Opis wykonanego modelu

Model falownika został wykonany w postaci trzech bloków (płytek drukowanych) połączonych wzajemnie listwami łączeniowymi (złącza 32 stykowe) według schematu z rysunków 6.1a i 6.1b:

blok obwodu siłowego falownika: „BOS”, zawierający: kondensatory obwodu rezonansowego (pojemność C), wzbudnik, tranzystory wraz z driverami i separującym transformatorem impulsowym Tri, pojemnościowy filtr wejściowy (6,2 µF), przekładnik prądowy P_i, przetwornik pomiarowy prądu LEM, bocznik pomiarowy R_B,

blok układu sterowania: „BUS”, blok zasilaczy 12V i 5V: „BZAS”.

Widok ogólny uruchomionego układu jest widoczny na rys. 6.3 i 6.4.

Jako łączniki elektroniczne zastosowano równolegle dwa (ze względu na wymaganą obciążalność prądową) tranzystory IRFP260N (U_DS = 200V, I_D = 50A) o obniżonej rezystancji w stanie przewodzenia R_DS(on) = 40 mΩ. Zabezpieczeniem przetężeniowm prądu dla łączników jest układ ogranicznika prądu K_i (opisany w podrozdziale 5.3.4) wykorzystujący dodatkowo różnicowy pomiar spadku napięcia na boczniku RB przy użyciu szybkiego wzmacniacza operacyjnego o małym poborze mocy i niskim poziomie zakłóceń LM6172. Rozwiązanie takie pozwala na uniezależnienie pomiaru od potencjału masy układu, która w układzie z dużymi pochodnymi prądu (wyłączany duży prąd – NZCS z dużą częstotliwością) jest bardzo niestabilna (m.in. przepięcia na indukcyjnościach pasożytniczych).

Do sterowania tranzystorami mocy zastosowano dwa podwójne drivery MCP1404, mające znacznie krótszy czas propagacji w stosunku do początkowo zakładanego drivera IR2113, który jest dedykowanym układem dla tranzystorów serii IRFP260. Zastosowanie

dwóch układów równolegle w celu zwiększenia ich wydajności prądowej, pozwoliło na znaczne skrócenie czasu załączania i wyłączania tranzystorów ze względu na zdolność do szybszego przeładowania pojemności złączowych tranzystorów.

Synchronizacja pracy układu odbywa się za pomocą detektora K_s przejścia przez zero prądu odbiornika i₀ (opisany w podrozdziale 5.3.4). W celu eliminacji opóźnienia wywołanego czasem propagacji driverów (od momentu synchronizacji układu do załączenia tranzystorów – około 70 ns) zastosowano wyprzedzenie momentu synchronizacji poprzez dodanie do sygnału mierzonego prądu, napięcia proporcjonalnego do napięcia zasilania U_d (potencjometr P_w). Uniezależniło to prawidłową synchronizację od zmian napięcia zasilającego. Aby sygnał prądu wykorzystywanego do synchronizacji odzwierciedlał rzeczywisty prąd odbiornika i0, przy większych tłumieniach w obwodzie rezonansowym układu, kiedy prąd odbiornika zawiera znaczącą składową stałą (sytuacja taka występuje, kiedy nagrzewany wsad jest relatywnie duży w stosunku do rozmiarów wzbudnika (dobre sprzężenie wzbudnika z wsadem) oraz/lub wsad ma właściwości ferromagnetyczne) do sygnału składowej zmiennej z przekładnika prądowego Pi, dodano sygnał składowej stałej otrzymany z pomiaru uśrednionego prądu tranzystorów o stałej czasowej 100 µs, równej stałej czasowej przekładnika Pi. Rozwiązanie takie pozwoliło na znaczące zwiększenie funkcjonalności układu w stosunku do założenia projektowego i jego zbadaniu dla innych wsadów w stosunku do przyjętego jako wzorcowy.

Funkcję doboru czasu przewodzenia tranzystorów pełni w układzie regulator napięcia kondensatora Ru (opisanego w podrozdziale 5.3.4) zrealizowany na układzie wzmacniacza LM358. Różnicowy pomiar napięcia kondensatora UC, dokonuje się układem wzmacniacza operacyjnego LM6172 w układzie proporcjonalnym ze współczynnikiem wzmocnienia 0,1. W celu określenia amplitudy tego napięcia, sygnał jest podawany do prostownika szczytowego (szybkie ładowanie i wolne rozładowanie kondensatora 100 nF). Aby wyeliminować z pomiaru błędnie zwiększaną amplitudę napięcia U_C, wskutek powstawania przepięć na indukcyjnościach pasożytniczych obwodu siłowego w czasie załączania tranzystorów, sygnał pomiarowy jest na ten czas zwierany do masy tranzystorem T_{UC_STOP} (BS170). Tak otrzymany sygnał podawany jest na wejście nieodwracające regulatora całkujacego R_u.

Takie rozwiązanie daje możliwość pomiaru amplitudy napięcia kondensatora C i poprzez porównanie go z napięciem zasilania Ud i po scałkowaniu, wypracowanie sygnału uchybu regulacji, który wydłuża lub skraca czas przewodzenia tranzystorów utrzymując

amplitudę napięcia UC równą napięciu zasilającemu Ud, co daje możliwość pracy tranzystora

T w warunkach ZVS.

Uruchomienie i zatrzymanie pracy zasilonego falownika następuje przy użyciu przycisków ZAŁ i WYŁ. Zastosowany przerzutnik RS z układem 74HC132 podtrzymuje na wyjściu sygnał logiczny wysoki (+5V) po wciśnięciu ZAŁ, dopóki nie zostanie wciśnięty przycisk WYŁ. Zabezpiecza to układ przed efektem drgania styków wewnętrznych przycisków ZAŁ i WYŁ (tzw. „dzwonienia”). Zatrzymanie pracy może nastąpić też w przypadku przekroczenia średniej wartości prądu tranzystorów (około 13A) niebezpiecznej dla układu, co zrealizowano podając sygnał i_0ss proporcjonalny do tego prądu przez dzielnik rezystancyjny do tranzystora BS170, który po przekroczeniu przez prąd określonej wartości, zwiera wejście przerzutnika RS powodując zatrzymanie pracy układu.

Dodatkowo dla realizacji możliwości bezpiecznego podglądu prądu zasilającego Id zastosowano przetwornik prądowy typu LEM LA 55-P.

Chłodzenie wzbudnika realizuje pompka od spryskiwacza samochodowego zasilana napięciem 5V (obniżenie napięcia zasilającego ze względu na długotrwały charakter pracy), która wymusza przepływ wody zdemineralizowanej w obwodzie zamkniętym. Chłodzenie tranzystorów i kondensatorów zapewnia wentylator zasilany napięciem 12V.

Na potrzeby badań laboratoryjnych układ został wyposażony w trzy zwory konfiguracyjne, które pozwalają na pracę układu w różnych trybach:

w trybie w pełni automatycznym (zwora Zw1: zwarte piny 1-2, zwora Zw2: zwarte piny 2-3, zwora Zw3: zwarte piny): naciśnięcie przycisku ZAŁ powoduje podanie jednostkowego, krótkiego impulsu rozruchowego sterującego tranzystory, wskutek czego następuje przeładowanie w rezonansowym obwodzie siłowym falownika, następnie detekcja przejścia prądu i₀ przez zero przez detektor K_s i w konsekwencji generacja impulsów synchronicznych. Czas tych impulsów jest zwiększany regulatorem R_u do momentu zrównania amplitudy napięcia U_C z napięciem zasilającym U_d. Rozruch układu trwa przez około 7 ms. W tym czasie impulsy prądowe tranzystorów nie przekraczają dopuszczalnych wartości, ponieważ w układzie występuje pasożytnicza indukcyjność ograniczająca pochodną prądu. Zmierzona w czasie rozruchu (7 ms) i pokazana na rys. 6.2a i 6.2b, średnia moc strat na tranzystorach (na początku rozruchu – ok. 116W, po 7 ms ok. – 48W) jest wielokrotnie mniejsza od dopuszczalnej wartości mocy rozpraszanej dla tego typu tranzystrów zawartej w nocie katalogowej (2 x 300W =

rozruchowego. Testowany w początkowej fazie pracy nad falownikiem układ rozruchowy zawierający przekaźnik, generował straty już po jego zwarciu (po zakończonym procesie rozruchu) oszacowanym na 2÷3 % sprawności układu. w trybie nastaw ręcznych:

generacja impulsów sterujących tranzystory przez generator z zakresu 174÷440 kHz zależnie od nastawy potencjometru P_f (zwora Zw1: zwarte piny 2-3, zwora Zw2: zwarte piny 1-2, zwora Zw3: rozwarte piny),

czas przewodzenia tranzystorów (84÷1480 ns) zależny od nastawy potencjometru

P_ti.

Rys. 6.2a. Przebiegi prądu tranzystora i_T, napięcia na tranzystorze u_T oraz mocy strat na tranzystorze

p_T w czasie rozruchu falownika (pierwszy takt

pracy – moc średnia 116W) przy obciążeniu go

stalowym rdzeniem Ø4 mm przy napięciu zasilającym falownik U_d = 68V

Rys. 6.2b. Przebiegi prądu tranzystora i_T, napięcia na tranzystorze u_T oraz mocy strat na tranzystorze

p_T w czasie rozruchu falownika (piąty takt pracy– moc średnia 48W) przy obciążeniu go stalowym

rdzeniem Ø4 mm przy napięciu zasilającym falownik U_d = 68V

Badanie tłumienia w obwodzie oscylacyjnym falownika przeprowadzono dla następującej konfiguracji układu sterowania: zwora Zw1: zwarte piny 1-2, zwora Zw2: zwarte piny 1-2, przy braku synchronizacji układu (zwora Zw3: piny rozwarte) i generacji dalszych impulsów. W tak skonfigurowanym układzie sterowania pojedynczy impuls rozruchowy o czasie zależnym od nastawy potencjometru Pti, powoduje generację zanikających oscylacji w tym obwodzie.

Przebiegi pracy układu z różnymi rdzeniami przeprowadzono w trybie w pełni automatycznym (zwora Zw1: zwarte piny 1-2, zwora Zw2: zwarte piny 2-3, zwora Zw3: piny zwarte).

Rys. 6.1b. Schemat elektryczny bloku zasilaczy 12V i 5V: „BZAS”

Rys. 6.3. Widok ogólny badanego modelu falownika