Jednołącznikowy falownik napięciowy klasy E w zastosowaniu do nagrzewania indukcyjnego – topologia, cykle pracy oraz koncepcja sterowania modelu układu

Stan pracy optymalnej 

Przebiegi prądów i napięć w falowniku podczas pracy optymalnej przedstawiono na rys. 3. Praca falownika jest optymalna ze względu na minimalizację strat przełączania, jeśli w chwili t₂ zakończenia taktu II spełnione są warunki:

Oznacza to, że napięcie uC osiąga wartość równą napięciu zasilania Ud w tej samej chwili, w której prąd i₀ oraz prąd kondensatora i_Czanikają do zera. Należy wtedy załączyć tranzystor, co zapoczątkuje takt I kolejnego cyklu.

Czas T₁ przewodzenia tranzystora można określić przez współczynnik D (gdyż: T₁ = DTs). Czas T₂ przeładowania w obwodzie rezonansowym R₀L₀C można opisać jako T₂ = (1-D)T_s.. Czasy: T₁ oraz T₂ dają w sumie okres sterowania T_S.

Załączanie tranzystora następuje przy zerowym napięciu (ZVS), jego zerowej pochodnej ZDS, ZVDS (ang. Zero-Voltage-Derivative Switching) oraz – w konsekwencji – zerowym prądzie ZCS (ang. Zero-Current Switching), co przedstawia rys. 3.

Rys. 3. Przebiegi prądów i napięć w falowniku dla pracy optymalnej: u_G – sygnał bramkowy, i₀ – prąd odbiornika, i_T – prąd tranzystora, u_C – napięcie na kondensatorze, u_T – napięcie na tranzystorze

Natomiast wyłączanie tranzystora odbywa się przy zerowym napięciu, ale niezerowym prądzie (ZVS + NZCS). Są to warunki charakterystyczne dla układów klasy E, która umożliwia uzyskanie najlepszych możliwych do osiągnięcia warunków przełączania zaworów energoelektronicznych. Dlatego omawiany falownik należy do tej klasy.

Ilość energii zgromadzonej w indukcyjności L₀ na końcu taktu I, powinna równoważyć ilość energii we wsadzie oraz energii strat w obwodzie wydzielonych w takcie II. Wielkość tej energii jest zależna m. in. od czasu przewodzenia tranzystora, który reprezentuje współczynnik D.

Przy zadanych parametrach R₀, L₀ i C praca optymalna wymaga ściśle określonych wartości częstotliwości pracy oraz czasu przewodzenia tranzystora. Odpowiednie zależności podano w [4]. Zwiększenie czasu przewodzenia tranzystora (wzrost współczynnika D) powoduje przejście do pracy suboptymalnej oraz zwiększenie mocy. Natomiast zmniejszenie współczynnika D, uniemożliwia ponowne osiągnięcie przez napięcie u_C na kondensatorze (na końcu II-go taktu pracy), wartości równej napięciu zasilania, co skutkuje koniecznością załączania tranzystora przy niezerowym napięciu – praca nieoptymalna.

Prezentacja wzbudnika, obliczenia parametrów schematu zastępczego, przyjęte parametry R₀L₀C do analizy i budowy układu

Wykonany wzbudnik nagrzewnicy indukcyjnej prezentuje rys. 4. Obliczenia zostały prowadzone pod kątem wyznaczenia parametrów schematu zastępczego tego układu oraz doboru optymalnego pod względem częstotliwości prądu odbiornika i₀(t).

Rys. 4. Widok ogólny wzbudnika nagrzewnicy indukcyjnej wraz ze wsadem stalowym

W celu oszacowania rezystancji samego wzbudnika wykonano serię pomiarów miernikiem firmy Megger: Digital Low Resistance Meter DLRO 10. Wartość średniej arytmetycznej serii 10 pomiarów rezystancji przy wymuszeniu prądowym: 10A DC (z metalowym wsadem i bez wsadu otrzymano taki sam wynik) wyniosła: 890,7 μΩ. Jest to wielkość oporu elektrycznego materiału wzbudnika (miedź) i styków pomiędzy samym wzbudnikiem, a końcówkami montażowymi dla prądu stałego. Rezystancja wzbudnika podczas pracy falownika z wielką częstotliwością jest dużo większa, m.in. ze względu na zjawisko naskórkowości oraz impedancję wnoszoną przez wsad – przytoczony pomiar wykonano w celu porównania z rezystancją dla wielkiej częstotliwości i zademonstrowania wpływu częstotliwości na parametry układu.

Dla wstępnego oszacowania indukcyjności wzbudnika L₀ (w stanie jałowym, bez wsadu) zmierzono również wartość indukcyjności miernikiem MIC-40700 LCR Meter. Otrzymano wartość: 0,45 μH.

Definicja parametrów wejściowych i wyjściowych falownika oraz założenia upraszczające przyjęte podczas wstępnej analizy układu

Przyjęto następujące parametry projektowanego falownika:

1. Częstotliwość pracy falownika (minimalna) – f_s = 200 kHz

2. Nominalne napięcie zasilania falownika – U_d = 30–60 V.

W celu optymalizacji pracy układu falownika przyjęto założenia upraszczające [5], [6]:

• sinusoidalny prąd obciążenia – co się wiąże z założeniem dużej dobroci układu,
• elementy bierne obwodu są idealne,
• obciążeniem falownika jest odbiornik R0L0.