RO129914A2 - Method for controlling parallel load resonant circuit inverters meant for induction heating - Google Patents
Method for controlling parallel load resonant circuit inverters meant for induction heating Download PDFInfo
- Publication number
- RO129914A2 RO129914A2 ROA201300286A RO201300286A RO129914A2 RO 129914 A2 RO129914 A2 RO 129914A2 RO A201300286 A ROA201300286 A RO A201300286A RO 201300286 A RO201300286 A RO 201300286A RO 129914 A2 RO129914 A2 RO 129914A2
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- frequency
- induction heating
- controlling
- load
- inverter
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000006698 induction Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/02—Induction heating
- H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Induction Heating (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Invenția se referă la comanda invertoarelor monofazate utilizate la încălzirea prin inducție cu circuit de rezonanță de tip paralel. Concret, invenția propune o metodă care permite obținerea comutației invertorului la curent nul, prin adaptarea dinamică a frecvenței de comandă la frecvența de rezonanță a sarcinii. Metoda utilizează doi curenți măsurați pe sarcină și se bazează pe o structură găsită de autori. Se definește structura necesară și se precizează rolul și funcționarea blocurilor componente.The invention relates to the control of single phase inverters used for induction heating with a parallel type resonance circuit. Specifically, the invention proposes a method that allows the inverter to be switched to zero current, by dynamically adapting the control frequency to the resonant frequency of the load. The method uses two currents measured by the load and is based on a structure found by the authors. The necessary structure is defined and the role and functioning of the component blocks are specified.
Descrierea stadiului actualDescription of the current stage
La instalațiile de încălzire prin inducție, o bobină - inductorul de încălzire, fiind parcursă de un curent electric alternativ, produce un câmp magnetic variabil în timp. Introducând în inductor un corp conductor din punct de vedere electric (șarjă topită sau piesă brută sub diverse forme: țeavă, cilindru, etc.), în acesta se vor induce curenți turbionari care, prin efect Joule, vor determina încălzirea directă sau chiar topirea corpului respectiv [1].In induction heating systems, a coil - the heating inductor, being traveled by an alternating current, produces a time-varying magnetic field. By introducing into the inductor an electrically conductive body (molten charge or raw piece in various forms: pipe, cylinder, etc.), it will induce turbulent currents which, through the Joule effect, will cause direct heating or even melting of the body. respectively [1].
în comparație cu alte metode de încălzire, încălzirea prin inducție prezintă următoarele avantaje [1]:Compared to other heating methods, induction heating has the following advantages [1]:
- căldura se dezvoltă în metalul care urmează a fi încălzit cu o densitate mare de putere, rezultând o viteză de încălzire mai mare decât în cuptoarele cu încălzire indirectă;- the heat develops in the metal to be heated with a high power density, resulting in a higher heating rate than in indirectly heated furnaces;
- condițiile de lucru sunt mai ecologice, poluarea mediului fiind astfel redusă.- working conditions are more environmentally friendly, thus reducing environmental pollution.
Instalațiile de încălzire prin inducție necesită surse de alimentare la frecvențe diferite de 50 Hz. Acestea sunt realizate din ansambluri redresor-invertor și oferă tensiuni și curenți într-o gamă largă de frecvențe, uzual de la sute de Hz până la zeci de kHz [2], [3].Induction heating systems require power supplies at frequencies different than 50 Hz. They are made of rectifier-inverter assemblies and offer voltages and currents in a wide range of frequencies, usually from hundreds of Hz to tens of kHz [2], [3].
Cheia obținerii unor performanțe energetice superioare este comanda invertorului la o frecvență apropiată de frecvența de rezonanță a ansamblului inductor-corp de încălzitcondensator [1-3],The key to achieving superior energy performance is the inverter control at a frequency close to the resonant frequency of the inductor-heater-capacitor assembly [1-3],
Cu referire la Fig. 1, redresorul trifazat (2) este conectat la rețeaua de alimentare prin intermediul unui transformator (1). Energia de c.c. de la ieșirea redresorului este convertită în energie de c.a. de către invertorul (3). Pentru decuplarea circuitului de reglare a puterii de circuitul de reglare a frecvenței, redresorul este de regulă complet comandat. Conectarea invertorului cu circuitul de sarcină, format din inductorul (6), corpul de încălzit (7) și condensatorul de rezonanță (5), se face prin intermediul circuitului de adaptare (4), care facilitează maximizarea puterii transmise. Blocul de comandă (8) realizează două funcții importante:Referring to FIG. 1, the three-phase rectifier (2) is connected to the mains via a transformer (1). Energy from c.c. from the output of the rectifier it is converted into energy by c.a. by the inverter (3). For decoupling the power control circuit from the frequency control circuit, the rectifier is usually completely ordered. Connecting the inverter to the load circuit, consisting of the inductor (6), the heater (7) and the resonance capacitor (5), is made through the adapter circuit (4), which facilitates maximizing the transmitted power. The control unit (8) performs two important functions:
stabilește frecvența de comandă a invertorului;sets the inverter control frequency;
reglează transferul de putere către inductor, prin controlul tensiunii la ieșirea redresorului (în cazul invertoarelor de tensiune) sau curentului la ieșirea redresorului (în cazul invertoarelor de curent).regulates the transfer of power to the inductor, by controlling the voltage at the output of the rectifier (in the case of voltage inverters) or the current at the output of the rectifier (in the case of current inverters).
Principala cerință impusă buclei de reglare a frecvenței este de a realiza calarea permanentă, dinamică, pe frecvența de rezonanță a circuitului paralel inductor echivalentcondensator de compensare. Deoarece parametrii circuitului echivalent sunt dependenți, pe de o parte de inductorul folosit, corpul ce se încălzește, temperatura acestuia și condensatorul utilizat, iar pe de altă parte de modificarea dinamică a acestor parametrii, circuitul de reglare trebuie să asigure autoadaptarea dinamică a frecvenței.The main requirement imposed on the frequency control loop is to make the permanent, dynamic, resonance frequency of the parallel circuit inductive equivalent capacitor compensation. Because the parameters of the equivalent circuit are dependent, on the one hand on the inductor used, the heater body, its temperature and the capacitor used, and on the other hand on the dynamic modification of these parameters, the control circuit must ensure the dynamic self-adaptation of the frequency.
A- 2 Ο 1 3 - Ο Ο 2 8 6 ’ Ο 8 -04- 2013A- 2 Ο 1 3 - Ο Ο 2 8 6 'Ο 8 -04- 2013
Pentru comutarea invertorului la curent nul sau foarte apropiat de zero, frecvența de comandă trebuie să fie mai mare decât frecvența de rezonanță a circuitului de sarcină, în cazul utilizării unui invertor de tensiune și mai mică decât frecvența de rezonanță a circuitului de sarcină, pentru un invertor de curent. în consecință, bucla de reglare a frecvenței trebuie să realizeze și acest lucru.For switching the inverter to zero or very close to zero, the control frequency must be greater than the resonant frequency of the load circuit, when using a voltage inverter and less than the resonant frequency of the load circuit, for a power inverter. therefore, the frequency control loop must also do this.
în momentul actual, calarea pe frecvența de rezonanță sau apropiată de aceasta se realizează cu bucle PLL (Phase Locked Loop) care, sub o formă sau alta, controlează defazajul dintre semnalul de comandă a tranzistoarelor invertorului și o altă mărime din sistem [4-6], Spre exemplu, în cazul invertoarelor de tensiune, se controlează defazajul dintre semnalul de comandă a tranzistoarelor invertorului și tensiunea la bornele inductorului [US Pat. 6943330 B2/Sept. 13,2005],At present, the resonance frequency setting or close to it is performed with PLL (Phase Locked Loop) loops, which, in one form or another, control the phase difference between the control signal of the inverter transistors and another system size [4-6 ], For example, in the case of voltage inverters, the phase difference between the control signal of the inverter transistors and the voltage at the inductor terminals [US Pat. 6943330 B2 / Sept. 13.2005]
Principalul dezavantaj al utilizării circuitelor PLL în comanda invertoarelor cu sarcină rezonantă paralel constă în sensibilitatea lor manifestată prin:The main disadvantage of using PLL circuits in the control of inverters with parallel resonant load is their sensitivity manifested by:
- necesitatea inițializării frecvenței la o valoare apropiată de frecvența de rezonanță; stabilitatea redusă la apariția regimurilor tranzitorii.- the need to initialize the frequency at a value close to the resonant frequency; reduced stability when transient regimes occur.
Pentru diminuarea acestor dezavantaje, s-au propus diverse metode cum ar fi monitorizarea atât a tensiunii la bornele inductorului cât și a curentului prin acesta [US Pat. 7262981 B2/Aug.28,2007], în [US Pat. 2012/0018426 Al] se propune calculul frecvenței de comandă prin monitorizarea vârfurilor de curent datorate comutației și compararea lor cu valori predeterminate.To mitigate these disadvantages, various methods have been proposed such as monitoring both the voltage at the inductor terminals and the current through it [US Pat. 7262981 B2 / Aug.28,2007], in [U.S. Pat. 2012/0018426 Al] proposes the calculation of the control frequency by monitoring the switching current peaks and comparing them with predetermined values.
Descrierea detaliată a invențieiDetailed description of the invention
Conform invenției, metoda propusă constă într-un sistem autoadaptiv care funcționează pe baza legăturii, care există la rezonanță, între valorile efective ale curenților prin invertor, prin inductor și prin condensatorul de rezonanță.According to the invention, the proposed method consists of a self-adaptive system that operates on the basis of the connection, which exists at the resonance, between the actual values of the currents through the inverter, the inductor and the resonance capacitor.
Conform invenției, referindu-ne la figura 2a, schema echivalentă a circuitului rezonant conține rezistența echivalentă (Rb) și inductivitatea echivalentă (Lb) ale inductorului, împreună cu corpul de încălzit și condensatorul de compensare având capacitatea C.According to the invention, with reference to Figure 2a, the equivalent scheme of the resonant circuit contains the equivalent resistance (Rb) and the equivalent inductance (Lb) of the inductor, together with the heating body and the compensating capacitor having the capacity C.
Conform invenției, referindu-ne tot la figura 2a, se scriu ecuațiile fazoriale corespunzătoare frecvenței de comandă ca și frecvență fundamentală:According to the invention, referring also to Figure 2a, the phase frequencies corresponding to the control frequency are written as fundamental frequency:
’ (i)(I)
LLb={Rb+frb)Lb=-jXcLc· (2)LL b = {Rb + frb) L b = -jXcLc · (2)
Conform invenției, referindu-ne la figura 2b, se evidențiază: fazorul tensiunii la bornele inductorului (Ub) luat ca origine de fază; fazorii curentului prin invertor (Ii), curentului prin inductor (Ib) și curentului prin condensator (Ic); componentele lor active (Iia=Iba) aflate pe direcția lui Ub și componentele lor reactive (Ijr și Ibr) aflate pe direcția perpendiculară pe Ub, precum și unghiurile fazorilor curentului prin invertor și curentului prin inductor, față de fazorul tensiunii la bornele inductorului (φ, Și (pb).According to the invention, referring to figure 2b, it is noted: the voltage phasor at the inductor terminals (Ub) taken as phase origin; the phasors of the current through the inverter (Ii), the current through the inductor (I b ) and the current through the capacitor (I c ); their active components (Ii a = Iba) in the direction of Ub and their reactive components (Ij r and Ib r ) in the direction perpendicular to Ub, as well as the angles of the phasors of the current through the inverter and the current through the inductor, with respect to the voltage phase at the terminals inductor (φ, Ș and (pb).
Conform invenției, referindu-ne tot la figura 2b, la rezonanță curentul prin invertor este în fază cu tensiunea la bornele inductorului (ψί=0) și rezultă relația, (3)According to the invention, referring also to figure 2b, at resonance the current through the inverter is in phase with the voltage at the inductor terminals (ψί = 0) and the relation results, (3)
Conform invenției, referindu-ne la figura 3, curenții prin inductor și prin condensatorul de compensare se obțin de la traductoarele de curent (10) și (11), iar prin însumarea lor în sumatorul (9) se obține, conform ecuației (1), și curentul la ieșirea invertorului.According to the invention, referring to Figure 3, the currents through the inductor and the compensation capacitor are obtained from the current transducers (10) and (11), and by summing them in the adder (9), they are obtained, according to equation (1). , and current at the output of the inverter.
··«·** .e * 7 _ ** a A .C·· «· **. and * 7 _ ** a A .C
8 -Ol· ?on y8 -Ol ·? On y
Conform invenției, referindu-ne tot la figura 3, cei trei curenți se î nmulțesc cu ei înșiși în blocurile (12), (13) și (14), apoi semnalele astfel obținute se aplică filtrelor „trece jos” (15), (16) și (17), la ieșirile cărora se obțin pătratele valorilor efective.According to the invention, referring also to figure 3, the three currents multiply with themselves in blocks (12), (13) and (14), then the signals thus obtained are applied to the filters "pass down" (15), ( 16) and (17), at the exits whose squares of the actual values are obtained.
Conform invenției, referindu-ne tot la figura 3, în blocul (22) se face înmulțirea cu un coeficient supraunitar sau subunitar (kf), după cum se dorește ca frecvența de comandă să fie mai mare sau mai mică decât frecvența de rezonanță a sarcinii.According to the invention, referring also to figure 3, in block (22) multiplication is made with a superunitary or subunit coefficient (kf), as it is desired that the control frequency be higher or lower than the resonance frequency of the load .
Conform invenției, referindu-ne tot la figura 3, în sumatorul (18) se calculează membrul drept al relației (3), iar în sumatorul (19) se calculează eroarea sistemului cu relația, ε = kfTb ~ +Ι1Ύ (4)According to the invention, referring also to figure 3, in the sum (18) the right member of the relation (3) is calculated, and in the sum (19) the error of the system with the relation is calculated, ε = k f T b ~ + Ι 1Ύ ( 4)
Conform invenției, referindu-ne tot la figura 3, blocul (20) este regulatorul de frecvență, de tip PI, a cărui ieșire este valoarea numerică a frecvenței de comandă a invertorului, iar blocul (21) este un oscilator comandat în tensiune a cărui ieșire conține informația necesară pentru comanda celor patru tranzistoare ale invertorului.According to the invention, referring also to figure 3, the block (20) is the frequency regulator, type PI, whose output is the numerical value of the inverter control frequency, and the block (21) is a voltage controlled oscillator whose Output contains the information required to control the four transistors of the inverter.
Conform invenției, schema pentru calculul frecvenței de comandă a invertorului și comutație la curent nul, ilustrată în Fig. 4, exemplifică implementarea pe sistemul dSPACE 1103.According to the invention, the scheme for calculating the inverter control frequency and the zero current switching, illustrated in Fig. 4, exemplifies the implementation on the dSPACE 1103 system.
(^“ 2013-00286-0 8· -04- 2013(^ “2013-00286-0 8 · -04- 2013
Scurtă descriere a desenelorBrief description of the drawings
Semnificația figurilor care însoțesc prezenta propunere de invenție este prezentată în continuare.The meaning of the figures accompanying the present invention is presented below.
Fig. 1 reprezintă schema bloc a sistemului de încălzire prin inducție cu circuit de rezonanță de tip paralel. Blocul de calcul a frecvenței de comandă a invertorului, la o valoare apropiată de frecvența de rezonanță a sarcinii, la care se referă cererea de invenție, face parte din blocul (8).Fig. 1 represents the block diagram of the induction heating system with a parallel type resonance circuit. The block for calculating the inverter control frequency, at a value close to the resonance frequency of the load, to which the invention application refers, is part of the block (8).
Fig. 2 reprezintă schema echivalentă a circuitului rezonant conține rezistența echivalentă (Rb) și inductivitatea echivalentă (Lb) ale inductorului, împreună cu corpul de încălzit și condensatorul de compensare având capacitatea C.Fig. 2 represents the equivalent scheme of the resonant circuit contains the equivalent resistance (Rb) and the equivalent inductance (Lb) of the inductor, together with the heating body and the compensating capacitor having the capacity C.
Fig. 3 reprezintă detalierea blocului de calcul a frecvenței de comandă a invertorului, la o valoare apropiată de frecvența de rezonanță a sarcinii și constituie obiectul cererii de invenție.Fig. 3 represents the detail of the calculation block of the inverter control frequency, at a value close to the resonance frequency of the load and is the subject of the invention.
Fig. 4 exemplifică implementarea metodei pentru calculul frecvenței de comandă a invertorului și comutație la curent nul, care face obiectul cererii de invenție, pe sistemul dSPACE 1103.Fig. 4 exemplifies the implementation of the method for calculating the inverter control frequency and zero current switching, which is the subject of the invention, on the dSPACE 1103 system.
Fig. 5 arată răspunsul și performanțele dinamice la variația treaptă a inductivității circuitului de sarcină, obținute prin implementarea metodei pentru calculul frecvenței de comandă a invertorului și comutație la curent nul, care face obiectul cererii de invenție.Fig. 5 shows the dynamic response and performance to the step variation of the load circuit inductance, obtained by implementing the method for calculating the inverter control frequency and switching to zero current, which is the subject of the invention.
Fig. 6 ilustrează comutația la curent nul a invertorului monofazat de tensiune, obținut prin implementarea metodei pentru calculul frecvenței de comandă a invertorului și comutație la curent nul, care face obiectul cererii de invenție.Fig. 6 illustrates the zero current switching of the single phase voltage inverter, obtained by implementing the method for calculating the inverter control frequency and the zero current switching, which is the subject of the invention.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RO201300286A RO129914B1 (en) | 2013-04-08 | 2013-04-08 | Method for controlling parallel load resonant circuit inverters meant for induction heating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RO201300286A RO129914B1 (en) | 2013-04-08 | 2013-04-08 | Method for controlling parallel load resonant circuit inverters meant for induction heating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RO129914A2 true RO129914A2 (en) | 2014-11-28 |
| RO129914B1 RO129914B1 (en) | 2021-12-30 |
Family
ID=51945637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RO201300286A RO129914B1 (en) | 2013-04-08 | 2013-04-08 | Method for controlling parallel load resonant circuit inverters meant for induction heating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RO (1) | RO129914B1 (en) |
-
2013
- 2013-04-08 RO RO201300286A patent/RO129914B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RO129914B1 (en) | 2021-12-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | A direct AC–AC converter for inductive power-transfer systems | |
| Yang et al. | Observation of transient parity-time symmetry in electronic systems | |
| Su et al. | Steady-state load identification method of inductive power transfer system based on switching capacitors | |
| CN103427501B (en) | Voltage-type wireless power supply system load identification method and system | |
| Namadmalan et al. | Tunable self-oscillating switching technique for current source induction heating systems | |
| CN107908829B (en) | Stability Analysis Method of Airborne Power System Based on Unified Large Signal Model | |
| Chen et al. | Distributed auxiliary inverter of urban rail train—Load sharing control strategy under complicated operation condition | |
| CN110137971B (en) | Voltage stability control method for three-phase alternating current power spring | |
| James et al. | Improved AC pickups for IPT systems | |
| Brüske et al. | Multifrequency single-phase islanded grids | |
| CN109787483A (en) | Control method of power supply for capacitor ripple test and power supply for capacitor ripple test | |
| RU2614025C1 (en) | Semiconductor power conversion device | |
| CN103956738B (en) | A kind of battery energy storage system control method having APF and SVG function concurrently | |
| Vishnuram et al. | Phase-locked loop-based asymmetric voltage cancellation for the power control in dual half-bridge series resonant inverter sharing common capacitor for induction heating applications | |
| CN105392224A (en) | Apparatus for heating melt | |
| RO129914A2 (en) | Method for controlling parallel load resonant circuit inverters meant for induction heating | |
| Raman et al. | Filter deballasting control of droop-controlled inverters | |
| CN110662319A (en) | Multi-station induction heating circuit and heating and control method thereof | |
| Wang et al. | Stepless frequency regulation for load-independent wireless power transfer with time-division switched capacitors | |
| Nagarajan et al. | FPGA-based automatic frequency-controlled resonant inverter for induction heating system | |
| CN202906748U (en) | Medium-frequency power supply of double-resonance thyristor | |
| Ghosh et al. | State space simulation and accurate determination of fundamental impedance characteristics of a TCSC | |
| CN103901779B (en) | A kind of Parameters design of electric current loop cascade compensation device | |
| Huang et al. | Electric vehicles wireless charging system compensation based on the magnetic energy recovery switch | |
| CN103687117A (en) | Digital FM (Frequency Modulation) PLL (Phase-locked Loop) half-bridge serial resonance electromagnetic induction heating power supply |