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2015年6月28日日曜日

Single ended induction heater その1

こんばんは。

最近自励式に非常にハマっていて特にIHの回路を考察してました。ちょっと前まではPFCを作っみたんですが、出力電力を測ろうとして電子負荷つないだら配線ミスって回路燃やしてしまいまして…それからPFCはいじってません()まあ自励だけだと面白く無いのでZVSとかZCSなる損失低減の工夫もしています。あと、僕はマイコンを使う技術がほぼ0なので全部ディスクリートで組みます。ということで今日は自励式シングルドライブZVS高周波誘導加熱装置について書こうと思います。

まず回路の大まかな構成はこんな感じです。
非常に簡単な構成です。※よく考えたらZVS検出っておかしくね?ゼロボルト検出じゃね。
書き忘れましたがフリップフロップはZVS検出でセット、電流が閾値超えたらリセットです。
電流の閾値を可変することで実質的に素子のON時間を可変しパワーを制御できます。
ZVS検出は素子がオフしたあと、一回コイルのエネルギーで電圧が立ち上がって、降りてきて0になったところでもう一度素子をトリガするので、その降りてきて0になった瞬間を検出するだけです。
動作波形を見て行きましょう。

まずコレクタ電圧波形です。
X10倍のプローブなのでコレクタ電圧は最大55Vくらいでしょうか。
この時の電源電圧は15Vくらいだったと思います。
お気づきの方もおられるかと思いますがターンオンが若干速い気がしますね。
コレクタ電圧が最大を超えて下降して0になるちょっと前にストンと落ちています。
コンパレータで検出する際に若干コレクタ電圧を低めに検出しているのでそのせいだと思います。
これは制御電源をあとで入れた場合に初期状態でスイッチングが始まらないこと心配して低めに検出させました。ここからもう少し素子のターンオンを遅らせるといい感じになりそうです。
次に、CTで検出しているコレクタ電流です。
CTで検出してる割には綺麗に検出できてる気がします(?)。図中にあるように周波数は23KHz後半ですね。コイルに電流が流れて一定の上昇率で上昇して、閾値超えたら素子をターンオフしている様子がわかりますね。

これらから生み出されるゲート駆動波形です。
C1815とA1015のプッシュプルなので特にうまいことスイッチングできてるわけではないようです。欲をいえばもっとスパッと立ち上がって、ON電圧も18Vくらいは欲しいです。改良が必要です。40Wくらいの入力電力では発熱箇所はほぼ無いくらいでした。200Wくらいまで入力電力を上げるとスイッチング素子が下のような放熱板をつけて自然空冷でしたがほんのり暖かい程度でした。
損失は低く抑えられているようです。

さて、ここまでは直流の電源装置に接続して実験しました。
モアハイパワーを求めたいのでAC100V電源を整流して電源を得たいところですが、商用電源は交流なので整流してデカい平滑コンデンサを噛ませて入力してやれば良いわけです。
が、こうすると力率が悪く高調波を生じやすい装置になってしまいます。
ここで、PFC機能も付加したいと思います。
電流検出の閾値を入力の脈流によって制御し、入力電流を正弦波に近づける制御を行います。

と思いましたが、よく考えたらコンデンサインプット型の回路ではないので高調波や力率はあまり心配しなくても良い気がしてきました。(7/3追記)

電流はこんなかんじになりました。
時間軸を引き伸ばした波形を撮り忘れましたが、いちおう60Hzで変調されてるみたいな波形になっているので大丈夫そうです。

次にコレクタ電圧波形です。
これを引き伸ばすと、
ちょっと上下対象じゃない感じもしますが、いい感じではないでしょうか。

ちなみに入力電力は500Wちょっとくらいです。
この時はコレクタ電圧が400Vくらいでした。
 
意外と低く収まってます。入力はAC100Vです。
さすがに電流がかなり増えてきたので先ほどの放熱板程度では触れるぎりぎりくらいの温度まで上がりました。次回は1KWを目指してさらなる損失の低減について記事を書こうと思います。安定版ができたら回路図も載せようと思います。

あと、名前を変えました。なかたじゃない方はkktに進化しました。

では、今日はこの辺で。

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