких тысяч часов. Зато они были относительно простыми и нечувствительными к перегрузкам.

С появлением мощных IGBT, а затем и MOSFET транзисторов появились генераторы индукционного тока на транзисторах. Их преимущество заключается в высоком КПД, 90 и более процентов. За счёт этого обеспечивается не только экономия электроэнергии, но и упрощение отвода тепла, и общее упрощение конструкции.

Ламповые генераторы хорошо работали в режиме автогенератора. Индуктор включался в контур самовозбуждения лампы, таким образом поддерживалась генерация на резонансной частоте. Недостатками автогенераторных схем является невысокий КПД, плохая управляемость генератором по частоте и амплитуде. Однако простота такой схемы была определяющим фактором. Более того, встречаются транзисторные генераторы малой мощности, работающие в схемах с самовозбуждением.

Недостатком генераторов на транзисторах является слабая устойчивость к пробою силовых элементов при перегреве и превышении напряжения, как на управляющем электроде, так и между стоком и истоком. Неустранимый пробой транзистора может произойти за несколько микросекунд. Тогда как лампа выходит из строя только после оплавления сетки или анода.

С учётом развития цифровой техники, для управления транзисторами стали использовать микропроцессорные задающие генераторы. С помощью цифрового управление можно обеспечить регулирование частоты генератора, мощности, времени работы, обеспечить систему защит и предоставить цифровой интерфейс для управления индукционной установкой. Микропроцессорная система управления так же может обеспечивать сбор и передачу всей информации о состоянии установки: температуру различных узлов, потребляемую  мощность, параметры нагрева и т.д.

Как работает индукционный нагрев

Транзисторный генератор должен обеспечивать генерацию переменного тока заданной частоты и мощности в заданном временном интервале.

Сопротивление нагревательного индуктора имеет индуктивный характер, поэтому для снижения реактивного тока на выходе генератора, параллельно индуктору включают конденсатор. На резонансной частоте реактивное сопротивление индуктора полностью компенсируется реактивным сопротивлением конденсатора. Ток на выходе генератора становится активным, то есть реактивная составляющая стремится к нулю. Исходя из этого рабочая частота генератора, индуктор и компенсирующая ёмкость должны быть выбраны так, чтобы работать на резонансной частоте. Для наиболее оптимального режима работы генератора, он работает на частоте, отличающейся от резонансной.  Обычно вводится «индуктивная расстройка» частоты, то есть та при которой резонансная цепь имеет ненулевое индуктивное реактивное сопротивление.

При нагреве заготовки меняется её удельное сопротивление, у магнитных материалов изменяется магнитная проницаемость, изменяется геометрия позиционирования заготовок. Все эти факторы приводят к изменению индуктивности и сопротивления потерь  индуктора. Изменение индуктивности и потерь может достигать сотни процентов. Для поддержания режима работы генератора, он должен подстраивать частоту к резонансной, с учётом заданной расстройки. Мощность так же необходимо подстраивать.

Мощность нагрева определяется параметрами генератора и контура, образованного индуктором и компенсирующим конденсатором. В некоторых пределах её можно изменять (в меньшую сторону), внося дополнительную расстройку по частоте.

Время нагрева определяется оператором или автоматически.

Помимо управления частотой и мощностью генератор должен обеспечивать защиту себя от короткого замыкания, перегрева, других аварийных ситуаций. Так же генератор должен быть безопасным для эксплуатирующего его персонала.

Таким образом, система управления транзисторным генератором должна обеспечить:

  • генерацию управляющих сигналов для силовых ключей,
  • проверку и подстройку условий резонанса в контуре,
  • регулирование мощности путём расстройки контура или другим способом,
  • защиту силовых ключей от перегрузки и перегрева,
  • защиту персонала,
  • ручное и автоматическое включение и выключение генератора,
  • отображение текущих параметров: частоту, мощность, время работы и т.п.,
  • отображение режимов работы, штатных и аварийных состояний оборудования,
  • общее управление установкой.

Управление индукционным нагревом

Наиболее гибкое и функциональное управление можно обеспечить с помощью микропроцессорного устройства. Микропроцессор может взять на себя интерфейс с человеком,  с другими системами автоматики, отслеживание условий резонанса, управление генерацией сигналов для ключей, формирование части защит.

Немаловажным свойством любого оборудования является надёжность. В данном случае управление силовыми ключами должно быть максимально надёжным и осуществляться в режиме реального времени. Остановка процесса управления или защиты может вывести из строя всю систему за считанные микросекунды. Исходя из этого, необходимо обеспечить управление силовыми ключами с помощью аппаратного обеспечения, которое работает даже при останове или подвисании программы процессора.

Наиболее подходящими в этом случае являются микроконтроллеры, имеющие в своём составе аппаратные таймеры, АЦП, дискретные входы и выходы, готовые интерфейсы, такие как I2C, ISP, UART.  

Сегодня на рынке существует немало микроконтроллеров с «подходящей» периферией и производительностью. Это и классические DSP контроллеры от Texas Instruments серии TMS320, и более новые контроллеры с ARM ядром от STMicroelectronics серии STM32, и XMC от Infineon, и многие другие.

Все вышеперечисленные линейки контроллеров включают в себя сотни устройств с разным количеством и функциональностью периферии, различным количеством памяти и разной производительностью. Использование той или иной линейки контроллеров в данном случае определяется выбором разработчика, не в последнюю очередь в силу привычки, наличие инструментов разработки, доступностью самих устройств и готовых отладочных решений.

induction-schem
Структурная схема высокочастотного индукционного нагрева

Рассмотрим функциональную схему генератора. На микроконтроллер возложены задачи управления генератором и связь с «внешним миром».

Для генерирования сигналов управления ключами задействуем аппаратный таймер в режиме генерации ШИМ. Использование аппаратного таймера позволит нам обезопасить себя от зависания программы в первую очередь в ходе отладки и разгрузить контроллер от процесса непрерывного отслеживания сигналов коммутации ключей.

С выхода ключей получаем сигналы  тока и напряжения в колебательном контуре. Для определения резонансной частоты сравниваем их фазы. Для сравнения фаз используем аппаратный таймер в режиме захвата входного сигнала. Параллельно эти же сигналы подаём на входы АЦП для определения активной мощности в колебательном контуре. АЦП настраиваем в режим работы с DMA. Сигнал тока заводим через компаратор на вход блокировки генерации для обеспечения быстродействующей защиты ключей по току.

Для работы с термодатчиками и дисплеем задействуем встроенный аппаратный контролер IIC или SPI. Внешний интерфейс можно построить на UART или даже на USB.
С учётом того, что вся вышеперечисленная периферия работает, не нагружая центральный процессор микроконтроллера, получаем функциональное, надёжное и не требовательное к производительности микропроцессора решение. Дополнительно использование готовой периферии значительно упрощает отладку системы.

Заключение

В статье изложена идея реализации цифрового управления генератором индукционного нагрева с помощью микроконтроллера. В следующих частях, подробно разберем устройство силовой части, формирователей сигналов для микроконтроллера, человеко-машинного интерфейса.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработки технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: http://gekoms.org