Ev türü endüksiyonlu ocaklar için yeni bir AC-AC dönüştürücünün tasarımı ve gerçekleştirilmesi

Abstract

Endüksiyonlu ısıtma sistemlerinde, maliyet ve verim arasındaki dengeye bağlı olarak yarım köprülü rezonanslı ve tek anahtarlı kısmi rezonanslı dönüştürücüler yaygın şekilde kullanılır. Endüksiyon teknolojisi ile ilgili son çalışmalar incelendiğinde çok bobinli ve doğrudan AC-AC tasarımlar ön plana çıkmaktadır. AC-AC rezonanslı dönüştürücüleri kullanmanın başlıca nedeni iletimdeki yarı iletken sayısını azaltmaktır. Tek bobinli topolojilerin yanı sıra, çok bobinli topolojiler ile modern bir tasarım yapılarak ısı dağılımlarını iyileştirmek mümkündür. Endüksiyon ile ısıtma teknolojisinin ulaştığı en güncel teknoloji tek kaynaktan çok bobin besleyebilen AC-AC dönüştürücü tasarımlarıdır. Ancak bu tasarımların bazı dezavantajları vardır. Çok bobinli yapıların bir kısmı elektromekanik anahtarlar yardımıyla tasarlanmıştır. Isıtılmak istenen bobin grubuna bağlı elektromanyetik röle devreye alınarak ısıtma sağlanır. Röle hem devre boyutlarını hem de maliyeti artırmakta, kullanıcı tarafından duyulabilir mekanik sese neden olmaktadır. Röle kullanılmayan tasarımlarda ise ısıtılacak bobin sayısı seçimi, yarı iletkenler kontrollü diyot gibi kullanılarak sağlanmaktadır. Sonuç olarak devrede kullanılan toplam aktif yarı iletken sayısı artar, maliyet artar, verim düşer. Çok bobinli yapılar tasarlanırken yarım köprülü seri rezonanslı ya da tek anahtarlı kısmi rezonanslı devre topolojilerinden biri seçilmek zorundadır. Literatürde her iki devre çalışmasını aynı topolojide toplayan bir devre yoktur. Bu çalışmada, ev türü endüksiyonlu ocaklarda kullanılan devre topolojileri için yukarıda sıralanan dönüştürücü problemlerinin çözüldüğü, tek bir dönüştürücü kullanılarak yarım köprülü seri rezonanslı ve tek anahtarlı kısmi rezonanslı olmak üzere iki farklı güç topolojisinin uygulanabildiği, yeni bir çok çıkışlı AC-AC dönüştürücünün geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışma topolojisinin seçim kriterleri olarak tencerenin fiziksel yerleşimi, tencereye aktarılmak istenen güç seviyesi ve ısıtılması istenen toplam tencere sayısı belirtilebilir. Ayrıca önerilen dönüştürücü yarı iletken miktarı, verimlilik ve toplam harmonik bozulma açısından literatürdeki klasik dönüştürücü ile karşılaştırılmıştır. Önerilen dönüştürücünün her iki çalışma modu ve klasik çok bobinli AC-AC dönüştürücü verim açısından karşılaştırılmıştır. Bu amaçla önce simülasyon çalışmaları ile çıkış gücüne bağlı verim analizi yapılmıştır. Sonrasında prototipi gerçekleştirilen devreden elde edilen uygulama sonuçlarıyla simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır.Tasarım bir kaynaktan eş zamanlı olarak üç bobin beslenebilecek şekilde yapılmıştır. Tek bobinin enerjilendiği durum hariç; önerilen dönüştürücü yarım köprülü seri rezonanslı çalışmada tüm çıkış güçleri için klasik dönüştürücüden daha verimlidir. Ayrıca önerilen dönüştürücünün harmonik akımları standartlarca belirlenmiş limitlerin altında kalmaktadır.

In induction heating systems, half bridge and single switch quasi resonance converters are widely used depending on the balance between cost and efficiency. When the latest studies on induction technology are examined, multi-coil and direct AC-AC designs come to the fore. The main reason for using AC-AC resonance converters is to reduce the number of semiconductors in the conduction mode. In addition to single-coil topologies, it is possible to improve heat dissipation by modern design with multi-coil topologies. The latest technology of the induction heating technology is AC-AC converter designs which can feed more than one source coil. However, these designs have some disadvantages. Some of the multi-coil structures are designed with the help of electromechanical switches. The electromagnetic relay connected to the coil group to be heated is activated and heating is provided. The relay increases both circuit dimensions and costs, causing the user to hear the audible mechanical sound. When the relay is not used, the selection of the number of coils to be heated is provided by using semiconductors as controlled diodes. As a result, the total number of active semiconductors used in the circuit increases, the cost increases and the efficiency decreases. When designing multi-coil structures, one of the half-bridge or quasi resonance circuit topologies must be selected. In the literature there is no circuit collecting both circuits in the same topology.In this study, it is aimed to develop a new multi-output AC-AC converter in which two different power topologies can be applied, namely half bridge serial resonance and quasi resonance by using a single converter, in which the converter problems listed above are solved for circuit topologies used in domestic induction heating hobs. The physical location of the pan as the selection criteria of the working topology, the power level to be transferred to the pan and the total number of pans to be heated can be specified. In addition, the proposed converter compared with the classical converter in the literature in term of the semiconductor quantity, efficiency and total harmonic distortion. Both the operating modes of the proposed converter and the conventional multi-coil AC-AC converter were compared for efficiency. For this purpose, first of all, simulation studies and output power related efficiency analysis were performed. After that, the simulation studies and the values obtained as a result of the implementation of the circuit were compared.The design is made in such a way that three coils can be supplied simultaneously from one source. Except where the single coil is energized; The proposed converter is more efficient than the conventional converter for all output powers in half-bridge operation. In addition, the harmonic currents of the proposed converter are below the limits set by the standards.