PORÓWNANIE UKŁADÓW DOPASOWANIA L-C ORAZ L-LC DLA FALOWNIKA KLASY D 1,5 kw/300 khz

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 2014 Zeszyt 2-3 ( ) Rok LX Marcn KASPRZAK, Potr LEGUTKO Poltechnka Śląska w Glwcach Kaml KIEREPKA Student, Poltechnka Śląska w Glwcach PORÓWNANIE UKŁADÓW DOPASOWANIA L-C ORAZ L-LC DLA FALOWNIKA KLASY D 1,5 kw/300 khz Streszczene. W artykule opsano dwa układy dopasowana wzbudnka do nagrzewncy ndukcyjnej z falownkem klasy D szeregowy L-C oraz szeregowo-równoległy L-LC. Dla L-LC podano zależnośc teoretyczne. Zaproponowano nespotykane przekształcene układu L-C na L-LC z wykorzystanem tego samego kondensatora obwodu rezonansowego. Układy porównano przy mocy 1,5 kw, stosując ten sam wzbudnk wsad. W konkluzj stwerdzono, że L-LC jest korzystny ze względu na klkukrotne mnejszy prąd strony wtórnej transformatora dopasowującego oraz mnejszą przekładnę. Słowa kluczowe: falownk klasy D, MOSFET, L-LC, nagrzewane ndukcyjne THE COMPARISON OF L-C AND L-LC MATCHING CIRCUTS FOR CLASS D 1,5 kw/300 khz INVERTER Summary. Two load matchng crcuts of Class D nverter for nducton heatng applcatons are presented n the paper: seral resonant L-C and seres-parallel L-LC. The theory of L-LC s presented too. The new reconfguraton method of L-C nto L-LC based on the same resonant capactor s proposed. Both matchng crcuts are compared based on measurements of 1,5 kw nverter and applyng the same heatng col and load. The concluson s, that man advantages of L-LC over conventonal L-C s lower matchng transformer current levels and lower transformer turns rato. Keywords: Class D nverter, MOSFET, L-LC, nducton heatng 1. WPROWADZENIE Artykuł dotyczy tranzystorowego falownka napęcowego klasy D-ZVS z tranzystoram MOSFET oraz układów dopasowana odbornka (L-C, L-LC), w zastosowanu do nagrzewana ndukcyjnego. Falownk klasy D-ZVS są często opsywane w lteraturze [1-5], a tematyka artykułów dotyczy zarówno metod sterowana, jak obwodów głównych.

2 84 M. Kasprzak, P. Legutko, K.Kerepka Na rysunku 1 pokazano schemat takego falownka o strukturze półmostka z pojemnoścowym dzelnkem napęca zaslana, zbudowanego przy wykorzystanu tranzystorów MOSFET. Regulacja mocy wyjścowej falownka odbywa sę metodą częstotlwoścową FM. Wzbudnk ze wsadem reprezentowany jest dwójnkem RL, który do wyjśca falownka (zacsk A1, B1) przyłączony jest za pośrednctwem układu dopasowana, składającego sę z transformatora dopasowującego Td elementów bernych C, LS. Na rysunku 1 pokazano dwa rozwązana układu dopasowana: szeregowy L-C oraz szeregowo-równoległy L-LC. Szeregowy układ dopasowana L-C jest prosty najczęścej stosowany. Ma jednak wady, jak ta, że prąd wzbudnka 2 przepływa w całośc przez stronę wtórną transformatora dopasowującego Td1. Falownk z takm układem obcążena/dopasowana w lteraturze klasyfkowany jest jako SL-SRI (Seres Loaded Seres Resonant Inverter) [6-8]. Szeregowo-równoległy układ dopasowana L-LC ma dodatkowy dławk LS, ale prąd 2 strony wtórnej transformatora Td2 może meć klkakrotne mnejszą wartość nż prąd 0 wzbudnka. Falownk z takm układem obcążena/dopasowana w lteraturze klasyfkowany jest jako Hybrd SPL-SRI (Seres-Parallel Loaded Seres Resonant Inverter) [6-8]. Rys. 1. Falownk klasy D-ZVS z dwoma alternatywnym obwodam dopasowana odbornka: układ dopasowana szeregowy L-C, układ dopasowana szeregowo-równoległy L-LC Fg. 1. Class D-ZVS Seres Resonant Inverter (SRI) and two matchng crcuts: L-C Seres Loaded, L-LC Seres-Parallel Loaded Celem artykułu jest porównane dwóch układów dopasowana L-C oraz L-LC (rys. 1) współpracujących z falownkem 300 khz/1,5 kw. Porównane odbędze sę przy wykorzystanu zależnośc teoretycznych oraz wynków pomarowych. Za pomocą analzatora mpedancj wyznaczone zostaną parametry transformatorów Td1 Td2, opracowane ch

3 Porównane układów dopasowana modele komputerowe oraz porównane będą wynk symulacj z wynkam pomarów prądów/napęć w układach L-C oraz L-LC. Przyjęto następujące założena [9]: - oba układy dopasowana zaslane są z falownka jak na rys.1, pracującego z częstotlwoścą rezonansową ok. ( ) khz, w klase DE [10], - moc wejścowa falownka (PDC=E IDC=1500 W) oraz napęce zaslana szyny DC (E=300 V) są jednakowe dla obu układów dopasowana, co zrealzowano przez właścwy dobór przekładn transformatorów Td1 Td2 oraz dławka LS, - wzbudnk oraz umeszczony w nm wsad są take same mają jednakowe parametry RL, - w obu przypadkach zastosowany jest ten sam kondensator C o pojemnośc znamonowej CN=660 nf, którego rzeczywsta (zmerzona) pojemność wynos C=667 nf. W lteraturze dostępne są opsy układu dopasowana L-LC. Przykładowo, w [8] porównano obwody L-C L-LC, podając zależnośc projektowe przelczenowe, przy założenu dealnego transformatora dopasowującego takej samej częstotlwośc rezonansowej. Take podejśce ne zawsze jest słuszne, poneważ w praktyce projektant ne może zastosować kondensatora C o oblczonej pojemnośc, gdyż jest ogranczony typoszeregem kondensatorów. W szczególnym przypadku projektant może zastosować tylko jeden kondensator C z typoszeregu, gdy falownk jest małej mocy, jak w prezentowanym artykule. W artykule opsano nne podejśce, bardzej praktyczne nespotykane w lteraturze. Projektując oba układy dopasowana, zgodne z założenam, zastosowano ten sam kondensator C o pojemnośc znamonowej CN=660 nf. Tym samym dopuszczono neco nne częstotlwośc rezonansowe dla układów L-C L-LC (odpowedno 280 khz 320 khz). Taka różnca częstotlwośc (40 khz) stanow 13% w odnesenu do częstotlwośc środkowej (300 khz) może być dopuszczalna dla procesu technologcznego, gdyż zmana głębokośc wnkana pola elektromagnetycznego wynos tylko ok.7%. Motywacją do porównana obwodów dopasowana, a szczególne do badana obwodu L-LC, są opsywane w lteraturze [8] jego zalety w porównanu do obwodu L-C: - mnejszy prąd strony wtórnej transformatora dopasowującego Td2, - wększa odporność na zwarca wzbudnka, - mnejsza przekładna transformatora dopasowującego Td2 w stosunku do przekładn transformatora Td1, - mnejsza lość zwojów po strone perwotnej transformatora Td2 (np. n1=9 w układze L-LC) w porównanu do transformatora Td1 układu L-C, gdze n1=21. Tak duża lczba zwojów po strone perwotnej stwarza problemy konstrukcyjne lub unemożlwa wykonane transformatora dopasowującego Td1.

4 86 M. Kasprzak, P. Legutko, K.Kerepka 2. WŁAŚCIWOŚCI OBWODU DOPASOWANIA L-LC Szeregowo-równoległy układ L-LC (rys. 1) charakteryzuje sę dwema częstotlwoścam rezonansowym. Częstotlwość rezonansu równoległego wynos: f 1 1 2π LC, (1) natomast częstotlwość rezonansu szeregowego wynos: f 0 1, (2) 2π L C Z gdze: LZ to ndukcyjność zastępcza wynkająca z równoległego połączena (LS L) ndukcyjnośc szeregowej LS ndukcyjnośc zastępczej L wzbudnka ze wsadem. Układ L-LC (rys. 1) przy pulsacj rezonansowej ω0=2 π f0 wdzany jest z zacsków A2 B2 strony wtórnej transformatora Td2 jako mpedancja Z opsana zależnoścą [8]: 2 β Z ( ω0 ) ω0l Q j β 1, (3) gdze: β=ls/l, Q=ω0L/R dobroć układu wzbudnk-wsad. Z zależnośc (3) wynka, że mpedancja Z przy częstotlwośc rezonansowej f0 ne jest rezystancją jak w szeregowym obwodze L-C, ale ma charakter neznaczne ndukcyjny. Oznacza to, że przy częstotlwośc rezonansowej f0 maksymalnej mocy napęce u2 wyprzedza prąd 2 o kąt φ. Podobne jest po strone perwotnej transformatora Td2, co oznacza, że przełączane tranzystorów odbywa sę z newelkm wyprzedzenem w stosunku do przejśca prądu przez zero. Jest to korzystne, poneważ umożlwa przełączane tranzystorów falownka w warunkach komutacj optymalnej lub suboptymalnej, charakterystycznej dla falownka klasy DE [10]. Najważnejszą zaletą układu L-LC jest mnejszy prąd strony wtórnej transformatora dopasowującego Td2 w porównanu do prądu strony wtórnej transformatora Td1 w układze L-C. W układze L-LC wartość skuteczna prądu wzbudnka I0 jest wększa nż wartość skuteczna prądu I2 strony wtórnej transformatora Td2. Stosunek tych prądów, określany też wzmocnenem prądowym H, opsany jest zależnoścą [8]: I0 β H β cosφ. (4) I 2 2 β 1 1 Q

5 Porównane układów dopasowana Zależność ta dla małych wartośc kąta φ (duża wartość dobroc Q) upraszcza sę do postac: H LS β (5) L Na podstawe zależnośc (4), (5) można wysnuć wnosek, ż w przypadku falownka klasy D z układem dopasowana L-LC, prąd wtórny I2 transformatora Td2 jest H razy mnejszy nż w przypadku dopasowana szeregowego L-C. Ta korzystna właścwość układu L-LC wykorzystywana jest w przypadku nagrzewana wsadów nemagnetycznych (Cu, Al, brąz) o małej wartośc rezystancj zastępczej R, gdy dobroć układu wzbudnk wsad jest duża, np. Q > FALOWNIK I UKŁADY DOPASOWANIA Schemat przekształtnka z falownkem rezonansowym klasy D-ZVS pokazano na rysunku 1. Jest to układ półmostkowy z pojemnoścowym dzelnkem napęca zaslana. Sterowane mocy wyjścowej odbywa sę metodą FM przy częstotlwośc przełączana wększej od częstotlwośc rezonansowej. Falownk przystosowany jest do zaslana 1-fazowym napęcem 230 V, 50 Hz [1], ale na potrzeby nnejszych pomarów obwód DC zaslono stablzowanym napęcem 300 V DC. Parametry falownka Napęce prąd obwodu DC: E=300 V, IDC=5 A Moc wejścowa falownka: PDC=E IDC=1,5 kw Moc wyjścowa falownka: P=1,2 kw (zależna od rodzaju odbornka) Częstotlwość pracy fs: ( ) khz Tranzystory MOSFET: 2xAPT5010JFLL, 41 A/500 V, obud.sot-227 Kondensatory Cd: polpropylenowe, 2x(5x100 nf), prod. Phlps Radator tranzystorów: medzany, grubość 10 mm, chłodzony wodą Podzespoły układów dopasowana L-C L-LC Kondensator C (rys.2a): CSP180/300, CN=660 nf, C=667 nf, URMS=700 V, IRMS=500 A, chłodzony wodą, prod. Celem, Wzbudnk (rys.2b): średnca dwew=20 mm, długość lwzb=50 mm, N=6 zwojów, nawnęty rurką Cu o średncy 4 mm, chłodzony wodą. Wsad (rys.2b): pręt stalowy gatunek 316L, nemagnetyczny, Ø=6 mm, l=300 mm, umeszczony w rurce PCV o średncach Ø=10/8 mm, chłodzony wodą o przepływe 2 dm 3 /mn Parametry zastępcze wzbudnka ze wsadem: L=420 nh, R=18 mω, Q 40 (w ukł. L-LC), L=447 nh, R=23 mω, Q 40 (w ukł. L-C) - neco wększe wartośc RL nż w ukł. L-LC są wynkem dłuższych doprowadzeń prądowych do wzbudnka,

6 88 M. Kasprzak, P. Legutko, K.Kerepka Cewka LS: Transformator Td1[10]: Transformator Td2: LS=2 µh, cewka helkalna, N=8, l=35 mm, Ø=45 mm przekładna =n1/n2=21/1, konstrukcja kubkowa współosowa: Ø=65 mm, dł=95 mm, 4 rdzene ferrytowe torodalne T51/32/19-3F3 (prod. Ferroxcube), uzwojene perwotne nawnęte przewodem typu lca, kubek chłodzony wodą o przepływe 1 dm 3 /mn. Przekładne transformatora =n1/n2=21/1 dobrano w tak sposób, aby uzyskać moc PDC=1,5 kw. przekładna =n1/n2=9/3, konstrukcja kubkowa o danych wymarach jak transformator Td1, po strone wtórnej downęto dwa dodatkowe zwoje. a) b) Rys. 2. Podzespoły układów dopasowana: a) kondensator rezonansowy C CSP180/300, C=667 nf, b) wzbudnk wraz z umeszczonym wewnątrz wsadem chłodzonym wodą Fg. 2. Elements of matchng crcuts: a) resonance capactor C CSP180/300, C=667 nf, b) exctaton col wth water cooled dummy load 4. POMIARY UKŁADÓW DOPASOWANIA Badana falownka z układam dopasowana prowadzono operając sę na analze teoretycznej, symulacjach komputerowych oraz pomarach laboratoryjnych. Na podstawe zależnośc analtycznych wstępnych symulacj układów z transformatorem dealnym dobrano parametry obwodów dopasowana (przekładne Td1 Td2 oraz LS). Następne w układze laboratoryjnym neco skorygowano LS aż do uzyskana jednakowych mocy PDC dla obu układów dopasowana oraz przeprowadzono pomary (rys. 3 rys. 4). W kolejnym kroku zmerzono parametry wszystkch podzespołów oraz wyznaczono parametry schematów zastępczych transformatorów Td1 Td2, wykorzystując znane procedury [9-11]. W pomarach wykorzystano analzator mpedancj Aglent 4294A.

7 Porównane układów dopasowana Uzyskane schematy zastępcze układów dopasowana (rys. 3a, rys. 4a) pozwolły na oblczene charakterystycznych welkośc (częstotlwośc rezonansowe, wzmocnene prądowe H) ch porównane z wynkam pomarów. Ponadto, opracowano modele symulacyjne w programe Matlab-Smulnk, uzyskując dobrą zgodność z wynkam pomarów (różnce <5%). Porównane wynków symulacj pomarów zameszczono [9] Pomary układu L-C Na rysunku 3a pokazano układ dopasowana L-C z zaznaczonym schematem zastępczym transformatora Td1. Parametry schematu zastępczego Td1 sprowadzono na stronę wtórną oraz wprowadzono dealny transformator Tr o przekładn napęcowej 21:1. Rys. 3. Układ dopasowana L-C: a) schemat układu wraz ze schematem zastępczym transformatora dopasowującego Td1, b-e) oscylogramy napęć/prądów falownka przy mocy P DC =1500 W częstotlwośc rezonansowej f S 280 khz Fg. 3. L-C matchng crcut: a) schema of the matchng crcut ncluded equvalent crcut of transformer Td1, b-e) oscllograms of voltage/current of the nverter, power on DC bus P DC =1500 W, resonance frequency f S 280 khz

8 90 M. Kasprzak, P. Legutko, K.Kerepka Na rysunkach 3b-3e zameszczono oscylogramy napęć/prądów falownka przy mocy PDC=1500 W częstotlwośc rezonansowej fs=280,1 khz. Odnesenem dla przebegów jest prąd wyjścowy falownka, który pokazano na wszystkch oscylogramach. Prąd wzbudnka 2 jest jednocześne prądem strony wtórnej transformatora, a jego wartość maksymalna I2m=340 A (rys.3e). Oblczona częstotlwość rezonansowa wynos: 1 f 2π L C 0 Z 279,3kHz, (6) gdze: LZ=L+L1 +L2=847 nh oznacza całkowtą ndukcyjność obwodu szeregowego z uwzględnenem ndukcyjnośc wzdłużnej transformatora dopasowującego, wzbudnka oraz doprowadzeń. Uzyskany wynk (279,3 khz) jest zgodny z wynkam pomarów w rezonanse, przy którym częstotlwość przełączana wynos fs=280,1 khz (rys.3b). Jest to zgodne z teorą przełączana przy komutacj maksymalne mękkej (klasa DE [10]), która jest możlwa, gdy częstotlwość przełączana fs jest neco wększa nż częstotlwość rezonansowa f Pomary układu L-LC Na rysunku 4a pokazano układ dopasowana L-LC z zaznaczonym schematem zastępczym transformatora Td2. Parametry schematu zastępczego Td2 sprowadzono na stronę wtórną oraz wprowadzono dealny transformator Tr o przekładn napęcowej 3:1. Na rysunkach 4b-4e zameszczono oscylogramy napęć/prądów falownka przy mocy PDC=1500 W częstotlwośc rezonansowej fs 322 khz. Odnesenem dla przebegów jest prąd wyjścowy falownka, który pokazano na wszystkch oscylogramach. Ampltuda tego prądu, Im=18 A, jest taka sama jak w przypadku układu L-C, co jest zgodne z przyjętym założenem, że oba układy pracują przy tej samej mocy PDC napęcu zaslana E. W tym przypadku ampltuda prądu 2 strony wtórnej transformatora wynos tylko I2m=50 A, natomast ampltuda prądu 0 wzbudnka wynos I0m=350 A (rys. 4d). Wzmocnene prądowe H=I0m/I2m=350A/50A=7, co potwerdza główną zaletę układu dopasowana L-LC. Poneważ dobroć odbornka jest duża (Q 40), węc uzyskano potwerdzene zależnośc (5), według której: β=(l1 +L2+LS)/L=7,3 H. Oblczona częstotlwość rezonansowa wynos: 1 f 2π L C 0 Z 320,4kHz, (7) gdze: LZ=(L1 +L2+LS) L=370 nh oznacza wypadkową ndukcyjność obwodu szeregoworównoległego. Uzyskany wynk (320,4 khz) jest zgodny wynkam pomarów w rezonanse, przy którym częstotlwość przełączana wynos fs 322 khz (rys. 4b-e).

9 Porównane układów dopasowana... Układ dopasowana L-LC a) A1 91 Td2 R1 ' Tr L1' 40 mω 534 nh RFE u 11 kω L2 R2 543 nh 36 mω 0 LS 2 μh u2 LM 155 μh 3:1 B1 2 A2 C 667 nf L 420 nh R 18 mω uw B2 b) A3 B3 c) ut2 100 V/dz 100 V/dz u 10 A/dz 10 A/dz ns 25 A/dz 500 ns 321,5 khz d) 321,1 khz e) ut2 100 V/dz ut2 10 A/dz 100 V/dz 10 A/dz 500 ns uw 2 50 A/dz 500 ns 200 V/dz A/dz 322,6 khz u2 100 V/dz 322,6 khz Rys. 4. Układ dopasowana L-LC: a) schemat układu wraz ze schematem zastępczym transformatora dopasowującego Td2, b-e) oscylogramy napęć/prądów falownka przy mocy PDC=1500 W częstotlwośc rezonansowej fs 322 khz Fg. 4. L-C matchng crcut: a) schema of the matchng crcut ncluded equvalent crcut of transformer Td2, b-e) oscllograms of voltage/current of the nverter, power on DC bus PDC=1500 W, resonance frequency fs 322 khz

10 92 M. Kasprzak, P. Legutko, K.Kerepka 5. WNIOSKI W artykule opsano wynk badań dwóch układów dopasowana, tj. szeregowego L-C oraz szeregowo-równoległego L-LC. Wnosk z tych badań są następujące: - Możlwe jest przekonfgurowane układu dopasowana L-C na L-LC przy użycu tego samego kondensatora w obwodze rezonansowym zachowanu takej samej mocy wyjścowej. Zabeg tak wymaga zastosowana dodatkowego dławka oraz obnżena przekładn transformatora dopasowującego. - Zastosowane tego samego kondensatora wzbudnka ze wsadem powoduje, że w układze L-LC częstotlwość rezonansowa jest ok. (10-15)% wyższa nż w układze L-C. - Zastąpene układu L-C układem L-LC skutkuje zmnejszenem wartośc prądu w uzwojenu wtórnym transformatora. W badanym układze prąd zmnejszył sę ok. sedmokrotne. Wynk ten jest zgodny z teorą, poneważ wzmocnene prądowe jest blske co do wartośc stosunkow ndukcyjnośc dławka wzbudnka (β=ls/l). - Obwód L-LC wymaga znaczne mnejszej przekładn napęcowej transformatora nż obwód L-C przy tej samej mocy, w szczególnośc gdy odbornk ma dużą dobroć, np. Q>10. W badanych układach przekładna zwojowa transformatora dopasowującego dla obwodu L-LC wynosła 9:3, natomast dla obwodu L-C wynosła 21:1. - Zdentyfkowane parametrów zastępczych układów dopasowana (w tym transformatorów) pozwolło na przeprowadzene dokładnych oblczeń teoretycznych oraz symulacj komputerowych. Wynk teoretyczne wykazują bardzo dobrą zgodność z pomaram. BIBLIOGRAFIA 1. Kasprzak M.: Falownk klasy D-ZVS 300 khz / 1,5 kw do nagrzewana ndukcyjnego możlwośc pracy w klase D DE. Przegląd Elektrotechnczny 2013, R. 89, nr 4, s Ctko T., Tuna H., Wnarsk B.: Układy rezonansowe w energoelektronce. Wydawnctwo Poltechnk Bałostockej, Fujta H., Akag H., Shnohara S.: A 2-MHz 6-kVA Voltage-Source Inverter Usng Low- Profle MOSFET Module for Low-Temperature Plasma Generators. IEEE Transactons of Power Electroncs, vol.14, no.6, November 1999, Kaml M., Yamamoto S., Abe M.: A khz Half-Brdge Inverter for Inducton Heatng Applcatons. IEEE Transactons of Industral Electroncs 1996, vol. 43, no. 1, p Mućko J.: Metody sterowana szeregowego falownka rezonansowego zapewnające jednoczesną komutację ZVS prawe ZCS. Przegląd Elektrotechnczny 2010, R. 86 nr 6, s

11 Porównane układów dopasowana Mućko J.: Tranzystorowe falownk napęca z szeregowym obwodam rezonansowym. Wydawnctwa Uczelnane Unwersytetu Technologczno-Przyrodnczego, Rozprawy nr 148, Bydgoszcz Stegerwald R.L.: A comparson of half-brdge resonant converter topologes. IEEE Transacton on Power Electroncs 1988, Vol. 3, no. 2, p Espf J.M., Dede E.J., Nawarro E., Sanchs E., Ferreres A.: Features and Degn of the Voltage-Fed L-LC Resonant Inverter for Inducton Heatng. Department of Electrcal Engneerng. Unversty of Valenca, 1999 IEEE, Kerepka K. Sz.: Obwody dopasowana odbornka nagrzewncy ndukcyjnej 1,5 kw/ 300 khz. Projekt nżynersk, Poltechnka Śląska, Wydzał Elektryczny, Katedra Energoelektronk, Napędu Elektrycznego Robotyk, Glwce Kasprzak M.: Falownk rezonansowe klasy D DE o częstotlwoścach pracy do 13,56 MHz. Monografa habltacyjna. Wydawnctwo Poltechnk Śląskej, Glwce Grzesk B., Junak J., Kaczmarczyk Z., Kasprzak M.: Identyfkacja parametrów modelu transformatora systemu nagrzewana ndukcyjnego (0.5 MHz, 2kW ), Konferencja EPN, Dr hab. nż. Marcn KASPRZAK 1), mgr nż. Potr LEGUTKO 2) Poltechnka Śląska Wydzał Elektryczny, Katedra Energoelektronk, Napędu Elektrycznego Robotyk ul. B. Krzywoustego Glwce 1) Tel. (32) ; e-mal: marcn.kasprzak@polsl.pl 2) Tel. (32) ; e-mal: potr.legutko@polsl.pl Inż. Kaml KIEREPKA, student Poltechnka Śląska Wydzał Elektryczny ul. B. Krzywoustego Glwce e-mal: kaml.kerepka@gmal.com