Teljesítmény szabályozott vízhűtéses indukciós hevítő berendezés tervezése és kivitelezése

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Automatizálási és Infokommunikációs Intézet Folyamatirányítási és Ipari kommunikáció szakirány Teljesítmény szabályozott vízhűtéses indukciós hevítő berendezés tervezése és kivitelezése Diplomamunka Eckl Bence E9X19W Témavezető: Dr. Blága Csaba, egyetemi docens Miskolc, 2016

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés A villamos hevítés elmélete Az ellenálláshevítés Az ellenálláshevítés elmélete és gyakorlati alkalmazásai Az ellenálláshevítés rövid matematikai leírása Az indukciós hevítés elmélete Az indukciós hevítés főbb paramétereinek számítása Az induktor-betét rendszer méretezése Az egyenértékű méretek és villamos paraméterek kiszámítása Valóságos induktor-betét rendszer méretezése Az induktor váltakozó áramú hatásos ellenállása (R1) A betét váltakozó áramú hatásos ellenállása (R2) Az induktor reaktanciája (X1) A betét reaktanciája (X2) A számításhoz szükséges állandók és eredmények bemutatása Az indukciós hevítő szerkezeti felépítése Indukciós hevítő szerkezeti felépítése az ipari gyakorlatban A tervezett indukciós hevítő berendezés elvi felépítése Az egyes blokkok ismertetése A hálózati kapcsoló és a transzformátor bemutatása Az egyenirányító felépítése Az félhidas inverter méretezése Az illesztő áramkör elvi felépítése és méretezése Az illesztő áramkör elhelyezkedése a berendezésben A vezérlő kártya üzemi paraméterei és az illesztő áramkör Az indukciós hevítő megvalósítása és a tervezés hitelesítése Az induktor betét rendszer tervezésének hitelesítése A jelek illesztéséért felelős áramkör tervezésének hitelesítése A működés bemutatása és a mérési eredmények kiértékelése A hőmérsékletmérő modulok kialakítása A MOSFET-ek hőmérsékletének mérése A munkadarab felületi hőmérsékletének mérése A vízhűtő egység felépítése A vezérlőprogram felépítése és megvalósítása

3 5.5.1 A program működéséhez szükséges blokkok A vízhűtés szabályozását megvalósító programrészlet A vezérlőprogram tesztelése A kapcsolóelemek és vezérlésük tesztelése Az induktor viselkedésének meghatározása, átmeneti jelenségek A programban implementált hőmérsékletmérés hitelesítése A vízhűtő rendszer működésének bemutatása A szimulációs és mérési eredmények összehasonlítása A kapcsolóelemek szimulációs és mérési eredményeinek összehasonlítása Az induktor áramának szimulációs és mérési eredményeinek összehasonlítása Hőkamerás felvételek bemutatása az induktor-betét rendszerről Fejlesztési kihívások Összefoglalás Summary Köszönetnyilvánítás Irodalomjegyzék Mellékletek

4 1. BEVEZETÉS Az általam választott téma az elektromágneses indukcióval való hevítés. A váltakozó áram által gerjesztett mágneses terekkel már régóta foglalkoznak, matematikája kiforrott, azonban mint mindennek számos megvalósítási lehetősége van. Dolgozatom során ezt a tématerületet boncolgatom, valamint szándékomban áll elkészíteni egy olyan berendezést, ami az indukció elvével képes hevíteni különböző próbatesteket. A dolgozat első részében ismertetem a téma megértéséhez szükséges tudományos alapokat és az ehhez tartozó matematikai leírásokat. Felsorolom a villamos árammal való hevítés lehetőségeit, és összehasonlítom a különböző módszereket. Az összehasonlítás után következtetést vonok le, hogy számomra melyik módszer alkalmazása célszerűbb, majd ezt taglalom. A módszerek ismeretében az olvasó kap egy képet a napjainkban használt villamos hevítési eljárásokról, így ő maga is tájékozódhat e téren. A továbbiakban ismertetem a napjainkban használt indukciós hevítő berendezések felépítését, működését, és lehetséges alkalmazásokat. Az előzőek alapján tervezek egy 300 W névleges teljesítményű hevítő berendezést, melynek áramköre és vezérléstechnikája saját ötleteken alapul. A dolgozatban végrehajtom a tervezés lépéseit, és szimulációkat végzek a megtervezett áramkörön. A tervezéshez szükséges matematikai leírást is bemutatom. Választásom azért esett erre a tématerületre, mert érdekes számomra az indukció jelensége, és az ebben rejlő lehetőségek kihasználása. A matematikai leírást illetően is tartalmaz kihívásokat a feladat, ezért ebből a részből tanulhatok a legtöbbet. Összefoglalva egy számomra érdekes feladatot választottam, ami számos kihívást tartalmaz, és nem csak villamos, hanem gépészeti és anyagtechnológiai vonatkozásai is vannak a témának. 4

5 2. A VILLAMOS HEVÍTÉS ELMÉLETE Mivel széleskörűen elterjedt a villamos energia használata a különböző berendezésekben, az emberiség hevítésre is kezdte alkalmazni. Ez már több mint 100 évre nyúlik vissza. A villamos energiát könnyű nagy mennyiségben előállítani, jól szállítható, és viszonylag olcsón hozzá lehet jutni. A hevítést illetően több szintje és módja létezik. A villamos energiát a háztartások fűtésre, főzésre, sütésre használják. A villamos hevítés ipari alkalmazásai helyenként meghaladják az 1200 C-os hőmérsékletet, ez tehát egy jóval komolyabb szintje a hevítésnek. Az elektrotechnológiai eljárások alkalmazása során különböző elektrodinamikai hatásokat használunk fel arra, hogy fém vagy nem fém munkadarabok és nyersanyagok fizikai vagy kémiai jellemzőit megváltoztassuk. Számos hevítési eljárás létezik, melyek közül párat a következő táblázat foglal össze. [1] Elektrotermikus eljárások 1. táblázat. Hevítési eljárások összefoglaló táblázata [1] Elektrokémiai eljárások Elektromechanikus eljárások Ellenálláshevítés Galvanotechnikai eljárások Ultrahangos megmunkálás Indukciós hevítés Elektroforézis Impulzusos megmunkálás Dielektromos hevítés Elektrokémiai megmunkálás Elektrosztatikus eljárások Ívfűtés Plazmahevítés Szeretném kiemelni az ellenálláshevítést és az indukciós hevítést az elektrotermikus eljárások közül. Amint azt az eljárás neve is magában foglalja, e két módszernél az elektromos áram termikus hatását használjuk arra, hogy adott munkadarab hőmérsékletét és így egyéb jellemzőit megváltoztassuk. Ipari viszonylatban ez a kétfajta eljárás a legelterjedtebb, azonban különleges alkalmazások igényelhetnek egyéb hőkezelési eljárásokat Az ellenálláshevítés Az ellenálláshevítés elmélete és gyakorlati alkalmazásai Ennek a hevítési eljárásnak két módja van: a közvetlen és a közvetett. Közvetlen ellenállásfűtés esetében a hő közvetlenül a hevítendő anyagban, vagy az azt körülvevő 5

6 közegben fejlődik. Ebből következik, hogy az elektromos áram az anyagon keresztül folyik. Közvetett ellenállásfűtés során a hasznos hő külön fűtőelemekben keletkezik és hőátadással jut a betétre. A Joule-törvénynek megfelelően, a hő fűtőelemekben vagy infravörös sugárzókban keletkezik, amelynek egy része a hőátviteli folyamat során a betét melegítésére fordítódik. Az infravörös sugárzók esetében az energia átadása döntően sugárzás, csak kis részben konvekció ezért ebben az esetben a környezetnek csak korlátozott szerepe van a hőátvitelben. A sugárzó hőenergiát az elektromágneses hullámok közvetítik, a hevítés szempontjából legfontosabb a 0,4.40 µm hullámhosszúságú tartomány. A közvetett és közvetlen esetben is szükséges a hevítőelemek méretezése, és bizonyos környezeti viszonyokkal szemben való ellenálló képessége. [1] Ezek megfelelő kiválasztására megvannak a megfelelő eljárások. A fent említett hevítési eljárásoknak számos alkalmazási példája van. Villamosan vezető anyagokat leginkább közvetlen hevítéssel melegítenek, de a közvetett hevítési eljárás is nagymértékben elterjedt ipari viszonylatban. Utóbbit alkalmazzák ipari méretű kemencékben, különleges célú kemencékben, sőt háztartási célokra is. Közvetett módon történik a melegvíz előállítása (pl.: villanybojler) is, valamint az elektromos főzőlapok nagy többsége is közvetett hevítéssel melegíti a serpenyőt, vagy egyéb konyhai eszközt. Rendszerint az elektromos kályhák is közvetett hevítéssel dolgoznak. A következő ábrán néhány közvetett hevítési módszert használó berendezést mutatok be. 1. ábra. Közvetett ellenállásfűtést használó alkalmazások [2] Az ellenálláshevítés rövid matematikai leírása Az ellenállás hevítés matematikája viszonylag egyszerű. Közvetlen ellenállásfűtés esetén a működéséhez ismerni kell az ellenállásra vonatkozó általános összefüggést, ami a következő szerint alakul: R = ρ l A (1) 6

7 Az egyenlőségben R az ellenállás értéke, ρ a fűtőszál anyagának fajlagos ellenállása, l a fűtőszál hossza, és A a vezető keresztmetszetének nagysága. Ha ismert a munkadarab ellenállásának értéke, és tudjuk, hogy mekkora árammal szeretnénk hevíteni azt, meghatározható a munkadarabban keletkező hő az alábbi összefüggés szerint. t m W = i 2 R dt 0 (2) W a keletkezett hőenergia, i a betéten átfolyó áram, R a betét hatásos ellenállásának a betét átlagos hőmérsékletétől függő értéke, és tm a melegítés ideje. A fenti integrálszámítás alapján meghatározható, hogy mennyi hőenergia keletkezik tm melegítési idő során. Tekintettel arra, hogy közvetlen fűtés esetén a használt betét méretei nagyok, és fajlagos ellenállása nem túlságosan nagy, kis feszültség és nagy áramerősség szükséges a melegítéshez. Közvetett fűtési eljárás esetén kissé más egyenletet alkalmazunk a használni kívánt berendezések kiválasztására. A fűtőelemek, illetve ezek alkotórészét képező fűtővezetők, vagy fűtőellenállások hőátadáskor a konvekció és a sugárzás érvényesül, tehát a környezetnek is lényeges szerepe van. A fűtőelemek feladata, hogy a környezetnek hőenergiát adjanak le, meghatározott hőmérsékleten. Ezen hőmérséklet elérése után állandósult állapotban, csak a hőveszteségek fedezésére szolgáló veszteségi teljesítményt kell betáplálnunk a rendszerbe. A hőveszteség ismeretében, tehát a fűtővezető szükséges ellenállásának értéke azonnal adódik, így a fűtőellenállást tulajdonképpen melegedésre nem kell méretezni. Azt kell csak ellenőrizni, hogy a választott ellenállás hőmérséklete ne közelítse meg annak lágyulási vagy olvadási hőmérsékeltét. [1] 2.2. Az indukciós hevítés elmélete Az indukciós hevítés során a betétet a benne indukáló örvényáram Joule-hője melegíti. Ezek az örvényáramokat az induktor váltakozó árama által keltett mágneses tér hozza létre a betétben. Az induktor és betét közötti mágnes csatolást létrehozó elrendezést induktor-betét rendszernek nevezzük. Az induktor nagy keresztmetszetű általában rész vezetőből készült üreges tekercs. A betét valamilyen lágyvas anyag, könnyen mágnesezhető, jó hővezető. 7

8 2. ábra. Induktor-betét rendszer elméleti rajza [3] Váltakozó áram esetén mind az induktorban folyó gerjesztő áram, mind a betétben indukált örvényáram eloszlása nem lesz egyenletes a keresztmetszet mentén. A gerjesztő áram és a vele megközelítőleg ellenfázisban lévő és nagyságra azonos örvényáram által keltett mágneses tér az induktor és a betét közötti térben erősíti, a szemben lévő oldalakon lerontja egymást. A gerjesztő áram és az örvényáram tehát a közös térrész határfelületének közelében sűrűsödik. A kialakuló hőmérséklet nagysága is az árameloszlás függvénye. A tápforrás és az induktor-betét rendszer közötti kölcsönhatás eredményeképpen kialakult árameloszlás, a váltakozó áramú hatásos ellenállások és a belső reaktanciák értékén keresztül befolyásolja a villamos paramétereket és a betétbe jutó hatásos teljesítmény nagyságát. Az árameloszlás jellege a gerjesztő áram frekvenciájától és az induktor-betét rendszertől függ. Különböző frekvenciájú rendszereket különböztetünk meg: - hálózati frekvenciás rendszer (50 Hz), - középfrekvenciájú rendszer (150 Hz.150 khz) és - nagyfrekvenciás rendszer (nagyobb, mint 150 khz) Az indukciós hevítés főbb paramétereinek számítása Ebben a fejezetben az összefüggések kizárólag a szolenoid alakú induktorba helyezett tömör hengeres fűtőbetétet alkalmazó elrendezésre vonatkoznak. Mivel bármely más elrendezésben valamennyi paraméter matematikai leírása különböző, ezért fontos 8

9 megemlíteni, hogy a következőkben csak ezzel foglalkozom, valamint a dolgozatom fő témája is ilyen elrendezésű berendezés tervezésével és kivitelezésével foglalkozik. A legfőbb paraméter, ami a hevítés minden jellemzőjét befolyásolja az ún. xk jellemző [1]: x k = 2 r k δ 2 (3) Az xk érték a betét relatív sugarának változásával (rk ) együtt változik és a frekvenciától is függ. A második legfontosabb paraméter, amit feltétlenül meg kell határozni az a melegíteni kívánt betétre vonatkozó behatolási mélység. Ez a mutató határozza meg, hogy egy adott anyagot adott frekvenciájú mágneses térrel melegítve milyen mélységig hatol be az anyagba a mágneses tér [1]: δ 2 = 2 ρ 2 ω μ 0 μ r2 A fenti egyenletben a ρ2 a betét fajlagos ellenállása, ω = 2πf, f a mágneses teret gerjesztő áram frekvenciája, µ0 a vákuum relatív permeabilitása és µr2 a betét relatív permeabilitása. A másik fontos paraméter, amit ismernünk kell az a hengeres betétben keletkező hőteljesítmény. A 2. ábrán látható l hosszúságú N menetszámú induktorvezető esetén a gerjesztési törvény alapján a tekercs belsejében a szimmetria tengelyen a mágneses tér a következő összefüggés szerint felírható: N I H 0 = l A teljesítmény ebből az induktorban keletkező mágneses térből és egyéb paraméterek ismeretében számítható [1]: (4) (5) P = l h ρ 2 H δ 2 (6) Az összefüggés - az elektromágneses teret teljesen elnyelő - hengeres betétre igaz, l a betét hossza, Δh a betét szélessége, ρ2 a hevítendő anyag fajlagos ellenállása, H0 az induktor belsejében keletkező mágneses térerősség vektor, és δ2 a behatolási mélység. A fenti összefüggésben szerepel a behatolási mélység, mint paraméter. Ebből kiderül, hogy a bevitt teljesítmény a frekvencia gyökének reciprokával arányos. Ez azonban csak akkor igaz, ha teljes elnyelést feltételezünk. Kisebb elnyelés esetén a frekvencia 9

10 egyre erősebb hatást gyakorol a hőteljesítmény nagyságára. Rendkívül fontos paraméter még a tömör hengeres betét váltakozó áramú hatásos ellenállása és belső reaktanciája. A további számításokhoz ezt is ismerni kell [1]: R 2v = ρ 2 2 r k π δ 2 l K r2 (7) X 2b = ρ 2 2 r k π δ 2 l K x2 Kr2 és Kx2 ellenállásfüggvények, az xk paraméter növekedésével változnak. A teljes elnyeléshez közeledve Kr2 és Kx2 értéke egységnyi. A betét impedanciájának alakulására az xk paraméter lényeges hatást gyakorol. Hasonló a helyzet az induktorok esetében is, ahol fontos meghatározni xb paraméter nagyságát [1]: (8) x b = 2 r b δ 1 (9) A fenti összefüggésben rb az induktor belső sugara, és δ1 az induktor anyagra jellemző behatolási mélyég. Ennek ismeretében meghatározható az induktorra jellemző váltakozó áramú hatásos ellenállás és belső reaktancia [1]: R 1v = ρ 1 2 r b π N 2 δ 1 l X 1b = ρ 1 2 r b π N 2 δ 1 l K r1 K x1 A fent említett összefüggések meghatározzák az induktor-betét rendszer főbb jellemzőit. Ezek alapján az indukciós hevítő berendezés ezen eleme méretezhető. A következő fejezetben bemutatásra kerülnek a méretezés lépései, különböző megállapítások és meghatározom az általam választott induktor betét rendszer legfontosabb paramétereit. (10) (11) 10

11 3. AZ INDUKTOR-BETÉT RENDSZER MÉRETEZÉSE Elsőként meghatározom külön-külön a tömör hengeres betét és az induktor villamos paramétereit. A valóságban sajnos egyik elem sem ideális, sőt a betét és az induktor között légrés van. Az induktor menetei között is légrés található és az hevítő tekercshez vezető elektródák is áramhurkot képeznek. Ezeken a légréseken és hurkokon áthaladó fluxuskapcsolódásból adódik a rendszer külső induktivitása, amit szintén számításba kell venni. A méretezési módszerek meghatározásához a végtelen hosszú induktorra vonatkozó modellt használom. A méretezéshez szükséges az ún. egyenértékű méretek kiszámítása, ugyanis a belső reaktanciákhoz ez szorosan kapcsolódik [1] Az egyenértékű méretek és villamos paraméterek kiszámítása Ezek kiszámításához a szakirodalom, a végtelen hosszúságú induktor modelljét használja. Az induktor egyenértékű átmérője megkapható a következő összefüggésből [1]: d 1 = d 1b K x1 x b Az induktortekercs egyenértékű átmérőjének felhasználásával a végtelen hosszúságú tömör betéttel ellátott szolenoid induktorának kapcsain mérhető reaktancia meghatározható a következő szerint [1]: X = N2 ω μ 0 π 4l d 2 k [( d 2 1 ) K x2 ] d 2k x k Az elrendezés váltakozó áramú hatásos ellenállása pedig a következő összefüggésből számítható [1]: R = R 1v + R 2v, = (12) (13) = 2 ρ 1 π N 2 l x b K r1 + 2 ρ 2 π N 2 x l k K r2 A fent említett összefüggések a következő ábrán látható elrendezésre igazak. (14) 11

12 3. ábra. Az induktor-betét rendszer elhelyezkedése egymáshoz képest [1] A betét egyenértékű paramétereit is meg kell határozni, hogy annak villamos paraméterei is számíthatók legyenek. Ennek meghatározásához is a végtelen hosszúságú modellből induljunk ki. A modell szerint a levezetés után a betét egyenértékű átmérője [1]: d 2 = d 2k (1 2 K x2 ) [1 + ( 2 K 2 r2 ) ] x k x k 2 K x2 A helyettesítő betét átmérőjének kiszámítása után meg kell határozni a rá jellemző villamos paramétereket. Ezeket azonban minden betétre külön kellene meghatározni. A következőkben összefoglalom azokat az összefüggéseket, amelyek tartalmazzák a szükséges korrekciókat a pontos számításhoz, és amely alapján a valós induktor betét rendszer méretezhető Valóságos induktor-betét rendszer méretezése (15) Az induktor számítási modellje a valóságos induktor alakját követi, tehát hézagos, csavarvonal alakú és hozzávezetései is vannak, amelyek a kapcsoknál zárodnak. A következőkben megadom az egyes villamos paraméterekre vonatkozó számítási módszereket és a szükséges paramétereket. Ez azért szükséges, hogy később egy számítógépes modellt alkothassak az építeni kívánt berendezésről, és különböző működési paraméterek mellett tudjam vizsgálni a tervezni kívánt alkatrészeket. 12

13 Az induktor váltakozó áramú hatásos ellenállása (R1) R 1 = ρ 1 δ 1 K r1 α R1 Az egyenletben az eddig meg nem határozott mennyiségeket a szakirodalom [1] alapján határozom meg. Ezek levezetését fölöslegesnek gondolom, ugyanis gyakorlati szempontból nincs jelentősége A betét váltakozó áramú hatásos ellenállása (R2) (16) R 2 = 2 ρ 2 π l 2 x k K R2 Y 2 Az összefüggésben szereplő KR2Y 2 szorzatot állandónak tekintjük tervezési megfontolások miatt. Értéke 0,95 ha xk nagyobb, mint 5 [1] Az induktor reaktanciája (X1) (17) X 1 = d 1 2 π 4l 1 α L1 ω μ 0 N 2 αl1 az induktor önindukciós-tényezője Henry dimenzióval. (18) A betét reaktanciája (X2) X 2 = d 2 2 α 4l LN ω μ 0 2 (19) A betétre vonatkozó reaktancia kiszámításához ismerni kell az ún. αln Nagaokatényezőt [1]. Ennek a kiszámítása az induktor geometriai elrendezésétől függ, a méretezéshez azonban nem szükséges ennek a levezetése sem, a későbbiekben egy adott értékkel számolok. A legfontosabb villamos paraméterek ezen összefüggések ismeretében meghatározhatók. Annak érdekében, hogy egyszerű és átlátható legyen a méretezés, és hogy az bármikor módosítható legyen készítettem egy táblázatot, amiben a kiindulási paramétereket feltűntettem. 13

14 3.3. A számításhoz szükséges állandók és eredmények bemutatása A következő táblázatokban ismertetem az egyes matematikai állandókat, amiket a méretezés során használtam, valamint a részeredményeket, amik a méretezéshez szükségesek. Számos fontos paramétert kell kiszámítani annak érdekében, hogy az elkészítendő berendezés modellezhető és szimulálható legyen, ezért a paraméterek meghatározása kulcsfontosságú. 2. táblázat. A felhasznált matematikai konstansok Számításhoz szükséges állandók µ 0 1,25664E-06 H/m µ R1 1 H/m µ R H/m ρ 1 0, Ωm ρ 2 9,71E-08 Ωm ω ,6327 rad/s f Hz δ 1 0, m δ 2 1,40273E-05 m A fent látható adatok közül magyarázatra szorul a δ 1 és δ 2 paraméter. Ezek az induktorra és a betétre jellemző behatolási mélységek egy adott frekvencián. Természetesen vannak kiinduló pontjaim az induktort és a betétet illetően. Ezeket az adatokat annak függvényében határoztam meg, hogy tudom, mekkora próbatestet szeretnék hevíteni, és illeszthető legyen egyéb berendezésekhez is. Természetesen a tervezés megkezdésekor az egyszerűséget tűztem ki célul, hogy a gyakorlatra jellemző állandókkal és elhanyagolásokkal élhessek. A Microsoft Excel táblázatkezelő segítségével egyszerűen el tudtam végezni a méretezést. Beírtam a szükséges paramétereket és összefüggéseket, és a táblázatkezelő egy pillantás alatt tudja számítani az így létre jött induktor-betét rendszer villamos paramétereit. 14

15 3. táblázat. Az induktor betét rendszer méretezési paraméterei Induktor-betét adatok N 10 menetszám h 0,005 m (tekercs magasság) l 1 0,08 m (tekercs hossza) l 2 0,08 m (betét hossza) l 3 0,09 m (tekercs hozzávezetők x irányú távolsága) l 4b 0,04 m (a betét középpontjának távolsága az elektródáktól) d 1 0,08 m (a tekercs átmérője) d 1b 0,079 m (az induktor belső átmérője) d 2 0,08 m (a betét átmérője) d 2k 0,079 m (betét külső átmérője) v 0, m (vezető anyagvastagság) g 0,625 az induktor kitöltési tényezője [1] q 1 levezetésből meghatározott összefüggés [1] K e 1, levezetésből meghatározott összefüggés [1] m 0,125 levezetésből meghatározott összefüggés [1] n 0, levezetésből meghatározott összefüggés [1] K r2*y 2 0,95 állandó [1] α R1 512, váltakozó áramú hatásos ellenállástényező [1] α L1 0,69 induktor öninduktivitási tényezője α LN 0, Nagaoka-tényező A fenti táblázatban minden érték mellett ott a magyarázat. Bár a megértést nagyban könnyíti, ha a 3. ábra segítéségével tanulmányozzuk a táblázat összefüggéseit. A tekercs-betét rendszer fizikai dimenzióit a gyakorlati tapasztalatoknak megfelelően alakítottam ki melyet az irodalomkutatás során tüzetesen átvizsgáltam. 4. táblázat. A induktor-betét rendszerre jellemző villamos paraméterek Az induktor-betét rendszer villamos paraméterei R1 R2 X1 X2 0, , , , A számításokat követően ezek az értékekkel számolható a hevítő villamos modellje. Az induktor betét rendszert képviselő légmagos transzformátor primerköri váltakozó áramú 15

16 hatásos ellenállása 19,5267 mω, a primer reaktanciája 25 khz-es gerjesztés esetén 855,7732 mω. A szekunder kör, vagyis a betét váltakozó áramú hatásos ellenállása 1,5495 mω, reaktanciája 2,7226 mω. A villamos paraméterek ismeretében meghatározható az üzemi hatásfok és a teljesítménytényező értéke. Ehhez ismerni szükséges a tekercsek kölcsönös indukciós tényezőjét és a transzformációs tényezőt. A következőtáblázatban ezeket mutatom be. 5. táblázat. A működési paraméterek számítása Üzemi paraméterek αm 0,6 kölcsönös indukciós tényező p 2 57, transzformációs tényező η 0, hatásfok cos 0, teljesítménytényező Ezek a jellemzők ideális esetben igazak a rendszerre, amikor a betét és az induktor méretei adott paraméternek eleget tesznek. Ez a feltétel a d2/l2 = 1 és a d1/l1 = 1, végül az átmérőkre vonatkozóan d2/d1 = 0,75. A méretezés során kiszámítottam az összes paramétert, ami a további munkához szükséges. A továbbiakban megtervezem a hevítőhez szükséges táp, és szűrőáramköröket, valamint a teljesítmény szabályozásához szükséges vezérlő egységet. Amennyiben a betáplált teljesítmény szükségessé teszi a vízhűtő berendezés tervezését is elvégzem, és megvalósítási alternatívákat készítek. A továbbiakban a hevítő villamos és az üzemvitelhez szükséges berendezések tervezését tárgyalom. 16

17 4. AZ INDUKCIÓS HEVÍTŐ SZERKEZETI FELÉPÍTÉSE Elsőként megvizsgálom, milyen bevett szerkezeti kialakításokat alkalmaznak jelenleg az ipari területeken, majd kiválasztom a számomra legkedvezőbb megoldást Indukciós hevítő szerkezeti felépítése az ipari gyakorlatban 4. ábra. Indukciós hevítő elvi felépítése [4] Az ipari alkalmazásokban használt nagy teljesítményű hevítő berendezések a 4. ábra szerint épülnek fel. A hálózati tápellátásról egy megszakító választja le a berendezést, majd nagy teljesítményű mágneskapcsolóval aktiválható a rendszer. A vezérlőegység kezeli az egyes blokkok jeleit, mint például a vízhűtő berendezés hőmérséklet jeleit és az egyéb védelmi jeleket. A mágneskapcsolót követően egy meddőkompenzáló egység következik, ami az induktor betét rendszer alacsony cosφ értékét igyekszik megfelelő szintre hozni. Amennyiben szükséges galvanikus leválasztás a hálózatról, úgy célszerű a kompenzáló áramkör után transzformátort alkalmazni. Másrészt a transzformátor oldja 17

18 meg az alacsony impedanciára való illesztést. Ezt követően az átviteli tekercsrendszer következik, majd az induktor és a munkadarab. Ezen elemek hőmérsékletét a berendezés teljesítményétől függően célszerű figyelni valamilyen áramkörrel [4]. Rendszerint ezt a megvalósítást rendkívül nagy teljesítményű olvasztó berendezések esetén használják, melynek a bevitt hőteljesítménye eléri a 450 kw-ot. Az általam megvalósítani kívánt berendezést 300 W teljesítményre méreteztem. A berendezés 230 V feszültségű egyfázisú hálózatról üzemel majd, tápegysége transzformátoros leválasztású lesz. Összefoglalva a berendezés számos építőelemből fog állni, melyeket egyesével tervezni és méretezni kell. Ezen egységek összehangolása rendkívül fontos. A következő fejezetekben bemutatom az általam tervezett berendezés fő részeit és a tervezés lépéseit. 18

19 4.2. A tervezett indukciós hevítő berendezés elvi felépítése Az előző fejezetben már ismertettem néhány paramétert, amelyek meghatározóak a tervezést illetően, azonban ebben a fejezetben igyekszem összefoglalni minden adatot a berendezést illetően. A hevítő maximális teljesítménye 300 W. Képes üzemelni egy fázisú 50 és 60 ciklusú 230 V feszültségű hálózatról. Tartalmazza az üzemeléshez szükséges leválasztó transzformátort, tápegységet és egyéb üzemviteli berendezéseket. A magas hatásfok elérése érdekében vízhűtő rendszert is tartalmaz, amelynek szabályozásáért számítógépes program felel. A rendszer része még egy központi szabályozó, ami képes szabályozni a betáplált teljesítményt, méri a rendszerre jellemző feszültség és áram értékeket és gondoskodik a névleges üzemállapot betartásáról. A következő ábrán bemutatom a rendszer blokkvázlatát. 5. ábra. A hevítő blokkos felépítése A hálózati csatlakozón keresztül a hevítő megkapja a szükséges áramot. A szabályozó valósítja meg a bekapcsoláshoz szükséges lágyindítást. Ennek alkalmazása azért indokolt, mert erősen induktív jellegű fogyasztóról van szó, így a meglehetősen nagy bekapcsolási áramok miatt szükséges egy lágyindító áramkör. A soron következő elem a transzformátor. Ez az eszköz galvanikus leválasztást valósít meg. Az egyenirányítást egyfázisú kétutas kétütemű Graetz-kapcsolással valósítom meg. Rendkívül egyszerű és jól méretezhető egység. A fordított polaritás védelem, valamint az esetleges rádiófrekvenciás zavarszűrést és az egyéb túlfeszültség és túláram védelmi elemeket az egyenáramú körbe építem be. Ezt követő áramkör az inverter, ami egy speciális félhidas egyfázisú kivitel. Ez hajtja meg az induktor-betét rendszert úgy, hogy váltakozó irányú mágneses tér keletkezzen a tekercs belsejében és ezzel melegítse a munkadarabot. Természetesen a nagy hőhatások miatt hűtés szükséges. Ezt úgy valósítom meg, hogy az induktort üreges réz csőből készítem el. Fontos megemlíteni, hogy minden mért 19

20 adatot a szabályozó egység dolgoz fel. A félhidas inverter vezérlő jelét annak megfelelően állítja elő, hogy mekkora a betáplálni kívánt teljesítmény, és hogy mennyire melegedett fel a munkadarab. A vízhűtés keringető szivattyúját is ez kapcsolgatja annak függvényében, hogy miként változik az induktor hőmérséklete. Egyszóval minden szabályozó és vezérlő feladatot egy egység lát el Az egyes blokkok ismertetése A hálózati kapcsoló és a transzformátor bemutatása Egyfázisú 4 sarkú hálózati kapcsolót alkalmazok a berendezés hálózatra kapcsolására, ami a fázisvezetőt és a nulla vezetőt is egyaránt megszakítja. A nyitóérintkezőkkel sorba kapcsolva lassú olvadóbiztosítókat helyezek el, majd ezt követően kapcsolódik a hálózat a transzformátorra. 6. ábra. A hálózati kapcsoló és a transzformátor kapcsolása Az egyes csatlakozó elemek a kapcsolóra csatlakoznak. Ennek maximális feszültsége a hálózat maximális feszültsége, árama pedig kétszerese a maximális felvett áramnak. A megengedett áramértéket azért választottam jóval nagyobbra, hogy a kapcsoló érintkezőit kevésbé vegyék igénybe az egyes ki- és bekapcsolások. Az 5 amperes olvadó biztosítók valósítják meg a zárlatvédelmet és védik a transzformátort a permanens károsodástól. A trafó áttétele 8:1, tehát a szekunder feszültség effektív értéke 28,75 V ideális esetben. Erre az értékre kell méretezni a sorban utána következő elemeket. A feszültségátalakítót illetően névleges primer feszültség 230 V, névleges szekunder feszültsége 28,75 V. A szekunder oldalon 16 A áramerősséget kell biztosítani névleges üzemben, így a primer oldalon ennek megfelelően 2 A áram folyhat névleges üzemállapotban. A számítások egyszerűsítése végett a veszteségektől eltekintek. A 20

21 transzformátort kereskedelemi forgalomból szerzem be, összesített adatai pedig a következő táblázatban megtalálhatók. 6. táblázat. A transzformátor jellemző adatai Transzformátor névleges adatai Névleges primer feszültség 230 V Névleges primer áram 2 A Névleges szekunder feszültség 28,75 V Névleges szekunder áram 16 A Névleges frekvencia 50 Hz Látszólagos teljesítmény 460 VA Kivitel 1 fázisú,1 primer 1 szekunder Az egyenirányító felépítése Mint azt említettem, egyfázisú kétutas kétütemű egyenirányító kapcsolás felel az egyenirányításért. Ezt követően gondoskodni kell az indukció okozta nagy feszültség impulzusokról, és áramcsúcsok elnyomásáról. A következő ábrán meghatároztam egy kapcsolást, melyet majd később a teljesítmény igényeknek megfelelően méretezek, és ezt követően kapnak értéket az egyes alkatrészek. Az elvi felépítését a következő ábrán mutatom be. 7. ábra. Az egyenirányító elvi felépítése A diódás egyenirányító hidat követően 20 A-es gyors kioldási karakterisztikájú olvadóbiztosítót helyezek el. Ezt követően a LED1 és LED2 visszajelzők tájékoztatják a felhasználót a működésről, hogy a hevítés aktív vagy készenlétben van. A D7-es elnyomó dióda a túlfeszültségektől védi az áramkört, valamint nagy túlfeszültség esetén 21

22 berántja F3 biztosítót ezzel leválasztva az áramkört és megelőzi a meghibásodást. A tervezés befejeztével szimulációval ellenőrzöm a létrejött kapcsolást. Elsőként a diódás egyenirányító hidat méreteztem. A megfelelő hevítési paraméterekhez az egyen oldalon szükséges 16 A áramerősség. Ezt tudnia kell a diódás hídnak, ezért az áram érték ebből egyértelműen adódik. A másik fontos paraméter az egy diódára jutó záróirányú feszültség. Ezt az alábbi összefüggésből tudom számítani: U dzmax = U 2eff 2 (20) Udzmax az egy diódán eső maximális záróirányú feszültség, U2eff a transzformátor szekunder oldali feszültségének effektív értéke. Így 28,75 V szekunder feszültség esetén a maximális záróirányú feszültség 40,66 V. Ilyen áramerősség mellett nincs ekkora feszültségű Graetz-híd kereskedelmi forgalomban, ezért egy jóval magasabb szabványos feszültségű Graetz-hidat választok, aminek az áramterhelhetősége legalább 16 A. Másrészt az inverter és az induktív terhelés miatt nagyobb záróirányú feszültség is igénybe veheti a Graetz-hidat. A maximális záróirányú feszültség számítását szimulációval ellenőriztem. 8. ábra. Az egyenirányító dióda maximális záróirányú feszültsége terhelt állapotban 22

23 Az ábráról leolvasható, hogy -69,768 V feszültség veszi igénybe a diódát. Ez annak köszönhető, hogy az inverter kapcsain lévő induktív terhelés megemeli a záróirányú feszültséget, amikor adott dióda páros vezet. Látható az is, hogy az igénybevétel akkor nagyobb, amikor a dióda nem vezet. Egy nagyított ábrán bemutatom, hogy a nagyfrekvenciás kapcsolgatás milyen egyenfeszültség jelalakot eredményez. 9. ábra. Az egyenfeszültség jelalakja terhelt üzemállapotban A feszültség csúcsértéke eléri a 70 V-ot, a jelalak pedig a szűrő nélküli egyenfeszültséget közelíti. A tervezés során elkészítettem egy LC szűrőáramkör méretezését, azonban ezt kivitelezni rendkívül drága lenne ilyen teljesítményre. Mivel a szükséges forrás nem áll rendelkezésemre, ezért a szűrőáramkör nem kerül bele a berendezésbe. Ezáltal a hatásfok lényegesen romlik, de maga a szabályozási elv és a megvalósítás mindenképp figyelmet érdemel. A visszajelző LED-eket és azok előtét ellenállásait úgy kell méreteznem, hogy mind a terhelt, mind az üresjárási állapotban megfelelően tudjanak működni. Üresjárásban a nyitóirányú feszültség maximális értéke 40 V, ekkor az effektív érték 28,75 V, terheléskor pedig 70 V, az effektív érték 50 V. Így a legnagyobb feszültségre 70 V-ra méretezem a LED-ek előtétellenállását mégpedig úgy, hogy maximálisan 20 ma áramot vezethetnek, a következő összefüggés szerint: 23

24 R LED = 70 V 0,02 A = 3500 Ω (23) Az ehhez legközelebb álló szabványos ellenállás értéke 3,3 kω, így ilyen ellenállást kell sorba építeni a LED-del. Ebben az esetben üresjáráskor halványan, névlegesen terhelt üzemállapotban pedig a névleges fényerővel fog világítani a visszajelző, ezzel jelezve működést. Fontos paraméter az ellenállás szabványos teljesítmény értéke, amit ki kell számítani. P R = 0, = 1,57 W (24) Ez az érték meghaladja az 1 W teljesítményű osztályt, ezért 2 W teljesítményű ellenállást kell használnom. A 3,3 kω szabványos értékű ellenállást választottam Az félhidas inverter méretezése A kulcsfontosságú áramköri egység a feszültség átalakító, ami átalakítja az egyenirányított feszültséget a kívánt frekvenciájú váltakozó feszültséggé. Lényegében egy nagyfrekvenciás frekvenciaváltót készítek, ami áramgenerátoros üzemben dolgozik. Az áramgenerátoros jelleg azért fontos, mert a mágneses tér előállításáért az áram felel. Ezt kell szabályoznom, és maximalizálnom a működés során, tehát adódik, hogy áramgenerátoros megtáplálást kell alkalmaznom. Az inverter elvi kapcsolása a következő ábrán látható. 10. ábra. Az inverter elvi felépítése Az L2 és R3 elemek jelképezik az induktort, ami az inverter híd közepére csatlakozik, valamint C1 és C2 kondenzátorok segítségével a hidat rezonancia frekvenciára hangolom. A Q1 és Q2 MOSFET-eket az általam megválasztott frekvenciával vezérlem, a kondenzátorok értékeit ennek függvényében kell megválasztani. Az általam 24

25 választott legnagyobb frekvencia 25 khz. Erre az értékre határoztam meg az induktorbetét rendszer paramétereit és szimulációs modelljét. Az L2 és R3 elemek értéke ismert, így a Thomson-képletből kiindulva meghatározható a C1 és C2 kondenzátorok értéke. C = 1 ω 2 L A fenti összefüggés alapján a kondenzátorok 7,44 µf értékűre adódnak. A feszültség igénybevétel meghatározását szimuláció segítségével teszem meg. A működési élettartamot befolyásolja a kondenzátorra kapcsolt feszültség és az áramának frekvenciája. A szakirodalom tanulmányozása alapján itt nem elegendő egy kondenzátort alkalmazni, hanem ún. kondenzátor telepet kell kialakítani. Ennek oka, hogy a rezonancia során fennálló nagy áram és feszültség igénybevétel kellően osztódjon a kondenzátorokon, így biztosítva a megfelelő működést és a hosszú élettartamot. A kondenzátor feszültsége maximális terhelés mellett a következő ábrán látható. (25) 11. ábra. A rezonáns kondenzátorok feszültség igénybevétele Az ábrán látható jelalak jól mutatja a szűrés nélküli egyenfeszültség és a rezonancia meglétét. Maximálisan 60 V feszültség jelenik meg a kondenzátorokon ez azonban 25 khz-es frekvenciával. A nagy frekvencia miatt jóval nagyobb szabványos feszültségű kondenzátort választok, a szakirodalom alapján 250 V-os polipropilén kondenzátorokat. 25

26 A kapacitások áramát is szimulációs modell alapján határozom meg. Ehhez a szimulációt úgy állítottam be, hogy az induktoron átfolyó áram effektív értéke ne haladja meg a 16 ampert. Az inverter működése két fő fázisból áll. Az első, amikor a felső félvezető aktív, a második, amikor az alsó félvezető aktív. Így a tekercs és a kondenzátor az egyes fázisokban sorba van kapcsolva, ami lehetővé teszi a soros rezgőkörként való modellezést. 12. ábra. A kondenzátor telep árama A fent látható jelalak effektív értékének meghatározásához ismertetni kell a 25 khz-es jelalakot is. 26

27 13. ábra. A kondenzátor maximális árama maximális terhelés közben Az áram csúcsértéke eléri a 30 A, ez azonban körülbelül 5 µs-ig tart. A meghatározó érték az 12 A-es áramerősség, ami a pozitív félperiódus során fennáll. A program által szimulált effektív érték 15,8 A. Így a kondenzátor paraméterei, amiből 2 darabot kell kialakítani 250 V feszültségű 7,44 µf kapacitású és 16 A effektív értékű áramot képes vezetni. A kapcsolóelemek méretezésénél fontos paraméter a rajtuk átfolyó áram, a lezárási tartományt igénybe vevő feszültség és a kapcsolási frekvencia. A frekvencia az általam megválasztott 25 khz, az áram effektív értéke 16 A. A feszültség csúcsértékét szimulációs modell alapján határozom meg, ugyanis a ciklikus kikapcsolások miatt rendkívül nagy indukált feszültség jön létre a kapcsolóelemeken. 27

28 14. ábra. A kapcsolóelemre jutó maximális feszültség Az igénybe vétel nagysága a 60 V feszültséget is eléri, így tehát a megfelelő működési biztonság miatt legalább 80 V feszültséget elviselő félvezetőt alkalmazok. Az általam választott frekvencián való kapcsolgatás rendkívül modern félvezetőket igényel. A MOSFET típusú félvezető eszköz megfelelő az általam megvalósítani kívánt feladathoz. A szimulációs programban alkalmazott modell IRFP2410 típusú MOSFET, ez azonban nem alkalmas számomra, ugyanis az ún. SOA (Safe Operating Area) nem teszi lehetővé a hibátlan működést az általam meghatározott működési jellemzők mellett. Az IRFP260M típusú MOSFET működési tartománya megfelelő a célra. A biztonságos működési tartománya a következő ábrán látható. 28

29 15. ábra. A választott félvezető biztonságos működési tartománya [5] A félvezető maximális megengedett teljesítménye 300 W. Ez a teljesítmény, hűtés mellett kapcsolható a félvezetőkkel, így a hűtés összeállításakor ügyelni kell, hogy a félvezetők hőmérséklete ne haladja meg a megengedett működési hőmérsékletet. A következőkben leellenőriztem szimulációval, hogy megfelelnek-e a kapcsoló elemek a biztonságos működési feltételeknek. 29

30 16. ábra. A MOSFET maximális árama Az eredményről leolvasható, hogy 20 A csúcsértékű áram veszi igénybe valamivel tovább, mint 15 µs. Ebben az esetben a maximális UDS feszültség éppen eléri a 60 V feszültséget. A szimulációkat a legkritikusabb peremfeltételek mellett végeztem. Különböző frekvenciákon különbőz lesz a felvett áram értéke, a szimulációs programot azonban úgy állítottam be, hogy a maximális áram és frekvencia ismeretében határozza meg az eredményeket. Ezek ismeretében megfelel a választott félvezető. A berendezés teljesítményelektronikai részeit méreteztem, a kapcsolási rajz és a méretezett alkatrészek a következő ábrán láthatók. 17. ábra. Az erősáramú egység felépítése A kapcsoláson látható immár méretezett alkatrészek a fenti képen láthatóan helyezkednek el egymáshoz képest. Az L1 és R2 ág képviseli az induktort, valamint a 30

31 betét nincs jelölve a kapcsoláson. A következő megépítésre kerülő egység a kapcsolási jelek illesztéséért felelős áramkör. A berendezést a National Instruments LabView programjával vezérlem meg, és ez végzi a szabályozást is. Ehhez szükséges egy illesztő áramkört építeni, amely segítségével kezelhetők a be- és kimeneti jelek. 4.4 Az illesztő áramkör elvi felépítése és méretezése Az illesztő áramkör elhelyezkedése a berendezésben Olyan egység ez, amely elvégzi a galvanikus leválasztást és a vezérlőjelek szintillesztését. Erre azért van szükség, mert a számítógép analóg kimeneti egységei nem képesek kellő üzembiztossággal meghajtani a teljesítményfélvezetőket, valamint nagy áramú zárlat estén a hiba képes visszahatni a vezérlő-szabályozó egységre. Az illesztőáramkör a vezérlő kártya és az erősáramú egység között kap helyet a következő elrendezésben. 18. ábra. Az illesztő áramkör elhelyezkedése a berendezésben A feladata, hogy a digitális vezérlő jelet a nagyteljesítményű kapcsolóberendezések kapcsolgatásához szükséges jellé alakítsa. Ezen kívül a berendezésből érkező jeleket illeszti a kártya bemeneti jelszintjére. A megtervezéshez adott a kártya ki- és bemeneti jeltartománya, a MOSFET kapcsolóelemek vezérléséhez szükséges jelszint az áram- és feszültségérzékelők jelszintje, valamint a hőmérséklet jeladó jele. Ezek ismeretében megtervezem a galvanikus leválasztást elvégző és szintillesztő áramkört. A tervezés bemutatásához szükséges ismertetnem az adott paramétereket. 31

32 4.4.2 A vezérlő kártya üzemi paraméterei és az illesztő áramkör A számítógép segítségével LabView fejlesztőkörnyezetben kívánom megírni a berendezés vezérléséhez szükséges programot. Ehhez választottam a NI PXI 6251 típusú illesztő kártyát amely adatait a következő ábrán mutatom be. 7. táblázat. NI PXI 6251 legfontosabb adatai [6] A mérőkártya legfontosabb adatai 8 differenciális, 16 single Csatornák száma ended A/D átalakító felbontása 16 bit Mintavételi frekvencia Max. 1,25 MS/s Időzítő felbontása 50 ns Bemeneti feszültségtartomány ±0,1.±10 V Kimeneti feszültségtartomány ±0,1.±10 V Kimenet terhelhetősége 5 ma Bemeneti impedancia >10 G Kisjelű sávszélesség 1,7 MHz Adatátvitel PCI express, USB Túlfeszültség védelem ±25 V Az adatok ismeretében elsőként a kimenő egységet tervezem meg, azaz azokat az áramköröket, amelyek a vezérlő jelek illesztéséért felelősek. Az áramkör elvi felépítését a következő ábra mutatja. 32

33 19. ábra. Az illesztő áramkör és a teljesítmény MOSFET-ek elrendezése Az ábra két részre osztható. A felső egység egy feszültségszabályozó és egy félvezető hűtésért felelős egység, az alsó kapcsolás pedig az illesztést végzi a számítógép és az meghajtó áramkör között. Az LM350T típusú feszültségszabályozó V tartományban képes biztosítani az ellenállásokkal beállított kimeneti feszültséget. A kimeneti feszültség jelen esetben 12 V, terhelhetősége pedig 2 A. Ez elegendő az illesztő áramkör és a hűtés ellátására, valamint némi tartalékot foglal magában. A hűtőventilátorok üzemeléséért felelős Q2 MOSFET úgy van vezérelve, hogy a kikapcsolás után 10 másodpercig még képes legyen biztosítani a ventilátorok működéséhez szükséges áramot, hogy üzem után a félvezetők megfelelő mértékben visszahűljenek a környezeti hőmérsékletre (25 C). Az ábra bal alsó sarkában található a PXI kártya és az opto-leválasztó közötti illesztés. Majd az optocsatolóról érkező jelet egy jelformáló komparátor áramkörre vezetem, ami szintén trimmer potenciométerrel van ellátva, hogy kalibrálható legyen a vezérlő jel. A komparátor kimenetéhez egy IR2111 típusú MOSFET félhíd meghajtó áramkör kapcsolódik, ami gondoskodik a megfelelő szintű vezérlőfeszültségek előállításáról. A MOSFET-ek meghajtásához V értékű négyszög jelet használok. 33

34 5. AZ INDUKCIÓS HEVÍTŐ MEGVALÓSÍTÁSA ÉS A TERVEZÉS HITELESÍTÉSE 5.1 Az induktor betét rendszer tervezésének hitelesítése A megvalósítás első lépése az induktor megtekerése és a munkadarab megválasztása volt az első lépés. Az induktort a tervezett paramétereknek megfelelően kellett elkészítenem, a lehető legpontosabban. A következő ábrán a már megtekercselt induktor látható. 20. ábra. Az elkészített induktor. A munkadarab is kiválasztásra került, majd ezután ki kellett mérnem a rendszer induktivitását különböző frekvenciákon. A hevítendő vas test 8 cm átmérőjű 8 cm magas hengeres vas. Fontos, hogy nem lemezelt lágyvas anyagból készült. A méréshez egy nagy teljesítményű eszközről hajtottam meg a tekercset különböző frekvenciájú szinusz jellel, két különböző feszültségszinten, és vizsgáltam a felvett áramot. A feszültség és az áram ismeretében meghatároztam az induktív reaktanciát, melyből adott frekvenciákon meghatároztam az induktivitás értékét. Ez a mérés azért rendkívül fontos, mert a tápegységből felvett áramot, nagymértékben a rendszer induktivitásából adódó reaktancia határozza meg, így ez adja a rendszer maximálisan felvett áramát. A mérési eredményeket a következő táblázatok ismertetik. 34

35 Induktivitás [uh] 8. táblázat. Az hevítőtekercs és munkadarab együttes induktivitásának mérési eredményei 15 V tápfeszültség esetén Induktor-betét rendszer induktivitása f [khz] Ube[V] Ibe[A] XL [Ω] L [ H] ,9 1, , ,5 1, , , , ,2 1, , ,7 2, , ,5 2, , ,6 3, , táblázat. Az hevítőtekercs és munkadarab együttes induktivitásának mérési eredményei 20 V tápfeszültség esetén Induktor-betét rendszer induktivitása f [khz] Ube[V] Ibe[A] XL [Ω] L [ H] , , ,3 1, , ,2 1, , , , ,9 2, , ,39 2, , ,1 3, ,0910 A mérési adatokat szemléletesebb módon ábrázolva látható, hogy nincs lényeges különbség a különböző tápfeszültség szintek között, mivel a feszültségkülönbség nem nagy. 26,00 uh 24,00 uh 22,00 uh 20,00 uh 18,00 uh 16,00 uh 14,00 uh 12,00 uh 10,00 uh 14 khz 15 khz 16 khz 17 khz 18 khz 19 khz 20 khz Frekvencia [khz] 21. ábra. A rendszer induktivitása a frekvencia függvényében 15 V effektív értékű jel esetén 35

36 Induktivitás [uh] 26,00 uh 24,00 uh 22,00 uh 20,00 uh 18,00 uh 16,00 uh 14,00 uh 12,00 uh 10,00 uh 14 khz 15 khz 16 khz 17 khz 18 khz 19 khz 20 khz Frekvencia [khz] 22. ábra. A rendszer induktivitása a frekvencia függvényében 20 V effektív értékű jel esetén A rendszer induktivitását összevetve a tervezéssel némi különbség tapasztalható. A tervezésből következő 5,44 µh jelentősen eltér az általam mért eredményektől. Ennek oka, hogy a tervezés által meghatározott értékek üres tekercsre, azaz munkadarab nélküli rendszerre vonatkoznak. A tervezési táblázatban a munkadarab méreteit valamint a csatolási tényezőt megadva az induktivitás értéke jelentősen változik. Az általam választott munkadarabot használva 20 khz frekvenciájú gerjesztést feltételezve a rendszer induktivitására 16,45 µh adódik. Ez számomra megfelelő érték és a tervezés helyességét is visszaigazolja. A tervezési táblázat segítéségével tehát számolható a rendszer induktivitása bizonyos munkadarabok esetén. Ezt a számítást célszerű elvégezni más munkadarabok használata előtt. A fenti grafikonokból az is kiderül, hogy a rendszer rezonancia frekvenciája 16 khz. Ezen a frekvencián célszerű üzemeltetni a berendezést, ugyanis így a leghatékonyabb az energiaátvitel. 5.2 A jelek illesztéséért felelős áramkör tervezésének hitelesítése A berendezésben a vezérlésért és szabályzásért felelős kártya jeleit illeszteni kell a beavatkozó eszközökhöz és a szenzorokhoz. A számítógépben lévő, NI PXI 6251 kártya kimeneti és bementei jellemzőit már ismertettem, és ennek értelmében alakítottam ki az illesztő áramkört. Elsőként egy egyszerű LabView programot készítettem, ami képes változtatható frekvenciájú négyszög jelet előállítani. A jel kitöltési tényezője és amplitúdója is állítható. Ezt elkészítettem és a következő kezelőfelületet alakítottam ki hozzá. 36

37 23. ábra. A próbaprogram elkészítése a hevítő berendezéshez Az itt beállított jellemzőket kellett megmérnem, hogy a kártya megfelelően a kimenetére kapcsolja a vezérlő jeleket. A mérést 17 khz frekvenciájú 5 V amplitúdójú és 70 % kitöltési tényezőjű jellel végeztem. A kártyáról érkező jelet megvizsgáltam különböző frekvenciákon és különböző kitöltési tényezőkkel, minden a beállított paramétereknek megfelelő. 24. ábra. A kártyáról érkező feszültség jel frekvenciája 17 khz kitöltési tényezője 70 % A kitöltési tényező változtatása azért szükséges, hogy az egyes frekvenciákon beállítható legyen a megfelelő szimmetria a FET-ek között. Minimális hangolásra szükség van a különböző frekvenciákon az optocsatoló sebességi korlátai miatt. Ezt könnyebb megvalósítani szoftveresen, mint hardveresen, ezért a programban valósítom meg a kalibrációt az előre megadott frekvencia értékekre. Ezt követően elkészítettem az áramkört, ami az általam választott optocsatolóhoz illeszti a jelet. A tranzisztoros 37

38 illesztő a 19. ábra bal alsó sarkában megtalálható. Az áram és feszültség jellemzőket úgy kellett beállítanom, hogy az optócsatoló leggyorsabb működését eredményezze. 25. ábra. A 4N26F típusú optocsatoló be- és kikapcsolási idő diagrammjai [7] Ezt az ábrát vizsgálva állítottam be a LED áramát 50 ma értékűre, hogy a bekapcsolási idő minimális legyen. Így viszont kikapcsoláskor a kikapcsoláshoz szükséges idő elég jelentős. Ez azonban nem gond, mivel a kondicionáló áramkörrel be tudom állítani a megfelelő ki és bekapcsolási időket. A bekapcsolási idő gyorsasága azonban azért rendkívül fontos, mert ez határozza meg a MOSFET-ek vezetésének és lezárásának kezdetét, így ennek a szakasznak rendkívül meredeken kell emelkednie. Mivel a vezérlés invertáló jellegű, ezért a lefutó él meredekségét kell figyelni, a kapcsolási idők szempontjából ez a meghatározó. Az így beállított áramértékkel az optocsatoló kimenetén, azaz a kollektor-emitteren mért feszültség a következő szerint alakul. 26. ábra. Az optocsatoló kimenetén mért feszültség-idő függvény 17 khz frekvenciájú vezérlő jel esetén Ezen az ábrán látható, hogy a kikapcsolási idő sokszorosa a bekapcsolási időnek, azonban utóbbi kellően rövid a vezérlés pontosságához. A kikapcsolási időt egy 38

39 komparátor segítségével minimalizálom, mégpedig úgy, hogy egy referencia értéket állítok be, amitől ha nagyobb a bemenő jel, akkor a kimenet magas szinten van, amennyiben kisebb, akkor a kimenet 0 szinten van. 27. ábra. A MOSFET félhíd meghajtó kimenetein mért jel A fenti (kék) jel a felső kapcsolóelem vezérlésért felelős, a lenti az alsó kapcsoló elem vezérléséért felelős. Az ábrából kiderül, hogy a két jel egymás pontos tükörképe, a ki és bekapcsolási idők megegyeznek. Ennek értelmében a komparátoros jelformáló megfelelően működik. Az illesztésért felelős IR2111 meghajtó illeszti a feszültségszinteket a kapcsolóelemek és az alkalmazás által megkövetelt szintre. A belső felépítést a következő ábra mutatja be. 28. ábra. A meghajtó áramkör belső felépítése [8] A meghajtó IC tartalmaz előre beprogramozott holtidőt (DEADTIME), ami a gyártó által megadott 700 ns. Megvalósít még egy ún. hardveres szinteltolást, ami a felső 39

40 kapcsolóelem vezérléséhez elengedhetetlen, ugyanis a tekercshez csatlakozó pont feszültsége állandóan lebeg, így ehhez mérten kell kiadni a vezérlő feszültséget (UGS). A bemeneti jel alapján tehát két féle jelet állít elő. Az ún. high-side (HSFET) és lowside (LSFET) vezérlő jelét. Előbbi a bemeneti jellel fázishelyzetben és amplitúdóban megegyezik, utóbbi fázishelyzete 180 -kal eltér. Így biztosítva, hogy az egyes kapcsoló elemek ellenütemben dolgozzanak. A fenti méréseket összeszerelés után végeztem, azaz a kész berendezésen működés közben határoztam meg a fent említett paramétereket. Végül a MOSFET meghajtó áramkör kimenetét csatlakoztattam az egyes tranzisztorok kapu-forrás elektródáihoz, majd egy egyenáramú tápegységet használva méréseket végeztem a berendezésen: elsőként a felső kapcsolóelemen (továbbiakban HSFET), majd az alsó kapcsolóelemen (továbbiakban LSFET). 29. ábra. A HSFET és LSFET elemeken mérhető áram működés közben Az áram jelalakot egy induktív áramérzékelővel mértem, ami a gyári adatok szerint 100 mv/a érzékenységű. Az ábráról leolvasható, hogy az áram frekvenciája 18,32 khz effektív értéke pedig 14,4 A. Az is jól látszik, hogy a MOSFET-ek egy rövid időtartományban összenyitnak, ami jelentős hőt eredményez a hűtőbordákon, és komoly kapcsolási veszteségekhez vezet. Az is látható, hogy a HSFET kikapcsolási ideje okozza a gondot, ugyanis a LSFET áram-idő diagramján jól látszik, hogy nincs összenyitás. Ennek értelmében a HSFET kikapcsolási meredekségét kellett növelnem, hogy az összenyitást elkerüljem. Erre a célra beépítettem a meghajtó egység felső kimenetéhez egy visszavezető diódát, ami egy ellenálláson keresztül képes gyorsan 40

41 kisütni a HSFET kapu elektródáját, és ezzel megelőzi az összenyitást. A kapcsolási rajzban lévő módosítás a következő ábrán látható. 30. ábra. A módosított meghajtó áramkör D4 Schottky-dióda és 60 Ω értékű ellenállás A Schottky-dióda alkalmazásával egy kisebb ellenálláson keresztül sül ki a kapuelektróda, ennek következtében a kikapcsolási meredekség nő. A következő ábrán megfigyelhető a változtatás utáni áram jelalak. 31. ábra. A módosítás utáni áram jelalakok a HS FET (felül) és az induktor árama (alul) 41

42 Látható, hogy ugyan azon a frekvencián teljes mértékben szeparált módon vezetnek a tranzisztorok. Ennek következtében az induktor árama is szinusz szerű jelalakot vesz fel. Az induktor árama ebben az esetben 18 A, az áram frekvenciája 18 khz. A módosítás után végrehajtottam több méréssorozatot két különböző feszültségszintről megtáplálva. Elsőként 15 V egyenfeszültségről tápláltam meg a berendezést, ennek eredményei a következő ábrákon láthatók. 32. ábra. Az induktor árama az idő függvényében 14 khz és 15 khz frekvenciákon Az eredményből látszik, hogy a rezonanciafrekvencia állapotához közel üzemel az áramkör, azonban a szinuszjel meredeksége nem teljesen egyforma az emelkedő és a csökkenő szakaszon. Ennek értelmében még a rezonanciát nem érte el ezen a frekvencián. Az áram csúcsértékét illetően 14 khz frekvencia esetén 32,1 A, 15 khz esetén 31,82 A. Ezek az áramértékek már jelentősek a kapcsolóelemek szempontjából, ugyanis annak megengedett áramértéke 25 C környezeti hőmérsékleten 50 A. Az eredményekből kiderül, hogy ilyen kis teljesítmények esetén is már közel jár a MOSFET működési tartományának csúcsához. 33. ábra. Az induktor áram-idő függvénye 16 khz és 17 khz frekvenciákon 42

43 A bal oldali eredmény egyértelműen a rezonancia állapotát igazolja, a szinuszos jelalak itt a legszimmetrikusabb. Tőle jobbra a magasabb frekvencián a felfutási és lefutási meredekségek aszimmetrikusak, így a rezonancia állapotából már kilépett a rendszer. A tekercsen folyó áram csúcsértéke 29,84 A (balra) és 26,16 A (jobbra). 34. ábra. A rezonancia jelenségétől távolodva 18 khz (felül balra), 19 khz (felül jobbra) és 20 khz (alul) frekvenciájú gerjesztés esetén A fent látható eredmények igazolják, hogy a rezonancia állapotát már meghaladja ez a frekvencia. A tekercsben folyó áramérték rendkívüli módon lecsökkent, így a bevitt energia már kevés a hevítéshez. A legkritikusabb esetben 20 khz frekvenciájú gerjesztés esetén a tekercsben folyó áramerősség csúcsértéke 17,81 A. 43

44 5.3 A működés bemutatása és a mérési eredmények kiértékelése A berendezés működésének hitelesítéséhez hőmérsékletmérést végeztem különböző frekvenciájú gerjesztésekkel. Megfigyeltem a hőmérséklet változását valamint az áram és feszültség értékek változását a hőmérséklet emelkedésével. A mérést 5 percen keresztül végeztem és 20 másodpercenként feljegyeztem a hőmérséklet áram és feszültség értékeket. A táblázatok tartalmazzák a tápegységből felvett teljesítményt és számított induktivitás értékeket, valamint az elért hőmérsékletet. A következő táblázatok ismertetik a mérési eredményeket. 10. táblázat. A hőmérsékletmérés eredményei 14 khz frekvenciájú gerjesztés esetén 14 khz Hőmérséklet [ C] Felvett áram [A] Felvett teljesítmény [W] Induktivitás [uh] , ,240 51, , , ,240 61, , , , , , , , , , , , , , , , ,5 13, , , , ,2 13, ,596 44

45 11. táblázat. A hőmérsékletmérés eredményei 15 khz frekvenciájú gerjesztés esetén 15 khz Idő [s] Hőmérséklet [ C] Felvett áram [A] Felvett teljesítmény [W] Induktivitás [uh] , , , , , , , , , ,5 13, , , , ,5 13, , , , ,5 13, , , , , , ,5 13, , , , , , táblázat. A hőmérsékletmérés eredményei 16 khz frekvenciájú gerjesztés esetén 16 khz Idő [s] Hőmérséklet [ C] Felvett áram [A] Felvett teljesítmény [W] Induktivitás [uh] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,312 45

46 13. táblázat. A hőmérsékletmérés eredményei 17 khz frekvenciájú gerjesztés esetén 17 khz Idő [s] Hőmérséklet Felvett áram Felvett [ C] [A] teljesítmény [W] Induktivitás [uh] , , , , , ,5 12, , , , ,5 12, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , táblázat. A hőmérsékletmérés eredményei 18 khz frekvenciájú gerjesztés esetén 18 khz Idő [s] Hőmérséklet Felvett áram Felvett [ C] [A] teljesítmény [W] Induktivitás [uh] , , , , , , , , , , , , ,5 10, , , , , , , , , , , , , , , , ,5 9, ,045 46

47 15. táblázat. A hőmérsékletmérés eredményei 19 khz frekvenciájú gerjesztés esetén 19 khz Idő [s] Hőmérséklet Felvett áram Felvett [ C] [A] teljesítmény [W] Induktivitás [uh] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 8, , , , , , ,941 A fent említett táblázatokból kiderül, hogy 16 khz frekvenciájú gerjesztés esetén érte el a legnagyobb hőmérsékletet a vas munkadarab öt percen belül. Ezen a frekvencián lesz az induktivitás a legkisebb értékű, valamint itt a legkisebb az induktív reaktancia értéke. Ennek értelmében 16 khz frekvenciával kell gerjeszteni a vas munkadarabot, ha a leghatékonyabb hőmérsékletemelkedést akarom elérni. Összefoglaló jelleggel készítettem egy ábrát, ami tartalmazza a táblázatokban ismertetett összes hőmérsékletmérési eredményt és szemlélteti az adatokat. 47

48 140 A munkadarab hőmérsékletének változása különböző frekvenciájú gerjesztés esetén khz 15 khz 16 khz 17 khz 18 khz 19 khz 35. ábra. A táblázatok eredményeit összefoglaló hőmérséklet-idő grafikon Az ábrán sokkal szemléletesebben megjelenik a hőmérsékletváltozás különböző frekvenciájú gerjesztések esetén. Látható, hogy alacsony frekvenciákon az elért hőmérsékletnövekedés elég nagy, és megközelíti a rezonanciafrekvenciával gerjesztett állapotot. A rezonanciát elhagyva a magasabb frekvenciákon az öt perces időkereten belül elért hőmérséklet lecsökken. Ez az induktív reaktancia erős növekedésének köszönhető. A reaktancia növekedése esetén csökken a bevitt áram, és ezzel a bevitt teljesítmény, vagyis egyre kisebb hőmérséklet érhető el. Természetesen a működés során nem csak a hőmérséklet az egyetlen változó paraméter. A táblázatban foglalt adatokról kiderül, hogy a hőmérséklet növekedésével nő a reaktancia, ami csökkenő felvett teljesítményt eredményez. A reaktancia csökkenésével kis mértékben az induktivitás is változik. A változás követhető a következő ábrákon. 48

49 Felvett teljesítmény [W] A teljesítményfelvétel a hőmérséklet függvényében 14 khz 15 khz 16 khz 17 khz 18 khz 19 khz Hőmérséklet [ C] 36. ábra. A felvett teljesítmény változása a hőmérséklet függvényében Értelemszerűen az alacsonyabb frekvenciákon a legnagyobb a teljesítmény felvétel. A teljesítmény csökkenésének meredeksége azonban változó az egyes frekvenciákon. A legmeredekebb teljesítménycsökkenés a 19 khz frekvenciájú állapotban tapasztalható. A fenti ábrából az a következtetés vonható le, hogy a frekvencia alapú teljesítményszabályozás működőképes. A frekvencia változtatásával változik a teljesítmény. A teljesítményváltozás nem elhanyagolható. Ez a teljesítményváltozás adott rendszerparaméterek megváltozásából adódik. A hőmérséklet növekedésével változik a hevítő kör induktivitása a következő függvény szerint. 49

50 Induktivitás[uH] Induktivitás változása a hőmérséklet függvényében 14 khz 15 khz 16 khz 17 khz 18 khz 19 khz 22,000 21,000 20,000 19,000 18,000 17,000 16,000 15,000 14,000 13,000 12, Hőmérséklet [ C] 37. ábra. Az induktivitás változása a hőmérséklet függvényében Rögtön látszik, hogy a kapott eredmény az előző ábra fordítottja. A legnagyobb frekvencián tapasztalható a legnagyobb induktivitás, valamint a rezonancia frekvencián a legkisebb. Ennek értelmében, ha a hőmérsékletmaximumig felveszem a függvényértékeket, az eredmények használhatók egyfajta közvetett induktivitásmérési célra. A függvények alapján kiszámítható a rendszer induktivitása különböző hőmérsékleten. A hőmérséklet növekedése hatással van mind a réz, mind a vas relatív permeabilitására, valamint az egyéb anyagi jellemzőkre. A vas hőtágulása következtében, az induktivitást befolyásoló vasmag keresztmetszet is változik. Ezek mind kis mértékben befolyásolják a rendszer induktivitást, mérni kizárólag együttes hatásukat tudom. A dolgozatomnak nem témája e kérdés megválaszolása, ezért a továbbiakban a hőmérséklet okozta induktivitás változást nem vizsgálom. A fent említettek természetesen egy adott munkadarabra vonatkozna, adott környezeti hőmérséklet mellett. Így ezen induktivitás mérési eljárás kissé körülményes és nem is a legpontosabb, de egy alternatíva lehet a különböző mérési eljárások közül. 50

51 5.4 A hőmérsékletmérő modulok kialakítása A MOSFET-ek hőmérsékletének mérése A berendezés működése során nagyon fontos paraméter az egyes építő elemek hőmérséklet. Erre kialakítottam egy egyszerű mérőáramkört, ami képes mérni egy adott felület hőmérsékletét, és illeszthető számítógépes mérőrendszerhez. A mérőrendszerhez illesztés rendkívül fontos, ugyanis a szabályozás és vezérlés itt van megvalósítva, így a szoftver ezen mérőelemek jelei ismeretében tud beavatkozni a vezérlésbe. Az általam választott szenzor a KTY egy egyszerű hőmérsékletmérő elem, ami képes arra, hogy C tartományban mérjen. Felépítése a következő ábrán látható. 38. ábra. A KTY szenzor felépítése [9] A gyártó által biztosított dokumentációt felhasználva, elkészítettem egy egyszerű áramkört, amivel hőmérsékletet tudok mérni egy adott tartományban. A mérőmodul kapcsolása a következő ábrán látható. 39. ábra. A hőmérséklet érzékelés megvalósítása 51

52 Az R2 ellenállás képviseli a KTY-81 típusú szenzort, aminek a hőmérséklet hatására nő az ellenállása (PTC). Az ellenállás növekedésével egyre nő a feszültségesés az érzékelőn és ebből a programban számítható a hőmérséklet. A mérőkártyához való csatlakoztatás egyszerű, hiszen a kártya feszültségjeleket tud kezelni, és ezt képes a szoftverben megjeleníteni. A 39. ábrán látható kapcsolásból két egységet alkalmazok, ezzel valósítom meg a nagyteljesítményű kapcsolóelemek hőmérsékletének figyelését. Mindkét MOSFET hűtőbordáján elhelyezek egy-egy ilyen szenzort, és folyamatosan mérem a hőmérsékletüket. Amennyiben a hőmérsékletük meghaladja a kritikus értéket, úgy a vezérlőjel tiltásra kerül és az operátori felület jelzi felhasználó számára, hogy miért állította le a programot. A mérőmodul megtáplálására a mérőkártya +5 V kivezetését használom, így nem szükséges védőleválasztás a berendezésről. A hőmérséklet mérésének pontosságát illetően a következő ábra bemutatja, milyen pontossággal képes mérni különböző hőmérsékleteken. 40. ábra. Az érzékelő hibája a teljes mérési tartomány függvényében [9] Az ábrán jól látszik, hogy a felső mérési határhoz közeledve a szenzor egyre pontatlanabbá válik, ezért célszerű volt úgy megállapítanom a megengedett maximális hőmérsékletet, hogy a hiba értéke ±5 Kelvinen belül maradjon. Tehát a programban be kell állítanom, hogy a félvezetők megengedett hőmérséklete 110 C lehet. Amennyiben, 52

53 ezt az értéket meghaladja, úgy a programnak tiltania kell a vezérlőjeleket, és így mindegyik hevítési programnak vége szakad A munkadarab felületi hőmérsékletének mérése 41. ábra. A hőmérsékletérzékelő üzemi paraméterei [10] A PT100-as hőmérséklet érzékelőt a hevített munkadarab hőmérsékletének méréséhez használom. Ennek a méréstartomány és karakterisztikája megfelel számomra, és a mérési kapcsolás pontossági korlátokkal egyszerűen megvalósítható. A mérés során megengedett árama maximum 1 ma. Ennek megfelelően kell kialakítanom a mérőáramkört. A méréshez hasonló áramkört alakítottam ki, mint a KTY es (lásd:38. ábra) érzékelő esetében, itt azonban az előtét ellenállás a hőmérő előtt 5 kω értékű. Ezzel állítom be, hogy 5 V feszültségű megtáplálás esetén az áram ne haladja meg az 1 ma értéket A vízhűtő egység felépítése A hűtővizet egy keringgető szivattyú áramoltatja, amely a vízhőmérséklet függvényében növeli vagy csökkenti a víz keringetési sebességét. Ennek a 53

54 szabályozásáért szintén az általam megírt számítógépes program felel majd. A rendszer működéséhez szükséges áramköri megvalósítás a következő ábrán látható. 42. ábra. A szivattyú vezérléséhez szükséges illesztő áramkör A PWM bemenet jelét a LabView program biztosítja. A kitöltési tényezője a vízhőmérséklet függvényében változik. A meghajtó áramkör illeszti a kártya kimeneti jelszintjét a MOSFET vezérléséhez szükséges jelszintre. S1 motor hajtja a szivattyút, aminek fordulatszáma nő a kitöltési tényező csökkentésével. Azért fordítottan változik a két arány, mert a meghajtó áramkörben páratlan számú kollektor kimenet van. Ennek következtében invertált jellel kell vezérelni a Q1 tranzisztort, hogy a szivattyú megfelelően működjön. A 3 A-es gyors biztosító védi a az áramkört a túlterheléstől. A kiválasztott szivattyú a következő ábrán látható. 43. ábra. A felhasznált MODELCRAFT szivattyú, és a vízkör csatlakozási háza [11] 54

55 A szilikon vízcsövet, ami az induktorból érkezik, a szivattyú egyik lábára csatlakoztatom, a másik szilikon csövet pedig a víztartály elmenő ágához csatlakoztatom. A motor képes percenként fél liter vizet keringgetni. Célom az, hogy az induktort megóvja a túlzott felmelegedéstől ( C), viszont a tekercs hőmérsékletét nem kell állandónak tartanom. A szivattyú működésének megfelelőségét mérésekkel ellenőrzöm és ez alapján tudom biztosra mondani, hogy a választott szivattyú megfelel a feladatra. A kiválasztás egyéb oka, hogy olcsó és egyszerű eszköz, melyet könnyedén tudok illeszteni az induktorhoz egy szilikoncső segítségével. Maximális felvett áram 1,6 A 12 V feszültségről táplálva. A működési időt tekintve 10 perc folyamatos működés megengedett, ez után a motort le kell kapcsolni a tápfeszültségről, majd a gyártó által megadott 5 perc elteltével újra működtethető a motor. 5.5 A vezérlőprogram felépítése és megvalósítása A legfontosabb lépés a program megírásához az elvárások ismerete. Összefoglaltam egy táblázatban, hogy a programnak mely feladatoknak kell megfelelni, és milyen beavatkozó készséggel kell rendelkeznie. A következő táblázatban látható az általam meghatározott feladatok összefoglalása. 16. táblázat. A vezérlőszoftver specifikációk Bemenetek kezelése Kimenetek kezelése MOSFET-ek hőmérséklete Munkadarab hőmérséklete Hűtővíz hőmérséklet A vezérlőszoftver specifikációi Vezérlőjel generálás Vezérlőjel tiltás Felhasználói tájékoztatás Hőmérséklet megjelenítés Programok közötti váltás Felhasználóbarát felület Egyszerű, alacsony rendszerigényű program Biztonsági funkciók Túlmelegedés elleni védelem Munkadarab hiány elleni védelem Hibás vezérlőjel elleni védelem Lefagyás elleni vészgomb Az általam megfogalmazott specifikációknak fontos szerepe van, ugyanis ezek határozzák meg a program építőelemeit, és a működésének hatékonyságát. A fent említett célkitűzéseknek egyszerre meg kell felelnie, és időben folyamatosan biztosítani kell a hibátlan működést. A vezérlőszoftver megírásához a National Instruments 55

56 LabView szoftverfejlesztő környezetet választottam, ez kézenfekvő megoldás az általam választott mérőkártya miatt. A program fejlesztése során az egyes blokkok tesztelését is elvégzem, és megvizsgálom, hogy megfelelő-e a működése bizonyos peremfeltételek esetén A program működéséhez szükséges blokkok A LabView fejlesztőkörnyezetben megvalósítható blokkos programozás megkönnyíti a dolgomat, ugyanis vázlat szinten lehet elkészíteni egy jól működő programot. Előre elkészített blokkok segítségével felépíthetők a legbonyolultabb programok is. A következő ábrán mutatom be a program alapját, ami a ki és bemenetek kezeléséért felelős. 44. ábra. A program fő váza A program szerkezetileg két fő egységre osztható. A felső (kékkel jelölt) egység és az alsó (pirossal jelölt) egység. A felső egység felel a vezérlő és beavatkozó jelek kialakításáért, és illeszti a programban megfogalmazott logikai feladatokat a kimenethez. Az analóg kimeneteken négyszög jelet állít elő, ami a MOSFET-ek vezérléséért felel. Itt beállítottam a frissítési frekvencia értékét 400 khz-re, valamint, a kiküldött minták számát 1000-re. A kimenet kezelését tekintve a program folyamatosan frissíti a kimenetet, ugyanis a működés során változtatható a frekvencia értéke, ehhez pedig folyamatos frissítés szükséges. Az alul pirossal jelölt egység valósítja meg a bemenetek kezelését. Itt is folyamatos mintavételi eljárást használok, valamint a frissítési ráta is hasonló. Egy lényeges különbség, hogy hőmérséklet jelek kezelése miatt elegendő jóval kisebb mintaszámot beállítani. A hőmérséklet jelek lassú változása miatt, elegendő pár mintát vételeznem a bemeneten. Mind a generálás és mind az olvasás egy while ciklusban van elhelyezve, aminek megállási feltétele nincs, azaz a program 56

57 futtatását követően csak a leállítás gombbal lehet megállítani. A cikluson belül történik a hőmérséklet értékek és a frekvencia paraméterek kiíratása. A következő és szintén lényeges egység a vezérlőjelek generálásáért felelős blokk. 45. ábra. A vezérlő négyszög jel generálása A MOSFET kapcsolóelemek vezérléséhez szükséges négyszögjel előállításáért felel ez a blokk. Ennek a megvalósításához, egy programban megvalósított jelgenerátor blokkot használok, ami beállítható bemenetekkel rendelkezik. A kimenő jel amplitúdója ezen beállítások szerint 5 V, frekvenciája a felhasználó által meghatározott, 15 khz és 25 khz közötti frekvencia között változtatható. Kitöltési tényezője szintén állítható, ennek azonban csak kalibrációs célja van. A program működése során ez nem változtatható. A kitöltési tényező állítására azért van szükség, mert az illesztőkártyán megvalósított optocsatoló viszonylag lassú a vezérlőjelekhez képest, és ezért a kitöltési tényezővel és az illesztőn megvalósított kondicionáló áramkörrel lehet beállítani szimmetrikusan a vezetési és lezárási időket. A 41. ábrán látható PosWidth visszajelző segítségével tudtam kalibrálni megfelelően a kitöltési tényezőt. Az IR2111 meghajtó áramkör miatt kell félperiódusra szimmetrikus vezérlő jelet alkalmaznom, mert az áramkör előre beállított DeadTime idővel rendelkezik és utólagos jelkorrekcióra nincs lehetőség. A hevítő vezérléséhez két alap programot készítettem. Az egyik az egyszerű manuális hevítés, ahol a felhasználó állíthatja be a hevítési frekvenciát. Ezt célszerű úgy elvégezni, hogy ismerjük a munkadarab és a hevítő tekercs együttes induktivitását, majd a rezonáns kondenzátorok, és induktivitás ismeretében kiszámítjuk a rezonancia frekvenciát és ennek ismeretében vezéreljük a félhidas invertert. Ennek megvalósítása a fejlesztőkörnyezetben egyszerű, a felületen elhelyezett potenciométerrel állítható a frekvencia értéke. 57

58 46. ábra. A manuális hevítést vezérlő egység a felhasználói felületen A hevítés az INDÍT/LEÁLLÍT gombbal engedélyezhető, és hevítés közben állítható a frekvencia. Készítettem egy bonyolultabb hőkezelési funkciót megvalósító programot is, aminek felépítése összetettebb. 47. ábra. A hőkezelés megvalósítása Ennek a hevítési módnak a lényege, hogy beállítok egy minimum és egy maximum frekvencia értéket, ami között a vezérlőjel ingadozik. Az ingadozás lineáris, azaz egy adott frekvenciától nő, majd a maximális frekvencia elérése után visszacsökken a kiinduló értékre. A változási gyorsaság, és a minimális és maximális frekvencia értéke állítható. Ezt a folyamatot valósítja meg a fenti programrészlet. Az eltelt idő függvényében a frekvencia értékét egyre növelem, majd ha elért egy adott frekvencia 58

59 értéket, akkor a CASE struktúra FALSE ága lesz aktív, és a frekvencia értéke csökken. Az aktuális frekvencia értéket kijeleztetem a programmal, valamint a változási gyorsaság beállítható egy virtuális potenciométer segítségével. 48. ábra. A hőkezelés vezérléséért felelős felhasználói felület A működés tesztelését később ismertetem. Természetesen a fokozat rendkívül gyorsara is beállítható. Azért választottam ezt a tartományt, mert oszcilloszkópon vizsgálva a vezérlő jelet még szemmel követhető a változása. A fokozat beállítását tekintve 1. fokozaton a vezérlő jel egy adott frekvenciát 10 másodperc alatt egyszer vesz fel. 5. fokozaton a vezérlőjel egy adott frekvenciát ötször, 10. fokozaton pedig tízszer vesz fel. Ennek ismeretében a rendszer egy adott idő alatt a magasabb fokozaton van többször rezonancia állapotában és itt veszi fel egy adott feszültség mellett a legtöbb áramot. Így ez is egy teljesítményszabályozási eljárás, amit megvalósítottam. 59

60 A következő fontos egység a hőmérséklet mérésért felelős blokk. A megfelelő és biztonságos működéshez mérnem kell a kapcsolóelemek hőmérsékletét, a munkadarab hőmérsékletét és a hűtővíz hőmérsékletét. 49. ábra. A hőmérséklet mérések megvalósítása Az ábrán látható, hogy négy csatorna hőmérséklet jelét olvasom be. Ezeket a hőmérséklet jeleket a MOSFET-ek és a vízhőfok esetében egy KTY érzékelővel állítom elő, a munkadarab hőmérő eleme pedig egy PT100-as hőmérsékletérzékelő. Mindhárom érzékelő, ellenállásos feszültségosztó áramkör része, és az érzékelőn mért feszültség változásából számítom a hőmérsékletet a programban. A legfontosabb feladat a kalibrációs értékek meghatározása. Ezek az értékek alakítják ki a feszültségjelből a program által kiíratott hőmérséklet jelet. A 45. ábrán látható, hogy egy közbenső Basic DC-RMS blokkot is alkalmazok a jelek kiíratásához. Erre az erős zajfeszültség miatt van szükség. A korábbi mérések során megállapítottam, hogy működés közben rendkívül zavarja a tekercs árama a környező elektronikai berendezéseket ezért a programban megvalósítok egy szűrést, ami lehetővé teszi a szűrt hőmérséklet jel kiíratását. A hőmérséklet jelek rendkívül fontos paraméterek a biztonságos működés szempontjából, valamint a megfelelő funkció ellátása miatt. Ezért megfelelő pontossággal kell mérni a hőmérsékletet, hogy a program megfelelően működhessen. A program futásidőjéhez képest a hőmérsékletjelek változása lassú, ezért lekérdezése másodpercenként is elegendő. Azaz másodpercenként pár minta vételével megfelelően követhető a hőmérséklet változása. A következő ábra mutatja be a hőkezelési módban a kiíratott hőmérséklet értékeket. 60

61 50. ábra. A hőmérséklet jelek működés közben a hőkezelési üzemmódban A vízhőfok, valamint a két MOSFET hőmérsékleteinek mérési tartománya azonos, a munkadarab hőmérséklete akár 500 C is lehet. Ezért különböznek a visszajelzők a beállított tartományokban. Az eddig elkészített program képes mérni, a rendszer hőmérsékleteit, képes vezérlőjellel ellátni a hevítőt és megvalósít kétféle teljesítményszabályozást. A felvett teljesítmény szabályozását a frekvencia változtatásával valósítom meg. Az inverteren lévő terhelés modellezhető, mint soros rezgőkör, így egy adott frekvencián impedancia minimuma van. Ennél az impedancia minimumnál lesz a teljesítményfelvétel maximális A vízhűtés szabályozását megvalósító programrészlet 51. ábra. A bemeneti hőmérséklet érték olvasása A KTY es szenzorról érkező feszültség jelet olvasom be a programban. Ez a jel határozza meg a program által generált négyszögjel kitöltési tényezőjét. 61

62 Lényegében impulzusszélesség modulációval valósítom meg a szivattyú fordulatszámának szabályozását, és így a víznek a keringési sebességét. 52. ábra. A szivattyú szabályozásáért felelős programrészlet A beolvasott értéket összehasonlítom a hőmérsékletérzékelő által biztosított abszolút feszültségtartománnyal. Majd ezt elosztom vele és megszorzom 100-al. Így kapom a kitöltési tényező százalékos érétkét. Ez a részlet azonban csak a program futásának első ciklusa után aktív. Ehhez szükséges volt egy kezdeti értéket megadnom, hogy a program futása közben ne jelezzen hibát. Így az induktor hőmérsékletének szabályozása folyamatos és 35 C érték felett kapcsol a keringgető szivattyú. A hőmérséklet küszöbértékek az 52. ábra jobb alsó sarkában lévő CASE struktúrában elhelyezkedő értékekkel kalibrálhatók. 5.6 A vezérlőprogram tesztelése Elsőként a manuális hevítést teszteltem, hogy a beállított vezérlő frekvencia megfelelően megjelenik-e, az illesztő kimenetén. Három különböző frekvencia értéken vizsgáltam a kimeneti jelalakot, két különböző DC tápfeszültség szinten. A mérések során az eddigi mérésekhez képest a munkadarab dimenzióin és az induktor paraméterein változtattam. A tekercs menetszámát 6-ra csökkentettem és a magasságát 4,5 cm-re belső átmérőjét pedig 5 cm-re csökkentettem. A munkadarab külső átmérője 4,8 cm magassága pedig 7 cm. A változtatás oka az volt, hogy más munkadarabbal is 62

63 kipróbáljam a berendezést, és így megvizsgáljam működés közben. A nagyobb frekvenciatartomány kipróbálása is fontos volt számomra, hogy tudjam mik a rendszerem korlátai. A következő ábrán bemutatott összeállítás szerint végeztem a méréseket. 53. ábra. A mérés során használt összeállítás A jobbra látható pohár, a vízhűtő rendszer tartálya, alul a víz keringgetéséért felelős szivattyú, középen pedig a berendezés, a hevítőtekercs valamint a munkadarab található. Megvizsgáltam a kapcsolóelemekre jutó vezérlő jelalakokat, a rajtuk folyó áramot, és a tekercsben létrejövő váltakozó áram jelalakját A kapcsolóelemek és vezérlésük tesztelése 54. ábra. A vezérlő jelalakok 15 khz frekvenciájú vezérlés esetén 63

64 55. ábra. A vezérlő jelalakok 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén 56. ábra. A vezérlő jelalak 25 khz frekvenciájú vezérlés esetén A felül sárgával jelölt feszültség az alsó MOSFET (továbbiakban LSFET) gate-source feszültsége, az alul kékkel jelölt a felső MOSFET (továbbiakban HSFET) gate-source feszültsége. A felfutási idő mindkét vezérlési jelalak esetén közel azonos, 1,5 µs időbe telik. A következő táblázatban ismertetem a vezérlőfrekvenciák mérésének adatait. 64

65 17. táblázat. A HSFET vezérlésének mérési eredményei A HSFET vezérlőjelek méréséi eredményei Frekvencia Felfutási idő Pozitív félperiódus 15 khz 1,631 s 31,02 s 20 khz 1,675 s 25,02 s 25 khz 1,514 17,58 s A LSFET vezérlőjelek méréséi eredményei Frekvencia Felfutási idő Pozitív félperiódus 15 khz 1,549 s 32,55 s 20 khz 1,557 s 25,86 s 25 khz 1,520 s 19,21 s Az eredmények azt mutatják, hogy a felfutási idők közel azonosak, ezért a vezérlőjel paramétereiben állandó, a program jól biztosítja a vezérléshez szükséges négyszög jeleket. A pozitív félperiódus időkből következtetek a MOSFET-ek vezetési idejére, azaz ebből megállapítható, hogy a vezetési idők közel azonosak, a terheléseloszlás szimmetrikus a két félvezetőn. Ez rendkívül fontos, ugyanis aszimmetrikus teljesítményeloszlás esetén a félvezetők különböző módon melegednének, ami hőmegfutáshoz, és ez hibás működéshez vezetne. 25 khz frekvencián az felső MOSFET kevesebb ideig van vezetésben, mint az alsó, ez itt okozhat némi gondot, azonban a vezetési időbeli különbség a periódusidőhöz képest elhanyagolható. A következő mérések során terhelés alatt vizsgáltam az egyes teljesítményfélvezető elemek feszültség és áram jelalakjait, különböző feszültségszinten, különböző frekvenciájú vezérlőjelek esetén. 65

66 57. ábra. A HSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 15 khz frekvenciájú vezérlés esetén 58. ábra. A HSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén 66

67 59. ábra. A HSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 25 khz frekvenciájú vezérlés esetén Az árammérést egy induktív áramérzékelővel végeztem, amelynek állandója 100 mv/a. Az oszcilloszkópon beállítottam ezt az osztást és így jelenítettem meg az áramértéket. A mérés során a rendszer tápfeszültsége 10 V feszültségű volt. Az alábbi táblázatban szemléltetem a mérési adatokat. Az 57. és 59. ábrán látható negatív áramok a MOSFET védődiódájának az árama, ami az induktív terhelés visszahatásából származik. 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén az áram jelalakján látható, hogy a rezonancia állapotához közel van a rendszer, a visszaindukálás nem látszik a képernyőn és az áram jelalakja is közel tökéletesnek tekinthető. 25 khz-es vezérlés esetén az áram alakban jelentős torzulások lépnek fel, a visszáram értéke már nem elhanyagolható mértékű, sőt viszonylag rövid idő alatt zajlik le, ezért komoly veszteségeket okoz. Az áram effektív értékét tekintve 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén a legmagasabb 8,97 A. Az LSFET értékeit is megvizsgáltam oszcilloszkóppal, és a következő eredményeket kaptam. 67

68 60. ábra. A LSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 15 khz frekvenciájú vezérlés esetén 61. ábra. A LSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén 68

69 62. ábra. A LSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 25 khz frekvenciájú vezérlés esetén A LSFET árama 15 khz frekvenciájú működés esetén nagyobb, mint HSFET árama, ebből arra következtetek, hogy alacsony frekvencián van némi aszimmetria a vezetési időben. Ez nagyobb terhelő áramok esetén gondot jelenthet. Egyértelműen látszik az is, hogy LSFET pozitív félperiódusa nagyobb, mint HSFET-é, ebből adódik a nagyobb effektív áramérték. 18. táblázat. A kapcsolóelemek árama és teljesítménye 10 V tápfeszültség esetén HSFET árama és kapcsolt teljesítménye Frekvencia [khz] Effektív áram [A] Kapcsolt teljesítmény [W] 15 khz 5, khz 8,97 89,7 25 khz 7,39 73,9 LSFET árama és kapcsolt teljesítménye Frekvencia [khz] Effektív áram [A] Kapcsolt teljesítmény [W] 15 khz 6,28 62,8 20 khz 8,85 88,5 25 khz 7,56 75,6 A táblázatban összefoglalt adatokból látható, hogy alacsony frekvencián komoly gondot jelent az aszimmetria. Az alsó MOSFET kapcsolt teljesítménye 10 W-al több mint a felső MOSFET-é. A kapcsolt teljesítmény itt az a teljesítmény, ami a tekercsre jut. A 69

70 tekercsre jutó teljesítményt kapcsolják a MOSFET-ek. Ez nagy teljesítmény esetén komoly gondot jelenthet. A 20 khz és e fölötti frekvenciákon a teljesítményeloszlás szimmetrikusnak mondható. A következő mérés során ugyan ezeket a paramétereket vizsgáltam, de 15 V-os rendszerfeszültség mellett. 63. ábra. A HSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 15 khz frekvenciájú vezérlés esetén 64. ábra. A HSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén 70

71 65. ábra. A HSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 25 khz frekvenciájú vezérlés esetén Az eredmények hasonlóak, a kisebb tápfeszültségen mért eredményekhez, a különbség az effektív áramértékben van. A mérés során itt is a 20 khz-es vezérléshez tartozó áramérték a legnagyobb, itt veszi föl a tekercs a legnagyobb teljesítményt. Azért hogy a szimmetriát itt is megvizsgáljam az LSFET-en is elvégeztem a fenti méréseket. 66. ábra. A LSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 15 khz frekvenciájú vezérlés esetén 71

72 67. ábra. A LSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén 68. ábra. A LSFET GS feszültsége (sárga) és drain árama (kék) 25 khz frekvenciájú vezérlés esetén Az összehasonlítást elősegítendő táblázatot készítettem ezekből a mérési eredményekből is. 72

73 19. táblázat. A kapcsolóelemek árama és teljesítménye 15 V rendszerfeszültség esetén HSFET árama és kapcsolt teljesítménye Frekvencia [khz] Effektív áram [A] Kapcsolt teljesítmény [W] 15 khz 8, khz 14, khz LSFET árama és kapcsolt teljesítménye Frekvencia [khz] Effektív áram [A] Kapcsolt teljesítmény [W] 15 khz khz 14,3 214,5 25 khz 10,1 151,5 Látható, hogy 15 khz frekvencián egyre komolyabb aszimmetriát okoz a nagyban különböző vezérlő feszültség. A teljesítmény különbség itt már 24 W. Erre a problémára megoldást kell találni, hogy üzembiztosan tudjon működni a hevítő berendezés minden frekvencián, és hogy a félvezetők melegedése azonos legyen. Az is kiderül a mérésből, hogy 20 khz feletti frekvencián megfelelően működik a hevítő, a teljesítmények közel azonosak és így a melegedés is azonos mértékű, a működés kellően szimmetrikus Az induktor viselkedésének meghatározása, átmeneti jelenségek Az új induktor munkadarab rendszeren is elvégeztem az áram jelalakjának és effektív értékének meghatározását. 69. ábra. A HSFET vezérlőfeszültsége és az induktor árama az idő függvényében 73

74 Az áram 24,6 A nagyságú, közel szinuszos jelalakú. A vezérlőjel frekvenciája 20 khz így az áram frekvenciájának alapharmonikusa is ezt az értéket veszi fel. Az áram jelalakjából az is kiderül, hogy közel van a rezonancia állapotához, de jelentős harmonikus tartalommal bír. Megvizsgáltam még 15 khz és 25 khz esetén is az áramjelalakot. 70. ábra. Az áram jelalakja 15 khz (balra) és 25 khz frekvenciájú vezérlés esetén Ezekben az esetekben, az áramjelben jobban feldúsul a harmonikus tartalom. Ez veszélyeztetheti a tápegység kimeneti fokozatát, ezért célszerű nagy áramterhelhetőségű kimeneti pufferkondenzátorokat alkalmazni a tápegység kimenetén. Az is látható, hogy az áramok effektív értéke mindkét esetben kisebb, mint a 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén, így biztosan a 20 khz-es vezérléskor adódik a legnagyobb teljesítményfelvétel. Rendkívül fontos tényező, hogy a rendszer, hogyan válaszol a bekapcsolásra. Ezt az átmeneti állapotot mindenképp meg kell határozni, hogy a rendszerről átfogó ismeretekkel rendelkezzek. 71. ábra. A bekapcsolási áram idő függvény (kék) és vezérlő feszültség függvény (sárga) 74

75 A bekapcsolás pillanatában a vezérlőjel ingadozik, és így az áram jelalakja is kiszámíthatatlan. Célszerű lenne egy programrészlet megvalósítása, ami kiszámíthatóvá teszi a bekapcsolás jelenségét, és biztosan nem okoz átmeneti zavarokat a vezérlő jelben. A tranziens lezajlása után a rendszer megfelelően beáll a rezonancia állapotába. Ez a tranziens 20 khz-es vezérlőjel esetén 150 µs-ig tart el A programban implementált hőmérsékletmérés hitelesítése A következő tesztelési fázis a hőmérséklet jelek hitelesítése. Ehhez a FLUKE 54 II B digitális hőmérsékletmérőt használtam, ami képes -55 C-tól 350 C-ig mérni egy K típusú hőelemmel. 100 C felett képes ±0,05 %-os pontossággal mérni, ami számomra elegendő a hitelesítéshez. A korábbiakban már ismertettem a hőmérséklet mérő elemek paramétereit, pontossági jellemzőit, ezért következőkben csak a mérési eredményeket ismertetem. Rögzítettem a programban mért értéket, és a multiméter által mutatott értéket, majd ezeket összehasonlítottam és meghatároztam egy kritikus pontosságot, amin belül marad a hiba. Három különböző hőmérsékleten mértem úgy, hogy a félvezetők hűtéséért felelős ventilátorokat leállítottam, hogy mihamarabb elérjék az általam választott hőmérséklet értéket. 20. táblázat. A teljesítményfélvezetők hőmérsékletének mérési eredményei Programban mért hőmérséklet [ C] Kapcsolóelemek hőmérsékletének mérése HSFET LSFET Programban Multiméterrel mért mért hőmérséklet hőmérséklet [ C] [ C] Multiméterrel mért hőmérséklet [ C] 45,23 43,25 42,4 41,5 60,12 57,87 60,84 58,21 78,23 75,3 79,2 77,3 Pontosság: ±4 C Pontosság ±3 C A mérési eredmények azt mutatják, hogy az általam megvalósított hőmérsékletmérés az adott méréshatárok között a legrosszabb esetben is ±4 C pontossággal meghatározza a hőmérsékletet. Ez kijelzési és biztonsági szempontból elegendő, a program hőmérsékleti reteszfeltételeit ehhez mérten kellett beállítanom. 75

76 A munkadarab hőmérsékletének mérése is fontos feltétel a programban, ezért ezt is hitelesítenem kellett, hogy a program megfelelő működésérő megbizonyosodjak. 21. táblázat. A munkadarab hőmérsékletmérésének hitelesítése Munkadarab hőmérsékletmérése Programban mért hőmérséklet [ C] Multiméterrel mért hőmérséklet [ C] 100,72 102,4 150,27 149,85 201,22 204,3 250,25 246,44 300,42 296,46 350,26 344,28 Pontosság: ±6 C A PT100-as hőmérséklet érzékelővel mért egység valamivel tágabb pontossági határral rendelkezik. Ennek oka, hogy a szakirodalom által javasolt linearizáló áramkört nem alkalmazom a méréshez, csak egy egyszerű feszültségosztóba van beépítve a PT100-as érzékelő. Így méréstartomány felső tartományában a hőmérsékletmérés pontatlanná válhat, mint alacsony tartományban. A ±6 C azonban így is megfelelően pontos a mért hőmérséklethez képest. Kijelenthető, hogy az általam megvalósított hőmérsékletmérés megfelelő és a hitelesítés során helyt állt. A végső hőmérsékletmérési modul felel a vízhőmérséklet figyeléséért, és a keringgető szivattyú szabályozásáért. Ennek is kellő pontossággal kell tájékoztatnia a felhasználót és a programot a vízhőfok értékéről. 22. táblázat. A hűtővíz hőmérsékletmérésének hitelesítése Hűtővíz hőmérséklet mérése Programban mért hőmérséklet [ C] Multiméterrel mért hőmérséklet [ C] 30,42 27,88 40,25 42,29 50,91 52,33 60,88 61,15 70,74 71,22 Pontosság: ±3 C 76

77 A mérés során választott méréshatárt az indokolta, hogy a vízhőmérséklet ne érje el a 80 C-ot, hogy a víz kellő hűtést tudjon biztosítani az induktornak, és a szivattyú motorját se melegítse komoly mértékben. A működés során tapasztaltak szerint a vízhőmérséklet egyszer sem haladta meg 62 C-ot, ezért úgy vélem a maximum 70 C-ig mérés elegendő. A pontossági jellemzők a KTY érzékelőnek megfelelnek, és a program megfelelően méri a vízhőfokot. Ennek értelmében az általam hardveresen és szoftveresen megvalósított hőmérsékletmérés kellő pontossággal biztosítja az adatokat a felhasználó és a program számára A vízhűtő rendszer működésének bemutatása A vízhűtő egység vezérléséért felelős jelalakokat vizsgáltam. A következő ábrákon bemutatom a különböző hőmérsékletértékek esetén mérhető kitöltési tényezőt. 72. ábra. A kitöltési tényező alap állapotban Újfent megemlítem, hogy a megfelelő vezérléshez invertált vezérlő jel szükséges, ezért látható hogy hideg vízhőmérséklet esetén (35 C) a vezérlőjel 80 %-os kitöltési tényezőjű. 77

78 73. ábra. A kitöltési tényező értéke 50 C vízhőmérséklet esetén Ezen az ábrán már jól látható, hogy a kitöltési tényező értéke csökkent 45 % körüli értékre. Ebben az esetben a motor 0,3 l vizet keringget percenként. 74. ábra. A kitöltési tényező értéke 70 C vízhőmérséklet esetén Ez a szabályozási tartomány maximuma. Mint azt már írtam a működés során a rendszer sosem érte el ezt a vízhőfokot, csak tesztelés céljából teremtettem olyan körülményeket, hogy 70 C hőmérsékletű legyen az induktor hűtővize. A fent látható vezérlőjel esetén a szivattyú teljesítménye csaknem maximális, a felvett árama 1,3 A. 78

79 6. A SZIMULÁCIÓS ÉS MÉRÉSI EREDMÉNYEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA 6.1. A kapcsolóelemek szimulációs és mérési eredményeinek összehasonlítása A berendezés tesztelését mondhatni ideális körülmények között végeztem, hogy az a szimulációs eredményekkel összehasonlítható legyen. A mérés során a berendezést egy egyenáramú tápegységgel tápláltam meg, amely képes 40 V feszültség mellett 30 A egyenáramot biztosítani. Az összehasonlítást egyszerűsítendő a mérési és szimulációs eredményeket egy ábrán fogom bemutatni egymás mellett, hogy az összehasonlítás még egyszerűbb legyen. Elsőként a kapcsolóelemre jutó feszültséget és áramot vizsgálom meg, hogy egyezik-e a szimulációs eredményekkel. 75. ábra. A MOSFET-re jutó DS feszültség szimulációs eredménye 76. ábra. A MOSFET drain áramának szimulációs eredménye 79

80 A fenti ábrákon látható eredmények maximális terhelés mellett lettek meghatározva, azaz a tápfeszültség 25 V és a felvett áram 16 A. A mérés során az eredmények kissé másként alakultak. 77. ábra. A MOSFET feszültsége (felül) és árama (alul) Teljes terhelés esetén az indukált feszültségcsúcsok meghaladják a 70 V-ot is, ez azonban a 200 V-os maximális megengedett értékbe bőven bele fér. Az áram érték csúcsa a 34 ampert is meghaladja, ez azonban csak átmeneti, effektív értéke 17,6 A. Mind jelalakban mind értékekben a mért adatok eltérnek a szimulációs eredményektől, ez azonban a működés szempontjából nem jelent akadályt Az induktor áramának szimulációs és mérési eredményeinek összehasonlítása Következő lépésben a tekercsen végzett szimulációkat és méréseket hasonlítottam össze. Összehasonlítottam három különböző frekvencián a szimulációs és mérési eredményeket. 80

81 78. ábra. A tekercsen kapott szimulációs (balra) és mérési eredmények (jobbra) 15 khz frekvenciájú vezérlés esetén Az ábrán látszik, hogy az áram jelalakja mutat némi hasonlóságot, azonban amplitúdóban kissé különbözik. A szimuláció szerint teljes terhelés esetén alig 20 A áram folyik a tekercsen, a mérés során azonban kiderül, hogy ez az áramérték jóval magasabb. Valószínűnek tartom, hogy a szimulációs program nem megfelelően veszi figyelembe a soros ellenállásokat az egyéb veszteségi tényezőket. Az is fontos, hogy a szimulációban tökéletesen szimmetrikus vezérlőjelek hatására folyik ilyen áram, a valós mérés során ezt a tökéletes szimmetriát nem tudom biztosítani. 20 khz frekvencia esetén már sokkal pontosabb eredményeket kaptam. 79. ábra. A tekercsen kapott szimulációs (balra) és mérési eredmények (jobbra) 20 khz frekvenciájú vezérlés esetén Ezekből az eredményekből már jól látszik, hogy a szimuláció megjósolja a rezonanciában való működést, és az áram csúcsértékének számítása is pontosabb. Magasabb frekvencián szintén a szimulációs eredményhez hasonló mérési eredményt kaptam. 81

82 80. ábra. A tekercsen kapott szimulációs (balra) és mérési eredmények (jobbra) 25 khz frekvenciájú vezérlés esetén Az áram csúcsértékét jól becsüli meg a szimuláció, ami 20 A körüli, viszont a jelalakot illetően némi eltérést tapasztaltam. A programot nem tudtam úgy beállítani, hogy számoljon a vasban tárolt mágneses energiával, és nem tudtam bevinni egy adott vasmag hiszterézis görbéjét. Úgy vélem a pontos áramjelalak meghatározásához végeselemes módszert használó programok lennének alkalmasak, vagy kimondottan indukciós melegítőhöz fejlesztett szimulációs programcsomagok. Az összehasonlításból levonható az a következtetés, hogy pontos jellemzők meghatározására a program nem volt alkalmas, viszont jó becslést adott a valóságban tapasztalható értékekről. Mindez persze a tekercs áramára vonatkozóan. Ugyancsak fontos, hogy a tranziens viselkedés szempontjából hogy zajlik le a folyamat a szimuláció szerint. 81. ábra. A tekercs áramának szimulációs (balra) és mérési (jobbra) eredménye bekapcsoláskor 82

83 Az ábrákból kiderül, hogy az időállandó jól megállapítható szimuláció segítségével, ugyanis mindkét esetben az átmeneti állapot körülbelül 100 µs ideig tart. Mindkét esetben 25 V a rendszer feszültsége, ez határozza meg az áram értékének maximumát. Így kijelenthető, hogy az időállandó számításának tekintetében a program viszonylag pontosan számol Hőkamerás felvételek bemutatása az induktor-betét rendszerről Hőmérsékletváltozással kapcsolatos szimulációkat nem végeztem a tervezés során, viszont érdekesnek tartom a rendszerről készült hőkamerás felvételek bemutatását. Ezzel is bizonyítani kívánom, hogy az általam tervezett és kivitelezett rendszer megfelelően és kiszámíthatóan működik. 82. ábra. Az induktor-betét rendszer hőkamerás felvétele oldalnézetből Az ábrán látható 6 menetes induktor és hevítendő munkadarab látható. A vas hőmérséklete 167 C, míg az induktor hőmérséklete körülbelül 45 C. Itt jól látszik, hogy a vízhűtésért felelős egység is megfelelően teszi a dolgát, ugyanis az induktor és a vastest rendkívül közel helyezkedik el egymáshoz képest. A kamera korlátai miatt magasabb hőmérsékleti tartományban nem tudtam elvégezni a mérést, viszont készítettem további képeket a berendezésről különböző nézetben. 83

84 83. ábra. Az induktor-betét rendszer hőkamerás felvétele felülnézetből Az elért hőmérséklet maximuma itt már 144 C és jól látszanak a mérési és megfogási pontok. Ezen pontok anyaga más, mint a hevített vastesté, ebből következik, hogy más hővezetési együtthatóval rendelkeznek. A következő ábrán látható felvétel a nagyteljesítményű félvezetőkről készült. 84. ábra. A MOSFET-ek hőképe hevítés közben Az ábrán látható világoskék felületek a MOSFET-ek háza, valamint az összekötő vezetékek felmelegednek a működés során. A kamera segítségével átvizsgáltam az érintkezéseket, valamint a kritikus egységeket (táp IC, kondenzátorok) túlmelegedés 84

85 után kutatva. A vizsgálat során nem találtam az átlagosnál magasabb hőmérsékletű elemet. A mérés során készítettem az összeállításról nem hőkamerás felvételeket is. Ezeket ismertetem a következő ábrákon. 85. ábra. A mérési összeállítás működés közben A próbapadon elhelyezett áramkörök és nagy teljesítményű kapcsolóelemek működés közben láthatóak az ábrán. Jobb oldalt alul az induktor a munkadarab és az árammérő látható. 86. ábra. A vízhűtő kör csatlakozása a rendszerhez Jobbra, valamint balra látszanak a nagy teljesítményű rezonáns kondenzátorok és középen az illesztő áramkör. Az induktorhoz csatlakozó sorkapcson keresztül van megfogatva a vízcső, valamint az áramvezető elektródák. 85