ISSN 1991-3087
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

НА ГЛАВНУЮ

Программируемый регулятор в транзисторных инверторах напряжения для индукционного нагрева

 

Тимошенко Николай Васильевич,

аспирант Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.

 

Введение.

 

Обеспечение возможности программировать алгоритмы работы регулятора транзисторных источников питания для установок индукционного является очень важной задачей, решение которой позволит повысить гибкость использования установок в различных технологических процессах.

Высокочастотные транзисторные источники питания получили широкое применение в установках индукционного нагрева [1]. Наиболее распространенной схемой построения источников питания, в диапазоне 5-200 кГц, является транзисторный инвертор напряжения, работающий на резонансную нагрузку. Нагрузочный резонансный контур образует индукционная система и компенсирующая емкость. Оптимальным, с точки зрения коммутационных потерь, режимом работы транзисторного инвертора напряжения является минимальная индуктивная расстройка нагрузочного контура.

Транзисторный генератор является основным регулирующим элементом установки индукционного нагрева. Частота переключения транзисторов определяет выходную мощность и фазовое рассогласование между первыми гармониками тока и напряжения инвертора. СУ является ключевым узлом транзисторного генератора и определяет виды и качество обеспечиваемых задач регулирования. Основное направление развития ТГ – это усовершенствование системы управления (СУ).

ФИУ обеспечивает выбор оптимального режима коммутации транзисторов и оптимальный способ регулирования энерговклада в технологических процессах, использующих индукционный нагрев.

Многообразие индукционных технологий и особенности индукционной нагрузки диктуют требования к СУ источников питания установок индукционного нагрева. Существующая аналого-цифровая СУ хорошо зарекомендовала себя, как надежная СУ ТГ. Но использование ТГ в различных технологических процессов (например, поверхностная закалка) ставит новые задачи по расширению функциональных возможностей, обеспечению настраиваемых разгонных динамик процесса, варьированию каналов обратной связи. Основным требованием является универсализация источника питания - разработка надежного, высокоэффективного, многофункционального для широкого спектра разнообразных индукционных технологий. Можно выделить несколько основных направлений развития СУ ТГ:

1)                 СУ должна обеспечивать режим мягкой коммутации силовых ключей для повышения надежности и КПД источника питания;

2)                 обеспечение защиты аварийных режимов;

3)                 настраиваемые законы регулирования мощности в нагрузке;

4)                 программируемые алгоритмы регулятора.

Для удовлетворения этих требований необходимо полностью реализовывать СУ на программируемых микросхемах [2]. Однако в связи с очень высокой частотой, не всегда удается реализовывать полностью цифровые СУ.

В статье рассматривается использование программируемого дискретного регулятора взамен аналоговой реализации для расширения возможности применения преобразователя в электротермических установках.

 

Принцип работы регулятора.

 

Принцип работы регулятора инвертора заключается в том, что задающий сигнал контролируемой величины uзад поступает на вход устройства сравнения вместе с сигналом отрицательной обратной связи uос контролируемой величины. Сигнал обратной связи должен соответствовать уровню задающего сигнала uзад. Разность между этими сигналами подаётся на вход ПИ-регулятора, на выходе которого формируется сигнал, устанавливающий зависимость между сигналом обратной связи uос и периодом следования импульсов управления транзисторов.

 

Рис. 1. Фрагмент схемы построения замкнутой системы управления инвертора.


            ПИ-регулятор, в установившемся режиме работы разность между сигналами задания и контролируемой величины равна нулю, что соответствует определённому сигналу на выходе ПИ-регулятора, подаваемого на вход системы управления инвертором (СУИ), устанавливающего соответствующую частоту его выходного напряжения. При изменении параметров нагрузки инвертора или напряжения его питания, происходит изменение контролируемых величин, а, следовательно, разность между сигналами задания и контролируемой величины становиться отличной от нуля, что приводит к соответствующему изменения сигнала на выходе ПИ-регулятора до тех пор, пока разность между сигналом задания и контролируемой величиной не станет равной нулю. Таким образом, система производит автоматическую настройку на устанавливаемый режим работы.

 

Рис. 2. Функциональная схема транзисторного инвертора напряжения.

ДР1 … ДР4 – драйверы силовых транзисторов; ДТ, ДН – датчик тока, датчик напряжения; Р – регулятор; ФИАПЧ – формирователь импульсов с автоподстройкой частоты, настраивает частоту работы инвертора на частоту нагрузочного контура, обеспечивая индуктивную расстройку с минимальным фазовым сдвигом для мягкой коммутации транзисторов.

 

Отслеживая изменения частоты нагрузочного контура, связанные с изменением параметров индуктора в ходе технологического процесса ФИАПЧ постоянно подстраивает частоту работы инвертора в соответствии с заданием регулятора.

 

Рис.3. Структурная схема контура регулирования и формирователя импульсов с автоподстройкой частоты.

 

Существующая СУ преобразователей серии ТГИ состоит из двух частей: программируемой (логика, таймеры) и аналоговой (регулятор и ФИУ). Регулятор состоит из двух каналов ПИ-регулирования на микросхемах ХХХХ. Эти каналы регулирования аппаратно зависимы и связаны с сигналами выходной мощности (Рвых) и анодного тока (Ia). Для выбора канала регулирования используется ограничитель, который обеспечивает динамически выбор канала регулирования с большим рассогласованием.

ФИУ представляет собой контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Выходной сигнал регулятора (напряжение на ФНЧ1), сравниваемый на компараторе 1 (К1) с сигналом генератора пилообразного напряжения (ГПН) формирует первый входной сигнал фазового компаратора (ФК). Вторым сигналом ФК служит меандр моментов перехода входного тока инвертора через ноль (К2). Выходные импульсы ФК заряжают и разряжают низкочастотный фильтр (ФНЧ2), уровень напряжения конденсатора этого фильтра определяет выходную частоту генератора управляемого напряжением (ГУН). Эта частота тактирует ГПН (замыкает обратную связь по напряжению через ГПН) и поступает на распределитель импульсов (РИ). На выходе РИ формируются импульсы управления для двух пар транзисторов (1-4 и 2-3).

Недостатки регулятора:

·                    сложность изменения состава и приоритетов в каналах регулирования;

·                    сложность изменения алгоритмов регулирования и настроек каждого канала;

·                    нестабильность настроек регулятора (точность потенциометров, зависимость сопротивлений и конденсаторов от температуры).

 

Программный регулятор.

 

Для устранения данных недостатков возможно использование программируемого регулятора созданного на основе управляющего контроллера Mega128 панели оператора. Всю быстродействующую часть регулирования выполняет контур ФИАПЧ, поэтому вычислительных возможностей данного контроллера должно хватить для обеспечения необходимой дискретизации. Такая модернизация не требует значительных аппаратных изменений в схеме и не затрагивает контур ФИАПЧ. Что обеспечивает сохранение уровня надежности контура ФАПЧ.

Для реализации программируемого регулятора был разработан программный модуль со следующим алгоритмом работы:

1)                 считывание сигналов ОС и задания с датчиков (используются встроенные АЦП микроконтроллера);

2)                 вычисление управляющего воздействия (по алгоритму ПИ-регулирования) [3];

3)                 выбор сигнала управления в зависимости от значения, текущего режима работы или задания оператора;

4)                 выдача сигнала управления (используется микросхема ЦАП AD7243).

Выполнения данной подпрограммы осуществляется с заданной фиксированной частотой 100Гц (частота дискретизации регулятора). Подбор коэффициентов Кр и Кi, также как и основания для выбора частоты дискретизации осуществлялся на основе анализа осциллограммы снятой на аппаратной реализации регулятора и осциллограмм программной реализации. Сначала был подобран коэффициент пропорционального звена, обеспечивающий такую же скорость нарастания мощности, а затем подобран коэффициент интегрального звена, обеспечивающий затухание колебаний в диапазоне 200 мс.     

 

Рис.4. Переходные характеристики пуска ТГ (вверху – аналоговый регулятора, внизу – программный регулятор).

 

Для проверки работы регулятора от сигналов обратной связи тепловых параметров был собран охлаждаемый эквивалент нагрузка позволяющий длительно выдавать Рвых около 20 кВт.

 

Рис.5. Процесс нагрева с обратной связью по температуре.

 

Данные температуры снимались специализированным ПО для преобразователей серии ТГИ МониторТГИ. Из графика видно реализация программируемого регулятора обеспечивает выход параметра на заданный режим без автоколебаний.

 

Заключение.

 

Экспериментально подтверждена возможность регулирования электрических и тепловых параметров в преобразователях серии ТГИ посредствам программируемого регулятора. Программируемый регулятор обеспечивает стабильную работу по сигналам обратной связи тепловых параметров.

 

Литература

 

1.                  High-frequency transistor converters for induction heating. / S. Dzliev, D. Patanov, D. Bondarenko, P. Chernetsov, I. Tihomirov, D. Ershov. // Proceedings of the International Seminar on Heating by Internal Sources, Padua, 2004.

2.                  Автоматизация управления транзисторными генераторами для индукционного нагрева / Д.Н. Бондаренко, С.В. Дзлиев, Ф.В. Чмиленко// Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева (APIH-2005). Материалы международной научно-технической конференции., Санкт-Петербург, 2005г., Май 25-26

3.                  AVR221 8-bit AVR® Microcontrollers Application Note Discrete PID controller.

 

Поступила в редакцию 12.05.2009 г.

2006-2019 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.