Obliczenia parametrów falownika
3.8 Układ rozruchowy falownika
40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 P=40W P=30W P=60W Ptx P=70W
Rys. 3.13. Krzywe temperaturowe tranzystora T wraz z zainstalowanym radiatorem podczas pracy przy różnych rozpraszanych mocach.
Krzywe na rysunku 3.13 pokazują zależności osiąganych przez tranzystor temperatur dla określonych mocy rozproszenia w czasie pracy.
Pokazana linią przerywaną krzywa temperatury, została wyznaczona na podstawie pomiarów w rzeczywistym układzie wykonanego modelu falownika. Osiągana temperatura odpowiada rozpraszanej mocy na poziomie 45 W. Co potwierdza prawidłowość szacunków energii rozpraszanej w tranzystorze dla wyliczonych parametrów schematu zastępczego ukladu wzbudnik – wsad, jako części obwodu rezonansowego R0L0C falownika.
3.8 Układ rozruchowy falownika
Przyjmując warunki początkowe dla układu falownika ZVS-1S jako równe zeru, po załączeniu tranzystora zacznie płynąć prąd ze źródła zasilania ładujący kondensator.
t [µs] A V uC iC uGS
Rys. 3.15. Przebiegi prądu kondensatora (kolor niebieski) i napięcia na nim (kolor czarny) po załączeniu tranzystora sygnałem UGS (kolor zielony).
Impulsowy charakter przebiegu prądu iC, który wywołuje udar prądu ze źródła napięcia zasilania Ud, może spowodować uszkodzenie tranzystora. Maksymalna wartość piku prądowego osiągnęła podczas symulacji układu 176 amperów. Dopuszczalna wartość katalogowa prądu dla przyjętego tranzystora IRFP260 wynosi 60 amperów.
Jednocześnie stała czasowa zaniku oscylacji przepięcia i przetężenia na kondensatorze jest relatywnie krótka i wynosi ok. 1 µs, co powoduje, zanik zakłóceń po ok. 3 µs.
Przebieg prądu odbiornika i0 (rys. 3.16) natomiast, który jest prądem indukcyjności L0 w układzie falownika ZVS-1S w topologii podstawowej, ma relatywnie dłuższą stałą czasową, co powoduje jego stabilizację po ok. 8 µs.
t [µs] A
i0
uGS
Rys.3.16. Przebieg prądu odbiornika (kolor niebieski), który jest prądem indukcyjności w układzie falownika ZVS-1S w topologii podstawowej w stosunku do napięcia sterującego tranzystorem UGS (kolor zielony).
Różnica stałych czasowych przebiegów prądu kondensatora i indukcyjności w układzie, powoduje możliwość bezpiecznego uzupełniania energii kondensatora ze źródła zasilania po cyklu drgań swobodnych i rozproszeniu części energii na rezystancji R0, bez osiągania wartości prądu bliskich prądowi i0max w układzie, wynoszących ok. 268 A.
W celu ograniczenia prądu rozruchowego ładującego kondensator z zerowymi warunkami początkowymi, można próbować zastosować dodatkową indukcyjność rozruchową (Lrozruch na rys. 3.17).
L0 C R0 Ud T i0 iC uC iT uT Lrozruch
Rys. 3.18. Przebiegi prądu kondensatora (kolor niebieski) i napięcia na nim (kolor czarny) po załączeniu tranzystora sygnałem UGS (kolor zielony) z dodatkową indukcyjnością
Lrozruch = 0,1 µF.
Rozwiązanie takie (dodana wartość Lrozruch = 0,1 µH) spowodowało podczas symulacji układu spadek wartości maksymalnej prądu kondensatora do 56 amperów (rys. 3.18), jednakże wydłużyło znacząco czas zaniku oscylacji z 3 do ok. 30 µs. Tak znaczne wydłużenie czasu załączenia tranzystora T w pierwszym cyklu jego pracy, spowoduje wzrost prądu i0 do ok. 268 amperów, co również jest bezwzględnie destrukcyjne dla tranzystora, połączeń w obwodzie siłowym falownika, ale i źródła zasilania układu.
Ponadto wprowadzenie dodatkowej indukcyjności do obwodu spowodowałoby ryzyko dodatkowych oscylacji pasożytniczych w układzie, które również generują straty energii i obniżają jego sprawność.
Rozwiązaniem ograniczającym prąd rozruchu falownika w takim układzie jest włączenie dodatkowej rezystancji rozruchowej Rrozruch (rys. 3.19).
L0 C R0 Ud T i0 iC uC iT uT Rrozruch
Rozwiązanie takie (Rrozruch= 0,1Ω) ograniczyło udar prądu iC do 132 amperów, nie powodując jednocześnie wydłużenia czasu stanu nieustalonego w obwodzie (rys. 3.20). Jednocześnie wprowadzenie dodatkowej rezystancji powoduje wytłumienie oscylacji pasożytniczych prądu i napięcia na kondensatorze.
Niekorzystnym skutkiem takiego rozwiązania jest niższa wartość napięcia osiąganego przez kondensator C, która sięga jedynie 26 V, przy wartości napięcia zasilajacego układ Ud = 40 V.
Rys. 3.20. Przebiegi prądu kondensatora (kolor niebieski) i napięcia na nim (kolor czarny) po załączeniu tranzystora sygnałem UGS (kolor zielony) z dodatkową rezystancją rozruchową
Rrozruch = 0,1 Ω.
Zwiększanie wartości rezystancji rozruchowej Rrozruch (rys. 3.21) powoduje dalsze ograniczenie udaru prądu iC do ok. 105 amperów, jednak równoczesnie maleje wartość napięcia osiąganego przez kondensator C, która dla tego przypadku wyniosła ok. 18 V, co zupełnie podważa sensowność takiej koncepcji.
Rys. 3.21. Przebiegi prądu kondensatora (kolor niebieski) i napięcia na nim (kolor czarny) po załączeniu tranzystora sygnałem UGS (kolor zielony) z dodatkową rezystancją rozruchową
Rrozruch = 0,2 Ω.
Rozwiązaniem, które jest rozsądnym kompromisem pomiędzy zaletami i wadami poprzednio rozpatrywanych, jest układ hybrydowy indukcyjności Lrozruch = 0,05 µH i rezystancji rozruchwej Rrozruch = 0,05 Ω (rys. 3.22). Pozwala ono połączyć – na skutek obniżenia wartości wprowadzanych do układu rezystancji i indukcyjności – zalety obu przedstawionych wcześniej rozwiązań: głównie ograniczyć udar prądu iC, przy jednoczesnym ograniczeniu zjawisk niepożądanych, czyli głównie: wydłużenia stanu nieustalonego w układzie i obniżenia wartości napięcia uC, osiąganego przez kondensator.
Rys. 3.22. Falownik ZVS-1S w topologii podstawowej z dodatkową indukcyjnością Lrozruch i rezystancją rozruchową Rrozruch.
Otrzymane przebiegi dla układu z rys. 3.22, pokazuje rys. 3.23, na których zanik oscylacji prądu następuje po czasie ok. 8 µs, co jest czasem czterokrotnie krótszym od rozwiązania z dołączoną wyłącznie indukcyjnoscią Lrozruch, choć jednocześnie jest 2,5–krotnie dłuższym od zastosowania tylko rezystancji Rrozruch. Czas ok. 8 µs uznano za akceptowalny
Rys. 3.23. Przebiegi prądu kondensatora (kolor niebieski) i napięcia na nim (kolor czarny) po załączeniu tranzystora sygnałem UGS (kolor zielony) z dodatkową rezystancją Rrozruch =0,05Ω i indukcyjnością rozruchową
Lrozruch = 0,05 µH.
Dołączenie dodatkowej rezystancji rozruchowej Rrozruch ograniczy również wartość prądu I0max do ok. 200 A (rys. 3.24), co zmniejszy zagrożenie uszkodzenia termicznego tranzystora. Jednocześnie stała czasowa prądu odbiornika i0, w stosunku do obwodu bez układu rozruchowego nie zmieni się znacząco.
Szybkość narastania prądu i0 w obwodzie pokazuje konieczność zastosowania ogranicznika prądu iT tranzystora, który niezależnie od układu sterowania falownika będzie reagował na duże wartości prądu źródła zasilania, które mogą uszkodzić tranzystor T (w układzie analizowanego falownika prąd źródła zasilania id, jest tożsamy z prądem tranzystora
Rys. 3.24. Przebieg prądu odbiornika (kolor niebieski), który jest prądem indukcyjności w układzie falownika ZVS-1S w stosunku do napięcia sterującego tranzystorem UGS (kolor zielony) po zastosowaniu rezystancji
Rrozruch =0,05Ω i indukcyjności rozruchowej Lrozruch = 0,05 µH.
Do realizacji układu rozruchowego falownika ZVS-1S przewidziano wykorzystanie timera NE555 (rys. 3.25), w którym za pomocą zewnętrznych elementów RC ustala się czas wyzwolenia wyjścia Q układu.
Jako element zabezpieczający układ przed wpływem przepięcia, powstałego na dodatkowej indukcyjności rozruchowej Lrozruch podczas gwałtownego zaniku wyłączanego prądu tranzystora, przewidziano równoległe dołączenie do układu rozruchowego, szybkiej diody Schottkiego.
Rys. 3.25. Falownik ZVS-1S w topologii podstawowej z układem rozruchowym.