Stany dynamiczne w układzie podczas pracy

Jako jedną z zalet tej topologii falownika autorzy przytaczają w [1]: stabilną pracę dla różnych obciążeń. Zmiana obciążenia, powoduje jednak zmianę tłumienia w wyjściowym obwodzie rezonansowym, a co za tym idzie konieczność zmiany częstotliwości z jaką sterowany jest układ oraz współczynnika D odpowiedzialnego za czas przewodzenia tranzystora. W przeciwnym razie pracujący układ zareaguje na gwałtowną zmianę wyjściem z zakresu pracy optymalnej do zakresu pracy suboptymalnej (przypadek korzystniejszy; nastąpi np. w przypadku wyjęcia wsadu ze wzbudnika) lub pracy nieoptymalnej (w której łącznik tranzystorowy jest załączany w warunkach NZVS; nastąpi kiedy włożony zostanie wsad do wzbudnika w stanie jałowym lub obciążenie zmieni się na wsad o większym tłumieniu). Sytuacja taka jest szczególnie niekorzystna w sytuacji dużych częstotliwości, ponieważ straty w tranzystorze generowane są w każdym cyklu pracy (okresie sterowania) urządzenia i wzrastają wraz z częstotliwością pracy układu.

W wykonanym modelu falownika zastosowano układ regulacji nadążnej, w którym regulator napięcia R_u obniża do zera napięcie na tranzystorze u_t, aby tranzystor mógł pracować w warunkach ZVS.

W celu weryfikacji jakości sterowania układem w stanach dynamicznych dokonano pomiarów oscylograficznych sygnałów amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora Ru oraz prądu id i napięcia ud , dla dwóch przypadków:

szybka zmiana obciążenia układu podczas pracy: wyjęcie wsadu ze wzbudnika

włożenie wsadu do wzbudnika stany przejściowe układu sterowania:

załączenie układu sterowania wyłączenie układu sterowania 6.2.4.1 Szybka zmiana obciążenia falownika

Z uwagi na bardzo duże częstotliwości pracy układu w stosunku do okresów czasu, kiedy możliwe jest włożenie lub wyjęcie wsadu ze wzbudnika, zmiany regulacyjne w układzie zachodzą w wielu okresach sterowania. Na rysunkach 6.74 i 6.75 zaprezentowano przebiegi w czasie wyciągania rdzenia ze wzbudnika: prądu i napięcia zasilającego układ, sygnał amplitudy napięcia kondensatora C podawany na wejście regulatora R_u i porównywany z napięciem zasilającym układ U_d, służąc do wypracowania uchybu regulacji i w postaci napięcia wyjściowego regulatora R_u, wydłużający lub skracający długość impulsu sterującego łącznikiem energoelektronicznym (współczynnik D w analizie pracy układu).

Rys. 6.74. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

R_u oraz prądu i_d i napięcia u_d , podczas wyjmowania stalowego rdzenia Ø4 mm ze wzbudnika przy napięciu zasilającym falownik

U_d = 68V

Rys. 6.75. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

R_u oraz prądu i_d i napięcia u_d , podczas wyjmowania stalowego rdzenia Ø8 mm ze wzbudnika przy napięciu zasilającym falownik

U_d = 25V

Układ sterowania dobrze reaguje na zmiany obciążenia (malejący prąd zasilający id), skracając czas przewodzenia tranzystora T i zmniejszając ilość energii dostarczanej do układu ze źródła zasilania. Kształty przebiegów amplitudy napięcia kondensatora C w sposób bardzo wierny pokrywają się z przebiegiem napięcia zasilającego ud, dzięki szybkim zmianom napięcia wyjściowego regulatora Ru (podwyższanie się napięcia uRu skraca impuls sterujący tranzystorem). Poziom prądu zasilającego id stabilizuje się na poziomie odpowiadającym stanowi pracy na biegu jałowym (straty na rezystancji wzbudnika i obwodu rezonansowego).

Na rysunkach 6.76 i 6.77 zaprezentowano przebiegi w czasie wkładania rdzenia do wzbudnika. Regulator bardzo szybko i precyzyjnie reaguje na zmiany napięcia zasilajacego

ud oraz wzrost obciążenia (wzrastający prąd zasilający id). Charakterystyczny jest także wzrost prądu zasilającego id wraz ze zmieniającymi się parametrami nagrzewanego wsadu

(regulator Ru również podąża za zmianami) szczególnie widoczny na rys. 6.76 dla wsadu o mniejszej średnicy, który nagrzewa się znacznie szybciej.

Rys. 6.76. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

R_u oraz prądu i_d i napięcia u_d , podczas wkładania stalowego rdzenia Ø4 mm ze wzbudnika przy

napięciu zasilającym falownik U_d = 68V

Rys. 6.77. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

R_u oraz prądu i_d i napięcia u_d , podczas wkładania stalowego rdzenia Ø8 mm ze wzbudnika przy

napięciu zasilającym falownik U_d = 25V

6.2.4.2 Włączanie i wyłączanie układu sterowania

Na rysunkach 6.78 i 6.79 zaprezentowano przebiegi w układzie podczas załączania, a na rys. 6.80 i 6.81 podczas wyłączania układu sterowania przy włożonym rdzeniu do wzbudnika: prądu id i napięcia zasilającego układ ud, sygnał amplitudy napięcia kondensatora

C podawany na wejście regulatora Ru i napięcia wyjściowego regulatora Ru, wydłużający lub skracajacy długość impulsu sterującego tranzystorem.

Rys. 6.78. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

R_u oraz prądu i_d i napięcia u_d , podczas załączania układu sterowania falownika przy obciążeniu go

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

Rys. 6.79. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

R_u oraz prądu i_d i napięcia u_d , podczas załączania układu sterowania falownika przy obciążeniu go

stalowym rdzeniem Ø8 mm przy napięciu zasilającym falownik U_d = 25V

Rys. 6.80. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

Ru oraz prądu id i napięcia ud , podczas wyłączania układu sterowania falownika przy obciążeniu go

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

Rys. 6.81. Przebiegi amplitudy napięcia kondensatora C, napięcia wyjściowego regulatora

Ru oraz prądu id i napięcia ud , podczas wyłączania układu sterowania falownika przy obciążeniu go

stalowym rdzeniem Ø8 mm przy napięciu zasilającym falownik U_d = 25V

Dzięki zastosowaniu analogowych układów operacyjnych do budowy regulatora napięcia R_u, możliwa jest bardzo szybka reakcja układu sterowania na zmieniające się sygnały pomiarowe w obwodzie. Reakcja układu sterowania następuje w kilkanaście nanosekund od chwili wystąpienia zmiany sygnału zadającego.

Jest to widoczne zarówno podczas załączania układu sterowania (regulator bardzo szybko sprowadza napięcie UC do stanu ustalonego, w którym odpowiada ono co do wartości napięciu zasilania Ud i wprowadza warunki ZVS dla pracy tranzystora), jak i podczas wyłączania (natychmiastowy zanik prądu id na skutek wstrzymania sterowania tranzystorem

T oraz bardzo szybkie sprowadzenie napięcia Uc do zera poprzez skrócenie do minimum długości impulsów sterujących).

Rozdział 7

Podsumowanie pracy, wnioski