Pitanje:
Indukcijsko kuhalo - vrlo nepravilna krivulja prijenosa snage
swineone
2016-04-07 04:41:53 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dizajnirao sam rezonantni pretvarač klase D za upotrebu u aplikaciji za indukcijsko kuhanje koji prikazuje neobično ponašanje u svojoj izmjerenoj krivulji struje i frekvencije. Topologija, prikazana u nastavku, u osnovi je serijski RLC krug napajan naponom kvadratnog vala.

Class D series resonant inverter topology

Konstruirani sklop u velikoj je mjeri zasnovan na staroj demonstracijskoj ploči za indukcijsko kuhanje ST, broj dijela STEVAL-IHC001V1:

Picture of STEVAL-IHC001V1

Schematic of STEVAL-IHC001V1

U ovoj topologiji, kontrola snage postiže se promjenom frekvencije prebacivanja, a ne radnog ciklusa. Teoretska krivulja trenutne frekvencije prikazana je na donjoj slici:

Theoretical current-frequency curve

Iz razloga koji su drugdje bolje navedeni, rad se preporučuje samo sa \ $ f / f_0 > 1 \ $. Radom otvorene petlje pretvarača i pomeranjem frekvencije u rasponu od \ $ 1,4 \ less Approx f / f_0 \ less Approx 2,7 \ $, u praksi se dobiva sljedeća krivulja strujne frekvencije:

Current-frequency curve found in practice

Iako bi se očekivalo određeno odstupanje od teoretske, potpuno glatke krivulje, krivulja je osjetno nepravilna, a u nekim slučajevima postoje prilično široka područja u kojima nagib krivulje mijenja znak, što u našoj petlji za kontrolu temperature rezultirao bi, barem privremeno, pozitivnom, a ne negativnom povratnom informacijom.

Neka ispitivanja provedena su kako bi se točno utvrdio izvor tih nepravilnosti, ali čini se da nijedno nije imalo zamjetnog učinka na oblik krivulje:

  • Postavljene su posude različitih geometrija i volumena;
  • Induktori različitih geometrija (okrugli, kvadratni sa zaobljenim kutovima);
  • PCB s znatno različitim izgledima;

Nemajući prethodno iskustvo s indukcijskim štednjacima, nemam pojma hoće li se te nepravilnosti otkriti ili simptom pogreške u dizajnu. Možda neki neočekivani način rezonancije u našem krugu ili neidealnosti u komponentama (tj. Induktivitet ili kondenzator koji mijenja vrijednost s primijenjenom frekvencijom). Možda glavni kondenzatori koji se koriste u krugu (C11 i C12 u gornjoj shemi, Mouser PN 871-B32914A5684M) nisu prikladni za ovu aplikaciju.

U završnici: Tražim prijedloge drugih potencijalnih izvora pogrešaka u krugu / sustavu koje bih mogao testirati i popraviti kako bih potencijalno pomogao u izglađivanju nepravilnosti, ili uvjeravanje da nepravilnosti ne treba brinuti.

AŽURIRANJE : kao odgovor na komentar Andyja aka, iako ne vjerujem da postoje pogreške u mjerenju, trebao bih spomenuti da postoji velika mjerna buka. Grafikon je generiran primjenom svake zadane frekvencije na zavojnicu tijekom 10 glavnih polu-ciklusa i prosječnom vršnom strujom izmjerenom za svakog od ovih 10 polu-ciklusa. Instrumentacijski krug je strujni transformator u seriji sa zavojnicom, nakon čega slijedi visoko precizni krug detektora vrha.

Da bismo bolje prikazali učinak mjernog šuma, evo crteža sirovih podataka (nije izvršeno usrednjavanje ), u rasponu od \ $ 2 \ less Approx f / f_0 \ less Approx 2.7 \ $. Jasno se može vidjeti da su određeni rasponi unutar grafikona "deblji", što znači da su trenutna očitanja, dok su primjenjivali ove frekvencije na zavojnicu, bila bučnija.

Raw current-frequency data showing measurement noise

Međutim, želio bih još jednom naglasiti da ne vjerujem da je to samo učinak pogreške mjerenja. Jedno od provedenih ispitivanja bilo je priključivanje osciloskopa na sekundarni strujni transformator i mjerenje napona od vrha do vrhunca tijekom pomeranja frekvencije pretvarača. Budući da je izmjenjivan valni oblik izmjenične struje, pogreške se ne mogu pripisati visoko preciznom krugu detektora vrha. Iako nisam zabilježio mjerenje, jasno se prisjećam da se napon od vrha do vrha nije monotono povećavao smanjenjem frekvencije, već je pokazivao učinke koji su u skladu s onima prikazanima na krivulji trenutne frekvencije (tj. Područja napon se povećavao, a zatim malo smanjio i opet počeo rasti, sa sve manjom frekvencijom).

AŽURIRANJE 2 : Jučer sam sondiranjem mreže osciloskopom otkrio da valni oblik ima neka vrlo vidljiva izobličenja koja prelaze u napon istosmjerne veze mog kruga (oprostite, nisam slikala). Smatrao sam da bi to moglo objasniti dio nepravilnosti, pa sam stoga odlučio krug napajati istosmjernim naponom, a ne mrežom. Nažalost, sve što imam ovdje je 60 VDC, ali mislim da su rezultati prilično blistavi:

Frequency sweep results with DC voltage fed to circuit

Frekvencija je pomerena s 23 kHz do 70 kHz, a prikazani su sirovi podaci. Većina nepravilnosti je nestala, vjerojatno zbog čišćeg napona (a možda i zbog činjenice da je istosmjerni, a ne mrežna frekvencija). Međutim, još uvijek postoje tri jasna padova na oko 25 kHz, 32 kHz i 45 kHz. Moram priznati da sam u početku bio sumnjičav prema komentarima @ Marle o harmonikama, ali sada sam zaintrigiran. Može li netko pretpostaviti koji je aspekt sklopa / sustava odgovoran za ove padove?

AŽURIRANJE 3 : Pokušao sam koristiti i drugu zavojnicu (različita geometrija, ali slična induktivnost) kao variranje udaljenosti između zavojnice i posude. Rezultati u nastavku:

enter image description here

Plava linija označava različitu zavojnicu, dok crvena i crna linija koriste istu (izvorna zavojnica), ali s različitim udaljenostima zavojnice (crna ima zavojnicu bliže ploči). Iako postoje razlike u trenutnim vrijednostima, padovi se pokazuju na gotovo istim frekvencijama. Meni ovo sugerira da kakav god da je ovaj fenomen, on potječe iz sklopa, a ne na razini sustava. Komentari su dobrodošli.

Pokušajte prikazati centriranu rezonantnu krivulju i dvaput provjerite kako ste mjerili vrijednosti.Ne bi trebao izgledati tako zrnato i vjerujem da su krivci pogreške u mjerenju.
@Andyaka.Ako dobro pročitam vaš komentar, OP neće htjeti prikazati centriranu krivulju jer bi to zahtijevalo rad ispod rezonancije (nije zdravo za sklop).
Doista, zaboravio sam to istaknuti.Hvala @Marla.
@swineone - Jeste li uvjeravali da je temperatura opterećenja bila jednaka za sva mjerenja?Kao što je stavljanje vode u teret i osiguravanje stabilne temperature.
Zapravo je izvršeno nekoliko čišćenja u nizu dok se teret zagrijavao.Tijekom crtanja preklapajućih parcela svakog premetanja, postojale su male razlike, ali oblici su uvijek bili vrlo slični i činilo se da nisu u korelaciji s temperaturom (tj. U osnovi slučajni).Također, postupak izvođenja čišćenja vrlo je brz u odnosu na toplinsku vremensku konstantu, tako da unutar jednog pomeranja dolazi do promjena temperature, ali prilično ograničenih.
Očigledno je rezonantna frekvencija oko 17,5 kHz.Čini se da su bliskovi odvojeni za oko 4 kHz.(očito vidljiv 2. i 3. harmonik mogu se vidjeti).Ispravljački filtar (80 uHy i kondenzatori) izgleda kao da je rezonantni oko 1 kHz.Možete pokušati povećati veličinu prigušnice (udvostručiti je privremeno).Ali bljeskovi na 2. i 3. harmoniku ostat će.
Ako namjeravate koristiti prosječnu struju za povratnu vezu upravljačke petlje, da, možete naići na probleme (kao što ste istakli) prilikom prolaska kroz 2. i 3. harmonik.Stavite početnu frekvenciju ispod 2. harmonika, ili će vam trebati puno duže usrednjavanje izlazne struje u povratnu petlju.
Koji ste CT koristili?I dalje sam za mjerne pogreške, a @Marla, rezonantni vrh i dalje može biti dvostrani, ali uz značajno smanjenu pogonsku energiju.Također, koji je približni frekvencijski raspon koji namjeravate koristiti?
@Andyaka - Slažem se da je pogreška mjerenja velika mogućnost.Glavna pogreška na koju sam pomislio je ako je frekvencijski pometač nepravilan i tako izlaz grafa odgovara pogrešnoj frekvenciji sa strujom.Također, izlazna struja postaje trokut (nesinusoidan) dok se krećete iznad rezonancije.
Žao nam je što nisam odgovorio ranije.Što se tiče trenutnog transformatora, ovdje sam već postavio pitanje: http://electronics.stackexchange.com/questions/198153/current-transformer-minimum-frequency.Unatoč činjenici da je ocijenjen na najmanje 50 kHz, to je bio jedini dio koji sam pronašao po razumnoj cijeni, a kako je raspravljeno u tom pitanju, nejasno je što bi ga spriječilo da radi na ~ 20 kHz i više.Također, ako bi postojao problem, teško mi je vidjeti kako bi to moglo dovesti do ove vrste nepravilnosti na valnom obliku.
@Marla Nisam siguran slijedim li razloge o 2. i 3. harmoniku.Krug je RLC opsežni filtar, ima vrh na rezonantnoj frekvenciji i glatko odvođenje, kao što je prikazano u teorijskoj krivulji.Barem u teoriji ne vidim da se nešto posebno događa na višekratnicima rezonantne frekvencije.Iz vašeg opisa čini se kao da se ponaša otprilike kao filtar za češalj, ali poznajem samo digitalne, a ne analogne filtre za češalj.
Što se tiče frekvencijskog čišćenja: Koristim mikrokontroler (taktiran kristalom od 30 ppm, tako vrlo stabilan u frekvenciji) i interni timer za generiranje tih valnih oblika.Izmjerio sam osciloskopom i oni točno odgovaraju frekvenciji koju tražim.Postupak koji slijedim je odabir frekvencije, puštanje kruga da radi sljedećih 10 mrežnih polucikla, dok mjeri vršnu struju za svaki polucikl, a zatim prelazak na sljedeću frekvenciju (koja je, BTW, samo 50 Hz zaprikazana prva krivulja i 1 Hz za krivulju dodanu u ažuriranju).
Jedan odgovor:
payala
2016-04-09 22:51:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Imam tu sreću da na radu imam Bode 100 Vector Analizator mreže (radim u Omicron Electronics), pa sam navikao mjeriti frekvencijske odzive uređaja i impedanciju preko frekvencije za mnoge krugove.

Od njih su meni najzanimljiviji rezonantni krugovi, ali ovo što vidite za mene nije potpuno čudno. Sasvim je normalno vidjeti neke od ovih "neidealnih" efekata kada provodite neko mjerenje, a to je obično zbog parazita.

Kapaciteti namotavanja, parazitski kapacitivnosti i induktivnosti u stupnju snage i kapacitivnosti curenja općenito, kao i parazitske induktivne spojnice između komponenata, a također i od kruga do kućišta ili zemlje, obično nemaju značajan učinak, ali kada izvršite pomicanje frekvencije, oni ponekad rezoniraju sa komponentama u krugu i možete imati neke lokalne manje rezonancije koje mijenjaju očekivanu "idealnu" impedanciju izmjeničnog napona vašeg kruga.

Nisam baš siguran da ćete imati problem s upravljačkom petljom, mogli biste naići na oscilacije lokalnih frekvencija , ali ionako su to lokalne oscilacije. Ali ako se to zaista pokaže kao problem, ono što bih učinio je kvantizirati skup frekvencija koje možete odabrati tako da budu dovoljno udaljeni da osiguraju monotonost.

Da biste izbjegli izlaznu "hrapavost" koju bi takva kvantizacija proizvela, možete oporaviti dio fino zrnatog pogona izmjenjujući različite frekvencije na način poput pwm-a. Tj. Da biste dobili snagu koja bi odgovarala srednjoj točki između dvije frekvencije, mogli biste raditi pola vremena na svakoj frekvenciji.

+1.Slično ponašanje uočava se u topologijama rezonantne pretvorbe snage kao što je LLC - dodatne rezonancije zbog parazita, rasporeda i drugih čimbenika koje jednadžbe modela pretvarača ne uzimaju u obzir.


Ova pitanja su automatski prevedena s engleskog jezika.Izvorni sadržaj dostupan je na stackexchange-u, što zahvaljujemo na cc by-sa 3.0 licenci pod kojom se distribuira.
Loading...