Vysokofrekvenční generátory - technologie

Vysokofrekvenční generátory

Adaptivní řídící jednotka středfrekvenčního a vysokofrekvenčního generátoru

Základním stavebním prvkem polovodičového VF generátoru je kromě vlastní polovodičové výkonové části a paralelního rezonančního obvodu především řídící jednotka, určující na základě vhodných zpětných vazeb časové okamžiky spínání výkonových tranzistorů. Požadavky na časovou souslednost spínání jsou v případě generátorů s pracovní frekvencí 5 až 500kHz velice vysoké a pohybují se v řádu jednotek nanosekund. Pokud by došlo k sepnutí výkonové části v nevhodný okamžik, znamenalo by to destrukci výkonového stupně, který pracuje v režimu ZCS (zero current switching), tedy spínání v nule proudu. Řízení musí být schopné bezpečně odstavit generátor i v případě tvrdého zkratu na výstupu, například při poruše pracovního induktoru. Kromě vyjmenovaných požadavků, je v případě indukčních ohřevů dále nutné vyřešit problematiku spojenou se změnou impedance zátěže. Pojmem „zátěž“ je v této souvislosti myšlen ohřívaný kovový polotovar. Pojmem „impedance“ je myšlen poměr mezi VF napětím a proudem, což ovlivňuje poměr napájecího stejnosměrného napětí a proudu. Je nutné poznamenat, že pouze při 100% přizpůsobení je možné dodat do zátěže plný nominální výkon – impedance je optimální. Pojmem „100% přizpůsobení“ je myšlena situace, kdy relativní hodnoty stejnosměrného napětí a proudu napájející VF generátor jsou identické vzhledem k jejich maximálním hodnotám. Pokud se jedná o ohřev feromagnetického materiálu (typicky ocel a její slitiny) je počáteční impedance ve studeném stavu relativně nízká. Ohříváním součásti impedance postupně roste až do kritického bodu ztráty feromagnetických vlastností (tzv. Curieův bod – kolem 730°C), kdy mizí hysterezí ztráty v materiálu a impedance vzroste o 100 až 200%. Dále dochází ke změně pracovní frekvence v řádu jednotek až desítek procent. Počáteční a tedy i koncová impedance je za provozu generátoru určována především volbou induktoru, jež je dána technologickými požadavky zákazníka a nelze ji libovolně měnit (to je diametrálně odlišná situace oproti VF svařovacím generátorům, kde je pro daný průměr svařované trubky a materiálu vždy jasně předepsaný konkrétní pracovní induktor a jeho neodborné použití, nebo záměna jsou chápány jako nedodržení závazných technologických provozních podmínek s možností vypovědění záruky na generátor). V průběhu změny impedance a frekvence bohužel dochází k nutnosti spínat výkonovou jednotku v odlišných časových okamžicích, což v praxi znamená nezbytné korekce v řádu jednotek nanosekund. Řídící jednotka musí být schopná tuto funkci realizovat a zajistit spolehlivé nastartování a spínání výkonové jednotky pro jakýkoliv zákaznický induktor.

Regulátor impedance

Úkolem řídící jednotky je přizpůsobování se těmto změnám a ochrana výkonového stupně před jeho zničením. Zároveň je však nutné řešit situaci, kdy je například provozní impedance příliš vysoká a stejnosměrné napájecí napětí dosáhne svého maxima 100% současně s 10% proudu. Výsledný maximální výkon generátoru je tak v této situaci pouze 10% nominální hodnoty (P=U*I), což znemožňuje zamýšlený ohřev. Jsou případy, kdy není z technologických důvodů možné změnit tvar a velikost induktoru a jediné řešení tak představuje úprava uspořádání rezonačního obvodu VF generátoru. U starých elektronkových generátorů se v těchto případech používaly různé vzduchové transformátory, případně se měnily kondenzátory. U polovodičových generátorů, které nepracují oproti elektronkám s vysokým napětím, je použití přizpůsobovacích transformátorů značně neefektivní a podstatně zhoršuje účinnost celého systému. Existuje zde možnost výměny rezonančních kapacit, což je však stejně jako v případě elektronkových zařízení značně časově a provozně neefektivní.

Generátory HFR jsou na požádání vybaveny regulátorem impedance, který provoz generátoru stabilizuje bez ohledu na charakter „záteže“.