Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування

Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування

Розглянуто транзисторний інвертор напруги для установки індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування. Дано рекомендації по вибору параметрів регулювання вихідного струму інвертора. Представлені алгоритми роботи мікроконтролера. Рассмотрен тра...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Праці Інституту електродинаміки НАН України
Datum:2009
1. Verfasser: Герасименко, П.Ю.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут електродинаміки НАН України 2009
Schlagworte:
Напівпровідникові перетворювачі
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63733
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування / П.Ю. Герасименко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 24. — С. 105-109. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63733
record_format dspace
spelling Герасименко, П.Ю.
2014-06-05T15:40:09Z
2014-06-05T15:40:09Z
2009
Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування / П.Ю. Герасименко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 24. — С. 105-109. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.
1727-9895
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63733
621.314
Розглянуто транзисторний інвертор напруги для установки індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування. Дано рекомендації по вибору параметрів регулювання вихідного струму інвертора. Представлені алгоритми роботи мікроконтролера.
Рассмотрен транзисторный инвертор напряжения для установки индукционного нагрева с низкочастотной импульсной модуляцией и микропроцессорной системой управления. Даны рекомендации по выбору параметров регулирования выходного тока инвертора. Представлены алгоритмы работы микроконтроллера.
Transistor inverter for induction heating set-up with the low frequency pulse modulation and microprocessor control system are considered. It was given recommendation for select parameters’ selection of the inverter output current’s regulation. The algorithms of microcontroller’s functioning are proposed.
uk
Інститут електродинаміки НАН України
Праці Інституту електродинаміки НАН України
Напівпровідникові перетворювачі
Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
spellingShingle Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
Герасименко, П.Ю.
Напівпровідникові перетворювачі
title_short Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
title_full Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
title_fullStr Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
title_full_unstemmed Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
title_sort транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування
author Герасименко, П.Ю.
author_facet Герасименко, П.Ю.
topic Напівпровідникові перетворювачі
topic_facet Напівпровідникові перетворювачі
publishDate 2009
language Ukrainian
container_title Праці Інституту електродинаміки НАН України
publisher Інститут електродинаміки НАН України
format Article
description Розглянуто транзисторний інвертор напруги для установки індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування. Дано рекомендації по вибору параметрів регулювання вихідного струму інвертора. Представлені алгоритми роботи мікроконтролера. Рассмотрен транзисторный инвертор напряжения для установки индукционного нагрева с низкочастотной импульсной модуляцией и микропроцессорной системой управления. Даны рекомендации по выбору параметров регулирования выходного тока инвертора. Представлены алгоритмы работы микроконтроллера. Transistor inverter for induction heating set-up with the low frequency pulse modulation and microprocessor control system are considered. It was given recommendation for select parameters’ selection of the inverter output current’s regulation. The algorithms of microcontroller’s functioning are proposed.
issn 1727-9895
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63733
citation_txt Транзисторний інвертор напруги для установок індукційного нагрівання з низькочастотною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування / П.Ю. Герасименко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 24. — С. 105-109. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT gerasimenkopû tranzistorniiínvertornaprugidlâustanovokíndukcíinogonagrívannâznizʹkočastotnoûímpulʹsnoûmodulâcíêûtamíkroprocesornoûsistemoûkeruvannâ
first_indexed 2025-11-27T06:36:21Z
last_indexed 2025-11-27T06:36:21Z
_version_ 1850805250878865408
fulltext УДК 621.314 П.Ю. Герасименко ТРАНЗИСТОРНИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ ДЛЯ УСТАНОВОК ІНДУКЦІЙНОГО НАГРІВАННЯ З НИЗЬКОЧАСТОТНОЮ ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ ТА МІКРОПРОЦЕСОРНОЮ СИСТЕМОЮ КЕРУВАННЯ Розглянуто транзисторний інвертор напруги для установки індукційного нагрівання з низькочастот- ною імпульсною модуляцією та мікропроцесорною системою керування. Дано рекомендації по вибору параме- трів регулювання вихідного струму інвертора. Представлені алгоритми роботи мікроконтролера. Транзисторні перетворювачі мають ряд переваг і успішно витісняють лампові генера- тори, які донедавна були єдиним типом джерел живлення індукційних установок у діапазоні частот 18…440 кГц і вище потужністю до сотень кіловат. Одним із пріоритетних напрямків вдосконалення таких транзисторних перетворювачів є розробка ефективних алгоритмів та систем керування. Розглянемо схему інвертора напруги мостового типу, до виходу якого підключено че- рез погоджувальний трансформатор, індуктор з тілом, що нагрівається, та компенсуючий кон- денсатор [4]. Схему заміщення навантаження інвертора можна представити як послідовний резонансний контур, що складається з індуктивності L , ємності C та активного опору R . У роботах [1, 3, 4] розглянуто низькочастотні (НЧ) способи регулювання та стабіліза- ції вихідного струму інвертора напруги. Практично нульові динамічні втрати потужності є значною перевагою інверторів з НЧ регулюванням. Нульові втрати потужності досягаються за рахунок перемикання транзисторів при струмі, близькому до нуля, що відповідає режиму роботи на частоті, близькій до резонансної. Для забезпечення цього використовується систе- ма автоматичного підстроювання частоти (АПЧ). На рис. 1 на- ведено діаграми на- пруги керування Su , вихідних напруги u та струму i інверто- ра при НЧ імпульс- ній модуляції. При НЧ модуляції час модуляції MT та час ввімкненого ONt чи час вимкненого OFFt стану зручно харак- теризувати цілими числами, що кратні періоду вихідної напруги інвертора 0T : 0M sTT = , 0mTtON = , 0nTtOFF = , де msn −= – кількість періодів за час вимкненого стану OFFt ; m – кількість періодів за час ввімкненого стану ONt ; s – кіль- кість періодів 0T за час модуляції MT . У більшості випадків, характерних для реальних технологічних навантажень, середнє значення струму по модулю при НЧ регулюванні можна визначити за формулою [4] (1)2 m cep U I R γ π = , (1) © Герасименко П.Ю., 2009 OFFt ONt MT iu, Su t t )(tu)(ti Рис. 1 де (1)mU – амплітуда першої гармоніки вихідної напруги; 1≤== s m T t M ONγ – коефіцієнт запов- нення модульованої напруги. Максимальне maxaI , мінімальне minaI значення амплітуди струму та різниця між ними aIΔ визначаються виразами, що справедливі при ( )0, ,n s∈ K [3]: 1 (1) 4 max 11 1 n Q s n m Q a s Q U eI e R e π π π − ⎛ ⎞− − −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ − ⎡ ⎤⎛ ⎞ −⎢ ⎥⎜ ⎟= −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥−⎝ ⎠⎣ ⎦ ; (2) ( ) 1 (1) 4 min 1 1 s n Q n m Q a s Q U eI e R e π π π − − ⎛ ⎞− −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ − − = − ; (3) ( ) (1) 421 1 s n s n Q Q Q m Q a s Q U e e eI e R e π π π π π − − − − − ⎡ ⎤ − +⎢ ⎥Δ = −⎢ ⎥ ⎢ ⎥−⎣ ⎦ , (4) де Q – добротність коливального контура. При НЧ-ШІМ ( s const= ) дискретність зміни струму майже рівномірна. Аналіз виразів (2)…(4) показав, що при зменшенні γ збільшується амплітуда НЧ пульсації. Збільшення НЧ пульсації струму призводить до збільшення максимального миттєвого значення струму клю- чових елементів, збільшення напруги на конденсаторах коливального контура та рівня зву- кових коливань (якщо частота модуляції знаходиться у звуковому діапазоні), а також може призвести до режиму перервного струму. Зменшення струму до нуля на інтервалі OFFt часто не припустиме з точки зору забезпечення роботи системи АПЧ. Це обмежує можливість ви- користання цього способу регулювання при широкому діапазоні зміни параметрів наванта- ження та при малих значеннях добротності контура Q . Перевагою НЧ-ЧІМ ( m const= чи n const= ) перед НЧ-ШІМ є те, що амплітуду НЧ пульсації струму можна обмежити на заданому рівні. Але для НЧ-ЧІМ характеристика регу- лювання нерівномірна та не забезпечує широкий діапазон зміни параметрів навантаження. НЧ-ШІМ та НЧ-ЧІМ мають свої переваги та недоліки. Тому постає задача розробки оптимальних способів регулювання та стабілізації струму інвертора при змінних параметрах регулювання , ,n m s , що дасть змогу покращити характеристику регулювання вихідного струму інвертора при широкому діапазоні зміни параметрів навантаження [3, 4]. При виборі параметрів регулювання msn ,, необхідно враховувати їх вплив на величи- ну НЧ пульсації амплітуди струму. Збільшення n збільшить амплітуду НЧ пульсації струму. Представимо точки можливих комбінацій s і m на площині Клейна (рис. 2). Цілі чи- сла по осі абсцис відповідають [ ]0...20s ∈ , а по осі ординат – [ ]0...m s∈ . Таким точкам бу- дуть відповідати “дозволені” значення дозвγ . Якщо γ раціональне число, що виражається деяким співвідношенням s m , тоді пряма ( )0,γ перетинатиме точки площини, а якщо ірраціональне – пряма ніколи не перетне жодної з точок. Для прикладу, на рис. 2 проведені прямі для 1γ = та 2 7γ = . Процес НЧ імпульсної модуляції на площині Клейна має вигляд неперервної ламаної лінії, що складається з відріз- ків прямих з одиничним та нульовим нахилом та найкращим чином наближається до прямої ( )0,γ , проходячи через найбільш близько розташовані до неї точки Клейна (рис. 2) [2]. Чим більша різниця s m n− = , тим більша НЧ пульсація струму (напруги). Тому на ла- маній лінії точки ( )sm; слід вибирати, задаю- чись значенням n та похибкою дозвδ γ γ= − . У таблиці наве- дено всі дозвγ , які від- повідають s (0…20) та m (0... s ). З таблиці видно, що однакові значення γ можуть бути отри- мані при різних m та s. У такому випадку слід вибирати такі комбіна- ції m та s, при яких різ- ниця між ними n буде меншою, оскільки при менших n буде мен- шою НЧ пульсація струму. При розімкнутій системі регулювання струм навантаження можливо змінювати дискретно. Введення від’ємного зворотного зв’язку за регулюючим параметром дає змогу регулювати струм нава- нтаження плавно у всьому діапазоні [1]. Якщо потрібна величина γ не відповідає можливому кроку характеристики регулювання, тоді зворотний зв’язок буде завжди змінювати сигнал на модулятор, котрий коливатиметься між двома прилеглими дозвγ . 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0,05 0,0526 0,0556 0,0588 0,0625 0,0667 0,0714 0,0769 0,0833 0,0909 0,1 0,1111 0,125 0,1429 0,1667 0,2 0,25 0,3333 0,5 1 2 0,1 0,1053 0,1111 0,1176 0,125 0,1333 0,1429 0,1538 0,1667 0,1818 0,2 0,2222 0,25 0,2857 0,3333 0,4 0,5 0,6667 1 3 0,15 0,1579 0,1667 0,1765 0,1875 0,2 0,2143 0,2308 0,25 0,2727 0,3 0,3333 0,375 0,4286 0,5 0,6 0,75 1 4 0,2 0,2105 0,2222 0,2353 0,25 0,2667 0,2857 0,3077 0,3333 0,3636 0,4 0,4444 0,5 0,5714 0,6667 0,8 1 5 0,25 0,2632 0,2778 0,2941 0,3125 0,3333 0,3571 0,3846 0,4167 0,4545 0,5 0,5556 0,625 0,7143 0,8333 1 6 0,3 0,3158 0,3333 0,3529 0,375 0,4 0,4286 0,4615 0,5 0,5455 0,6 0,6667 0,75 0,8571 1 7 0,35 0,3684 0,3889 0,4118 0,4375 0,4667 0,5 0,5385 0,5833 0,6364 0,7 0,7778 0,875 1 8 0,4 0,4211 0,4444 0,4706 0,5 0,5333 0,5714 0,6154 0,6667 0,7273 0,8 0,8889 1 9 0,45 0,4737 0,5 0,5294 0,5625 0,6 0,6429 0,6923 0,75 0,8182 0,9 1 10 0,5 0,5263 0,5556 0,5882 0,625 0,6667 0,7143 0,7692 0,8333 0,9091 1 11 0,55 0,5789 0,6111 0,6471 0,6875 0,7333 0,7857 0,8462 0,9167 1 12 0,6 0,6316 0,6667 0,7059 0,75 0,8 0,8571 0,9231 1 13 0,65 0,6842 0,7222 0,7647 0,8125 0,8667 0,9286 1 14 0,7 0,7368 0,7778 0,8235 0,875 0,9333 1 15 0,75 0,7895 0,8333 0,8824 0,9375 1 16 0,8 0,8421 0,8889 0,9412 1 17 0,85 0,8947 0,9444 1 18 0,9 0,9474 1 19 0,95 1 20 1 s m s m 1 2 3 4 19 205 6 7 9 108 11 12 13 14 15 16 17 180 1 2 3 4 19 5 6 7 9 10 8 11 12 13 14 15 16 17 18 20 1=γ 2 7 γ = дозвγ Рис. 2 При побудові замкненої системи регулювання транзисторним перетворювачем з НЧ імпульсною модуляцією доцільне використання мікроконтролерів (МК). Використання МК дозволяє виконувати ряд математичних обчислень, що обумовлені використанням алгоритму керування. Крім того, сучасні МК мають ряд вбудованих периферійних пристроїв, які можна використовувати при побудові системи керування, мають невеликі розміри і практично не потребують зовнішніх елементів. За участю автора було розроблено транзисторний перетворювач установки інду- кційного нагрівання з мікро- процесорною (МП) системою керування. Функціональна схема системи керування тра- нзисторним інвертором з ви- користанням МК наведена на рис. 3. Вона складається з мі- кроконтролера (МК), генера- тора імпульсів з автоматич- ним підстроюванням частоти (ГІ), підсилювача сигналу по- милки (ПСП), логічного блока “&”, датчика струму (ДС) та блока керування транзисторами (БКТ). Залежно від сигналу зворотного зв’язку від датчика струму IззU ГІ генерує імпульси синхронізації cU з частотою, близькою до частоти власних коливань вихідного контура RLC , що потрапляють до МК та логічного блока “&”. МК генерує імпульси НЧ модуляції НЧМU , що потрапляють до логічного блока “&”. Логічний блок “&” видає імпульси керуван- ня керU , які в БКТ формуються та розподіляються для керування транзисторами vtU . Сигнал різниці UΔ між сигналом від ДС IззU та рівня встановленого завдання завдU потрапляє до ПСП, який підсилює сигнал помилки та видає підсилений сигнал ззU на МК, який залежно від його вели- чини формує імпульси НЧМU . На рис. 4 наведена еле- ктрична схема мікропроцесо- рної схеми ке- рування з ло- гічним блоком “&”. У цьому випадку обрано МК ATmega- 16, мікроконт- ролер сімейст- ва Mega фірми ATMEL з так- товою часто- тою 16 МГц. Vcc Xtal 1 Xtal 2 Reset Gnd +5В R1 C1 C2 C3 ZQ1 DD1 ATmega16 VD1 Int 0 Int 1 U с SS MOSI MISO SCK Uсп дані від АЦП PC7 PC6 PC5 PC4 DD2 & & & & U с Uvt1 Uvt4 Uvt2 Uvt3 +5В R2 R3 R4 R5 R6 Рис. 4 Інв. & МК ГІ ПСП Eжив. ДС СTV R L Uзавд UззІ БКТ Uзз Uvt U Uс Uнчм Uкер Рис. 3 Алгоритми роботи МК при виник- ненні зовнішнього переривання та основ- ного циклу його роботи наведені на рис. 5 та 6 відповідно. В основному циклі роботи програ- ми МК відбувається початкова ініціаліза- ція, після якої в безкінечному циклі, декі- лька разів, іде зчитування даних з АЦП (підсиленого сигналу помилки ззU ), після цього визначається середнє значення сиг- налу помилки, залежно від якого вибира- ється необхідна γ НЧ імпульсної моду- ляції. Підпрограма МК, що працює при виник- ненні зовнішніх пере- ривань, залежно від “необхідної” γ формує сигнал НЧ керування. Було створено макет транзисторного перетворювача з МП системою керування для установки індук- ційного нагрівання час- тотою 66 кГц. Дослі- дження показали мож- ливість побудови пере- творювачів з системою керування на базі мік- роконтролера Atmega16, на частоту до 120 кГц. Використання МП сис- теми керування дає змогу реалізовувати не- обхідні алгоритми НЧ модуляції залежно від технологічної задачі і не потребує змін у схе- мі електричній-принци- повій перетворювача. Висновки. При виборі параметрів регу- лювання msn ,, необ- хідно враховувати їх вплив на величину НЧ пульсації амплітуди струму. Чим більше n , Початок Встановлення виводів портів у відповідні значення для реалізації потрібної НЧМ Генерація НЧМ? Початок Так Ні Рис. 5 Початок Початкові установки Ініціалізація МП на зовнішні переривання Ініціалізація SPI МК для роботи з АЦП Дозвіл переривань For i=1; i<10; i++ Зчитування даних з АЦП Обчислення середнього значення даних отриманого від АЦП Визначення „точки” НЧ імпульсної модуляції Нескінченний цикл while(true) Рис. 6 тим більша НЧ пульсація струму. Тому точки характеристики регулювання ( )sm; слід виби- рати задаючись значенням мінімального n та мінімальною похибкою дозвδ γ γ= − . При ро- зімкненій системі регулювання струм навантаження можна змінювати дискретно. Введення від’ємного зворотного зв’язку за регулюючим параметром дозволяє регулювати струм нава- нтаження плавно у всьому діапазоні. МП систем керування дає змогу реалізовувати складні алгоритми регулювання вихід- ного струму інвертора напруги та змінювати їх без зміни схеми. МК ATmega-16 може бути застосований при побудові системи керування транзистор- ним перетворювачем на частоту до 120 кГц. Рассмотрен транзисторный инвертор напряжения для установки индукционного нагрева с низкочас- тотной импульсной модуляцией и микропроцессорной системой управления. Даны рекомендации по выбору параметров регулирования выходного тока инвертора. Представлены алгоритмы работы микроконтроллера. Transistor inverter for induction heating set-up with the low frequency pulse modulation and microprocessor control system are considered. It was given recommendation for select parameters’ selection of the inverter output cur- rent’s regulation. The algorithms of microcontroller’s functioning are proposed. 1. Гельман М.В., Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. – М.: Энергия, 1975. – 104 с. 2. Дэвепорт Г. Высшая арифметика. – М.: Наука, 1965. – 176 с. 3. Юрченко М.М., Гуцалюк В.Я., Шевченко П.М., Герасименко П.Ю. Транзисторні інвертори напруги установок індукційного нагріву з НЧ імпульсною модуляцією в режимі стабілізації струму наванта- ження // Техн. електродинаміка. Темат. вип. “Проблеми сучасної електротехніки”. – 2008. – Ч. 2. – С. 109–112. 4. Юрченко М.М., Гуцалюк В.Я., Шевченко П.М., Герасименко П.Ю., Слєсаревський І.О. Низькочастотні способи регулювання струму транзисторних інверторів напруги установок індукційного нагріву // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. – К.: ІЕД НАНУ, 2007. – № 18. – С. 108–111. Надійшла 31.03.2009

Ähnliche Einträge