KENDİNDEN TETİKLEMELİ İNDÜKSİYON ISITICI TASARIMI VE DENEYSEL UYGULAMASI

Transkript

1 Gazi Üniv. Müh. Mi. Fak. Der. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Cilt 6, No 4, , 0 Vol 6, No 4, , 0 KENDİNDEN TETİKEMEİ İNDÜKSİYON ISITICI TASARIMI VE DENEYSE UYGUAMASI Güngör BA, Seli ÖNCÜ* ve Seli BÖREKCİ** Elektrik Elektronik Mühendiliği, Teknoloji Fakültei, Gazi Üniveritei, Beşevler, Ankara * Elektrik Elektronik Mühendiliği, Mühendilik Fakültei, Karabük Üniveritei, Karabük ** Elektrik Elektronik Mühendiliği, Mühendilik Fakültei, Akdeniz Üniveritei, Antalya gunbal@gazi.edu.tr, oncu@karabuk.edu.tr, borekci@akdeniz.edu.tr (Geliş/Received: ; Kabul/Acceted:.08.0) ÖZET Kendinden tetikleeli devreler, fazla kontrol eleanı gerektirediklerinden, bait kontrol devrei ve düşük aliyetle güç denetii yaabilektedirler. Bu ütünlükleri nedeniyle evirici ve elektronik balat gibi bazı güç elektroniği uygulaalarında kendinden tetiklee toolojii kullanılaktadır. Bu çalışada, kendinden tetikleeli deneti yönteinin bir uygulaaı D-ınıfı eviricili bir indükiyon ııtıcı üzerinde gerçekleştiriliştir. Güç anahtarları olarak kullanılan tranitörlerin ırayla tetiklenei işlei yük akıının değişii izlenerek gerçekleştiriliştir. Geliştirilen kendinden tetikleeli deneti iteinin iülayon onuçları ile deneyel onuçları karşılaştırılış ve unuluştur. Anahtar Kelieler: Kendinden tetiklee, indükiyon ııta, akı tranforatörü, rezonan evirici, D-ınıfı evirici. DESIGN AND IMPEMENTATION OF A SEF OSCIATING INDUCTION HEATER ABSTRACT Self ocillating circuit do not require ore colicated control circuit. So they can rovide low cot ower control with very ile control circuit. Becaue of thee advantage the elf ocillating circuit toology i widely ued in oe ower electronic alication uch a inverter and electronic ballat. In thi tudy, an alication of elf ocillating control technique wa achieved on an induction heater driven by D-cla inverter. Tranitor ued a ower witche are triggered in order by the feedback ignal which follow load current. For the develoed elf ocillating induction heating yte, reult obtained fro iulation and exerient are coared and then reented. Key Word: Self ocillating, induction heating, current tranforer, reonant inverter, D-cla inverter.. GİRİŞ (INTRODUCTION) İndükiyon ııta, anyetik alan etkiinde kalan nüvede oluşan eddy kayılarının ııta aacına yönelik olarak kullanıldığı bir tekniktir. Alternatif akıda çalışan elektrik akinalarında zaanla değişen anyetik alan içeriinde kalan nüvede bir enerji kaybının eydana geldiği ve nüvenin ıındığı bilinektedir. İndükiyon ııta, kıaca değişken elektroanyetik alan içeriinde bulunan iletken alzeenin dahili enerji kayıları nedeniyle ıınaı olarak tanılanabilir []. Bir etal arçanın indükiyon ile herhangi bir ııl işlee tabi tutulabilei için ııtılacak alzeenin şekline uygun arılış bir bobin ve bu bobinden ihtiyaç duyulan genlik ve frekanta akı geçirebilecek bir güç kaynağı gereklidir. Diğer bir ifadeyle, indükiyon ııta iteini oluşturan üç teel unur olarak indükiyon bobini, ııtılacak alzee (yük arçaı) ve alternatif akı güç kaynağı ayılabilir. İndükiyon bobini için gerekli alternatif akı genellikle DA-AA rezonan eviriciler ile gerçekleştirilektedir.

2 G. Bal ve ark. Kendinden Tetikleeli İndükiyon Iıtıcı Taarıı Ve Deneyel Uygulaaı İndükiyon ııtıcıda güç katının denetii rogralanabilir veya aket (PWM, P) entegreler ile gerçekleştirilebileceği gibi kendinden tetikleeli ürücü devreler ile de yaılabilir. Kendinden tetikleeli eviriciler özellikle elektronik balat devrelerinde ıklıkla kullanılaktadır. Bu ti bir deneti yöntei düşük aliyetli olaının yanı ıra, ağla, güvenilir ve bait yaılıdır []. Kendinden tetikleeli deneti yöntei elektronik balatın dışında DA-DA güç dönüştürücülerinde [3,4] ve evirici uygulaalarında da kullanılabilir [5]. Doyulu tetiklee nüvei kullanılarak kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcı taarıı da gerçekleştiriliştir [6,7]. Bu ite PWM yarı körü devre toolojii çalışaına dayandırılıştır. Rezonan anahtarlaa yerine PWM anahtarlaa yaılış ve yuuşak anahtarlaa işlei MOSFET in dahili kaaitanı ve ııta bobini endüktanı ile ağlanıştır. Devrede rezonan kondanatörü kullanıladığı için rezonan güç dönüşüü gerçekleştirileektedir. Kendinden tetiklee toolojiinin kullanıldığı bir başka çalışada ie ta körü evirici ile rezonan güç dönüşüünün gerçekleştirildiği bir indükiyon ııtıcı devrei unuluştur [8]. Güç anahtarı olarak BJT kullanılan devrede her bir anahtar için ayrı olak üzere tolada dört tetiklee tranforatörü kullanılıştır. Bu çalışada, kendinden tetikleeli deneti yönteinin bir uygulaaı D-ınıfı eviricili bir indükiyon ııtıcı üzerinde gerçekleştiriliştir. Ta körü tii kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcı uygulaaından farklı olarak iki adet yarı iletken güç anahtarı kullanılıştır. Devrede eri rezonan kolu üzerine yerleştirilen bir adet akı tranforatörüne ait ter olariteli iki farklı ekonder argı ile MOSFET güç anahtarları denetleniştir. PWM anahtarlaalı kendinden tetikleeli ııtıcıda gerili bilgii kullanılarak tetiklee gerilii üretilektedir. Bu çalışada PWM anahtarlaa yerine rezonan anahtarlaa gerçekleştiriliştir. Anahtarların tetiklee geriliinin elde edilebilei için akı tranforatörü ile rezonan akıından geri belee alınıştır. Böylelikle ayıal deneti devrei kullanıladan anahtarların yaklaşık %50 görev zaanı ile birbirinin değili olarak ürülei ağlanış, aynı zaanda anahtarlar araında ölü zaan oluşturuluştur. Diğer kendinden tetikleeli güç dönüştürücü uygulaalarında olduğu gibi yaılan bu çalışada da güç anahtarlarını denetleek için gerekli güç, rezonan devreinden ağlanakta ve harici güç kaynağına ihtiyaç duyulaaktadır. Güç kaynağının artı ucuna bağlı yarı iletken anahtarın kaı devreinin yalıtıı, akı tranforatörü ile ağlanaktadır. Dolayıı ile anahtarların denetii için otik veya entegreli ürücüye gerek yoktur. Bu ayede ite karaşıklığı, aliyeti ve haci azaltılaktadır. Bununla birlikte indükiyon ııtıcıdaki yük değişii akı tranforatörü tarafından algılanarak çalışa frekanı değiştirilektedir. Taarlanan kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcı iteinin healaa ve iülayon onuçlarının doğrulanaı, deneyel çalışa onuçları ile ağlanıştır.. GERİİM BESEMEİ D-SINIFI SERİ REZONANS EVİRİCİ (VOTAGE FED CASS-D SERIES RESONANT INVERTER) Gerili beleeli D-ınıfı eviricinin teel devrei Şekil de göteriliştir. Devrede anahtarların idealde %50 ileti oranı ile tetiklenei onucunda, rezonan kolu üzerine genliği kaynak geriliine (V ) eşit olan ve frekanı anahtarlaa frekanı ( f ) olan kare dalga gerili uygulanır. Rezonan eleanlarının uygun eçileiyle yük akıı inüoidala yakın olur. (a) (b) Şekil. D-ınıfı eri rezonan evirici ve eşdeğer devrei (Cla-D erie reonant inverter and equivalent circuit) Kare dalga geriliin teel bileşeni Fourier açılıına göre Eşitlik ile tanılanır [9]. v = V inωt () Burada; V V = π () ω = πf (3) Rezonan devrei akıı Eşitlik 4 ile verilir. i = I in( ωt ϕ) (4) V I = Z (5) 77 Gazi Üniv. Müh. Mi. Fak. Der. Cilt 6, No 4, 0

3 Kendinden Tetikleeli İndükiyon Iıtıcı Taarıı Ve Deneyel Uygulaaı G. Bal ve ark. Eşitlik 6 da verilen eri rezonan devrei eedanının devre akıını etkilediği Eşitlik 5 den görülektedir. Z = R + j( X ) X C X = ω X C = ω C (6) (7) (8) Anahtarlaa frekanının rezonan frekanına ( f r ) eşit olaı duruunda, tola reaktan X = 0 olacağından giriş eedanı alabileceği en küçük değeri alır. Bu duruda devre akıı en yükek değerine ulaşır ve akı ile gerili araında faz farkı oluşaz (Şekil ). Rezonan frekanında direnç üzerinde harcanan güç, Eşitlik ile bulunur [0]. I P o = R () Eşitlik 3 kullanılarak kaynaktan çekilen güç healanabilir. Çıkış gücünün giriş gücüne oranından devrenin verii bulunur. V Pi = I π (3) 3. KENDİNDEN TETİKEMEİ İNDÜKSİYON ISITICI (SEF OSCIATING INDUCTION HEATER) İndükiyon ııta iteindeki ııta bobini ile yük arçaı yaklaşık eşdeğer eri R devre ile teil edilir ve indükiyon bobinine uygun bir kondanatör eri bağlanıra, evirici devre için eri bir RC rezonan kolu elde ediliş olur. Rezonan akıı dalga şekline göre güç anahtarları akı tranforatörü ile tetiklenir. Şekil 3, kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcı devre şeaını göterektedir. Tetiklee tranforatörünün rier argıı ( n ) rezonan kolu üzerine, ter olariteli ekonder arıları ( n ve n ) ie MOSFET anahtarlarının G-S uçlarına bağlanıştır. Şekil. D-ınıfı evirici teorik dalga şekilleri ( (Theoretical wavefor of Cla-D inverter ( f = f )) r f = f ) r Şekil de, V ve S V anahtar gerililerini I ve S S I S anahtar akılarını, i yük akıını teil etektedir. Anahtarlaa frekanı rezonan frekanından büyük olduğu duruda devre endüktif, teri duruda devre kaaitif özellik göterir. Bu farklı iki duruda devre akıı, geriliin teel bileşeninden kalite faktörü ( Q ) ve açıal hıza bağlı olarak φ açıı kadar geri veya ileri fazlı olur. ω ωr ϕ = tan Q ωr ω (9) Burada; ωr = C (0) ωr Q = R () Şekil 3. D-ınıfı eviricili kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcı (Self ocillating induction heater with cla- D inverter) Devrede yüklü bobinin kalite faktörü yeterince büyük olura, rezonan akıı inüoidala yaklaşır ve neticede akı tranforatörünün ekonder akıı da inüoidal olur. Sekonder devreye bağlı zener diyotlar D, D, D, ), MOSFET tetiklee geriliini ( 3 D4 + V z ile V z araında ınırlandırır. Kendinden tetikleeli devrelerin çalışaını etkileyen iki öneli araetre akı tranforatörü ıknatılaa endüktanı ) ile zener diyot geriliidir []. ( Gazi Üniv. Müh. Mi. Fak. Der. Cilt 6, No 4, 0 773

4 G. Bal ve ark. Kendinden Tetikleeli İndükiyon Iıtıcı Taarıı Ve Deneyel Uygulaaı 3. Akı Tranforatörü Paraetreleri: (Paraeter of current tranforer) Akı tranforatörünün rier ve ekonder endüktan değerlerinin healanaında arı ayıı ve kullanılan nüvenin endüktan katayıı ( A ) kullanılır. Endüktanlar, Eşitlik 4 ve 5 kullanılarak bulunur. Dönüştüre oranı (a) rier ve ekonder argılarının arı ayılarına bağlıdır. = n A (4) = n A (5) n a = n (6) Burada n ve n ıraıyla rier ve ekonder arı ayıları iken ve rier ve ekonder argıların endüktanlarıdır. Mıknatılaa endüktanı, etkileşi katayıı (k) ile argı endüktanlarına bağlıdır ve Eşitlik 7 kullanılarak healanır. = k (7) Tetiklee devreinde hava boşluğu bulunayan yükek anyetik geçirgenlikli halka nüveli tranforatörün tercih edilei, argılar araı anyetik bağı artırır ve kaçak akı reaktanını azaltır. Şekil 4, tetiklee devreinde kullanılan akı tranforatörünün yaıını göterektedir. Şekil 4. Akı tranforatörü n n = n ) tranforer n = n = n ) ) ( ( = (Current 3. Kendinden Tetiklee Devrei Taarıı: (Deign of elf ocillating circuit) Eviricide kullanılan kendinden tetiklee devrei, akı kaynağı tarafından belenen MOSFET kaı devrei olarak odellenebilir. Şekil 5, tetiklee tranforatörünün bir akı kaynağı ve ıknatılaa endüktanı ile teil edildiği tetiklee devrei odelini ve yaklaşık dalga şekillerini göterektedir. (a) (b) Şekil 5. a) Tetiklee eşdeğer devrei b) Dalga şekilleri (a) Equivalent circuit of triggering circuit b) Wavefor) MOSFET kaı devrei akıı ile zener diyot ve ıknatılaa akılarının tolaı akı kaynağının akıına eşittir. Devrede akı tranforatörü ekonder arı ayıı yeterince büyük eçildiğinde, ıknatılaa reaktanı büyür, ıknatılaa akıı azalır. Mıknatılaa reaktanı azalıra, ıknatılaa akıının değeri artar. Zener akıının ıfırdan büyük değerlerinde tetiklee gerilii + V değerini, teri z duruda ie tetiklee gerilii V değerini alır. z Anahtarlaa araındaki gecike üreini ( t d ) MOSFET kaı devrei kaaitei ( C g ) etkiler. Gecike ürei aynı zaanda anahtarlar araındaki ölü zaanı belirler. Bu ayede iki anahtarın aynı anda iletie geçei engellenektedir. Eşitlik 5 ile yük devreinden geçen akıın tee değeri healanabilir. Tee akı değerine göre zener diyot gücünü aşayacak şekilde ekonder akıı teit edilir. Prier ve ekonder akı değerlerine göre tranforatörün dönüştüre oranı healanır. 4. SİMÜASYON VE DENEYSE ÇAIŞMAAR (SIMUATION AND EXPERIMENTA STUDIES) Devrenin iülayonu, PSice elektronik iülayon rograı kullanılarak gerçekleştiriliştir. İndükiyon bobini ve yük, yaklaşık bir eri R eşdeğer devre ile teil ediliştir. Eşdeğer devre değerleri ayıal analiz yönteleri ile bulunabileceği gibi deneyel ölçüler ile de bulunabilektedir []. Kendinden tetikleeli D-ınıfı eviricili indükiyon ııtıcı uygulaaı; çaı 0,35 yalıtılı bakır iletkenlerden ial ediliş olan litz telinden arılış 774 Gazi Üniv. Müh. Mi. Fak. Der. Cilt 6, No 4, 0

5 Kendinden Tetikleeli İndükiyon Iıtıcı Taarıı Ve Deneyel Uygulaaı G. Bal ve ark. bir indükiyon bobini, 5x35x0,7 alanaz çelik laka yük ve IRFP450 MOSFET anahtarları kullanılarak gerçekleştiriliştir. Deneyel ölçüler yaılarak bobin ve yükün yaklaşık eşdeğer değerleri R =, 8Ω ve = 35μH olarak teit ediliştir (yüküz bobin direnci R b = 0, 5Ω ). Rezonan kondanatörü 0,66μF eçildiğinde devre rezonan frekanı 33,kHz ve yüklü kalite faktörü,37 olaktadır. 30V DA çalışa geriliinde MOSFET ileti direnci de dikkate alındığında [], yük akıının tee değeri 6,A olaktadır. Akıın tee değeri ve kaynak gerilii kullanılarak devre giriş gücü 58,7W, çıkış gücü 47,47W ve ite verii %8,5 olarak healanır. Devrede kullanılan MOSFET lerin V g geriliine göre zener diyot gerilii 5V eçiliştir. Taarlanan tranforatörün dönüştüre oranı :30:30 ( n : n : n ) olu nüve olarak PHIIPS TN3/4/7-3F3 halka nüvei kullanılıştır [3]. Akı tranforatörüne ait healanan ve ölçülen değerler Çizelge de veriliştir. Sekonder arılar araı etkileşi katayıı CR etre kullanılarak yaılan ölçüler ile 0,95 olarak bulunuştur. kaynaklanaktadır. Bunun ebebi MOSFET kaı devrei kaaiteinin gecike etkiidir. Anahtarlaa anında yükek anahtar akıı ve gerilii aynı anda bulunaakta, oluşan yuuşak anahtarlaa koşulları ebebiyle korua (nubber) devreine gerek kalaaktadır. Şekil 6. Kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcı (Self ocillating induction heater) 8.0A 5.0A 0V Çizelge. Akı tranforatörü araetreleri (The araeter of the current tranforer) Healanan (µh) Ölçülen (µh),5, A -5.0A -8.0A 0V >> -0V 70u 300u -I() V(M:g,M:) Tie (a) 350u 390u Devre akıının tee değeri ve çalışa frekanına ait healanan, iülayondan alınan ve ölçülen değerler Çizelge de veriliştir. i Vg Çizelge. Healanan, iülayondan ve deneyel çalışadan alınan onuçlar (Calculated, iulated and exeriental reult) Healanan Siülayon Deneyel I (A) 6, 5,79 5,9 f (khz) 33, 3 30,4 Kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcı uygulaaı Şekil 6 da göterilen deneyel çalışa itei ile gerçekleştiriliştir. Kendinden tetikleeli indükiyon ııtıcıda devre akıı ve MOSFET kaı gerilii iülayon ve uygulaa onuçları Şekil 7 de veriliştir. Tetiklee gerilii ve akı dalga şekillerine göre, evirici akıı ve tetiklee gerilii yaklaşık olarak aynı fazlıdır. Anahtarlaa frekanı rezonan frekanını izleektedir. Bu ebele yükek güç katayıı elde edilektedir. Healanan ve alınan onuçlar araındaki farklılıklar çalışa frekanının rezonan frekanına ta eşit olaaından (b) Şekil 7. MOSFET kaı gerilii ve yük akıı (a) Siülayon (b) Deneyel (MOSFET gate voltage and load current (a) Siulation (b) Exeriental) 5. SONUÇ (CONCUSION) Bu çalışada, D-ınıfı eviricili bir indükiyon ııtıcının MOSFET güç anahtarları ve tetiklee tranforatörü kullanılarak kendinden tetikleeli denetii gerçekleştiriliştir. Rezonan akıı, bir akı tranforatörü ile algılanarak anahtarların Gazi Üniv. Müh. Mi. Fak. Der. Cilt 6, No 4, 0 775

6 G. Bal ve ark. Kendinden Tetikleeli İndükiyon Iıtıcı Taarıı Ve Deneyel Uygulaaı denetii için gerekli tetiklee gerilii elde ediliştir. Elde edilen deneyel onuçlar iülayon onuçları ile karşılaştırılıştır. Taarlanan devrede aktif deneti eleanı evcut değildir. MOSFET ler rezonan devreine bağlı akı tranforatörü ve zener diyotlar ile denetleniştir. Uygulaaı gerçekleştirilen ite bait, küçük hacili, düşük aliyetli olaının yanı ıra, rezonan frekanını taki edebilei, yuuşak anahtarlaa koşularını ağlaaı, anahtarlar için gerekli ölü zaan üreini oluşturaı gibi ütünlüklere de ahitir. Tetiklee devrei için güç kaynağına, yük değişiinin ve rezonanın taki edilebilei için elektronik devreye gerek olaaı indükiyon ııtıcı için öneli ütünlüklerdir. Taarlanan rototi devre, uygulaada yaygın olayan kendinden tetikleeli farklı güç eviyelerine ahi indükiyon ııta iteleri için örnek teşkil etei bakıından önelidir. 6. TEŞEKKÜR (ACKNOWEDGEMENT) Bu çalışa, Gazi Üniveritei Rektörlüğü Biliel Araştıra Projeleri Birii tarafından 07/008-0 kodlu roje kaaında deteklenektedir. 7. KAYNAKAR (REFERENCES). Tudbury, C.A., Electroagnetic in induction heating, IEEE Tranaction on Magnetic 0(3): , Seidel, A.R., Biogno, F.E., Pinheiro, H. And Prado,R.N. Self-ocillating diable electronic ballat, IEEE Tranaction on Indutrial Electronic, 50(6): 67-74, Sakaoto, H., Harada, K., Kang, C.H., Matuda, Y. And Ki, H.J., A elf ocillated half bridge converter uing iule reonant oft-witching, 4 th Annual International Telecounication Energy Conference, 7-3, Sakaoto, H., Harada, H. And Matuda, Y., Self ocillated PWM converter with iule reonant oft-witching, The 5 th International Telecounication Energy Conference, , Harada, K. And Sakaoto, H., PWM inverter controlled by a all aturable core, IEEE Tranaction on Magnetic, 3(5): , Higahi, T. And Sakaoto, H., Silified induction-heating achine for electrical engineering cla in teacher training faculty, 37 th IEEE Power Electronic Secialit Conference, eju, -5, Higahi, T. And Sakaoto, H., Power electronic coure in electrical engineering cla at teacher training faculty, th International Power Electronic and Motion Control Conference, Portoroz, , Francoeur, B., Viarouge, P., e-huy, H. And Davat, B., Deign of a 900KHz induction heating unit for fat theral treatent of a all teel wire, IEEE, , Kaziierczuk, M.K. And Czarkowki, D., Reonant Power Converter, John Wiley & Son Inc., Canada, Kwon, Y., Yoo, S. And Hyun, D., Half bridge erie reonant inverter for induction heating alication with load-adative PFM control trategy, Alied Power Electronic Conference and Exoition, Dalla, , Koertzen, H.W., van Wyk, J.D., And Ferreira, J.A., Deign of the half-bridge, erie reonant converter for induction cooking 6 th IEEE Power Electronic Secialit Conference, , IRFP450 dataheet htt:// oonmicroelectronic/xrutyw.df 3. PHIIPS TN3/4/7 dataheet htt:// 776 Gazi Üniv. Müh. Mi. Fak. Der. Cilt 6, No 4, 0