FALOWNIK ZVS-1S W ZASTOSOWANIU DO NAGRZEWANIA INDUKCYJNEGO

mgr inż. Aleksander Skała

Promotor: Prof. dr hab. inż. Stanisław Piróg
Dyscyplina: Elektrotechnika


Ideą przewodnią pracy jest przegląd topologii jednołącznikowych układów energoelektronicznych wysokich częstotliwości w celu pozyskania wiedzy i doświadczenia na temat możliwości konstruowania wysokosprawnych, możliwie niezawodnych i kompaktowych urządzeń do wykorzystania w różnych aplikacjach, takich jak: nagrzewanie indukcyjne, ale także diatermii chirurgicznej, magnetoterapii, itp. Jako cel postawiono zbadanie możliwości i wymagań topologii ZVS-1S falownika napięcia klasy E, jego analizę matematyczną służącą wyznaczeniu parametrów i wypracowaniu algorytmu pozwalającego na sterowanie układem w możliwie dużym zakresie mocy i częstotliwości, uwzględniając skalę i dynamikę zmian parametrów obciążenia oraz symulacja i eksperymentalne sprawdzenie wyników tej analizy.

Nagrzewnica indukcyjna została zaprojektowana i wykonana z przeznaczeniem do nagrzewania niewielkich elementów i detali metalowych.

W pracy zamieszczone zostały wyniki symulacji układu falownika klasy E ZVS-1S ze znamionowym obciążeniem, obciążeniami mniejszymi i większymi w stosunku do znamionowego oraz przedstawiające działanie falownika z układem rozruchowym. Zaprezentowano również uzyskane drogą symulacyjną zależności: wpływu zmian impedancji obciążenia, okresu sterowania i współczynnika wypełnienia D – określającego czas przewodzenia tranzystora w okresie sterowania – na: pracę układu, wymagane parametry sterowania, moc wyjściową oraz sprawność, w celu przeanalizowania i wyboru najlepszej możliwej konfiguracji układu oraz dobrania punktu pracy łącznika dla uzyskania możliwie najwyższej sprawności i niezawodności urządzenia.

Przeprowadzona w pracy dokładna analiza matematyczna, funkcjonalna i behawioralna układu falownika pozwoliła na wypracowanie czterech możliwych do realizacji koncepcji sterowania układem. W pracy zawarto opis tych koncepcji, wyniki badań symulacyjnych, schematy blokowe układów sterowania oraz sposoby i sekwencje pomiaru sygnałów służących do synchronizacji i sterowania układem. Jeden, wybrany algorytm uznany za optymalny, skutecznie zaimplementowano do zaprojektowanego i wykonanego stanowiska badawczego. Zarejestrowano również przebiegi sygnałów układu sterowania w stanach dynamicznych podczas pracy falownika.

Praca zawiera również projekt modelu laboratoryjnego falownika, w tym: układu siłowego, układu zasilania i układu sterowania falownikiem.

W końcowej części pracy, został zamieszczony opis wykonanego przemiennika częstotliwości jako całości oraz wyniki badań laboratoryjnych i przeprowadzonych pomiarów. Osiągając wysoką – w stosunku do zakładanej – funcjonalność układu falownika zarejestrowano przebiegi dla różnych nagrzewanych wsadów i dla różnych pojemności C obwodu oscylacyjnego. Wyznaczono współczynniki tłumienia dla każdego badanego przypadku i zweryfikowano parametry elektryczne układu wzbudnik – wsad, które wcześniej obliczono na podstawie wymiarów geometrycznych, danych materiałowych i zakładanej częstotliwości pracy układu.

Zarejestrowano przebiegi strat mocy na tranzystorach, co po zdefinowaniu torów konwersji energii w falowniku pozwoliło na oszacowanie sprawności układu: elektrycznej, termicznej i elektrotermicznej.

Sformułowano wnioski będące zbiorem doświadczeń dotyczących, tak pracy samego układu, jak i pracy z układami wysokoczęstotliwościowymi, co uwzględnia specyfikę zagadnienia oraz kwestie dotyczące sterowania takimi układami, generacji zakłóceń oraz sposobów pomiarowych sygnałów służących jako sprzężenia zwrotne dla układów regulacji i sterowania urządzeniem.

Praca w obecnym kształcie stanowi kompletny opis zastosowanych w odpowiedniej sekwencji środków, służących do realizacji procesu konstruowania wysokoczęstotliwościowego źródła zasilania dla realizacji zadanego procesu nagrzewania indukcyjnego. Metody zastosowane w pracy, pozwalają także na oszacowanie sprawności wykonanego urządzenia i ocenę jakości konstrukcji: zarówno obwodu siłowego jak i układu sterowania oraz przyjętej koncepcji sterowania układem.

Pełna wersja autoreferatu as_autoreferat.pdf

Prof. dr hab. Andrzej Sikorski – Politechnika Białostockarecenzja_a_sikorski.pdf
Dr hab. inż. Robert Stala – AGH Kraków:recenzja_r_stala.pdf

Lista publikacji afiliowanych przez AGH:

1. Kompensacja mocy biernej i symetryzacja obciążenia jednofazowych, elektrotermicznych urządzeń indukcyjnych zasilanych częstotliwością sieciową - Reactive power compensation and load symmetrization of single-phase electrothermal inductive device which are power-line frequency operated / Aleksander SKAŁA Elektrotechnika i Elektronika : półrocznik Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie ; ISSN 1640-7202. - Tyt. poprz.: Elektrotechnika. — 2001 t. 20 z. 2 s. 79–82. - Bibliogr. s. 82, Streszcz., Summ.
2. Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do oceny stanu izolacji urządzeń wysokiego napięcia — [Utilizing of artificial neuron networks for estimation state of apparatus high voltage isolation] / Aleksander SKAŁA Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe ; ISSN 0239-3646. — 2001 nr 62 s. 127–132. — Bibliogr. s. 132. — Artykuł został zaprezentowany na: X seminarium BOBRME Komel : Katowice, maj 2001 r.
3. The analysis of the current-source parallel inverter in the field of power distribution in the heated charge by computer simulation method / Aleksander SKAŁA W: EPE 2003 : Electric Power Engineering 2003 : 5th international scientific conference held by occasion of 25th anniversary of Department of Electrical Power Engineering : January 28–29, 2003 Visalaje, Czech Republic / VSB – Technical University of Ostrava. Faculty of Electrical Engineering and Computer Science. Department of Electrical Power Engineering, Severomoravská energetika, a. s. Distribution company. — Ostrava : VSB TU, 2003. — Opis częśc. wg okł. — S. 113
4. Układ do nagrzewania indukcyjnego — [Induction heating system] / Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie ; wynalazca: Jerzy PASTERNAK, Roman KIEROŃSKI, Zbigniew WARADZYN, Marian SZYMCZAKIEWICZ, Aleksander SKAŁA. — Int.Cl.: H05B 6/02 ^{(2006.01)}. — Polska. — Opis patentowy ; PL 203210 B1. — Zgłosz. nr 366325 z dn. 2004-03-16 ; Opubl. 2009-09-30.
5. Zabezpieczenia nadprzewodzących elementów LHC przed skutkami utraty stanu nadprzewodzącego — Protections of LHC superconducting elements against results of disappearance of superconducting state / Andrzej SKOCZEŃ, Aleksander SKAŁA Przegląd Elektrotechniczny = Electrical Review / Stowarzyszenie Elektryków Polskich ; ISSN 0033-2097. — 2009 R. 85 nr 7 s. 65–72. — Bibliogr. s. 72, Streszcz., Abstr.
6. Testy zabezpieczeń przed skutkami quenchu w nadprzewodzących obwodach LHC — Commissioning of quench protection instruments in the LHC superconducting circuits / Andrzej Skoczeń, Aleksander SKAŁA Przegląd Elektrotechniczny = Electrical Review / Stowarzyszenie Elektryków Polskich ; ISSN 0033-2097. — 2009 R. 85 nr 7 s. 73–77. — Bibliogr. s. 77, Streszcz., Abstr.
7. Badanie parametrów wykonanego modelu pieca elektrodowego do nagrzewania wody — Testing parameters of a constructed model of an electrode furnace to water heating / Marek Zbigniew Golonka, Aleksander SKAŁA, Zbigniew WARADZYN Zeszyty Studenckiego Towarzystwa Naukowego ; ISSN 1732-0925. — 2011 nr 23, s. 89–97. — Bibliogr. s. 97, Streszcz., Summ.. — Artykuły laureatów XLVIII sesji studenckich kół naukowych pionu hutniczego Akademii Górniczo-Hutniczej / pod red. Leszka KURCZA i Andrzeja GOŁDASZA. — Kraków : Wydawnictwo Studenckiego Towarzystwa Naukowego, 2011
8. Czujniki temperatury i przetworniki analogowo-cyfrowe w zastosowaniach do układów sterowania i regulacji — Temperature sensors and a/d converters for applications to control and regulation systems / Norbert Kuder, Aleksander SKAŁA, Zbigniew WARADZYN Zeszyty Studenckiego Towarzystwa Naukowego ; ISSN 1732-0925. — 2011 nr 23, s. 175–184. — Bibliogr. s. 183–184, Streszcz., Summ.. — Artykuły laureatów XLVIII sesji studenckich kół naukowych pionu hutniczego Akademii Górniczo-Hutniczej / pod red. Leszka KURCZA i Andrzeja GOŁDASZA. — Kraków : Wydawnictwo Studenckiego Towarzystwa Naukowego, 2011
9. Tyrystorowy wielomodułowy rezonansowy falownik wielkiej częstotliwości do nagrzewania indukcyjnego — Multi-module high-frequency thyristor resonant inverter for induction heating / Zbigniew WARADZYN, Aleksander SKAŁA Zeszyty Naukowe / Politechnika Łódzka ; nr 1124. Seria: Elektryka ; ISSN 0374-4817. — 2012 z. 124, s. 223–231. — Bibliogr. s. 230, Summ.. — Afiliacja: Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie. — Problemy cieplne w elektrotechnice i elektrotechnologie : konferencja naukowo-techniczna

Pozostałe publikacje i opracowania:

1. Status of the EP Simulations and Facilities for the SPL – S. Calatroni; L. Marques Antunes Ferreira; M. Leitao Macatrao; A. Skala; M. Sosin; Y. Laurent Withofs; R. De Waele – Paper presented at LINAC10, Tsukuba, Japan from 12 to 17 September 2010
2. Aleksander SKALA – SPL Electropolishing machine – automatyczny system elektropolerowania powierzchni wewnętrznych komór zespołu akceleracyjnego – realizacja projektu i dokumentacja. AGH-CERN Collaboration Agreement KE1983/TE.

https://edms.cern.ch/file/1190164/1/CERN_SPL_Electropolishing_documentation_-_manual_for_the_operator.pdf https://edms.cern.ch/file/1190164/1/CERN_SPL_Electropolishing_documentation_-_software_description.pdf

1. Aleksander SKALA – High Pressure Water Rinsing machine – maszyna do wysokociśnieniowego płukania komór akceleracyjnych – realizacja projektu i dokumentacja. AGH-CERN Collaboration Agreement K1397. https://edms.cern.ch/file/1338546/1/CERN_HPWR_documentation_ver.10.0.pdf
2. Aleksander SKALA – HIE Isolde cavity high pressure water rinsing machine – maszyna do wysokociśnieniowego płukania komór akceleracyjnych nowego typu dla projektu HIE Isolde – realizacja projektu i dokumentacja. AGH-CERN Collaboration Agreement K1397.

https://edms.cern.ch/file/1339144/1/CERN_HIE_Isolde_rinsing_machine_ver.2.0.pdf