Преобразователь частоты для индукционной пайки

При индукционном нагреве под пайку необходимо правильно выбрать режим: частоту и мощность высокочастотного источника питания, а также время пайки — в соответствии с рекомендациями [1, 2].

Полупроводниковые источники питания, используемые в электротехнологических установках, обычно работают в диапазоне от одного до нескольких сот килогерц. Диапазон до 30 кГц охватывает тиристорные преобразователи, а выше — транзисторные.

Выбор инвертора в первую очередь должен определяться возможностью его работы без аварийных режимов при колебаниях нагрузки практически от холостого хода до короткого замыкания.

Из литературы [3] известно большое количество схем инверторов, однако универсальной схемы, пригодной на все случаи жизни, на наш взгляд, не существует. У каждого производителя есть свои пристрастия. Для частот выше 2,5 кГц предпочтительнее резонансные инверторы (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальные схемы несимметричного резонансного инвертора (а), полумостового последовательного инвертора с обратными диодами (б) и инвертора с удвоением частоты (в)

Схема на рис. 1а наиболее проста и находит применение для индукционного нагрева под пайку [4, 5], однако она, как правило, требует последовательного соединения тиристоров, а для ликвидации режима срыва инвертирования используется тиристорный выключатель постоянного тока [4]. В схеме на рис.1б отсутствуют перенапряжения на тиристорах, но при той же мощности нагрузки может потребоваться параллельное соединение тиристоров. Схема на рис.1в способна работать в режимах холостого хода и короткого замыкания, однако она требует большой индуктивности на входе инвертора, и поэтому ее массогабаритные показатели могут быть хуже по сравнению со схемой на рис. 1б. Ниже рассмотрен другой вариант резонансного инвертора. В состав преобразователя частоты (рис. 2) входят:

• неуправляемые выпрямители В1 и В2;
• два инвертора И1 и И2, работающие на общую нагрузку;
• система управления СУ (рис. 3). Выпрямитель собран по трехфазной мостовой  схеме на диодах VD1 — VD6. Выход выпрямителяподключается к входу инвертора через сглаживающий фильтр Lф Cф.

Рис. 2. Электрическая принципиальная схема источника питания

Выпрямленное напряжение подается на вход инверторов И1, И2, которые преобразуют его в переменное напряжение повышенной частоты.

Инверторы И1, И2 выполнены по схеме резонансного инвертора со встречно-параллельными тиристорами [6]. В этом случае устраняется зависимость времени выключения тиристоров от величины обратного напряжения, так как на интервале до включения обратных тиристоров к основным тиристорам прикладывается обратное напряжение, что позволяет повысить частоту инвертирования. При срыве инвертирования (одновременно включились силовые тиристоры VS1, VS2) ток разряда конденсатора Cф при правильно выбранной индуктивности дросселя Lф не переходит на встречно включенные вентили, и силовые тиристоры выключаются [7]. Для снижения перенапряжений на конденсаторе Cф параллельно дросселю Lф включена цепочка VD0 Rш. В качестве сердечника выходного трансформатора использовано аморфное железо.

Как видно из рис. 2, источник построен по модульному принципу, что позволяет наращивать мощность нагрузки или регулировать ее без изменения выходной частоты.

Выбор параметров инвертора можно произвести на основе [3, 8].

1. Собственную частоту колебаний резонансного контура L_к C_к выбираем на 10-30% больше двойной частоты инвертирования

2. Потребляемый от выпрямителя ток

где P_н — мощность нагрузки, U_d — выпрямленное напряжение сети, η — КПД источника.

3. Ток первичной обмотки выходного силового трансформатора

где λ — длительность протекания тока тиристора;

4. Емкость коммутирующего конденсатора

5. Суммарная индуктивность колебательного контура

6. Требуемый коэффициент трансформации

7. Среднее значение тока тиристора и силового диода

8. Максимальные значения тока тиристора и силового диода

9. Максимальное напряжение на коммутирующем силовом конденсаторе

Структурная схема системы управления (рис. 3а) содержит задающий генератор ЗГ, импульсы которого поступают на счетчик импульсов СИ, управляющий распределителем импульсов РИ, далее сигналы усиливаются усилителями мощности УМ1-УМ4 и через импульсные трансформаторы ИТ1-ИТ8 поступают на управляющие электроды тиристоров. В момент t₁ (рис. 3б) ток тиристора становится равным нулю и сигнал с датчика тока ДТ через формирователь импульсов ФИ воздействует на порог срабатывания ЗГ, вызывая разряд времязадающего конденсатора. В результате такого построения длительность интервала t1 — t2 становится пропорциональной длительности интервала 0-t₀. Если ток тиристора станет равным нулю в момент t₁‘, то интервал t₁‘–t₂‘ возрастет. Задающий генератор ЗГ одновременно запускает одновибратор ОВ1, вырабатывающий импульс t_{и min}, соответствующий максимальному времени выключения тиристоров инвертора. Если длительность импульсов тиристора меньше t_{и min}, то дискриминатор длительности импульса ДИ выдает через схему ИЛИ сигнал запрета на СИ и РИ. В результате инвертор выключается. Если одновременно с проводящим состоянием одного тиристора включается другой, то сигнал со схемы совпадения СС через схему ИЛИ запрещает работу СИ и РИ.

Рис. 3. Структурная схема системы управления (а) и временные диаграммы (б)

Сигналами с датчика токов ДТ после окончания проводимости силовых тиристоров запускается одновибратор ОВ2, формирующий интервал паузы t_п (рис. 3б). Сигналы ОВ2 поступают вместе с импульсами ЗГ на СИ и далее через распределитель РИ на отпирание встречно-параллельно включенных тиристоров.

При отсутствии напряжения одной фазы датчик наличия фазы ДФ вырабатывает сигнал запрета, поступающий через схему ИЛИ на СИ и РИ, выключая инвертор. При уменьшении напряжения в сети ниже допустимого уровня срабатывает защита по напряжению аналогично ДФ. Такая же блокировка осуществляется датчиком наличия воды ДВ.

Система управления несколько упростится, если вместо обратных тиристоров использовать обратные диоды с дросселем насыщения (на рис. 2 подключение показано пунктиром).

Технические характеристики источников индукционного нагрева приведены в таблице. Напряжение питания — 380 В при 50 Гц. В течение ряда лет эти источники используются на заводах для индукционной пайки твердыми припоями.