Solar Powered Ultrasonic Cleaner

Athira.S

PG Student, EEE Department Amrita Vishwa Vidyapeetham University,

Amrita school of engineering, Bangalore, Karnataka, India

athiras3888@gmail.com

Deepa.K

Assistant Professor, EEE Department, Amrita Vishwa Vidyapeetham University,

Amrita school of engineering, Bangalore, Karnataka, India

deepa.kaliyaperumal@rediffmail.com

Abstract-A Dual output half bridge converter combined with a resonant parallel fed inverter for ultrasonic cleaner is presented in this paper. The output of the inverter is 230V sinusoidal voltage with high frequency (28kHz) for ultrasonic cleaner applications. To obtain better load regulation PI controller is incorporated with the system for regulating 20% of load change. The simulation is carried out for a 58W power application. Solar power is used as input for the converter and output of the converter acted as the input for the inverter. The switching stress and losses are reduced due the resonant adopted for the inverter and thereby the increase in efficiency is also analyzed.

Keywords-Multi Output Half Bridge Converter (MOHBC); Parallel Resonant Inverter (PRI); Photovoltaic (PV); Half Bridge Converter (HBC).

respectively. The single output converter is modified as the multi output half bridge converter by replacing the inductor in the basic half bridge topology with a transformer as shown in Fig.2. In the input side of the converter a diode is provided to prevent the back flow of current to the source. The numbers of components used are less in the proposed converter.

1. INTRODUCTION

In order to eliminate the present energy crisis, use of renewable sources should be increased. The low efficiency of solar modules and high installation cost are major causes to using solar energy on large scale even though solar energy is considered as a major source over last few years. To minimize these effects several studies were developed [12]. Nowadays the solar energy becomes a major source of energy because of the efficient techniques that are developed in this area [13]. A typical photovoltaic system consists of solar modules, dc-dc converter and a dc-ac inverter with a controller [1]. In this paper such a small system with a multi-output half bridge converter, resonant inverter [7]-[10] and solar energy as the input source is introduced. Resonant inverter finds wide applications in ultra sonic cleaners, induction heating [4]-[5] and electronic ballast [6]. The PI controller is adopted for load regulation purposes. Lead acid battery is preferred for charging purposes in converter [11] since it is economical. This system is particularly designed for powering the ultrasonic cleaner applications [2]-[3]. The ultrasonic cleaners are mainly used for cleaning contact lenses, watches, medical and other electronic equipments. High switching frequencies are selected for both converter and inverter which reduce the size of the components such as inductor, capacitor and transformer [14]-[16]. Design, simulation and analysis of multi-output half bridge converter with resonant inverter are implemented in this paper.

1. MULTI OUTPUT HALF BRIDGE CONVERTER

The basic single output half bridge converter and multi output half bridge converter are depicted in Fig.1 and Fig.2

Fig.1. Basic Half Bridge Fig.2. Multi Output Half Bridge Converter Converter

The two outputs obtained are one across the load resistor R1 and the other across load resistor R2.The basic half bridge converter is modified as the proposed converter and it has two modes of operation, charging mode and discharging mode since a battery is present in the converter. The Switch S1, diode D2 are responsible for charging mode of operation and switch S2 ,diode D1 are responsible for discharging mode of operation. When sufficient solar energy is available battery starts charging and when solar energy is not sufficient battery will act as the source, it starts discharging. The switching frequency used for this converter is 5 kHz. Fig.3(a) and Fig.3(b) shows the charging mode and discharging modes respectively.

Fig.3(a). Charging Mode

978-1-4799-5202-1/14/$31.00 copy;2014 IEEE

frequency of resonant tank and resonant frequency are given by equation (6) and equation (7) respectively.

1

n 

LrCr

(6)

r  n

1  4 2

(7)

Where  is the damping factor of the resonant tank and is given in equation (8),

R2C

4Lr

r

Fig.3(b). Discharging Mode  

The parameters of the multi output converter can be obtained

(8)

by the following equations (1)-(5),

The specifications of the converter are given below,

Input voltage, Vs=48V, Switching Frequency=5 kHz, Voltage Ripple=5%, Battery Voltage, Vb=36V, Duty cycle=0.8.

P

Quality factor is one of most important factor for resonant

tank and it is given by equation (9),

Q  r Lr

R (9)

Magnetizing current, Im= o

Vb

Change in current, Delta;I  20%Im

Change in capacitor voltage, Delta;Vc =VoVripple

DI

Output Capacitor, C = capacitor

Delta;Vc fs

Delta;I

Capacitor Current, Icapacitor  Ic  2

1. PARALLEL RESONANT INVERTER

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

To achieve soft switching duty cycle of the two switches must

be more than 50% and this also prevents the conduction of body diodes of the MOSFET

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太阳能超声波清洗机

Athira.S

阿姆里塔·维什瓦·维迪亚佩泰姆大学EEE系PG学生，

阿姆里塔工程学院，班加罗尔，卡纳塔克邦，印度

athiras3888@gmail.com

Deepa.K

阿姆里塔·维什瓦·维迪亚佩勒坦大学EEE系助理教授，

阿姆里塔工程学院，班加罗尔，卡纳塔克邦，印度

deepa.kaliyaperumal@rediffmail.com

摘要提出了一种双输出半桥变换器与谐振并联馈电逆变器相结合的超声波清洗机。逆变器的输出是230V高频正弦电压(28kHz)用于超声波清洗机应用。为了获得更好的负荷调节效果，在系统中引入PI控制器来调节20%的负荷变化。对58W功率的应用进行了仿真。太阳能作为逆变器的输入，逆变器的输出作为逆变器的输入。分析了逆变器采用谐振腔，减小了开关应力和损耗，提高了效率。

关键词-多输出半桥变换器(MOHBC);并联谐振逆变器(PRI);光伏(PV);半桥变换器(HBC)。

分别。将单输出变换器修改为多输出半桥变换器，将基本半桥拓扑中的电感替换为变压器，如图2所示。在转换器的输入端设有二极管，以防止电流回流到源。所提出的转换器所使用的元件数目较少。

1. 介绍

为了消除目前的能源危机，应该增加可再生能源的使用。近年来，太阳能被认为是太阳能的主要来源，但太阳能组件的低效率和高安装成本是大规模使用太阳能的主要原因。为了尽量减少这些影响，一些研究开发了[12]。由于在这一地区开发的高效技术，太阳能已成为一种主要的能源。典型的光伏系统由太阳能组件、dc-dc变换器和带控制器[1]的dc-ac逆变器组成。本文介绍了一种以多输出半桥变换器、谐振逆变器[7]-[10]和太阳能为输入源的小型系统。谐振逆变器在超声波清洗机、感应加热[4]-[5]、电子镇流器[6]等领域有着广泛的应用。负载调节采用PI控制器。在转炉[11]中，采用铅酸蓄电池充电是一种经济的方法。本系统专为超声波清洗机[2]-[3]供电而设计。超声波清洗机主要用于隐形眼镜、手表、医疗等电子设备的清洗。变频器和逆变器均选用高开关频率，减小了电感、电容和变压器[14]-[16]等元件的尺寸。本文对带谐振逆变器的多输出半桥变换器进行了设计、仿真和分析。

1. 多输出半桥变换器

基本单输出半桥变换器和多输出半桥变换器如图1和图2所示

图1。基本一半桥 图2。多输出半桥变换器 转换器

得到的两个输出是一个跨负载电阻R1和另一个跨负载电阻R2。将基本半桥变换器改造为所提出的变换器，由于变换器中存在电池，因此具有充电和放电两种工作方式。开关S1、二极管D2负责充电工作方式，开关S2、二极管D1负责放电工作方式。当太阳能充足时，电池开始充电，当太阳能不足时，电池作为电源开始放电。该转换器的开关频率为5千赫。图3(a)和图3(b)分别为充电方式和放电方式。

图3(一个)。充电模式

978 - 1 - 4799 - 5202 - 1/14 /copy;2014年IEEE 31.00美元

谐振槽的频率和谐振频率分别由式(6)和式(7)给出。

1



LrCr

(6)



1  4  2

(7)

Where  谐振 回路 的 阻尼 因子 , 给出 方程 (8),

R2C

4 lr

r

图3 (b)。放电模式 

可以得到多输出变换器的参数

(8)

由式(1)-(5)，

变频器规格如下:

输入电压Vs=48V，开关频率= 5khz，电压纹波=5%，电池电压，Vb=36V，占空比=0.8。

P

质量因素是影响谐振的重要因素之一

由式(9)给出，

Q  r Lr

R (9)

磁化电流Im= o



在 current, Change Delta;I  Im 20%

电容电压的变化,Delta;Vc = VoVripple

迪

输出电容，C = 电容器

Delta;

Delta;

Capacitor Current, Icapacitor  Ic  2

1. 并联谐振逆变器

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

要实现软开关占空比的两个开关必须

超过50%，这也阻止了mosfet体二极管的传导。等电流通过L1和L2。为了在稳态工作时保持恒定电流，电感L1和L2被设计为大于谐振电感Lr。在前半周期，当开关S1打开时，通过L2的电流被注入谐振槽，最终返回到源。当开关S2开始导电时，通过L1的电流被注入谐振槽，然后返回到源。

逆变器规格如下:

并联谐振馈电逆变器主要用于

感应加热应用，因其效率高。电流馈电并联谐振逆变器拓扑如图4所示。

视图。并联谐振逆变器

这种拓扑结构的优点是所需组件的数量更少。它只需要两个开关，这是串联的两个二极管。这些二极管用于防止电流从开关回流。

L r、C r、r分别为谐振电感、谐振电容、负载电阻。自然

质量因数，Q =0.01，阻尼比=0.1，负载电阻R=1200欧姆，谐振电感，Lr =130uH。

L1、L2值均高于谐振电感值，均为3mH。得到的固有频率为1.22MHz。利用式(1)~(9)求出半桥式变换器、谐振腔和逆变器的仿真参数，如表I所示。

表一仿真参数

转换器	逆变器	谐振回路
C1 = 28 mh, C2 = 28哦,	L1, L2 = 3 mh,	Lr = 130哦,
Vbattery = 36 v, Lm = 17 mh,	2:IRF540 S1	nf Cr = 5.2,
Np = 50, Np = 130,		fr = 28千赫
S1 2: IRF540 Vin = 48 v

1. 提出了系统

该系统是多输出半桥变换器与并联馈源谐振逆变器的集成。系统输出电压为230V，高频为28khz。集成系统如图5所示。该系统适用于需要低功率感应加热的场合。

微型计算机体积很小。提出了系统

1. 开环仿真
2. 系统充电方式

利用PSIM软件进行开环仿真，验证了系统性能。半桥式变换器开关S1和二极管D2负责系统的充电方式。当有足够的太阳能时，开关S1打开，转换器部分提供的电池充电。系统的第一部分是一个多输出半桥变换器。变换器有两个输出，其中一个输出电压为47.3V DC，与输入电压相同，二极管降为0.7V。一个输出为22.5V量级。将这两个输出电压相加，作为输入电压输入谐振逆变器。得到的最大输入电流为2A。变换器的两个输出电压和输入电流如图6所示。

图7。变换器的两个输出电压和输入电流

互补脉冲被给予逆变器开关。谐振逆变器的开关脉冲和开关电压如图7所示。谐振逆变器的输出为230Vrms (325V峰值)的正弦电压，频率为28khz。输出电流峰值为0.35A。逆变器输出电压和输出电流如图8 (a)和图8 (b)所示。

图7。谐振逆变器的开关脉冲和开关电压

Fig.8 (a)。谐振逆变器输出电压

Fig.8 (b)。谐振逆变器输出电流

1. 系统的放电方式

在PSIM软件中进行了开环仿真，验证了放电的工作方式。开关S2和二极管D1负责电池的放电。当太阳能低于电池电压时，此模式被激活。当太阳能不足时，打开开关S2，电池开始放电。在这种模式下，电池作为输入源。通过设置输入电压小于电池电压，验证了该模式的工作。对电池电压为36V时的仿真结果进行了详细的讨论。主输出43.4V通过电池和电容得到，另一个输出18.7V通过变压器的二次电源得到。这两个输出的和是

馈给谐振逆变器作为输入。这两种电压波形如图9 (a)和图9 (b)所示。

Fig.9 (a)。变换器电压1

Fig.9 (b)。变换器电压2

逆变电路采用50%占空比的互补脉冲。门脉冲和开关电压如图10所示。得到的最大开关电压为开关S3和开关S4中的229.1Vrms (324Vpk)，约为电源电压的5倍。

Fig.10。谐振逆变器的栅脉冲和开关电压

得到谐振逆变器的输出电压为229.1Vrms (324V峰值)，输出电流为0.35A峰值。正弦波的频率是28khz。得到的输出电压和输出电流如图11(a)和图11(b)所示。

Fig.11 (a)。逆变器输出电压

Fig.11 (b)。逆变器输出电流

1. 闭环仿真
2. 系统充电方式

在PSIM软件中采用PI控制器对系统进行闭环仿真，分析负载调节情况。分别进行充电方式和放电方式，验证系统运行情况。这里检查负载调节，检查负载变化的20%。逆变器输出电压通过电压传感器反馈给比较器电路。误差电压给PI控制器，由于输出电压是正弦电压，误差电压也是正弦电压。控制器校正误差，并将此值与产生开关脉冲的直流值进行比较。采用齐格勒Nicols方法计算得到的比例增益和积分增益分别为0.71和0.71

分别为0.5。在这种模式下，开关S1由PI控制器控制。充电方式闭环仿真如图12所示。

Fig.12。充电方式闭环仿真电路

图13(a)和图13(b)为两种不同负载下逆变器输出电压和输出电流的放大图。

Fig.13 (a)。缩小逆变器输出电压的视图

Fig.13 (b)。缩小逆变器输出电流的视图

逆变器的输出电压和输出电流变焦如图14(a)和图14(b)所示。

Fig.14 (a)。根据逆变器输出电压放大

Fig.14 (b)。放大了逆变器的输出电流

1. 系统的放电方式

半桥式变换器中有两个开关，其中开关S1和D2为充电模式，开关S2和D1为is放电模式。互补脉冲用于开关S1和S2。但这里将两种模式分别进行，以了解充放电模式的运行情况。放电方式闭环仿真电路如图15所示。结果得到并进行了分析。该电路模拟与放电方式相同。唯一的区别是，在这种模式下，控制是用开关S2而不是S1来完成的。增益和时间常数与充电方式相同。输出电压波形和输出电流波形的缩小图如图16(a)和图16(b)所示。将输出电压和输出电流波形分别放大和缩小，可以很好地理解负载调节。输出电压和输出电流波形放大后如图17(a)和图17(b)所示。

15。放电方式闭环仿真电路

Fig.16 (a)。缩小逆变器输出电压的视图

Fig.16 (b)。缩小逆变器输出电流的视图

Fig.17 (a)。根据逆变器输出电压放大

Fig.17 (b)。放大了逆变器的输出电流

该谐振逆变器的效率为80.45%。由于逆变器采用了谐振特性，提高了效率。ZCZVS条件下逆变器开关S3和S4电压电流波形如图18所示。

Fig.18。逆变器开关的电压和电流波形

1. 结论

在PSIM软件中对太阳能超声波清洗机进行了仿真。成功地完成了系统开环和闭环仿真，并得到了仿真结果。分别对系统的充电方式和放电方式进行了识别。该系统的高频为28kHz，功率为58W，适用于超声波清洗机的应用。选择高开关频率是因为它减小了谐振元件的尺寸，从而降低了电压应力。谐振逆变器的实验结果表明，在过零状态下，开关被打开，降低了开关损耗，提高了系统的效率，达到80.45%。

参考文献

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