Nagrzewnica indukcyjna z miękko przełączanym niesymetrycznym generatorem o rezonansie równoległym
Jakiś czas temu pracowałem nad eksperymentalną konstrukcją nagrzewnicy indukcyjnej wykonanej w topologii niesymetrycznej, miękko przełączanej o rezonansie równoległym. Budowa układu protypowego o mocy cieplnej 500W miała na celu potwierdzenie założeń dot. topologii oraz sprawdzenie możliwości i potwierdzenie niezawodności pracy układu z mikrokontrolerowym układem sterującym. Nagrzewnica miała przy tym skrośnie podgrzewać calowe rurki stalowe w czasie minuty do temperatury powyżej 700oC.
Generatory niesymetryczne (single-ended) przełączane przy zerowym napięciu drenu (ang. ZVS – zero voltage switching), inaczej generatory klasy E, są popularną topologią wykorzystywaną przy budowie różnego typu generatorów wysokiej częstotliwości. Generatory takie charakteryzują się wysoką sprawnością i niską ceną ze względu na konieczność wykorzystania tylko jednego tranzystora kluczującego oraz pojedynczej pojemności w układzie rezonansowym. Znajdują zastosowanie jako nadajniki radiowe czy generatory zmiennego pola magnetycznego - jako nagrzewnice i płyty indukcyjne czy generatory wykorzystywane do bezprzewodowego transferu energii (ang. WPT - wireless power transfer).
Podstawowa topologia generatora klasy E ma kilka odmian – może być układem zasilanym napięciowo lub prądowo (- typowo poprzez dławik o dużej indukcyjności). Omawiana konstrukcja należy do pierwszej grupy i typowo nazywana jest topologią SEPR (ang. Soft-Switching Single Ended Parallel Resonance Converter). W polskiej literaturze naukowej występuje jako wzmacniacz klasy E o niesinusoidalnym napięciu wyjściowym i liniowo narastającym prądzie kolektora.
Ogólny schemat blokowy generatora SEPR jest dość prosty: źródło napięciowe, tranzystor i gałąź rezonansowa w układzie równoległym, obejmującą pojedynczą pojemność, indukcyjność i rezystancję. Dla przypadku nagrzewnic indukcyjnych, rolę indukcyjności oraz rezystancji, pokazanych na schemacie, pełni układ grzejny (wzbudnik wraz z podgrzewanym wsadem). Sterowanie tranzystorem w topologii SEPR musi odbywać się z zachowaniem rezonansu – włączenie tranzystora w momencie, gdy napięcie dren-źródło jest równe zero (ZVS). Aby zapewnić stan optymalny, w którym sprawność jest bliska 100% – włączenie tranzystora musi następować w momencie, gdy napięcie dren-źródło jest równe zero (ZVS), a także prąd drenu jest równy zeru (ZCS).
Przez to, że układ grzejny pełni rolę układu rezonansowego wynika podstawowy problem przy projektowaniu wszelkich nagrzewnic indukcyjnych - na etapie projektowania generatora konieczna jest choć podstawowa wiedza na temat podgrzewanego wsadu. Często stosuje się uproszczone metody obliczeniowe, jak metoda oporów wniesionych, jednak ze względu na fakt, że większość wsadów stalowych, nagrzewanych indukcyjnie, ma nienormalizowane własności elektryczne; wartości oporu właściwego i przenikalności magnetycznej różnych partii tego samego gatunku stali mogą się znacznie różnić, wyniki, poza samą niedokładnością uproszczonych metod obliczeniowych, mogą być obarczone znacznym błędem. Stąd dąży się do konstruowania generatorów w taki sposób, aby możliwa była bezpieczna praca w możliwe szerokim zakresie obciążeń.
Prototyp nagrzewnicy miał dysponować mocą cieplną 500W przy zasilaniu z napięcia 60V i podgrzewać skrośnie (daje to założenie o częstotliwości pracy generatora) odcinek calowej rurki stalowej. Dla takiego wsadu zaprojektowano spiralny 6-zwojowy wzbudnik i wyznaczono jego parametry. Ze względu na niewielką moc prototypu, nie było potrzeby wymuszonego chłodzenia wzbudnika. Konstrukcja to pełny drut miedziany średnicy 3mm.
Generator w topologii SEPR, przy określonym wypełnieniu i napięciu zasilającym, uzyskuje zadaną moc tylko dla danej wartości rezystancji obciążenia i danej wartości dobroci układu rezonansowego. Parametry te zależą od parametrów wzbudnika ze wsadem (wykres wyżej) oraz projektowanej częstotliwości pracy. Należy więc tak dobrać parametry układu (dopasować obciążenie i dobrać pojemność rezonansową), aby uzyskać oczekiwany rezultat w postaci mocy i częstotliwości pracy. W przypadku, gdy rezystancja wzbudnika ze wsadem (w układzie równoległym) będzie zbyt mała, urządzenie nie będzie działać.
Znalezienie parametrów sprowadza się do numerycznego rozwiązania układu dwóch równań. Można wpisać je w matlab i rozwiązać lub odczytać wynik z tabelki.
Analizując powyższą tabelę z obliczonymi przeze mnie parametrami warto zwrócić uwagę na prąd i napięcie tranzystora – ze względu na występujący rezonans, wartości prądu i napięcia są znacząco wyższe od wartości średnich, zasilających. Należy wziąć to pod uwagę wybierając odpowiedni MOSFET lub IGBT.
Dla uzyskania zakładanych parametrów- zapewnienia optymalnej impedancji obciążenia wykonałem dedykowany transformator dopasowujący. Konstrukcja takiego transformatora zależy od wartości projektowanych prądów płynących w uzwojeniach. Ze względu na niesinusoidalny charakter napięcia strony pierwotnej i obecność składowej stałej podmagnesowującej rdzeń, trzeba zapewnić odpowiedni wymiar rdzenia. Należy wziąć pod uwagę odprowadzanie ciepła: obliczyć straty z histerezy dla danego materiału rdzenia i, w przewodach (licy), z przewodzenia prądu. Jeśli moce są już większe, transformator trzeba chłodzić. W tym przypadku straty w transformatorze wynoszą ok. 8W.
W ogółach, budowa samego generatora różni się niewiele od przedstawionego schematu blokowego. Zasadniczym jest odpowiedni dobór części i pomiar napięć, by odpowiednio sterować momentem załączenia tranzystora. W urządzeniu układ sterujący zrealizowano z użyciem mikrokontrolera. Mierzone i porównywane jest napięcie drenu oraz mierzony prąd (moc). Mikrokontroler dba o utrzymanie mocy, zabezpiecza przed przekroczeniem dopuszczalnych wartości prądu i napięcia. Steruje tranzystorem dla uzyskania warunków ZVS (przełączania przy zerowym napięciu).
Trzeba tu raz jeszcze zwrócić uwagę, że w przypadku generatorów SEPR, błąd w kluczowaniu tranzystorem i jego włączanie przy wysokim napięciu (jak to w układach rezonansowych, szczytowe napięcie jest znacznie wyższe od napięcia zasilającego) wiąże się z przepływem znacznego prądu (zwierany jest naładowany kondensator układu rezonansowego) i wyzwoleniem dużej ilości energii, która może skutkować uszkodzeniem tranzystora.
Program mikrokontrolera przygotowałem w taki sposób, aby w maksymalny sposób pozbyć się opóźnień, wykorzystując optymalnie wbudowane peryferia i mechanizm zdarzeń. Ze względu na częstotliwość pracy generatora, skorzystanie z typowego mikrokontrolera i napisanie programu w sposób klasyczny (wejście w przerwanie – odłożenie rejestrów – wykonanie akcji np. zresetowanie licznika – przywrócenie rejestrów – opuszczenie przerwania) wiązałoby się z nieakceptowalnymi opóźnieniami.
W roli kondensatorów układu rezonansowego zastosowano ceramiczne kondensatory C0G produkcji TDK na napięcie 630V.
W roli kondensatorów blokujących zasilanie, ze względu na dużą wartość tętnień prądu, zastosowano zbiór ceramicznych kondensatorów X7R po 10uF (pojemność tych kondensatorów spada ze wzrostem napięcia. Znamionowa pojemność występuje dla napięcia bliskiego zero. Dla napięcia znamionowego pojemność jest ponad 5x mniejsza).
Jakiś czas temu pracowałem nad eksperymentalną konstrukcją nagrzewnicy indukcyjnej wykonanej w topologii niesymetrycznej, miękko przełączanej o rezonansie równoległym. Budowa układu protypowego o mocy cieplnej 500W miała na celu potwierdzenie założeń dot. topologii oraz sprawdzenie możliwości i potwierdzenie niezawodności pracy układu z mikrokontrolerowym układem sterującym. Nagrzewnica miała przy tym skrośnie podgrzewać calowe rurki stalowe w czasie minuty do temperatury powyżej 700oC.
Generatory niesymetryczne (single-ended) przełączane przy zerowym napięciu drenu (ang. ZVS – zero voltage switching), inaczej generatory klasy E, są popularną topologią wykorzystywaną przy budowie różnego typu generatorów wysokiej częstotliwości. Generatory takie charakteryzują się wysoką sprawnością i niską ceną ze względu na konieczność wykorzystania tylko jednego tranzystora kluczującego oraz pojedynczej pojemności w układzie rezonansowym. Znajdują zastosowanie jako nadajniki radiowe czy generatory zmiennego pola magnetycznego - jako nagrzewnice i płyty indukcyjne czy generatory wykorzystywane do bezprzewodowego transferu energii (ang. WPT - wireless power transfer).
Podstawowa topologia generatora klasy E ma kilka odmian – może być układem zasilanym napięciowo lub prądowo (- typowo poprzez dławik o dużej indukcyjności). Omawiana konstrukcja należy do pierwszej grupy i typowo nazywana jest topologią SEPR (ang. Soft-Switching Single Ended Parallel Resonance Converter). W polskiej literaturze naukowej występuje jako wzmacniacz klasy E o niesinusoidalnym napięciu wyjściowym i liniowo narastającym prądzie kolektora.
Ogólny schemat blokowy generatora SEPR jest dość prosty: źródło napięciowe, tranzystor i gałąź rezonansowa w układzie równoległym, obejmującą pojedynczą pojemność, indukcyjność i rezystancję. Dla przypadku nagrzewnic indukcyjnych, rolę indukcyjności oraz rezystancji, pokazanych na schemacie, pełni układ grzejny (wzbudnik wraz z podgrzewanym wsadem). Sterowanie tranzystorem w topologii SEPR musi odbywać się z zachowaniem rezonansu – włączenie tranzystora w momencie, gdy napięcie dren-źródło jest równe zero (ZVS). Aby zapewnić stan optymalny, w którym sprawność jest bliska 100% – włączenie tranzystora musi następować w momencie, gdy napięcie dren-źródło jest równe zero (ZVS), a także prąd drenu jest równy zeru (ZCS).
Przez to, że układ grzejny pełni rolę układu rezonansowego wynika podstawowy problem przy projektowaniu wszelkich nagrzewnic indukcyjnych - na etapie projektowania generatora konieczna jest choć podstawowa wiedza na temat podgrzewanego wsadu. Często stosuje się uproszczone metody obliczeniowe, jak metoda oporów wniesionych, jednak ze względu na fakt, że większość wsadów stalowych, nagrzewanych indukcyjnie, ma nienormalizowane własności elektryczne; wartości oporu właściwego i przenikalności magnetycznej różnych partii tego samego gatunku stali mogą się znacznie różnić, wyniki, poza samą niedokładnością uproszczonych metod obliczeniowych, mogą być obarczone znacznym błędem. Stąd dąży się do konstruowania generatorów w taki sposób, aby możliwa była bezpieczna praca w możliwe szerokim zakresie obciążeń.
Prototyp nagrzewnicy miał dysponować mocą cieplną 500W przy zasilaniu z napięcia 60V i podgrzewać skrośnie (daje to założenie o częstotliwości pracy generatora) odcinek calowej rurki stalowej. Dla takiego wsadu zaprojektowano spiralny 6-zwojowy wzbudnik i wyznaczono jego parametry. Ze względu na niewielką moc prototypu, nie było potrzeby wymuszonego chłodzenia wzbudnika. Konstrukcja to pełny drut miedziany średnicy 3mm.
Generator w topologii SEPR, przy określonym wypełnieniu i napięciu zasilającym, uzyskuje zadaną moc tylko dla danej wartości rezystancji obciążenia i danej wartości dobroci układu rezonansowego. Parametry te zależą od parametrów wzbudnika ze wsadem (wykres wyżej) oraz projektowanej częstotliwości pracy. Należy więc tak dobrać parametry układu (dopasować obciążenie i dobrać pojemność rezonansową), aby uzyskać oczekiwany rezultat w postaci mocy i częstotliwości pracy. W przypadku, gdy rezystancja wzbudnika ze wsadem (w układzie równoległym) będzie zbyt mała, urządzenie nie będzie działać.
Znalezienie parametrów sprowadza się do numerycznego rozwiązania układu dwóch równań. Można wpisać je w matlab i rozwiązać lub odczytać wynik z tabelki.
Analizując powyższą tabelę z obliczonymi przeze mnie parametrami warto zwrócić uwagę na prąd i napięcie tranzystora – ze względu na występujący rezonans, wartości prądu i napięcia są znacząco wyższe od wartości średnich, zasilających. Należy wziąć to pod uwagę wybierając odpowiedni MOSFET lub IGBT.
Dla uzyskania zakładanych parametrów- zapewnienia optymalnej impedancji obciążenia wykonałem dedykowany transformator dopasowujący. Konstrukcja takiego transformatora zależy od wartości projektowanych prądów płynących w uzwojeniach. Ze względu na niesinusoidalny charakter napięcia strony pierwotnej i obecność składowej stałej podmagnesowującej rdzeń, trzeba zapewnić odpowiedni wymiar rdzenia. Należy wziąć pod uwagę odprowadzanie ciepła: obliczyć straty z histerezy dla danego materiału rdzenia i, w przewodach (licy), z przewodzenia prądu. Jeśli moce są już większe, transformator trzeba chłodzić. W tym przypadku straty w transformatorze wynoszą ok. 8W.
W ogółach, budowa samego generatora różni się niewiele od przedstawionego schematu blokowego. Zasadniczym jest odpowiedni dobór części i pomiar napięć, by odpowiednio sterować momentem załączenia tranzystora. W urządzeniu układ sterujący zrealizowano z użyciem mikrokontrolera. Mierzone i porównywane jest napięcie drenu oraz mierzony prąd (moc). Mikrokontroler dba o utrzymanie mocy, zabezpiecza przed przekroczeniem dopuszczalnych wartości prądu i napięcia. Steruje tranzystorem dla uzyskania warunków ZVS (przełączania przy zerowym napięciu).
Trzeba tu raz jeszcze zwrócić uwagę, że w przypadku generatorów SEPR, błąd w kluczowaniu tranzystorem i jego włączanie przy wysokim napięciu (jak to w układach rezonansowych, szczytowe napięcie jest znacznie wyższe od napięcia zasilającego) wiąże się z przepływem znacznego prądu (zwierany jest naładowany kondensator układu rezonansowego) i wyzwoleniem dużej ilości energii, która może skutkować uszkodzeniem tranzystora.
Program mikrokontrolera przygotowałem w taki sposób, aby w maksymalny sposób pozbyć się opóźnień, wykorzystując optymalnie wbudowane peryferia i mechanizm zdarzeń. Ze względu na częstotliwość pracy generatora, skorzystanie z typowego mikrokontrolera i napisanie programu w sposób klasyczny (wejście w przerwanie – odłożenie rejestrów – wykonanie akcji np. zresetowanie licznika – przywrócenie rejestrów – opuszczenie przerwania) wiązałoby się z nieakceptowalnymi opóźnieniami.
W roli kondensatorów układu rezonansowego zastosowano ceramiczne kondensatory C0G produkcji TDK na napięcie 630V.
W roli kondensatorów blokujących zasilanie, ze względu na dużą wartość tętnień prądu, zastosowano zbiór ceramicznych kondensatorów X7R po 10uF (pojemność tych kondensatorów spada ze wzrostem napięcia. Znamionowa pojemność występuje dla napięcia bliskiego zero. Dla napięcia znamionowego pojemność jest ponad 5x mniejsza).
Cool! Ranking DIY
