ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗΣ ΦΑΣΗΣ

Transcript

1 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ ΥΨΗΛΗΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΜΕ ΕΛΕΓΧΟ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗΣ ΦΑΣΗΣ S.V. Mollov*, Μ.Π. Θεοδωρίδης** *Birmingham University Department of Electronic, Electrical & Computer Engineering Power Electronics & Traction Systems group Birmingham, UK **ΤΕΙ Αθήνας Τµήµα Ενεργειακής Τεχνολογίας Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών & Κινητήριων Συστηµάτων Τηλ , Fax , Περίληψη Στο παρόν άρθρο παρουσιάζεται ένας αντιστροφέας συντονισµού µε έλεγχο µετατόπισης φάσης. Η τοπολογία που προτείνεται έχει το πλεονέκτηµα της δυνατότητας ελέγχου υπό σταθερή συχνότητα λειτουργίας και τη χρήση σχετικά µικρών ονοµαστικών µεγεθών διακοπτικών στοιχείων και είναι κατάλληλη για εφαρµογή σε συστήµατα επαγωγικής θέρµανσης υψηλής συχνότητας. Η ανάλυση του κυκλώµατος µε βάση τη θεµελιώδη συχνότητα αποδεικνύει τη δυνατότητα επίτευξης µετάβασης υπό µηδενική τάση για µεγάλο εύρος ελέγχου του ρεύµατος φορτίου. Οι θεωρητικές προβλέψεις επαληθεύτηκαν µε ακρίβεια από προσοµοιώσεις και από µετρήσεις επί ενός πρωτοτύπου αντιστροφέα. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένας µεγάλος αριθµός εφαρµογών απαιτεί τη λειτουργία των διακοπτικών αντιστροφέων σε υψηλές συχνότητες. Μία από αυτές τις εφαρµογές είναι και η επαγωγική θέρµανση, όπου η ανάγκη για αποδοτική λειτουργία και η κατά περίπτωση θέρµανση επιφανειακών µερών εξαρτηµάτων, µε βάση το επιδερµικό φαινόµενο, έχει οδηγήσει στη χρήση αντιστροφέων ραδιοφωνικών συχνοτήτων. Ο πλέον διαδεδοµένος τρόπος ελαχιστοποίησης των διακοπτικών απωλειών του αντιστροφέα σε αυτές τις συχνότητες είναι η χρήση συντονισµένων αντιστροφέων µε µετάβαση υπό µηδενική τάση (ZVS) ή υπό µηδενικό ρεύµα (ZCS) [1]. Η χρήση αυτών των αντιστροφέων επιβάλλει τον έλεγχο µε µεταβλητή συχνότητα, γεγονός το οποίο, λόγω των κανονισµών περί εκποµπής ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων, που απορρέουν από τους σχετικούς οργανισµούς (ETSI, FCC) [2], [3], δυσχεραίνει το σχεδιασµό ενός τέτοιου αντιστροφέα. Οι κανονισµοί επιβάλλουν τη χρησιµοποίηση µιας πολύ στενής ζώνης συχνοτήτων για τη λειτουργία συσκευών που παράγουν ηλεκτροµαγνητικούς ρύπους, και έτσι ο έλεγχος των παραπάνω αντιστροφέων είναι αδύνατος για κάθε πρακτική τιµή του συντελεστή ποιότητας των συντονισµένων κυκλωµάτων αυτών. Ο συντονισµένος αντιστροφέας που παρουσιάζεται έχει τη δυνατότητα να ελέγχεται µε µετατόπιση φάσης, ενώ λειτουργεί µε σταθερή διακοπτική συχνότητα. Η λειτουργία του στηρίζεται σε ένα τροποποιηµένο δικτύωµα LLC, το οποίο τροφοδοτείται από δύο ηµιγέφυρες οι οποίες λειτουργούν µε διαφορετική φάση. Παρακάτω γίνεται ανάπτυξη του τρόπου λειτουργίας του συστήµατος, ανάλυση ή οποία συγκρίνεται µε προσοµοιώσεις και παρουσίαση των πειραµατικών αποτελεσµάτων. 2. Η ΝΕΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ Οι συνήθεις τοπολογίες αντιστροφέων συντονισµού για επαγωγική θέρµανση είναι αυτές του συντονισµού σειράς, του παράλληλου συντονισµού, και του σύνθετου συντονισµού, τύπου CLC ή LLC [4]. Το µειονέκτηµα αυτών των αντιστροφέων συντονισµού είναι ότι ο έλεγχος της ισχύος εξόδου µπορεί να επιτευχθεί αποδοτικά µόνο µε τη µεταβολή -1-

2 της συχνότητας λειτουργίας και η οποία, όπως εξηγήθηκε παραπάνω, κρίνεται απαγορευτική σε περιπτώσεις που οι κανονισµοί εκποµπής ηλεκτροµαγνητικών ρύπων µπαίνουν σε ισχύ. Εργασίες έχουν παρουσιαστεί πάνω σε τεχνικές ελέγχου τέτοιων αντιστροφέων µε διαµόρφωση εύρους παλµού, οι οποίες όµως εξακολουθούν να απαιτούν την λειτουργία του αντιστροφέα µε µεταβλητή συχνότητα, έτσι ώστε να εξασφαλισθεί η µετάβαση υπό µηδενική τάση κάτω από όλες τις συνθήκες φόρτισης [5]. Μια τεχνική ελέγχου µε την οποία µπορεί να αποφευχθεί η µεταβολής της συχνότητας λειτουργίας είναι η µετατόπιση φάσης, η οποία όµως έχει εφαρµοστεί µόνο σε αντιστροφείς συντονισµού σειράς [6]. Το µειονέκτηµα των αντιστροφέων συντονισµού σειράς είναι ότι τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα διαρρέονται από το ίδιο ρεύµα που διαρρέει και το φορτίο. Θα ήταν ιδανικό για εφαρµογές επαγωγικής θέρµανσης να χρησιµοποιείται η τοπολογία µε δικτύωµα LLC, [4], στην οποία τα διακοπτικά στοιχεία δεν διαρρέονται από το ρεύµα φορτίου αλλά από µικρότερο, λόγω του µετασχηµατισµού εµπέδησης που προκαλεί το δικτύωµα. Επιπλέον, το δικτύωµα αποµονώνει το κύκλωµα παράλληλου συντονισµού από την πηγή τροφοδότησης και έτσι τα διακοπτικά στοιχεία υπόκεινται τάσεις όχι µεγαλύτερες της τάσης τροφοδοσίας. Η προτεινόµενη τοπολογία, σχ. 1, συνδυάζει την τοπολογία LLC µε τον έλεγχο µε µετατόπιση φάσης. Η καινοτοµία του κυκλώµατος βρίσκεται στη χρησιµοποίηση ενός τροποποιηµένου δικτυώµατος LLC, στο οποίο η αυτεπαγωγή τροφοδότησης έχει διαιρεθεί στα δύο, L A και L B, ώστε να επιτευχθεί η τροφοδότηση από δύο ηµιγέφυρες. Ο πυκνωτής C o στο σχ. 1 εξυπηρετεί στην αποσύζευξη των DC ρευµάτων και έχει πολύ µεγαλύτερη τιµή από αυτή του πυκνωτή συντονισµού. Οι δύο ηµιγέφυρες του κυκλώµατος λειτουργούν σε αντισυγχρονισµό, ενώ ένας σύντοµος νεκρός χρόνος, t d στο σχ. 2, µεσολαβεί µεταξύ των µεταβάσεων της κάθε ηµιγέφυρας έτσι ώστε να επιτευχθεί µετάβαση υπό µηδενική τάση. Ο έλεγχος της ισχύος εξόδου γίνεται µε την µεταβολή της διαφοράς φάσης, α, των δύο ηµιγεφυρών. Λόγω του τρόπου λειτουργίας του αντιστροφέα, η διαφορά φάσης µεταξύ ρεύµατος και τάσης, φ, στη µία ηµιγέφυρα είναι µεγαλύτερη από εκείνη στην δεύτερη ηµιγέφυρα, ψ. Θα πρέπει λοιπόν να εξασφαλιστεί η µετάβαση υπό µηδενική τάση και στις δύο ηµιγέφυρες για όλο το εύρος ελέγχου, δηλαδή για όλες τις πρακτικές τιµές του α. Λόγω του σχετικά υψηλού συντελεστή ποιότητας του παράλληλου συντονισµένου κυκλώµατος, µπορεί να θεωρηθεί ότι τα ρεύµατα που διαρρέουν τις αυτεπαγωγές τροφοδότησης και το φορτίο περιέχουν µόνο τη θεµελιώδη συχνότητα. Κάτω από αυτή τη συνθήκη το κύκλωµα µπορεί να αναλυθεί µε βάση τη θεµελιώδη συχνότητα. Αξίζει να σηµειωθεί ότι τυχόν βραχυκύκλωµα του φορτίου δεν επιβαρύνει τον αντιστροφέα, αφού προκαλεί αποσυντονισµό του παράλληλου δικτυώµατος, ενώ ο αντιστροφέας αποµονώνεται από το βραχυκύκλωµα µέσω των αυτεπαγωγών τροφοδότησης. Σχήµα 1. Η προτεινόµενη τοπολογία. Σχήµα 2. Οι κυµατοµορφές του αντιστροφέα σε κατάσταση µόνιµης λειτουργίας. -2-

3 Σχήµα 3. Το ισοδύναµο κύκλωµα της νέας τοπολογίας για ανάλυση στη θεµελιώδη συχνότητα. 3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ Το σχ. 3 δείχνει το ισοδύναµο κύκλωµα του αντιστροφέα για ανάλυση στη θεµελιώδη συχνότητα. Με βάση αυτό κύκλωµα αποδεικνύεται καταρχήν ότι το ρεύµα εξόδου περιγράφεται από την σχέση (1), η οποία δείχνει ότι ο έλεγχος του ρεύµατος φορτίου µπορεί να γίνει µε τον έλεγχο των διανυσµάτων των τάσεων V A και V B. Συγκεκριµένα, ο έλεγχος γίνεται µε την µεταβολή της φάσης του διανύσµατος της τάσης V B. (1) όπου (2) (3) (4) και (5) (6) Αποδεικνύεται επίσης ότι η εµπέδηση του δικτυώµατος LLC για α=0, και θεωρώντας την παράλληλη σύνδεση των αυτεπαγωγών τροφοδότησης, εκφράζεται από την σχέση (7). (7) (8) (9) (10) (11) -3-

4 Σχήµα 4. Εµπέδηση του δικτυώµατος LLC συναρτήσει της συχνότητας λειτουργίας και του συντελεστή ποιότητας. Το σχήµα 4. δείχνει τον λόγο της εµπέδησης του δικτυώµατος ως προς την χαρακτηριστική εµπέδηση συναρτήσει της κανονικοποιηµένης συχνότητας και του συντελεστή ποιότητας του παράλληλου συντονισµένου κυκλώµατος. Φαίνεται καταρχήν ότι ο συντονισµός του δικτυώµατος προκύπτει πολύ κοντά στη συχνότητα συντονισµού του παράλληλου κυκλώµατος (την ω n =1) και συγκλίνει σε αυτή για µεγάλες τιµές του συντελεστή ποιότητας. Μακριά από την συχνότητα συντονισµού, η εµπέδηση του δικτυώµατος συγκλίνει στην εµπέδηση των αυτεπαγωγών τροφοδότησης. Επίσης φαίνεται ότι το δικτύωµα παρουσιάζει και µια δεύτερη συχνότητα συντονισµού η οποία αποδεικνύεται ότι ισούται µε: (12) Όπου k είναι ο λόγος της αυτεπαγωγής τροφοδότησης, L A, ως προς την αυτεπαγωγή συντονισµού, L. Ο αντιστροφέας θα πρέπει να λειτουργεί ακριβώς µετά τη δεύτερη συχνότητα συντονισµού καθώς εκεί η φάση και το µέτρο των ρευµάτων εξόδου των ηµιγεφυρών είναι κατάλληλα για µετάβαση των διακοπτικών στοιχείων υπό µηδενική τάση. Εφόσον η γωνία ψ είναι µικρότερη από την φ, µε αρνητικό πρόσηµο αφού το ρεύµα έπεται της τάσης (σχ. 2), είναι αρκετό να εξασφαλίσει κανείς ότι ή πρώτη είναι µικρότερη του µηδέν για οποιαδήποτε γωνία ελέγχου α µεταξύ Η γωνία ψ εκφράζεται από την σχέση (13). όπου (13) (14) (15) και (16) (17) Επίσης θα πρέπει να εξασφαλιστεί ότι ο λόγος του ρεύµατος φορτίου ως προς το ρεύµα εξόδου της κάθε ηµιγέφυρας στη µέγιστη ισχύ (α=0 ) είναι πολύ µεγάλος έτσι ώστε τα διακοπτικά στοιχεία να µην επιβαρύνονται µε µεγάλα ρεύµατα. Ο λόγος αυτός εκφράζεται από την σχέση (18). (18) -4-

5 Σχήµα 5. Σύγκριση αποτελεσµάτων προσοµοίωσης µε τις θεωρητικές προβλέψεις. Τα αποτελέσµατα από την προσοµοίωση δίνονται ως διακριτά σηµεία. Στο σχ. 5 φαίνονται τα αποτελέσµατα µίας προσοµοίωσης του κυκλώµατος µε το λογισµικό SABER, µε τις τιµές L A =L B =10µH, L=1µH, R=0.25Ω και 55mΩ (Q=10 και Q=45), C=158nF, C o =10µF, f=2.2mhz, k=10 και ω n =1.1 σε σύγκριση µε τις παραπάνω θεωρητικές προβλέψεις. Γενικότερα φαίνεται η συµφωνία της προσοµοίωσης µε την θεωρητική ανάλυση. Ειδικότερα, συµπεραίνει κανείς ότι για σχετικά µεγάλες τιµές του συντελεστή ποιότητας (Q=45) το φορτίο που τροφοδοτεί η δεύτερη ηµιγέφυρα µπορεί να αποκτήσει χωρητική συµπεριφορά καθώς η γωνία ψ παίρνει θετικές τιµές. Θα πρέπει λοιπόν ο συντελεστής ποιότητας να µην ξεπερνά κάποια κρίσιµη τιµή. Φαίνεται από το σχήµα ότι για µηδενική γωνία ελέγχου, α, όπως είναι αναµενόµενο, οι φάσεις των ρευµάτων των δύο ηµιγεφυρών συµπίπτουν, ενώ για αυξηµένη γωνία ελέγχου αναπτύσσεται εµφανής διαφορά. Αυτό το φαινόµενο οφείλεται στο διαφορικό ρεύµα το οποίο περνά από την µία ηµιγέφυρα στην άλλη µέσω των αυτεπαγωγών τροφοδότησης, και το οποίο απεικονίζεται στο σχ. 2 ως i diff. Το φαινόµενο αυτό ευνοεί την µετάβαση υπό µηδενική τάση στην ηµιγέφυρα Α αλλά την δυσχεραίνει στην ηµιγέφυρα Β. Το ίδιο αίτιο προκαλεί και τη διαφορά των λόγων των ρευµάτων. ιακρίνεται δηλαδή ότι µε αυξηµένη γωνία ελέγχου το διαφορικό ρεύµα προστίθεται στην ηµιγέφυρα Α ενώ αφαιρείται από την ηµιγέφυρα Β. Με τον κατάλληλο σχεδιασµό είναι δυνατόν να εξασφαλιστεί η µετάβαση υπό µηδενική τάση για µεγάλο εύρος της γωνίας ελέγχου. Ο πλήρης σχεδιασµός του συστήµατος δεν µπορεί να εκφραστεί από κάποια αναλυτική σχέση λόγω του υψηλού βαθµού των εξισώσεων που το διέπουν. Η µετάβαση υπό µηδενική τάση απορρέει από ένα συνδυασµό του µέτρου και της φάσης του ρεύµατος εξόδου της κάθε ηµιγέφυρας, της παρασιτικής χωρητικότητας των διακοπτικών στοιχείων και του χρόνου t d µεταξύ των µεταβάσεων. Είναι δυνατόν πάντως να γίνει ο σχεδιασµός του συστήµατος µέσω κάποιας προσεγγιστικής µεθόδου, η οποία όµως δεν θα περιγραφεί. 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Οι παραπάνω προβλέψεις διαπιστώθηκαν πρακτικά µε την κατασκευή ενός πρωτοτύπου αντιστροφέα ισχύος 1kW, συχνότητας λειτουργίας 1.6MHz και τάσης τροφοδότησης 300VDC. Oι τιµές των στοιχείων του κυκλώµατος ήταν παρόµοιες µε αυτές της προσοµοίωσης, τροποποιηµένες όµως για λειτουργία στα 1.6ΜΗz. Για τα διακοπτικά στοιχεία του αντιστροφέα χρησιµοποιήθηκαν MOSFET του τύπου IRF740LC, ενώ ο πυκνωτής συντονισµού συντέθηκε από πυκνωτές επαργυρωµένης µίκας για βέλτιστη θερµοκρασιακή σταθερότητα. Το κύκλωµα ελέγχου κατασκευάστηκε από γραµµές καθυστέρησης για την παραγωγή της µετατόπισης φάσης της δεύτερης ηµιγέφυρας. -5-

6 Σχήµα 6. Λειτουργία του αντιστροφέα σε πλήρη ισχύ, µε µηδενική γωνία µετατόπισης φάσης. Σχήµα 7. Λειτουργία του αντιστροφέα µε µειωµένη ισχύ, µε γωνία µετατόπισης φάσης 144. Σχ. 8. Λειτουργία του αντιστροφέα µε βραχυκύκλωµα του φορτίου και µηδενική γωνία µετατόπισης φάσης. Στο σχ. 6 φαίνονται οι κυµατοµορφές του συστήµατος υπό πλήρη ισχύ, δηλαδή για α=0. Τα ρεύµατα των δύο ηµιγεφυρών έχουν το ίδιο πλάτος και την ίδια φάση, συµβάλλοντας στη δηµιουργία ενός ρεύµατος κορυφής φορτίου περίπου 80A. Εδώ σηµειώνεται το γεγονός ότι τα διακοπτικά στοιχεία που χρησιµοποιήθηκαν είχαν ονοµαστικό ρεύµα 10Α. Αυτό το πλεονέκτηµα της ενίσχυσης του ρεύµατος συναντάται και στους αντιστροφείς µε καθαρά παράλληλο συντονισµό, οι οποίοι όµως απαιτόυν τη χρήση διακοπτικών στοιχείων µε ονοµαστική τάση της τάξης του kv. Η παρούσα τοπολογία κάνει χρήση στοιχείων ονοµαστικής τάσης µόνο 300V. Με αυξηµένη γωνία ελέγχου, σχ. 7, το ρεύµα κορυφής φορτίου µειώνεται στα 25Α, ενώ η κυµατοµορφή της τάσης εξόδου της κρισιµότερης, όσο αφορά την µετάβαση υπό µηδενική τάση, ηµιγέφυρας (ηµιγέφυρα Β) είναι οµαλή και χωρίς ανεπιθύµητες ταλαντώσεις (χαρακτηριστικό της απώλειας ZVS). Το σχ. 8 δείχνει τις κυµατοµορφές του συστήµατος για µηδενική γωνία ελέγχου, δηλαδή για πλήρη ισχύ, µε βραχυκυκλωµένο φορτίο. Το ρεύµα φορτίου είναι πολύ µικρό καθώς µε το βραχυκύκλωµα διακόπτεται ο συντονισµός του παράλληλου κυκλώµατος, ενώ παράλληλα οι αυτεπαγωγές τροφοδότησης προστατεύουν τον αντιστροφέα αφήνοντας να διαρρεύσουν µικρά µόνο ρεύµατα από τις ηµιγέφυρες. Η µορφή αυτών των ρευµάτων είναι τριγωνική αφού η επιλεκτικότητα του συντονισµένου κυκλώµατος είναι µηδενική λόγω του βραχυκυκλώµατος. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο συντονισµένος αντιστροφέας που παρουσιάστηκε συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα της τοπολογίας LLC µε αυτά του ελέγχου µέσω µετατόπισης φάσης, µε την εφαρµογή µιας νέας τοπολογίας. Συγκεκριµένα, χαρακτηρίζεται από την εύκολη προσαρµογή του σε φορτία επαγωγικής θέρµανσης, λόγω του µετασχηµατισµού εµπέδησης του συντονισµένου δικτυώµατος που χρησιµοποιεί και από τη δυνατότητα ελέγχου του υπό σταθερή συχνότητα λειτουργίας, χαρακτηριστικό που καθίσταται αναγκαίο για συστήµατα υψηλής συχνότητας. Η ανάλυση του συστήµατος µε βάση τη θεµελιώδη συχνότητα έδειξε ότι µε κατάλληλο σχεδιασµό επιτυγχάνεται η µετάβαση των διακοπτικών στοιχείων υπό µηδενική τάση για µεγάλο εύρος ελέγχου της ισχύος εξόδου. Οι δοκιµές που πραγµατοποιήθηκαν σε πρωτότυπο -6-

7 αντιστροφέα επιβεβαίωσαν την εγκυρότητα της θεωρητικής ανάλυσης καθώς και την ανοχή του αντιστροφέα σε βραχυκύκλωµα του φορτίου. 6. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] M. Kamli, S. Yamamoto, M. Abe, A khz Half-Bridge Inverter for Induction Heating Applications, IEEE Trans. Ind. Electron., February 1996, 43, (1), pp [2] W.M. Van Loock, Electromagnetic heating applications faced with EMC regulations in Europe, Proc. Int. Symp. Electromagnetic compatibility, Tokyo, Japan, 1999, pp [3] Federal Communications Commission, 47 CFR Chapter I, Industrial, Scientific and Medical Equipment, pp [4] A. Schonknecht, R.W. De Doncker, Novel topology for parallel connection of soft switching, high power, high frequency inverters. Proc. 36th IEEE 2001, IAS annual meeting, Chicago, IL, USA, 3, pp [5] Y.-S. Kwon, S.-B. Yoo, D.-S. Hyun, Half-bridge series resonant inverter for induction heating applications with load-adaptive PFM control strategy, Proc. Applied power electronics Conf., Dallas, TX, USA, 1999, 1, pp [6] L. Grajales, J.A. Sabate, K.R. Wang, W.A. Tabisz, and F.C. Lee, Design of a 10kW, 500 khz phase-shift controlled series-resonant inverter for induction heating, Proc. Industry applications society annual meeting, Toronto, Oat., Canada, 1993, 2, pp