Lista przedmiotów z materiałami udostępnionymi dla studentów

Dla_studentów
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Jerzy Gołaszewski

Nagrzewnica indukcyjna - falownik i obwód rezonansowy


The induction heater - inverter and resonant tank


Opiekun pracy dyplomowej: dr inż. Krzysztof Napiórkowski
Praca dyplomowa magisterska obroniona 2014-03-26
Streszczenie pracy dyplomowej:
Celem niniejszej pracy jest przedstawienie etapów projektowania falownika i obwodu rezonansowego nagrzewnicy indukcyjnej o mocy 5kW. Temat pracy został podjęty, ponieważ nagrzewanie indukcyjne jest obecnie najbardziej zaawansowanym powszechnie dostępnym sposobem nagrzewania przewodników i ferromagnetyków. Duża gęstość mocy sprawia, że nagrzewanie indukcyjne jest bardzo ekonomiczne. Ponadto umożliwia niezwykle precyzyjną kontrolę temperatury i głębokości nagrzewania. Duża dowolność w kształtowaniu wzbudnika pozwala na przeprowadzanie procesu w trudnodostępnych miejscach, bez narażania sąsiednich elementów na wpływ podwyższonej temperatury. Część poświęcona obwodowi rezonansowemu bazuje na obliczeniach dotyczących konkretnej próbki materiału i dopasowanego do niej wzbudnika. Taki sposób analizy układu był w zasadzie konieczny, ponieważ różnorodność nagrzewanych materiałów jest tak wielka, że niezwykle trudno wyprowadzić uniwersalne wzory. Na podstawie przeprowadzonej analizy można jednak wykonać obliczenia dla niemal dowolnego przedmiotu i dopasowanego do niego wzbudnika. W przypadku falownika wybrano najwłaściwszą topologię układu, po czym przeprowadzono obliczenia strat mocy w wybranych tranzystorach. Rozważano użycie zarówno tranzystorów MOSFET jak i IGBT. Pod uwagę brane były również dwa sposoby połączenia tranzystorów – równoległe i mieszane, oraz możliwość wytwarzania sygnału trójpoziomowego. Na końcu tego rozdziału przedstawiono porównanie strat w wybranych tranzystorach. Dokładna analiza zależności między obwodem rezonansowym i obciążeniem pozwoliła wypracować sposób postępowania przy zoptymalizowanym doborze elementów. Prawidłowość wyników potwierdziła zbieżność z inżynierskimi sposobami obliczania parametrów podzespołów. W przypadku obliczeń mocy traconej w falowniku, posłużono się rzeczywistymi charakterystykami tranzystorów i przebiegami prądu w układzie. Aproksymacje tych charakterystyk funkcjami matematycznymi i wykorzystanie całkowania pozwoliło na bardzo dokładne obliczenie strat mocy w układzie. Tutaj również zostały potwierdzone przybliżone zasady doboru elementów, ponieważ najlepsze do nagrzewnicy o tej częstotliwości pracy okazały się tranzystory MOSFET.
Abstract:
The purpose of this paper is to present the design process of the inverter and the resonant tank for a 5kW induction heater. The topic was undertaken as induction heating is the most advanced commonly available method of heating conducting and ferromagnetic materials. High power density makes induction heating very cost effective. Furthermore, it allows extremely precise control of heating temperature and depth. Flexibility in shaping the inductor allows to carry out the process in tight spaces without exposing adjacent elements to the impact of elevated temperature. The section devoted to the resonant tank is based on calculations of a particular sample material and matched inductor. Such a method of analysis of the system was essentially necessary because the diversity of heated materials is so great that it is extremely difficult to derive universal formulas. The presented analysis is, however, valid for virtually any object with matched inductor. Regarding the inverter, the most appropriate circuit topology was chosen, followed by calculation of the power loss in the selected transistors. Both MOSFETs and IGBTs were considered. Two ways to connect transistors, parallel and mixed, and the ability to produce a three-level signal, were also taken into account. At the end of this chapter a comparison of losses in selected transistors is presented. A thorough analysis of the relationship between the resonant tank and the load allowed to develop a design procedure with optimized component selection. The correctness of the results was confirmed by the convergence with engineering methods of calculating the parameters of components. For the calculation of the inverter power loss, actual characteristics of transistors and current waveforms in the circuit were used. Approximations of these characteristics with mathematical functions and the use of integration allowed for very precise calculation of the power loss in the system. Here, the approximate engineering rules for the selection of components were confirmed as well, proving the MOSFETs being the best choice for the heater of considered operating frequency.