INDUCTION HEATING

Индукционный нагрев для всех.
Текущее время: 20 окт 2018, 17:55

Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]




Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 215 ]  На страницу 1, 2, 3, 4, 5  След.
Автор Сообщение
 Заголовок сообщения: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 05 сен 2013, 05:52 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
В этой теме мне хотелось бы завершить разработку более-менее законченного варианта лабораторного инвертора.

Проект с условным названием «Лабораторный инвертор» зародился в процессе решения нескольких практических экспериментальных задач, в которых необходимо было использовать инверторы с мощностью в несколько кВт. В нашей лаборатории таких инверторов не было, а приобрести готовые в то время не было возможности. Поэтому возникла идея разработать и изготовить недорогой, несложный в сборке и настройке прототип инвертора, способный выполнять разовые экспериментальные задачи. Простейшие конструкции таких лабораторных инверторов были опубликованы в нескольких доступных on-line статьях [1-7]. Конечно, эти решения достаточно «разношерстные», не всегда последовательны, а иногда и откровенно слабые. Это вполне естественно, т.к. статьи отражают сам процесс изучения автором основ силовой электроники (второпях, и почти «с нуля»). Тем не менее, эти конструкции свои первоначальные задачи успешно выполнили и потихоньку переместились в «кунсткамеру» на вечный прикол, уступив жизненное пространство другим железякам. Но, к сожалению, реализация самой идеи - модульная, гибкая конструкция инвертора, который можно было бы легко подстраивать под разные экспериментальные задачи, оставалась на тот момент незавершенной. Нужно было окончательно определиться с конкретной схемотехникой модулей, концепцией управления инвертором, вариантами согласования с типовыми нагрузками (не только ИН!), «подчистить» разные несуразности, провести дополнительные тесты и т.п. Кроме того, необходимо было написать вменяемые «прописи» с элементами теории в доступном, популярном изложении. Однако, выделить отдельный кусок времени для этой задачи за истекший год мне так и не удалось. К сожалению, и в обозримом будущем такая возможность тоже не просматривается. Бросать эту задачу неоконченной – жалко. Мне кажется, что-то в ней есть. Поэтому остается единственный вариант – поработать в режиме «вытесняющей многозадачности» :swoon2: Что я и решил попробовать сделать.

Поскольку процесс, скорее всего, получится весьма неспешным, нужна «площадка» для постепенной фиксации основных соображений и их «обкатки». Формат ветки форума вполне для этого подходит (вариант блога все-таки слишком «обязывает» - не уверен, что смогу заниматься этим непрерывно). Поэтому я и решил инициировать эту ветку для постепенного завершения работ по лабораторному инвертору. Был бы очень признателен участникам форума за конструктивные замечания, обсуждения и предложения. Если бы эта задача вылилась в какое-нибудь коллективное творчество - было бы вообще здорово! Но, в любом случае (надеюсь) эта ветка может оказаться полезной экспериментаторам. Даже в незавершенном виде.

Итак, приступим. В следующем сообщении я расскажу немного подробнее о том, что такое лабораторный инвертор и для чего он нужен.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 05 сен 2013, 19:03 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Работать без плана - плохо. Забыл оставить под него место, поэтому пришлось сделать некоторые трансформации постов. :sclerosis: Поместил сюда приблизительное оглавление, которое заодно будет играть роль плана. Пока до второго уровня. Не хватит - расширю. План, естественно, будет трансформироваться (сокращаться или частично раздвигаться) по мере его реализации.

Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 11:29 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Литература

1. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 1. 2010
2. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 2. 2010
3. Цифровой модулятор плотности импульсов для регулирования мощности инвертора, 2010
4. Способы подстройки частоты лабораторного инвертора, 2011
5. Лабораторный инвертор с PDM-регулированием мощности, 2011
6. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 3, 2012
7. Полный архив этих статей в формате pdf со вспомогательными материалами
8. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. Пер.с англ. М.: "Радио и связь", 1985, 288 с.
9. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2001, 384 с.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 13:52 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Введение
    Что такое лабораторный инвертор?
---------------------------------------------

По сути, лабораторный инвертор - это более-менее универсальный модульный DC-AC преобразователь с набором взаимозаменяемых блоков управления управления, нагрузок и датчиков. Он предназначен для решения лабораторных экспериментальных задач, которые, так или иначе, связаны с высокочастотными (десятки, сотни кГц) источниками напряжения. Вот список таких задач, лежащих на поверхности:

  1. Индукционный нагрев. Электрическая часть нагрузки состоит из индуктора, конденсаторной батареи и согласующего трансформатора. С индуктором индуктивно связан нагреваемый электропроводящий образец (потребитель электромагнитной энергии). Основные особенности, связанные с управлением, заключаются в том, что образец может изменять свое положение, геометрию и электрофизические свойства. Система управления должна все эти факторы учитывать и поддерживать заданный режим нагрева образца.
  2. Ультразвук. Нагрузка состоит из пьезоэлектрического преобразователя и, в простейшем случае, согласующего дросселя и трансформатора. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой электромеханическую систему, механически связанную с другой механической системой (потребитель УЗ-энергии). Основные особенности управления заключаются в емкостном характере пьезопреобразователя, наличии нескольких (иногда многих) резонансов, частоты которых могут изменяться в процессе работы. При повышенных мощностях становятся заметным нелинейность преобразователя, приводящая к появлению гистерезиса на АЧХ.
  3. Неравновесная плазма. Это высоковольтные ВЧ-разряды, катушки Тесла, скользящие поверхностные разряды и т.п. Здесь очень большое разнообразие устройств, требующих отдельной классификации и неспешного «препарирования».
  4. Квазиравновесная плазма. Здесь тоже довольно широкий класс устройств: электродуговые плазмотроны, сварочные инверторы и т.п. Основные особенности, связанные с управлением, заключаются в нелинейностях и отрицательном характере ВАХ дуги.
  5. И т.д….

Такая постановка задачи (разработка универсального инвертора) всегда вызывает вполне естественное возражение, заключающееся в том, что специализированные устройства, как правило, более эффективны, чем комбайны. Действительно. Это совершенно справедливо, например, для производства, в котором устройство работает более-менее постоянно и выполняет достаточно узкую функцию. Но для небольших исследовательских лабораторий или для домашних мастерских-лабораторий типична совершенно другая специфика – «разношерстность» решаемых экспериментальных задач и их «разовость». В таких условиях довольно накладно каждый раз приобретать (а потом выкидывать) дорогостоящее специализированное оборудование. Здесь очень хочется иметь универсальный модульный комбайн-конструктор, позволяющий быстро собрать из готовых блоков инвертор с нужными параметрами. Таким конструктором как раз и должен быть лабораторный инвертор.

Несколько общих соображений, которые неплохо было бы учесть при разработке лабораторного инвертора.

  1. Не все люди (в том числе и физики-экспериментаторы) умеют (или хотят) паять и разбираются в силовой электронике. Поэтому модули должны быть законченными и надежными узлами с четко определенным функционалом, позволяющими собрать нужное устройство любому экспериментатору с обычным физическим образованием. Как из кубиков.
  2. Схемы, печатные платы, важные элементы конструкции и программное обеспечение лабораторного инвертора должны быть полностью открыты и доступны для повторения любому экспериментатору. Для классической науки это нормальная практика. Не будем нарушать эту хорошую традицию. Конечно, никто не мешает изготавливать как сами лабораторные инверторы, так и другие изделия на его основе в "закрытом виде". Речь идет только о базовом (первичном) варианте лабораторного инвертора.
  3. Все комплектующие и материалы, необходимые для изготовления лабораторного инвертора должны быть доступны (как по стоимости, так и по возможности приобретения). Понятно, что это требование достаточно условно – не все то, что можно купить в Москве, можно отыскать в селе Варваровка. :resent: Просто нужно избегать очень дорогих или дефицитных незаменимых компонентов.

Возможно, со временем это список расширится, но пока это – то, что было осознано и учтено в разработке существующих конструкций лабораторного инвертора.

В следующем сообщении будут рассмотрены основные составные части (компоненты) лабораторного инвертора.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 13:55 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Введение
    Основные компоненты лабораторного инвертора
---------------------------------------------

Блок-схема лабораторного инвертора представлена на рисунке.
Изображение
Инвертор состоит из пяти групп модулей.

  1. Силовой модуль. Это «сердце» лабораторного инвертора. Именно в этом модуле, при помощи полупроводниковых ключей, происходит преобразование постоянного тока в переменный. Самые общие требования к силовому модулю лабораторного инвертора таковы. Это мост или полумост мощностью порядка несколько кВт с питанием от однофазной сети 220 В. Частотный диапазон от нескольких десятков кГц до двух-трех сотен кГц. Для реализации всего спектра поставленных перед лабораторным инвертором задач, силовой модуль должен иметь независимое управление ключами (плечами) и иметь гальваническую развязку силовой части от трактов управления. Естественно, силовой модуль должен иметь быстродействующую защиту, как минимум, от перегрузок ключей и ошибок управления (в частности, «сквозняков»). Желательно еще добавить защиту от перегрева силовых элементов (в частности, датчик температуры на радиаторе). Охлаждение модуля принудительное воздушное. В конструкторе необходимо предусмотреть два взаимозаменяемых силовых модуля. Один - полумост, с максимальной мощностью 1.5-2 кВт, второй – мост для более энергоемких приложений (5 – 6 кВт).
  2. Датчики. Датчики предназначены для обеспечения правильной и безопасной работы инвертора при выполнении поставленной задачи. Образно говоря, датчики – это «нервные окончания» лабораторного инвертора. Датчики делятся на две группы. В первую группу входят датчики тока нагрузки и напряжения на ней. Эти датчики необходимы для «низкоуровневой» (быстрой) системы управления ключами инвертора (см. ниже п.3). Остальные датчики образуют вторую группу. Они не так требовательны ко времени опроса и обработки, как датчики первой группы, но их количественный и качественный состав может быть достаточно широк и сильно зависит от конкретных приложений. Например, для работы лабораторного инвертора в качестве индукционного нагревателя необходимы датчики температуры входящей и выходящей воды охлаждения индуктора, датчик температуры образца. А для работы в качестве УЗ излучателя могут потребоваться акустические датчики, датчики кавитации и т.д. Датчики второй группы опрашиваются другой (высокоуровневой) системой управления (см. ниже п.4). Обсуждение этих датчиков в контексте конкретных приложений – отдельная и большая тема. Но, к счастью, на начальном этапе здесь достаточно просто определиться с базовым интерфейсом датчиков для управляющего МК (1-Wire, I2C, SPI или еще какой-нибудь протокол), а далее - решать проблемы по мере поступления. Уже на уровне софта.
  3. Модуль низкоуровневого управления. Продолжая аналогию с организмом :grin:, можно сказать, что модуль низкоуровневого управления – это «спинной мозг» лабораторного инвертора. Главная задача этого модуля – оперативное управление ключами силового модуля на основе информации, поступающей от датчиков тока и напряжения на нагрузке и от модуля высокоуровневого управления (см. ниже п.4). Это должен быть довольно шустрый модуль со временем реакции существенно меньше рабочего цикла инвертора. Вот, например, задача для «продвинутого» варианта модуля низкоуровневого управления: по текущим выборкам сигнала тока спрогнозировать момент перехода тока через 0. Далее, с учетом требуемого dead time, установленного значения ШИМ и задержек в силовом модуле, рассчитать момент выключения ключей и выключить их в нужный момент. После этого, с учетом тех же задержек в силовом модуле, включить противоположные ключи. И так далее. В каждом полупериоде. Ну и другой крайний случай - в самом простейшем варианте модуль низкоуровневого управления может представлять собой двухканальный генератор импульсов с регулируемой «вручную» частотой и скважностью (например, на TL494 или даже IR2153). В сочетании с силовым модулем получится простейший инвертор с ручной регулировкой частоты.
    Модуль низкоуровневого управления может быть реализован чисто аппаратно (на логике), или чисто программно (на микроконтроллере), или комбинированно. Оптимальный вариант пока не ясен – в каждом есть свои плюсы-минусы. Возможно для разных приложений он свой. Поэтому конструктор должен включать в себя несколько взаимозаменяемых вариантов модулей низкоуровневого управления (от самых простейших до «продвинутых).
  4. Модуль высокоуровневого управления. Это «головной мозг» лабораторного инвертора. Он относительно медленный, но в меру интеллектуальный. Модуль обеспечивает пользовательский интерфейс (вывод информации, ввод команд управления), выполняет опрос всех датчиков второй группы, формирует команды модулю низкоуровневого управления. По аппаратной части здесь каких-то серьезных принципиальных вопросов нет. Скорее всего, это должен быть одноплатный компьютер. Желательно с операционной системой (возможно, реального времени) и полным набором портов для подключения всех необходимых датчиков, модуля низкоуровневого управления и устройств обеспечения пользовательского интерфейса (клавиатура, монитор, мышь). С точки зрения железа здесь единственная проблема – проблема выбора, т.к. вариантов довольно много. :grin: А все особенности реализации конкретных приложений выполняются уже на уровне софта.
  5. Нагрузки. Это – «руки» лабораторного инвертора. Именно при помощи нагрузок выполняется конкретная экспериментальная задача. Инвертор без нагрузок – это всего лишь блок питания. Здесь огромное количество вариантов, которое невозможно проработать за разумное время. Поэтому, для тестирования различных вариантов работы лабораторного инвертора, необходимо ограничиться всего несколькими модельными нагрузками, которые отражали бы характерные и существенные особенности соответствующей предметной области. Нагрузки - это отдельная серьезная тема. Поэтому здесь я только перечислю те, которые представляются мне важными на данный момент и с которыми я, в какой-то степени, уже имел дело.
    • Простейшая нагрузка ИН: небольшая плавильня цветных металлов (ну, скажем, до сотни грамм) в графитовом тигле. Как вариант: лабораторная высокотемпературная трубчатая графитовая печь.
    • Другая нагрузка ИН, требующая более сложного управления: левитационная плавка с контролируемой температурой. Как упрощенные варианты: плавка чермета в непроводящем тигле, поверхностная закалка или нагрев образца для ковки.
    • Классический вариант УЗ-нагрузки: ультразвуковая ванна для очистки. Как вариант: УЗ-ванна с повышенной мощностью для сонолюминесценции или диспергирования.
    • Другой вариант УЗ-нагрузки: высокодобротный стержневой излучатель в варианте диспергатора или УЗ-реактора.
    • Высоковольтный импульсный коронный разряд. Как вариант: плазмохимический реактор для обработки жидкостей скользящим разрядом.
    • Стримерный ВЧ-разряд (трансформатор Тесла). Ну это просто красиво и очень таинственно. Один из вариантов управления (модуляция) может быть интересной для меломанов.
    • Дуговой разряд постоянного тока в плотном газе. Как варианты: дуговая плавка металлов в контролируемой атмосфере или просто сварочный инвертор.
    Говоря о нагрузках, необходимо отметить один очень важный момент. Практически во всех прикладных задачах лабораторного инвертора нагрузка представляет собой довольно сложную физическую систему, не ограниченную только электрическими процессами. По сути дела в нагрузке, как таковой, происходит преобразование высокочастотной электрической энергии, производимой инвертором, в другие формы энергии (тепловую, акустическую, энергию ионизации и возбуждения частиц плазмы и т.д). Но инвертор всегда «видит» нагрузку только через два провода. Ну просто как двухполюсник. Правда, - с довольно сложным и, в общем случае, зависящем от предыстории импедансом. Это сложные и очень интересные вопросы, которые мы обсудим, когда будем говорить о нагрузках конкретно.

Вот из таких основных групп модулей, легко взаимозаменяемых внутри группы, должен состоять лабораторный инвертор.

Распараллеливать дальнейший процесс пока не имеет никакого смысла, поскольку я занимаюсь этой проблемой один и, как говорят, «в порядке личной инициативы». Поэтому будем рассматривать составные части лабораторного инвертора (группы модулей) последовательно.

Начнем с силового модуля.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 14:56 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Силовой модуль лабораторного инвертора
    Основные технические требования к силовому модулю
      Питание силового модуля
---------------------------------------------

Поскольку лабораторный инвертор должен работать в достаточно широком диапазоне частот (как минимум до 250-300 кГц), а высокочастотные IGBT-транзисторы пока еще не очень доступны, то в качестве силовых ключей желательно применять полевые транзисторы (MOSFET). Диапазон рабочих напряжений большинства мощных высоковольтных MOSFET-ов ограничен значением 500 В. Более высоковольтные полевые транзисторы, конечно, существуют, но они, как правило, менее доступны, дороги и маломощны. Поэтому в качестве ключей силовых модулей лабораторного инвертора целесообразно выбрать 500-вольтовые MOSFET. Отсюда сразу вытекают требования к питанию – питаться силовые модули должны от однофазной сети 220 В. После двухполупериодного выпрямления сетевого напряжения и его фильтрации, мы получим напряжение питания инвертора, равное 310 В. При таком питающем напряжении напряжение питания инвертора не будет превышать 310 В. В этом случае 500-вольтовые транзисторы будут чувствовать себя вполне комфортно.

Вариант питания от трехфазной сети будет рассмотрен в другом разделе.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 15:04 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Силовой модуль лабораторного инвертора
    Основные технические требования к силовому модулю
      Выходная мощность
---------------------------------------------
Для большинства лабораторных задач, связанных с ультразвуком и неравновесной плазмой, мощности на уровне 1 кВт вполне хватает. Что же касается индукционного нагрева, то 1 кВт инвертора хватает только для некоторых простых задач. Таким образом, уровень мощности, необходимый для решения большей части лабораторных задач, увеличивается до 3-5 кВт. Для быстрого поверхностного нагрева (не слишком мелких образцов) необходим еще более высокий уровень мощности. К сожалению, здесь необходимо питание уже от трехфазной сети и элементная база, рассчитанная на более высокие напряжения, чем при питании от однофазной сети 220 В. Конструктор, снабженный таким силовым модулем (на 10-15 кВт), получился бы слишком дорогим для многих лабораторий и мастерских. Поэтому оптимальным представляется следующий вариант.

В конструкторе «Лабораторный инвертор» нужно предусмотреть всего два варианта силовых модулей. Первый вариант - до 3 кВт, второй – до 5-6 кВт. Естественно эти модули должны быть полностью взаимозаменяемы. При необходимости увеличить выходную мощность, модули одного типа могут быть агрегированы по три штуки. Каждый силовой модуль такого агрегата питается от отдельной фазы трехфазной сети. Входы силовых модулей соединяются параллельно, а выходы – через согласующие трансформаторы к единой нагрузке. Т.е. три силовых модуля, каждый из которых питается от своей фазы, работают синхронно на одну нагрузку.

Такой вариант агрегирования силовых модулей в применении к ИН кратко рассматривался в конце работы [2], но экспериментально не был опробован (в общем-то, чисто по организационно-техническим причинам – не было текущих задач, требующих такую мощность). Но, в принципе, такой подход обладает несколькими достаточно очевидными плюсами. Во-первых, мы получаем установку с мощностью в три раза большей, чем мощность одного силового модуля. Во-вторых, мы равномерно нагружаем трехфазную сеть. Ну и в-третьих, в силу того, что каждый модуль питается от отдельной фазы (при помощи двухполупериодного выпрямителя, дающего 310 В), мы можем использовать вполне доступные 500-вольтовые MOSFET-ы. Если высокие мощности необходимы лишь изредка, от случая к случаю, но маломощных задач много (т.е. в лаборатории найдется три одинаковых силовых модуля), то такой подход может оказаться оптимальным.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 16:29 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
:good: Здравствуйте ksv! Приятно снова читать Ваши обстоятельные тексты :good:


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 17:03 
Не в сети

Зарегистрирован: 09 мар 2013, 10:00
Сообщений: 178
ksv писал(а):
Силовой модуль лабораторного инвертора
    Основные технические требования к силовому модулю
      Питание силового модуля
---------------------------------------------

После двухполупериодного выпрямления сетевого напряжения и его фильтрации, мы получим напряжение питания инвертора, равное 310 В. При таком питающем напряжении 500-вольтовые транзисторы будут чувствовать себя вполне комфортно.

Вариант питания от трехфазной сети будет рассмотрен в другом разделе.

Сергей, Я немного пооппонирую.. Питание 310В будет только тогда, когда не включен инвертор. Это пиковое напряжение. На самом деле питание просядет до 220-250 вольт и будет зависеть от нагрузки и от емкости конденсаторов.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 17:29 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
То Sergey
Спасибо на добром слове! Был бы рад, если бы и Вы приняли участие в этом проекте. Я сейчас весьма далек от образования, а Вы-то близок. :smile: Почему бы не попробовать применить такие "конструкторы" в лабораторном практикуме? Физическом или химическом. Ну вот первое, что сразу же пришло в голову - лабораторная работа с названием типа "Исследование озонатора с барьерным разрядом". Можно, например, исследовать электрические характеристики барьерного разряда или производительность озонатора, например, от частоты инвертора. Барьерный разряд, в отличие от индуктора для ИН, является емкостной нагрузкой. Причем, нелинейной. Кстати очень интересный вариант возможной нагрузки лабораторного инвертора про который я совсем забыл! А если широко подумать - можно придумать массу интересных лабораторных работ для студентов по многим разделам физики или химии. Конечно там, где в принципе уместен инвертор. В любом случае - рад встрече!
=======================================

To e-nik
Здравствуйте! Очень рад встрече!
e-nik писал(а):
Я немного пооппонирую..
Нормально. Для этого же и пишу.
e-nik писал(а):
Питание 310В будет только тогда, когда не включен инвертор. Это пиковое напряжение. На самом деле питание просядет до 220-250 вольт и будет зависеть от нагрузки и от емкости конденсаторов.
Да. Конечно. 310 будет только при исчезающе маленькой нагрузке. Я поправил фразу на более корректную. Спасибо.

Вопросы "просадки" таких простых источников питания (диодный мост + конденсатор) и их поганенький КМ, обязательно нужно будет рассмотреть детальнее, когда будем "разбирать" питание силового модуля в соответствующем разделе. (Совсем забыл - уже пометил себе. :smile: Спасибо!)

Но с точки зрения жизнеспособности ключей все равно мы не можем ориентироваться на просаженное напряжение. Т.е. нужно ориентироваться на максимальное - т.е. 310В (также, как и у Ларионова на ~540 В)


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 06 сен 2013, 20:55 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
To ksv А оно и задумывалось примерно в таком ключе, использовать на лабораторных работах. Я сам в университете не работаю, но человек, которому я делал инвертор, хотел применять в образовательном процессе :smile: Даже разок показывали студентам на примере нагрева железки фазовый переход и потерю магнитных свойств, интереса, впрочем, у них это не вызвало. Проблема в том, что это все делается на голом энтузиазме, ни копейки денег на эту тему выделено не было, хотя все довольны результатом :no2: . Компоненты, приборы, материалы, все за свой счет...Денег не жалко, дело ведь интересное, бесит только безразличие, и всеобщая тупость, которая царит в университете сейчас. Ладно, все это оффтоп, в любом случае, спасибо за идею, инверторы все равно делать будем, пока хоть кому то это нужно будет.

p.s. по теме, возможно при описании ИН стоит подчеркнуть, что Вы используете последовательный контур, а инвертор в этом случае источник напряжения. Просто, насколько я помню, с параллельным контуром Вы не экспериментировали.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 07 сен 2013, 15:22 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Да, Sergey. Конечно речь идет об инверторах напряжения. Кажется где-то я об этом упоминал, но, наверное, не очень отчетливо. Но об этом мы еще поговорим не раз, когда будем обсуждать конкретную реализацию силового модуля.
---------------------------

А что касается студентов и университетского начальства - не стОит сильно переживать по этому поводу. Мне кажется, никогда не следует делать что-то, рассчитывая на благодарность человечества, правительства, начальства и т.д. Так не бывает. Эти сущности малосовместимы. С большой вероятностью рискуете остаться разочарованным. Нужно стараться делать то, что важно и интересно именно Вам. Ну а если при этом Ваше дело вдруг оказалось интересным и полезным еще кому-то - то это будет просто приятным бонусом. В этом случае удовольствия Вы получите в два раза больше. :good2:
Конечно, здесь речь не идет о близких людях, друзьях и т.д., для которых делать что-то хорошее - само по себе удовольствие. :smile:


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 07 сен 2013, 17:21 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Силовой модуль лабораторного инвертора
    Основные технические требования к силовому модулю
      Диапазон рабочих частот
---------------------------------------------

Диапазон рабочих частот, используемый в современной лабораторной практике настолько широк, что удовлетворить все запросы при помощи одного устройства просто нереально. Поэтому необходимо найти некий разумный компромисс и соответствующую нишу для лабораторного инвертора. Мощные ультразвуковые установки работают в диапазонах 18 кГц (16.7-19.4 кГц), 22 кГц (20.4-23.7 кГц) и 44 кгц (40-48 кГц). В области нескольких десятков кГц работают и большинство импульсных источников питания (как высоковольтных, так и сильноточных). Поэтому вполне разумно будет определить нижнюю граничную частоту силового модуля на уровне 16 кГц.

Попытаемся теперь как-то осознать верхнюю границу частотного диапазона лабораторного инвертора. В диапазоне 66 кГц (59-74 кГц) работают промышленные установки индукционного нагрева. Однако, для ряда лабораторных приложений (левитационная плавка малоразмерных образцов, вакуумные печи с тонкостенными нагревателями, некоторые УЗ-задачи, связанные со звукохимией, сонолюминесценцией и т.п.) требуются более высокие частоты. Следующий разрешенный диапазон, к сожалению, находится уже довольно далеко – 440 кГц (429-451 кГц), а следующий - еще в два раза дальше - 880 кГц (871-889 кГц). Вряд ли на общедоступных компонентах и любительском "конструктиве" удастся легко добраться до 880 кГц. :sad: Поэтому вполне достойной целью для универсального силового модуля могли бы стать 450-500 кГц. В качестве верхней границы частотного диапазона.

Итак, мы можем определить желаемый диапазон частот силового модуля 16-500 кГц. Тут необходимо подчеркнуть слово "желаемый". Что означает лишь то, что основные компоненты силового модуля (гальваническая развязка, ключи и драйверы) и схемотехнические решения желательно рассматривать с учетом этих значений. Ну а удастся ли реально получить такой частотный диапазон на практике при разумных затратах – тут уже как получится.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 09 сен 2013, 19:30 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Приложение A. Элементарное введение в инверторы
    Мост
---------------------------------------------

Везде, если не оговорено специально, мы будем под словом «инвертор» понимать «инвертор напряжения».

Инвертор – это устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное. Один из простейших инверторов мы легко можем собрать при помощи сдвоенного переключающего тумблера по схеме, изображенной вот на этом рисунке.

Изображение

Здесь S1 и S2 – тумблер, E – источник постоянного напряжения, Zн – нагрузка. Необходимо подчеркнуть, что здесь понятие нагрузки трактуется довольно широко. Это может быть и обычный повышающий трансформатор с диодным мостом и фильтром для простейшего высоковольтного источника. Нагрузкой может быть согласующий трансформатор с конденсаторной батарее и индуктором для индукционного нагрева или плавки. В то же время, нагрузкой может быть и сложная нелинейная электромеханическая, электроакустическая или электрооптическая система. Тем не менее, для инвертора любая нагрузка – это все равно некий двухполюсник со своим импедансом Zн (возможно, очень сложным, нелинейным и т.д.).

Нагрузка может иметь ощутимую индуктивность. А если по индуктивности течет ток, то прервать (изменить) его моментально невозможно (точно так же, как невозможно мгновенно изменить напряжение на конденсаторе). Поэтому, если мы не хотим, чтобы из нашего тумблера при переключении сыпались искры, мы должны предпринять некоторые меры. Первая мера, которая необходима в любом случае (независимо от того, насколько «правильно» мы переключаем наш тумблер) – поставить так называемые возвратные диоды (flyback diode, freewheel diode), которые на рисунке изображены серым цветом. В моменты переключения, когда контакты тумблера разомкнуты, ток нагрузки будет замыкаться через те или другие возвратные диоды, в зависимости от текущего состояния системы.

Данный инвертор работает очень просто – переключая тумблер, мы по-разному подключаем нагрузку к источнику питания. Если, например, в данный момент нагрузка была подключена верхним выводом к плюсу источника питания, а нижним к минусу, то после переключения тумблера будет все наоборот – верхний вывод нагрузки будет подключен к минусу, а нижний – к плюсу.

Если бы наша батарейка была бы идеальным источником напряжения (с нулевым внутренним сопротивлением), то при усердной работе с тумблером мы получили бы приблизительно такой график напряжение на нагрузке, как на рисунке (полагаем, что время переключения нашего тумблера много меньше длительности импульсов и все другие компоненты и цепи идеальны).

Изображение

На этой осциллограмме для нас важно лишь то, что в таком инверторе размах напряжения на нагрузке равен удвоенному напряжению питания.

Понятно, что с практической точки зрения такая простая конструкция инвертора малополезна. Вряд ли кто-нибудь сможет переключать тумблер так быстро и усердно, чтобы расплавить металл или закалить лезвие кинжала. Такая простая модель инвертора нам понадобилась лишь для того, чтобы подчеркнуть, что любой инвертор, по сути, является лишь переключателем, позволяющим по-разному подключать нагрузку к источнику напряжения. Так, чтобы на нагрузке получалось переменное напряжение.

Что же выполняет роль тумблера в настоящем современном инверторе? Эту функцию выполняют полупроводниковые ключи, которые в настоящее время по своим параметрам уже достаточно близки к идеальным выключателям. Наиболее популярны из них полевые или биполярные транзисторы с изолированным затвором. Первые называются MOSFET, а вторые – IGBT. Литературы, посвященной описанию этих полупроводниковых приборов, огромное количество. Ссылки на пару хороших, обстоятельных книг приведены в списке литературы [8, 9]. Физические явления, происходящие во время работы полупроводниковых ключей, довольно сложны, но для понимания основных процессов, происходящих в самом инверторе, вполне достаточно представлять эти транзисторы, просто как ключевые элементы, имеющие, в зависимости от напряжения на затворе, два состояния: открытое (ключ замкнут) или закрытое (ключ разомкнут). В таблице, представленной ниже, приведены значения сопротивления открытого и закрытого состояний нескольких транзисторов фирмы International Rectifier (IR).

Изображение

Кстати отметим, что все перечисленные в таблице транзисторы имеют встроенные сверхбыстрые сильноточные обратные диоды. Это избавляет от необходимости устанавливать какие-либо дополнительные возвратные диоды.
Итак, из таблицы легко видеть, что открытый ключ имеет сопротивление порядка десятых долей Ома, а закрытый – порядка десятком МОм. Этот факт дает возможность рассматривать полупроводниковый ключ действительно как идеальный выключатель, зашунтированный возвратным диодом:

Изображение

Такая модель вполне адекватна при описании многих процессов в инверторе.

Идем дальше. Поскольку полупроводниковые ключи могут иметь только два состояния (открыт/закрыт), то каждую переключающую группу контактов тумблера можно реализовать лишь с помощью пары полупроводниковых ключей. В результате схема нашего инвертора трансформируется так, как показано на рисунке слева, или, в более традиционном представлении – справа.

Изображение

Такая конфигурация (или, как говорят – топология) инвертора называется мостом. Таковым она и является и по сути - к одной диагонали моста подключено питание, а к другой – нагрузка. Каждое плечо моста содержит по одному ключу. Ключи противоположных плеч моста включаются/выключаются синхронно. Таким образом, мост имеет три состояния:

  1. Все ключи закрыты. При таких условиях ток нагрузки замыкается через возвратные диоды.
  2. Ключи S1.1 и S2.2 открыты, а S1.2 и S2.1 закрыты. В такой ситуации нагрузка подключена левым выводом к плюсу источника питания, а правым – к минусу (см. обозначения на рисунке справа сверху).
  3. Ключи S1.1 и S2.2 закрыты, а S1.2 и S2.1 открыты. В этом случае наоборот – левый вывод нагрузки подключен к минусу источника питания, а правый – к плюсу.

Из достоинств мостовой схемы следует отметить то, что размах напряжение на нагрузке равен удвоенному напряжению питания, что позволяет получать в два раза большую мощность, чем при использовании других топологий (при использовании одинаковых ключей). К недостаткам можно отнести относительно большое количество используемых ключей (четыре) и необходимость применения развязывающих устройств при подключении заземленной нагрузки.

В следующем сообщении мы рассмотрим топологию инвертора, содержащую меньшее количество ключей и позволяющую, в частности, работать с заземленными нагрузками.




---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 09 сен 2013, 21:03 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
Ksv, Вы указали ссылки на две книги, но в списке литературы я их не вижу. :search: Хотя я наверное коней гоню.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 09 сен 2013, 21:25 
Не в сети

Зарегистрирован: 19 апр 2013, 23:45
Сообщений: 11
ksv писал(а):
К недостаткам можно отнести необходимость применения развязывающих устройств при подключении заземленной нагрузки. В следующем сообщении мы рассмотрим топологию инвертора, позволяющую, в частности, работать с заземленными нагрузками.

Извините, а что такое заземленная нагрузка и почему ее нельзя к мостовой топологии подключать? И зачем развязывающие устройства? Или я тоже лошадей гоню.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 10 сен 2013, 03:10 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
To Sergey
Еэх! Склероз, однако. :sclerosis: Спасибо. Добавил эти книги в список литературы. Гуглятся легко.

==================
To Alexeysergienja

Alexeysergienja писал(а):
а что такое заземленная нагрузка и почему ее нельзя к мостовой топологии подключать?
Нагрузка, один конец которой должен быть заземлен. Например, пьезоэлектрический излучатель прикрепленный ко дну УЗ-ванны, которая обязательно должна быть заземлена по ТБ. При использовании мостовой схемы оба вывода нагрузки попеременно болтаются между плюсом и минусом источника питания, поэтому мы не можем заземлить нагрузку. Придется ставить, например, развязывающий трансформатор.
-----------------------
PS
Во вложении - фотографии парочки УЗ-преобразователей Ланжевена. Они прикручиваются ко дну УЗ-ванны. Видно, что один вывод нагрузки соединен с корпусом.


Вложения:
.JPG
.JPG [ 125.94 Кб | Просмотров: 112 ]
Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 10 сен 2013, 22:59 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 19:22
Сообщений: 816
ksv
Я вот думаю, есть ли смысл делать самодельную УЗ мойку? Или проще и дешевле купить готовую? Что посоветуете? Нужна небольшая. Может обьмом в районе литра.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 05:05 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
jab, если мойка нужна только для утилитарных целей (чистка изделий) - однозначно лучше купить готовую. Дешевле серийной китайской мойки самому никак не сделать.
-------------------------
А если захочется поэкспериментировать с более-менее мощным ультразвуком, то сам излучатель (для моек) лучше купить готовый и все остальное сделать самому. У дешевых китайских моек пьезоизлучатель быстро отваливается. Мне в прошлом году как-то потребовалась мойка с максимально простой геометрией - я сделал из обычной нержавеющей кружки из магазина (см. фотки ниже). Чего она только не натерпелась, а склейка поксиполом до сих пор жива! :good:

Изображение Изображение Изображение Изображение


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 15:08 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Приложение A. Элементарное введение в инверторы
    Полумост
---------------------------------------------

В предыдущем разделе мы рассмотрели мостовую схему. Мост - почти идеальная топология, но она не всегда подходит. Бывают задачи, в которых неприемлема «плавающая» нагрузка, а иногда просто хочется сэкономить на ключах. В этом случае можно использовать, топологию, содержащую меньшее количество ключей - «полумост». Сделать простейший полумост очень легко из нашего первого инвертора на сдвоенном тумблере. Для этого отключим нижнюю группу контактов, а сам нижний вывод нагрузки подсоединим к минусу питания (пусть он будет заземлен). Получится схема, которая изображена на рисунке ниже. Если мы подключим к нагрузке осциллограф и усердно поработаем тумблером, то увидим что-нибудь, напоминающее график слева на этом же рисунке справа.
Изображение
Работа этой схемы предельно проста: нижний вывод нагрузки «глухо сидит на земле», а верхний вывод мы либо подключаем к плюсу источника питания, либо «садим» на землю. В результате на нагрузке появляется переменное напряжение от 0 до E. Мы видим, что размах напряжения на нагрузке стал в два раза меньше (E). Это – расплата за простоту (одна группа контактов вместо двух).

Такая топология называется полумостом с заземленной нагрузкой (или – полумост с несимметричным включением нагрузки). В реальных инверторах, конечно, вместо тумблера стоит пара полупроводниковых ключей, как показано на рисунке ниже.
Изображение
Главное достоинство полумоста (по сравнению с мостом) – относительная простота - два транзистора вместо четырех. Главный недостаток – в два раза меньший размах напряжения на нагрузке.

Необходимо отметить, что у этой топологии есть еще один недостаток – наличие постоянной составляющей в сигнале, идущем на нагрузку. Постоянная составляющая для некоторых приложений может оказаться неприемлемой. Например, если нагрузка содержит согласующий трансформатор на входе, то из-за постоянной составляющей он может, как говорят, «уйти в насыщение» и привести к аварийной ситуации. В таком случае необходимо принимать меры для устранения постоянной составляющей. Простейший способ - поставить разделительный конденсатор, а можно применить и, так называемое, «симметричное включение нагрузки».

Здесь мы приходим к самой популярной полумостовой топологии – к полумосту с симметричным включением нагрузки. Симметризовать подключение нагрузки можно при помощи сдвоенного источника питания, как слева на рисунке ниже, либо – при помощи конденсаторного делителя напряжения, как на этом же рисунке справа.
Изображение
На этих схемах мы видим, что один вывод нагрузки (левый) находится под потенциалом, равным половине напряжения питания инвертора, а второй вывод (правый) периодически подключается то плюсу источника питания, то к минусу. Легко видеть, что размах напряжения на нагрузке у этого полумоста, так же, как и у полумоста с заземленной нагрузкой, в два раза меньше, чем у мостовой схемы и равен E. Однако, в отличие от предыдущей схемы, постоянная составляющая здесь практически отсутствует. Строго говоря, в левом варианте полумоста с симметричным включением нагрузки (сдвоенный источник питания) постоянная составляющая может возникнуть из-за естественного разброса параметров блоков питания, ключей и времен их переключения. Но эта компонента будет существенно меньше, чем в схеме с несимметричным включением нагрузки. Заплатили мы за это некоторым усложнением блока питания инвертора.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 15:28 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
ksv, класс :good2: Единственное, немного непонятно про график
Цитата:
Получится схема, которая изображена на рисунке ниже. Если мы подключим к нагрузке осциллограф и усердно поработаем тумблером, то увидим что-нибудь, напоминающее график слева.
Слева по отношению к тексту? просто по отношению к схеме график справа :smile:


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 15:58 
Не в сети

Зарегистрирован: 15 авг 2013, 11:35
Сообщений: 8
Хочу поблагодарить уважаемого ksv за полезную тему.
Будет ли рассматриваться использование фазовращателя (например такого от livemaker) в качестве модуля низкоуровневого управления?


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 16:59 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Sergey писал(а):
Слева по отношению к тексту? просто по отношению к схеме график справа
Конечно - "справа". Спасибо, Sergey. Фразу поправил. :sclerosis:
------------------------------
Signus писал(а):
Будет ли рассматриваться использование фазовращателя (например такого от livemaker) в качестве модуля низкоуровневого управления?
Да, обязательно.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 17:58 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
ksv писал(а):
Необходимо отметить, что у этой топологии есть еще один недостаток – наличие постоянной составляющей в сигнале, идущем на нагрузку. Постоянная составляющая для некоторых приложений может оказаться неприемлемой. Например, если нагрузка содержит согласующий трансформатор на входе, то из-за постоянной составляющей он может, как говорят, «уйти в насыщение» и привести к аварийной ситуации. В таком случае необходимо принимать меры для устранения постоянной составляющей. Простейший способ - поставить разделительный конденсатор, а можно применить и, так называемое, «симметричное включение нагрузки».


Симметричное включение нагрузки не получится, есть разброс по параметрам: напряжение КЭ, или сопротивление канала. Со временем (миллионы колебаний) могут все таки привести к насыщению магнитопровода. Этим "болеет" пушпул. Из за чего его практически не применяют в инверторах с питанием более 100в, там разделительный конденсатор поставить негде. Есть схемы, регистрирующие ток намагниченности, но они или малоэффективны, или слишком сложны.
(например, два ТТ, один в цепи первички, другой в цепи вторички, соотв подобраны витки, и схема вычитания, остается ток намагниченности, т.е. схема регистрации тока намагниченности, и далее выравнивания за счет dT есть, и видел в работе такой пушпул в сварочном аппарате, но на 3 день работы все таки сгорел ключ)

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 18:25 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
derba писал(а):
Симметричное включение нагрузки не получится, есть разброс по параметрам: напряжение КЭ, или сопротивление канала.
В варианте полумоста с емкостным делителем такой проблемы нет - постоянка через нагрузку не потечет в принципе. Возможно, Вы имеете в виду топологию со сдвоенным источником питания? Там в принципе возможно протекание постоянной составляющей. Такая схема хороша (и, кстати, часто применяется) для теоретического анализа. Но на практике, действительно, возможны проблемы. Может быть этот вариант (с двойным источником питания) вообще убрать? Чтобы не возникало лишних вопросов?


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 18:31 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
Может быть не надо убирать? Достаточно упомянуть что постоянка может попасть в нагрузку в таком включении...Ну как бы для полноты картины :smile:


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 18:38 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Вопрос с насыщением достаточно тонкий. Может его нужно более серьезно порассматривать?
Это не всегда фатально... Например, у меня уже три года работает мост, в котором первичка транса подключена напрямую к диагонали (без разделительного конденсатора). Несимметрия сигнала тока в трансе нехилая - процентов 20-30!!! И ничего! Работает как ни в чем не бывало. Причем, где-то на пределе - сигнал уже не совсем синусоидальный.

---------------------
Нужно как-нибудь сесть-посидеть-помоделировать нелинейный транс в LTSpice, чтобы почувствовать кишкой как транс намагничивается. Тема важная.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 20:28 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
ksv писал(а):
Вопрос с насыщением достаточно тонкий. Может его нужно более серьезно порассматривать?
Это не всегда фатально... Например, у меня уже три года работает мост, в котором первичка транса подключена напрямую к диагонали (без разделительного конденсатора). Несимметрия сигнала тока в трансе нехилая - процентов 20-30!!! И ничего! Работает как ни в чем не бывало. Причем, где-то на пределе - сигнал уже не совсем синусоидальный.

---------------------
Нужно как-нибудь сесть-посидеть-помоделировать нелинейный транс в LTSpice, чтобы почувствовать кишкой как транс намагничивается. Тема важная.

C разделительным конденсатором бы не работала.
1 Период и мертвое время равны, нагрузка с ассиметрией. Учитывая, что модель работает с идеальными деталями, то насыщения нет.
2 Нагрузки нет, но периоды отличаются, то явно видно, что ток намагниченности растет, и растет в одну сторону. (насыщение неминуемо)
3 нагрузки нет, периоды и мертвое время равны, ток намагниченности одинаков во всем диапозоне.
4 Плечи имеют разные характеристики, ( разная индуктивность обмоток). Со временем
ток намагниченности сдвигается в одну сторону.
Дело не в равномерности нагрузок, а в том, что не равно идет намагничевание за период. При неравномерной нагрузке на плечо (разное сопротивление обмоток, деталей, разница в периоде и мертвом времени) накапливается, что приводит в конечном результате к насыщению.
С разделительным конденсатором , в мосту. Конденсатор со временем немного заряжается токами намагниченности , и соответственно, на плечо имеющая меньшую длительность импульса поступает больше напряжение. Т.е. U1*dT1=U2*dT2.
Мост с разделительным конденсатором не может работать с ассиметричной нагрузкой.
Разделительный конденсатор будет заряжаться разными токами, что приведет к сильной ассиметрии по напряжению.
Пушпул может, и при 12 в вполне работает на 1 диод.


Вложения:
1.PNG
1.PNG [ 46.76 Кб | Просмотров: 130 ]
2.PNG
2.PNG [ 52.44 Кб | Просмотров: 99 ]
3.PNG
3.PNG [ 29.94 Кб | Просмотров: 107 ]
4.PNG
4.PNG [ 71.38 Кб | Просмотров: 100 ]

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.
Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 11 сен 2013, 22:06 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
Еще, близко к пушпулу стоит инвертор с обмоткой размагничивания. Всесто транзистора в плече стоит диод в обратном включении. Это прямоходовой однотакт. Довольно широко используется для построения инверторов. (т.н. "косатый"). Т.е. это эквивалентно пушпулу, работающем на нессиметричную нагрузку. Есть вариант, что обмотка размагничивания имеет меньше витков, тогда время размагничивания меньше, КПД выше, благо, есть транзисторы на 1200в.

А косой мост - эквивалентен обычному мосту с несимметричной нагрузкой (косарик, Бармалей, кстати для косарика предложено уйма рекуперационных снабберов, позволяющих мягко переключаться и не греть пассивные элементы).


Вложения:
1.PNG
1.PNG [ 59.01 Кб | Просмотров: 139 ]

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.
Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 12 сен 2013, 05:45 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
To derba

Честно говоря, я не очень понял Вашу логику. :dntknw: Поэтому попытаюсь объяснить свою.

Сделать оптимальный инвертор (топологию) под конкретную нагрузку конечно можно. И таких топологий может быть очень много. Что касается пушпула. Мы с Вами в свое время, выяснили что push-pull для питания от сети не пойдет (в данном случае это важно, т.к. в конструировании лабораторного инвертора мы ориентируемся на 500-вольтовые MOSFET-ы). Кроме того, для него, как Вы справедливо отметили, возможны проблемы с насыщением. То же касается косого моста. Например, на "сварочную" нагрузку (транс, выпрямитель + дуга) он работает. На ИН-нагрузки, как мы в свое время тоже выяснили - нет.

Здесь же речь идет об универсальном лабораторном инверторе, который должен работать на произвольную нагрузку (двухполюсник). Слово "произвольную" - конечно в разумных пределах. А все "нюансы" (ну, кроме цепей согласования, которые как бы входят в саму нагрузку) берет на себя система управления ключами.

Из таких, реально универсальных топологий я пока знаю только две (мост и полумост). Четверть-мост тоже не берем, т.к. опять же возникает проблема с напряжением на ключах при питании от сети 220 В.

--------------------------

Я согласен, что в полумосте с двойным источником питания возможны асимметрии, которые могут приводить, в частности, к намагничиванию сердечника. Т.е. такая топология неуниверсальна - для симметричного включения нагрузки остается только схема с конденсаторным делителем. Но такая же беда в определенной степени может коснуться и моста. Однако у меня есть пример хорошо работающего моста с заметной асимметрией плеч на транс без разделительного конденсатора. Поэтому понятно, что не все так однозначно. Следовательно, нужно понять (почувствовать) насколько это все-таки серьезный фактор.Я пока еще не чувствую какая асимметрия к каким эффектам (и за какое время) может приводить - нужно на досуге поправить мозги на эту тему.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 12 сен 2013, 14:46 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
ksv писал(а):
To derba

Честно говоря, я не очень понял Вашу логику. :dntknw: Поэтому попытаюсь объяснить свою.

Я про намагниченность, к топологии, это имеет отдаленное значение.
Что бы понять явление насыщения, надо рассмотреть разные варианты, даже если такая топология в принципе не применима в инверторной плавке, законы физики одинаковы.
Я хотел пояснить, почему возникает насыщение, и как его побороть.
Ток через первичку состоит из 2 составляющих, ток, что идет в нагрузку (ток вторички трансформируется в первичку) и ток намагниченности.
Нас интересует ток намагниченности.
Ток намагниченности пропорционален индукции В. Когда В достигнет критического значения, то сердечник входит в насыщение.
(Теперь Ваш мост с ассиметричной нагрузкой. Если В не выходит за критическую величину, то будет работа с любой ассиметричной нагрузкой. )
Насчет насыщения. Пояснение к рисункам 2 поста назад.
Нагрузка сильно ассиметрична. Но cердечник намагничевается и размагничевается одно время, и напряжения равны, то В за пределы не выходит. (рис1)

Второй случай, разное время импульсов, для левого и правого плеча.
dB=U*ddT/{100*W*S)
W-витки, S площадь магнитопровода , ddT- время действия импульса , dB= изменение мндукции.
Или можно записать:
dB=K*U*dT
К примеру К=0.0003, ddT одного плеча 10мксек, другого 8,9.мксек. U=300в
Насыщение наступает при B=0.8т
Первоначальное значение, B=-0.5
Тогда после 1 импульсa
dB=0.0003*300*10=0.9 (со знаком +)
итого: В=-0.5+0.9=0.4
Следующий импульс (напряжение будет в этом случае со знаком минус)
0.0003*(-300)*8,9=-0.8
Тогда В=0.4+(-0.8)=-0.4
Продолжая далее:
В=0.5, затем -0,3, следом 0,6: -0.2; 0,7, -0,1; 0,8 вот и поймали насыщение. .

Такое же явление при разных напряжениях на плече (за счет падения напряжения на деталях из за технологического разброса), это 4 рисунок.

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 12 сен 2013, 17:55 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
derba писал(а):
Я про намагниченность, к топологии, это имеет отдаленное значение.
Ясно.
-----------------------------
Ну а насыщение (и вообще поведение трансов и дросселей с ферромагнитными сердечниками в качестве компонентов нагрузки) давайте рассмотрим позже, когда перейдем к анализу конкретных нагрузок. Тема действительно важная. Спасибо, что "подняли" ее. В топике про полумосты фразу насчет постоянной составляющей смягчил.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 13 сен 2013, 11:00 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Силовой модуль лабораторного инвертора
    Основные технические требования к силовому модулю
      Топология и организация защиты силового модуля
---------------------------------------------

Предварительно необходимо отметить следующее.

В-первых, для лабораторного инвертора нужна некоторая «универсальная» топология, работоспособность которой не «привязана» к конкретным особенностям нагрузки. Т.е. лабораторный инвертор должен работать на любой двухполюсник в качестве нагрузки, лишь бы он был согласован с ним по основным электрическим параметрам.

Во-вторых, как уже отмечалось выше, при конструировании лабораторного инвертора, мы ориентируемся на питание от сети 220 В и достаточно распространенные 500-вольтовые полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) в качестве ключей. Поэтому топологии инверторов, требующих от ключей повышенных рабочих напряжений (в частности, большинство одноактных) мы тоже отклоняем.

С учетом этих требований, из относительно простых и популярных топологий у нас остается две: мост и полумост. Эти топологии могут работать на любой двухполюсник в качестве нагрузки и напряжение на ключах практически (если, конечно, принимать меры против паразитных выбросов напряжения) не превышает напряжение питания инвертора. Конечно, хотелось бы иметь какую-нибудь одну базовую конструкцию лабораторного инвертора. Например, из двух полумостовых модулей собирать, при необходимости, мост. Или наоборот - отключая одну стойку моста получить полумост, например, с заземленной нагрузкой. Но, к сожалению, такой «конструктор-трансформер» оказывается неудобным и избыточным (по комплектующим). Поэтому остановимся на двух базовых конструкциях силового модуля лабораторного инвертора: мост и полумост. Полумостовой вариант силового модуля, естественно должен допускать разные варианты работы - как с несимметричным включением нагрузки, так и с симметричным.

Лабораторному инвертору придется работать с разными вариантами нагрузок и разными алгоритмами управления ключами. Поэтому силовой модуль должен иметь быстродействующую защиту от перегрузок ключей (например, короткое замыкание в нагрузке) и от ошибок управления. Одна из наиболее опасных ошибок управления заключается в одновременном открытии ключей, находящихся в одной стойке. На профессиональном жаргоне это называется «пробоем по стойке» или «сквозняком». В этом случае происходит короткое замыкание источника питания через два последовательных ключа с летальным, как правило, исходом у последних.

Ясно, что для устранения таких аварий необходимы быстродействующие датчики тока и быстродействующие схемы, позволяющие как можно быстрее перевести ключи в выключенное состояние. Про конкретные схемы защиты мы поговорим позже в соответствующем разделе, а здесь поговорим о датчиках тока и где они должны быть расположены.
Есть три доступных и недорогих варианта датчиков тока: датчики, основанные на эффекте Холла, датчики на базе трансформаторов тока и обычные старые-добрые шунты (низкоомные мощные резисторы, включаемые в цепь протекания тока). К сожалению, доступные датчики тока на эффекте Холла пока сравнительно низкочастотные (обычно до 100 кГц). Поэтому этот вариант для лабораторного инвертора отпадает. Трансформатор тока хорош в качестве датчика переменного тока нагрузки (например, для регистрации короткого замыкания в цепи нагрузки). Однако, для регистрации «сквозняков» нам необходимо измерение импульсных (однополярных) токов через ключи. Трансформаторы здесь будут уже не так хороши. Поэтому в качестве датчиков тока системы защиты силового модуля лабораторного инвертора остановимся на обычных омических шунтах.

В чем заключается преимущество шунтов в данной задаче? Во-первых, шунты могут работать в цепях с произвольной формой тока и во всем диапазоне частот. Во-вторых, шунты не требуют специальной калибровки и применения вспомогательных схем для преобразования сигнала (например, интеграторов) - достаточно знать сопротивление шунта. Ну и в-третьих, с помощью всего одного единственного шунта можно решить все перечисленные выше задачи защиты: перегрузка по цепи нагрузки и сквозняки.

Особенно удобна в этом смысле топология моста. Если мы разместим шунт так, как показано на рисунке ниже (a), то при перегрузке любой пары ключей (за счет кз или "сквозняка") на шунте будут возникать отрицательные импульсы напряжения, пропорциональные току, потребляемому инвертором от блока питания (сигнал S). При превышении импульсов определенного значения будет срабатывать схема защиты. Действительно, при перегрузке по цепи нагрузки, ток протекает так, как показано красными стрелками на рисунках (b) и (c). А при «сквозняках» по соответствующим стойкам – как на рисунках (d) и (e). Видно, что во всех случаях ток протекает через шунт Rш, в результате чего формируется сигнал для срабатывания цепей защиты.
Изображение
К сожалению, для полумоста ситуация не так радужна. Мы можем расположить шунт защиты так, как показано на рисунке ниже для двух вариантов с несимметричным включением нагрузки ((a) и (b)) и варианта с симметричным включением нагрузки (c).
Изображение
Из этих схем легко видеть, что от «сквозняка» защищены все варианты схем – импульс тока при «сквозняке» всегда протекает через шунт. Однако от перегрузки по цепи нагрузки в каждой схеме защищен только один ключ в стойке: в схеме (a) – это нижний ключ S1.2, в схеме (b) – это верхний ключ S1.1, и в схеме (c) – нижний ключ. На следующем рисунке показано как протекают токи в различных вариантах полумоста в разные такты его работы.
Изображение
Мы видим, что в одном такте каждого варианта ((a), (b) и (c)) ключи защищены, т.е. ток протекает через шунт защиты, а вот во время второго такта противоположные ключи никак не защищены - ток через шут не течет. Соответствующие ключи помечены красным на рисунках (d), (e) и (f)). В общем случае, при (симметричной!) перегрузке, защита, конечно, сработает, но - с опозданием на один такт. Можно, конечно, построить более изощренную систему защиты, но как показывает практика, такого уровня защиты вполне хватает на практике. Поэтому для полумоста ограничимся такой слегка «половинчатой» защитой от перегрузки. Но, еще раз подчеркнем, что «сквозняки» всегда отрабатываются корректно. В любом варианте установки шунта.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 13 сен 2013, 16:22 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
Цитата:
Поэтому остановимся на двух базовых конструкциях силового модуля лабораторного инвертора: мост и полумост. Полумостовой вариант силового модуля, естественно должен допускать разные варианты работы - как с несимметричным включением нагрузки, так и с симметричным.

Позвольте с Вами не согласиться, полумост в принципе не может работать на не симметричную нагрузку.
Разница токов, (за счет трансформации) зарядит конденсаторы в цени первички в одну сторону, что вызовет намагничевание трансформатора в одну сторону, и соответственно приведет к его насыщению, со всеми вытекающими последствиями.

Насчет ТТ. Он обладает таким преимуществом, что практически не греется. А для произвольной формы можно сделать, как я делаю, вот фрагмент с работающей в железе схемы регулировки скорости эл. мотоцикла. (полевик,- термозащита, при перегреве он закрывается, мощность падает, но мотоцикл продолжает двигаться на пониженной скорости ). Т.е. намагничевание идет напряжением менее 1в, размагничевание – 60в. (в пересчете на вторичку)


Вложения:
1.PNG
1.PNG [ 9.84 Кб | Просмотров: 13657 ]

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.
Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 13 сен 2013, 18:05 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
Не понял насчет полумоста. На модели получается:
1 защищен полумост при любом такте.
2 ТТ использовать в таком включении не возможно, ток не падает до 0, т.е. не будет размагничевания.


Вложения:
1.PNG
1.PNG [ 45.7 Кб | Просмотров: 135 ]

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.
Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 13 сен 2013, 19:20 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
derba писал(а):
Позвольте с Вами не согласиться, полумост в принципе не может работать на не симметричную нагрузку.
Разница токов, (за счет трансформации) зарядит конденсаторы в цени первички в одну сторону, что вызовет намагничевание трансформатора в одну сторону, и соответственно приведет к его насыщению, со всеми вытекающими последствиями.
Не совсем понимаю что Вы понимаете под несимметричной нагрузкой. Я же говорю о симметричном или несимметричном включении нагрузки. Вот примеры двух схем нагрузок (одна их области ИН, другая - УЗ (эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя)), которые спокойно работают в полумостовой схеме при несимметричном включении.
Изображение

derba писал(а):
Насчет ТТ. Он обладает таким преимуществом, что практически не греется.
Нагрев шунта тоже можно свести к разумным значениям. В любом случае эти потери пренебрежимо малы по сравнению с мощностью, прокачиваемой инвертором.

derba писал(а):
Не понял насчет полумоста.
Какой момент не понятен?


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 13 сен 2013, 19:28 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
Несимметричная нагрузка, я понимаю такой, когда стоит диод в нагрузке, и соотв разные токи для периодов. В данном случае токи будут одинаковы, т.е . нагрузка симметрична для отрицательной и положительной полуволны, чего не скажешь, если в цепи стоит диод.
Не понятно, насчет незащищенных тактов, в модели я получил, что все такты защищены.

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 13 сен 2013, 19:40 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Я говорил о схеме включения нагрузки. Сами нагрузки в том смысле, который Вы имеете в виду, симметричны.
---------------------------------------
На тактах, показанных на этом рисунке ток не течет через шунт. Поэтому в эти моменты времени (при перегрузке) рассматриваемая схема защиты не сработает.
Изображение


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 13 сен 2013, 21:00 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 14:06
Сообщений: 3054
Откуда: Черкассая обл Украина.
Тут я не могу согласиться, нет незащищенных тактов. У нас не источники питания. а конденсаторы, соотв в любом такте один конденсатор заряжается, другой разряжается, и один из конденсаторов цепь заряда - разряда замыкает через питание, значит через шунт. Вот, и модель подтверждает.


Вложения:
1.PNG
1.PNG [ 16.5 Кб | Просмотров: 75 ]
2.PNG
2.PNG [ 26.58 Кб | Просмотров: 99 ]

_________________
Главное в жизни не лениться. Захотел поспать - поспи, и не надо откладывать на потом.
Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 14 сен 2013, 04:51 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
derba, я делал утверждения только о тех схемах, которые были на моих рисунках. С точки зрения включения шунта, схема с конденсаторным делителем эквивалентна схеме с двумя источниками питания с таким подключением шунта, как показано на рисунке:

Изображение

Если же включить шунт между источником питания и конденсаторным делителем, как предлагаете Вы, то защита перестанет отлавливать "сквозняк" (пробой заряженных конденсаторов на открытые ключи стойки). Тут, конечно, много факторов нужно учитывать. Но при сквозняке, скорее всего, сначала "свалятся" конденсаторы (ток через шунт не течет), а уж потом "подтянется" блок питания и ток потечет через шунт. СтОит ли рисковать? ИМХО, лучше пропускать по одному такту перегрузки по цепи нагрузки, чем "сквозняки". Все-таки перегрузка - обычно довольно медленный процесс по сравнению с рабочим циклом - на следующем такте она "отловится".
==================================

PS около 20.00
На всякий случай немножко помоделировал ситуацию со сквозняком. Действительно, достаточно совсем небольшой паразитной индуктивности в цепи питания (даже порядка 10 нГ!) чтобы сквозняком сначала "воспользовались" конденсаторы, а уж потом включился блок питания. Вот пример одного из расчетов. Для имитации сквозняка сделано небольшое перекрытие управляющих импульсов (500 нс). На нижней диаграмме - голубая кривая - импульс сквозного тока, регистрируемый шунтом R2, а фиолетовая - шунтом R3, который расположен между блоком питания и конденсаторным делителем.
Изображение
Модель простейшая, но на всякий случай тоже приложил сюда.
--------------------------------
Так что вопрос, наверное, можно считать закрытым - шунт, расположенный между источником питания и конденсаторным делителем, может и не защитить от сквозняков.
--------------------------------
Продолжим.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 14 сен 2013, 18:24 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Силовой модуль лабораторного инвертора
    Основные технические требования к силовому модулю
      Прочие технические требования
---------------------------------------------

Здесь мы кратко остановимся на некоторых технических требованиях к узлам силового модуля, не рассмотренных в предыдущих разделах.

Гальваническая развязка по цепям управления. Необходимость надежной развязки довольно очевидна, поскольку в цепях низкоуровневого и высокоуровневого управления используются низковольтные логические элементы, микроконтроллеры. Аварии в силовом модуле способны полностью вывести из строя эти дорогостоящие элементы. Единственным приемлемым вариантом, способным полностью защитить модули управления, является использование оптических развязок. В настоящее время цифровые развязки вполне доступны и обеспечивают высокую скорость передачи данных (десяток Мбит/сек) и малые времена задержки (несколько десятков наносекунд). Поэтому установка их на входе силового модуля будет вполне оправдана.

Охлаждение ключей. К сожалению, полупроводниковые ключи при работе все-таки греются и не очень хорошо переносят высокие температуры. Поэтому их необходимо охлаждать. Поскольку не все лабораторные задачи связаны с использованием жидкостного охлаждения, то для охлаждения ключей силового модуля желательно использовать воздушное охлаждение. Из соображений уменьшения габаритов силового модуля, желательно использовать принудительное воздушное охлаждение. Узлы воздушного охлаждения процессоров, используемые в современной компьютерной технике, очень хорошо развиты, доступны и дешевы. Эти узлы (радиаторы с кулером) по габаритам, мощности и конструктиву вполне подходят для охлаждения полупроводниковых ключей силового модуля. Поэтому их использование в качестве системы охлаждения ключей силового модуля будет вполне оправдано. Пожалуй, единственный «огорчающий фактор» в этих узлах – необходимость дополнительного источника постоянного напряжения (12В) для питания вентилятора.

Драйверы ключей. Затворы полевых транзисторов, используемых в качестве ключей силового модуля, представляют собой нелинейные емкости, которые нужно заряжать/разряжать для включения/выключения ключа. Заряд, который нужно сообщить затвору, чтобы ключ открылся, зависит от качества и мощности ключа. Для современных транзисторов этот заряд Qg составляет величину от нескольких десятков до нескольких сотен нанокулон. Если мы хотим включать/выключать ключи за времена (tau) порядка сотни наносекунд, то ток зарядки затвора должен составлять величину (J ~ Qg/tau) от долей до нескольких ампер. Понятно, что обычные логические элементы обеспечить такие токи не смогут. Поэтому необходимо использовать усилители, которые в данном контексте называются драйверами.

В настоящее время существует множество готовых решений и соответствующих микросхем. Осложняющим элементом является то, что в полумостовых и мостовых схемах потенциал верхнего ключа – плавающий. Он изменяется от почти нуля (когда нижний ключ стойки открыт, а верхний закрыт) до почти напряжения питания инвертора (когда нижний ключ закрыт, а верхний открыт). Поэтому реализация драйверов верхних ключей имеет свои особенности: нужно обеспечить сдвиг уровня управляющего сигнала на плавающий уровень верхнего ключа и обеспечить плавающее питание самого драйвера.

Существует три наиболее популярных решения этой проблемы.
  1. Использование импульсных трансформаторов. В этом случае сам драйвер остается под низким потенциалом, а сигнал для управления верхним ключом передается через трансформатор. Поскольку универсальность лабораторного инвертора требует независимого управления ключами стойки и работы в широком диапазоне скважностей импульсов, то задача заметно усложняется. Найти универсальное решение сложно. Кроме того, использование трансформаторов практически исключает разработку готового интегрального исполнения драйвера.
  2. Использование оптических развязок для передачи управляющего сигнала на плавающий уровень и отдельные плавающие источники питания для самого усилителя. Недостатком такого подхода является необходимость плавающего источника питания, рассчитанного на потенциал несколько сотен вольт (а для мостовой схемы – двух таких источников питания). Что не всегда удобно.
  3. Для смещения уровня управляющего сигнала используются специальные схемы (как, например, решения на полевых транзисторах, используемые IR), а питание усилителя осуществляется при помощи так называемой бутстрепной схемы. Суть ее в том, что источником питания является конденсатор с малыми утечками. Этот конденсатор заряжается, в течении такта, когда потенциал драйвера (ну и конденсатора, естественно) близок к нулю. Для полумостовой и мостовой схемы – это такт, когда открыт нижний ключ стойки. В следующем такте, когда потенциал драйвера и конденсатора поднимается и становится выше потенциала низковольтного питания, конденсатор отключается от питания (для этого служит так называемый бутстрепный диод) и сам начинает питать усилитель, плавая вместе с ним.

Последний вариант реализации драйвера верхнего ключа удобен тем, что не требует дополнительного источника питания. Кроме того, в настоящее время существуют недорогие и доступные интегральные микросхемы, содержащие в одном корпусе драйверы как нижнего, так и верхнего ключей (драйверы полумоста). Это очень удобно. Существуют и мостовые интегральные драйверы, но часто, для управления четырьмя ключами моста, используется просто пара полумостовых драйверов.

С учетом этих соображений, применение бутстрепных полумостовых драйверов с независимым управлением в силовом модуле лабораторного инвертора кажется предпочтительным.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 17 сен 2013, 13:33 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Силовой модуль лабораторного инвертора
    Практические варианты силовых модулей
      Полумост
---------------------------------------------

В предыдущих разделах мы довольно подробно рассмотрели основные технические требования, которым должны удовлетворять элементы силового модуля и определились с предпочтительными решениями этих узлов. Они, конечно, не бесспорны, но сравнительно просты для непрофессионального исполнения и достаточно надежны для лабораторных приложений. После этого мы легко можем нарисовать схему силового модуля. Начнем с полумоста. Блок-схема представлена на рисунке ниже.

Изображение

Она удовлетворяет всем базовым техническим требованиям, о которых шла речь в предыдущем разделе: гальваническая развязка сильноточных высоковольтных цепей и цепей управления, независимое управление ключами и быстродействующая защита от перегрузки и сквозных токов. Если в цепи питания предусмотрен конденсаторный делитель, то такой силовой модуль может работать как в конфигурации с несимметричным включением нагрузки (второй вывод нагрузки подключается к земле), так и с симметричным (второй вывод подключается к центральной точки конденсаторного делителя – HV/2 (~)).

Как уже обсуждалось, в качестве гальванических развязок удобно взять цифровые опторазвязки. Поскольку большинство современных интегральных драйверов адаптированы к логическим уровням (в частности, TTL 5V), то никаких дополнительных преобразований сигналов не требуется. Некоторые варианты опторазвязок имеют вход разрешения прохождения сигнала. В этом случае упрощается организация защиты. Все уже готово – сигнал с триггера защиты (Enable) просто подается непосредственно на входы разрешения опторазвязок. Если микросхемы драйверов ключей имеют входы разрешения, то сигнал с триггера защиты можно подать и на эти входы (этот вариант обозначен на блок-схеме пунктиром). В противном случае необходимо использовать дополнительные логические схемы.

Вариант практической схемы силового модуля, соответствующей рассмотренной блок-схеме представлен на рисунке ниже. «Пройдемся» по этой схеме.

Изображение

В качестве цифровых опторазвязок используются достаточно доступные и недорогие микросхемы 6N137. У этих микросхем выходы с открытым коллектором, поэтому необходимо поставить резисторы R2 и R4. Опторазвязки 6N137 инвертирующие. Поэтому (ну просто для того, чтобы не было путаницы при проектировании модулей управления) выходные сигналы опторазвязок инвертируются при помощи оставшихся свободных элементов D1.3 и D1.4. При срабатывании защиты (об этом чуть ниже) на входы VE подается низкий уровень. При этом на выходах опторазвязок устанавливаются высокие уровни, независимо от сигналов на входах. В конечном итоге это приводит к выключению обоих ключей силового модуля.

Управляющие сигналы после опторазвязок и инвертирования поступают на входы драйверов ключей (микросхема IR2181). Эта микросхема содержит два независимых драйвера: один – нижнего ключа, второй – верхнего. Питание драйвера верхнего ключа бутстрепное. Когда потенциал средней точки (VS) близок к нулю (ключ VT2 открыт) бутстрепный конденсатор C3 заряжается через бутстрепный диод VD1 от источника питания 15В. После того, как потенциал VS начнет подниматься, диод VD1 закроется. После этого питание драйвера верхнего ключа осуществляется уже от предварительно заряженного конденсатора C3. Понятно, что бутстрепный диод должен быть высоковольтным (он должен выдерживать, как минимум, напряжение питания инвертора) и быстрым. Кроме того, конденсатор С3 должен иметь малые токи утечки (в данной схеме используется керамический конденсатор).

Драйверы IR2181 обеспечивают зарядный ток 1.9А (типичное значение) и разрядный – 2.3А. Соответствующие минимальные значения - 1.4А и 1.8А. Исходя из последних значений выбраны номиналы затворных резисторов R5 и R6. Ввиду не очень большой разницы зарядного и разрядного тока, не имеет особого смысла усложнять схему и ставить разные ограничивающие резисторы в цепи затвора (на заряд и разряд затвора).

В качестве ключей используются полевые транзисторы IRFP31N50L. Эти транзисторы имеют довольно неплохие параметры (в частности, 20А постоянного тока исток-сток при 100°C, Qg = 210nC (максимум)) и сверхбыстрые встроенные обратные диоды (trr = 170 ns (типовое значение)). С учетом выбранных затворных резисторов, характерное время зарядки/разрядки затвора составляет величину порядка 100-150 ns. Этого вполне достаточно для наших задач.

Поскольку силовой модуль лабораторного инвертора предназначен для работы с широким классом нагрузок (в том числе и экспериментальных), то (на всякий случай) между истоком и стоком каждого ключа поставлены быстродействующие ограничивающие диоды (сапрессоры), предохраняющие ключи от коротких выбросов напряжения (игл).

В данной конструкции силового модуля используется простейший источник высокого напряжения, состоящий, по сути, из диодного моста и электролитических конденсаторов фильтра. Резистор R13 служит для постепенной разрядки электролитических конденсаторов C11 в случае аварийного отключения силового модуля и отключения питающей сети. Известная проблема первоначальной зарядки конденсаторов C11 в данной конструкции решается предельно просто: первоначальная зарядка происходит через резистор R14, который затем «закорачивается» автоматом вручную. Практика показала, что такое простое решения является вполне эффективным и достаточным для лабораторного прибора. Поэтому какая-либо автоматизация это процесса не предусмотрена. Входной двойной автомат играет роль выключателя (обязательно оба провода сети!) и предохранителя.
Земляной вывод блока питания подключен к земле через шунт R12, который, по сути, является датчиком тока, потребляемым инвертором от блока питания. Для устранения высокочастотных помех, к шунту подключен конденсатор C10. Подстроечный резистор R11 служит для установки уровня срабатывания защиты.

Цепь защиты состоит из обычного RS-триггера, выполненного на двух логических элементах 2И-НЕ (D1.1 и D1.2) и транзистора T1, эмиттер которого подключен к шунту защиты. В нормальном состоянии (например, после включения или нажатия кнопки «Сброс») на выходе RS-триггера (ножка 3 D1.1) устанавливается высокий уровень. Пока амплитуда отрицательных импульсов напряжения на шунте, обусловленных протеканием тока питания инвертора, не превышает некоторого порогового уровня, транзистор T1 закрыт и на входе RS-триггера (ножка 5 D1.2) сохраняется высокий потенциал. Это – нормальное рабочее состояние инвертора. Как только амплитуда отрицательного импульса напряжения на шунте превысит некое пороговое значение, транзистор T1 открывается, потенциал его коллектора падает и на входе RS-триггера (ножка 5 D1.2) устанавливается низкий уровень. При этом триггер переключается (аварийное состояние). На выходе триггера (ножка 3 D1.1) устанавливается низкий уровень, который блокирует прохождение сигналов управления через оптопары и ключи закрываются. Кнопкой сброс (или выключением и включением) триггер можно вернуть в противоположное (рабочее) состояние. Диод VD2 предназначен для того, чтобы коллектор транзистора T1 не ушел сильно глубоко в минус. Светодиод LED, подключенный к инверсному выходу RS-триггера служит для индикации факта срабатывания защиты.

Еще один датчик, который может быть подключен к входу триггера – это датчик температуры (термостат с биметаллической пластинкой) с нормально разомкнутой группой контактов. Он устанавливается на радиатор транзисторов VT1 и VT2 для предотвращения их перегрева. При достижении предельного уровня температуры контакты замыкаются, на входе RS-триггера (ножка 5 D1.2) устанавливается низкий уровень, и триггер тоже переключается в аварийное состояние (как и в случае перегрузки, уже рассмотренной выше).

Назначение остальных узлов принципиальной схемы понятно и не требует каких-либо дополнительных комментариев.

На данный момент, в макете, собранном по представленной выше схеме, отсутствует конденсаторный делитель напряжения, т.к. первоначально не предполагалась ее работа в варианте с симметричным подключением нагрузки. Кроме того, в существующем на данный момент макете, не установлен термодатчик. Вместо него предусмотрено гнездо для установки лабораторного цифрового термометра. Это удобно для «более информативного» контроля температуры радиатора в предстоящих экспериментах.

Вариант конструктивного исполнения полумостового силового модуля можно посмотреть на следующих фотографиях.

Изображение Изображение Изображение
Изображение Изображение Изображение

Этот макет был изготовлен для экспериментов с «ультразвуковыми нагрузками», в качестве которых выступают пьезокерамические преобразователи, «нагруженные» на слой воды в ультразвуковой ванне. «Рабочий момент» таких испытаний показан на последней фотографии (из приведенных выше снимков). Эти испытания проводились около года назад и с совершенно с другими целями, нежели цели, рассматриваемые в данной статье. Поэтому будем считать эти испытания просто проверкой работоспособности полумостового силового модуля. Главные же испытания будут впереди, когда мы начнем экспериментировать с разными нагрузками и разными алгоритмами управления ключами. Будем надеяться, что он выдержит все эти испытания достойно.

---------------------------------------------
Оглавление


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 00:19 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 19:22
Сообщений: 816
ksv, а что если в силовом модуле сразу реализоватьзащиту по току для транзисторов?
Нужно датчик тока и триггер. В качестве датчика можно использовать трансформатор тока или шунт. В качестве триггера тут есть куда разгулятся фантазии. Есть готовые драйвера с входом специальным напрямую с датчиков тока. Как пример UCD7100. Есть просто драйвера с входом отключения. На последние придется подавать сигнал с своего триггера. Последний вариант позволит реализовать как ШИМ, так и просто аварийное отключение на некоторое заданное время с последующим автоматическим включением. Я думаю обвес защитой по току было бы вполне логичным.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 04:39 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
jab писал(а):
а что если в силовом модуле сразу реализоватьзащиту по току для транзисторов?
Так и есть. Здесь как раз и реализована защита ключей именно по току. Фишка в том, что при помощи одного единственного шунта в цепи питания инвертора мы ловим перегрузку как по току одного из ключей (для полумоста, а для моста - сразу по всем ключам), так и "сквозняки". Организация такой защиты подробно описана была раньше вот в этом сообщении.

А куда подавать сигнал с триггера защиты (на опторазвязки, специальные входы драйверов или отдельную логику) - особой роли не играет. В любом случае транзисторы "глухо" закрываются. У восьминожечных IR2181 независимое управление ключами, т.е. два сигнальных входа. Отдельного входа для выключения (SD) просто не предусмотрено. Поэтому сигнал с триггера защиты необходимо подавать на входы EN оптопар. Либо городить отдельную логику на элементах "И". А вот, например, у IR2110 ног хватает и вход SD есть. Поэтому можно сигнал с триггера и туда завести. Но результат-то, естественно, будет один и тот же.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 11:54 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
Вот думаю в качестве шунта применить такие резисторы. Они вроде как малоиндуктивные. Параллельно городить двухваттные как то не очень технологично и в зоне обдува они должны быть. А этот можно на радиатор посадить. Цена только не очень... :smile:
Изображение


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 13:25 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Да. Конструктив у них, конечно, очень удобный. Я такие ставил в источник для плазменного электролиза.

К сожалению, эти резисторы проволочные. У меня парочка на 20 Ом 50 Вт от старых дел завалялась. Индуктивность у них около 15 мкГн. Для этой цепи, возможно, и не так страшно. Если найти резисторы на 0.1 Ом, то у них индуктивность будет заметно меньше. Но мне такие пока не попадались. На всякий случай я все-таки поставил бы пленочные.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 13:42 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
на 0.1 ом есть в продаже, надо прикупить и измерить индуктивность.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 13:48 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Да. Интересно.

В принципе шунты можно сделать и самому. Из проволоки или ленты (нихром или фехраль). Если поместить эту проволоку в зону обдува - совсем хорошо будет. Где-то у меня фехраль на 0.8 и 1.0 валялся. Нужно посмотреть что такое 0.1 Ома для него.

======================
PS

Да. У фехраля удельное сопротивление 1.2 - 1.3 Ом*мм^2/м. Шунт на 0.1 Ома это будет примерно 4 см проволоки диаметром 0.8 мм. Нужно будет дальнейшем так и делать. Для защиты особая точность шунта не нужна. Нужно будет только культурно концы запрессовать. Чтобы не отгорали.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 14:11 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 13 фев 2013, 23:39
Сообщений: 178
Откуда: Брянск
Этот резистор удобен именно крепежем к радиатору. Ладно, как приедет он ко мне, так и попробуем.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Лабораторный инвертор
СообщениеДобавлено: 19 сен 2013, 14:17 
Не в сети
Аватара пользователя

Зарегистрирован: 12 фев 2013, 18:17
Сообщений: 285
Откуда: Красноярск
Конечно. Все нормально будет. Только место на башмаке жалко. Да и лишний подогрев радиатора будет (если там ключи стоят). А обдув (от радиатора) все равно пропадает зря... :grin:


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 215 ]  На страницу 1, 2, 3, 4, 5  След.

Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: Yandex [bot] и гости: 2


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Перейти:  
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Вы можете создать форум бесплатно PHPBB3 на Getbb.Ru, Также возможно сделать готовый форум PHPBB2 на Mybb2.ru
Русская поддержка phpBB