Calcule si realizare invertor sudura 200A

[gap]

Buna seara,

 

M-am apucat de ceva timp sa construiesc un invertor de sudura. Intentionez sa obtin un invertor cu DA 100% la 200A (are si omul piticeii lui :D). Am gasit niste sceme "dincolo", m-am hotarat sa fac o schema prezentata acolo de dl. CIBY. Ca idee, e vorba de configuratie forward .Schema va suferi niste modificari. A se scuza calitatea schemelor, multe componente a trebuit sa le fac eu, si pana acum nu am dat importanta aspectului, mai mult m-a interesat sa fac design-ul la cablaj.

 

Pana atunci, deja m-am izbit de prima problema. In loc de SGW30N60 voi folosi HGTG30N60A (trei pe ramura). Incerc sa calculez orientativ snubberele RCD pentru IGBT-uri. Problema mea e ca in datasheetul IGBT-ului nu se dau capacitatile, ci numai energiile (ON, OFF). Cum se poate calcula snubberul in cazul asta?

 

https://www.fairchildsemi.com/datasheets/HG/HGTG30N60A4.pdf

 

A doua problema, bobina serie :). Nu mi-e clar cum sa o calculez, dar intai poate reusesc sa ma lamuresc cu snubberul.

 

Mentionez ca experienta mea e destul de limitata, dar am background tehnic (teoretic trebuia sa fiu electronist) si am rabdare sa invat :D.

 

Va multumesc.

Invertor.rar

[smilex]

Pentru ca esti la primul post, bine ai venit!

 

Nu stiu daca doresti comentarii asupra schemei.

Cu inductanta, vrei o valoare anume si nu stii cum s-o obtii, sau nu stii ce valoare ar trebui sa aiba?

Orice snubber RCD va face ceva pozitiv acolo, adica va transfera pierderi pe comutatie la off. Hai sa punem problema altfel: ce putere maxima doresti a disipa pe snubber la tensiune maxima de retea? Presupun un maxim de 330Vcc (sa zicem). Care e frecventa sursei?

Editat Decembrie 14, 2014 de smilex

[gap]

Buna,

 

In primul rand, merci de raspuns.

Snubberul il fac dupa cum e necesar, nu stiu exact ce putere ar trebui sa aiba. Orice indicatie mi-ar prinde bine.

 

Legat de bobina, trebuie sa aiba intre 15 si 30 uH. Am la dispozitie core-uri 2 X E71,1 X  E65 si 4 X E80. Prefer E80 datorita ferestrei mari. Frecventa in schema originala e de 50Khz, dar ma gandesc ca as putea sa ma duc la 75KHz. Nu stiu zau daca se merita, atat timp cat traful va merge lejer si la 50KHz (3XE80, 11 spire primar, trei secundar).

Tensiunea maxima va fi de 265Vca, filtrare 4 (poate 8) X 680uF.

 

Referitor la schema, orice comentariu e bine venit. La puterea asta poate ar fi mai potrivita o configuratie full bridge. Totusi as merge pe configuratia forward. Ca modificare, as vrea sa includ in reactie si curentul de iesire (citire pe shunt). Aici am ceva probleme, ca parca nu as vrea sa pierd separarea intre partea de comanda si partea de iesire. Deci va trebui un optocuplor acolo. Ce nu mi-e clar e cum fac chestia asta, atat timp cat optocuploarele au factorul de transfer al curentului intre 50 si 600. Shuntul (doua rezistente de 500uOhm in paralel => 250 uOhm) ar scoate o tensiune de 50mV la 200A. La partea asta chiar am nevoie de ajutor :).

Editat Decembrie 14, 2014 de gap

[donpetru]

In primul rand, eu as incepe cu o intrebare: ati testat macar ceva din schema prezentata sau schema prezentata reprezinta o asazisa "ciorna de plecare" ? 

Va intreb lucrul asta deoarece sunt cateva mici semne de intrebare la niste conexiuni facute in schema. Unele din ele se pot corecta dupa realizarea prototipului experimental, altele se mai pot perfectiona inainte de asta. Deci, in ce stadiu sunteti ? 

[gap]

Schema a fost realizata si functioneaza. Posibil sa fi facut vre-o greseala cand am trecut schema in eagle. Voi verifica. Acum lucrez sa periez schema, si sa fac o versiune cu toate blocurile incluse in aceiasi schema (e mult mai usor de discutat asa).

Ca stadiu, sunt la design-ul schemei finale. Schema poate fi considerata o ciorna, atat timp cat am modificat schema originala.

[smilex]

Pentru igbt, forward 2T se preteaza super. 50kHz imi pare ok, cresterea frecventei se justifica numai daca nu-ti incap bobinajele in ce ai. Dar cresc pierderile.

La 200A/50kHz cei 15uH iti ofera o variatie de 25-30%. Pentru regimul de sudura se practica variatii mai mari care aduc niste avantaje: inductantele mai mici inseamna mai putin cupru si pierderi mai mici, iar variatiile mai mari inseamna ca tranzistoarele se deschid pe un curent mai mic. Eu zic sa mergi pe 10u.

Conform relatiei N=L?I/(B?S) pentru 15uH, cu E80 ai nevoie de 25 spire, iar cu E71 ai nevoie de 15 spire. Fa cum iti pare mai avantajos, conductorul trebuie sa fie cat mai gros posibil, cat permite fereastra. Poti recalcula si pentru 10uH tinand cont de o inductie de maxim 0,3T. Este si recomandarea mea.

Nu-ti recomand sa citesti nimic cu opto. Nu se pierde legatura cu secundarul. Transformatorul nu transforma doar tensiune ci si curent. La un raport de transformare de 4, curentul in primar este de 4 ori mai mic decat in secundar cu tot cu variatia prin inductanta serie. Deci alegerea momentului off se poate face in timp real cu trafo curent din primar. Opto nu-si are rostul, nu ofera timp suficient pentru functionarea comenzii controlata in curent puls cu puls asa cum e solutia ta. Trafo curent se preteaza perfect. Dar aici ne intoarcem la schema.

Modul de legare a trafo curent, dupa diodele de demagnetizare, este o solutie pe care am vazut-o mereu. Personal nu o aprob. Daca analizezi curentul in conductia tranzistoarelor prin trafo curent, vei constata ca sensul este acelasi la autoinductia prin diodele de demagnetizare. Daca asiguri o umplere de maxim 45% (prin alegerea CI si cond osc corespunzator valoric), vei avea 45% conductie + 45% demagnetizare deci un maxim 10% liber pentru demagnetizarea trafo curent, iar daca tii cont ca pantele nu sunt rapide la forward, exista posibilitatea ca sa nu ai suficient timp pentru demagnetizarea trafo curent si deci poti atinge un regim de functionare a lui care sa nu ofere realul, ceea ce poate fi periculos, chiar daca pe schema sarcina trafo curent este semnificativ mai mare la invers tocmai pentru a permite un salt de tensiune mai mare si implicit posibilitatea demagnetizarii in timp mai scurt. Recomandarea mea este sa pui trafo curent exact in colectorul mos-low, inaintea diodelor de demagnetizare. Asta iti ofera minim 55% timp de demagnetizare pentru el.

As recomanda sa abandonezi transilurile din porti inlocuindu-le cu rezistoare de 1-10k, folosesti numai un transil (18-24V) dupa un rezistor de 1-2,2 ohmi de la iesirea TC, urmat de cele trei rezistoare. Valorile lor ar trebui stabilite cu osciloscopul in vederea amortizarii oscilatiilor parazite din porti. Testele ar trebui facute cu bec (rezistenta) si cel mai mare filtraj pe care il suporta grupul de tranzistoare ca energie repetitiva conform pdf.

Ziceam ca o poti lua si invers. Ai doua snubbere rcd si deci poti pleca de la o putere disipata de unul din ele. Pentru 4kW (sau chiar mai bine) zic eu ca 0,5% pe snubbere primar e ok, 20W pe ambele si deci 10W pe unul la 330Vcc. La 50kHz, 10W presupune o energie de impuls de 10/50000=0,2mJ deci un CU?=0,0004 din care rezulta C=3,6n. Ca valoare standardizata, recomand ceramic 3,3n sau 3,9n la 3kV. Pentru 5RC poti sa-i rezervi 2-5us din conductie. Deci o valoare R intre 47 si 220 ohmi este potrivita pentru descarcarea condului de 3,3n la zero, fara a adauga un varf de curent mare comparativ cu sarcina. As merge pe 47 ohmi pentru o descarcare mai rapida. Deci 47/20-25W la fiecare snubber.

Nu retin daca am vazut softstart pe schema, dar filtrajele necesare impun asta.

Editat Decembrie 15, 2014 de smilex

[ciby]

Salutare!

Vreau sa fac o precizare la cele spuse de colegul Gap. Invertorul in forma prezentata de el nu este inca functional. Este realizat in proportie de 90%, dar inca nu l-am finalizat si nici probe nu am facut, dar nu vad de ce nu ar merge.

Schema de comanda este functionala si are implementate functiile antistick, arcforce si hotstart. Nu imi apartine dar o am implementata intr-un invertor functional, tot de 200A, ce inca nu m-a dezamagit. Am postat dincolo si cablaje si foto.

In partea de forta, la toate invertoarele construite, in snubere am folosit rezistente intre 44 si 50 ohmi, la minim 16W. De regula pun doua rezistente de 22 ohmi/10-13W in serie sau doua de 100 ohmi/10-13W in parallel si condensator de 10 nF/2-3 kV, ceea ce face ca rezistentele sa lucreze calde.

Bobina de iesire se realizeaza pe un miez E65 si are intre 10 si 12 spire, cu intrefier intre 5 si 7 mm. Pentru conductor, eu am folosit platbanda de cupru de 40x0.25 mm, trei bucati in parallel, cam 30 mmp sectiune.

Gap poate folosi doua bucati din tabla de 0,4 mm (parca spuneai ca ati cumparat in grup o foaie).

Editat Decembrie 16, 2014 de ciby

[gap]

Buna seara,

 

Schema de comanda este cea folosita de dumneavoastra. Intentionez sa o modific. Adica citirea sa se faca pe shunt in secundar, cu traful de curent din primar ca back-up. In schemele de la Telwin Technology asa am vazut ca fac. Deoarece nu am o schema clara (am una, dar e in ceata rau) nu pot sa pun pariu ca asta e principiul, dar logic asa ar fi. De pe shunt se ia limitarea de curent, si de pe traful de curent se limiteaza curentul doar daca se depaseste valoarea suportata de finali/traf.

Driverele sunt preluate tot de aici de pe forum, din alt thread.

 

Traful va fi facut cu 3XE80. Primarul o platbanda de 0.4 X 50mm 12 spire (20 mmp), secundarul trei platbande 0.4 X 50 4 spire (60mmp). La bobina de filtrare am doua optiuni. Ori merg pe 10 uH, asta inseamna 2X E80 9 spire 3 X 0,4 X 60 mm, ori merg pe 15uH => 3X E80 9 spire 3 X 0,4 X 60 mm. In ultimul caz intrefierul iese mai mic, deci probleme mai mici cu liniile de camp buclucase. Mai mult de 9 spire cu trei platbande nu incap in miezul E80. La sectiunea disponibila (72mmp) pierderile in cupru ar trebui sa fie mici. Am o coala intreaga de cupru, deci nu imi fac griji de consum.

 

@Smilex

Am facut modificarile sugerate si maine revin cu schema updatata si periata. As avea o intrebare: daca pun rezistentele de 10k in locul transil-urilor, rezistenta de 4.7K mai e necesara? Din cate imi dau seama, cele trei rezistente de 10k suplinesc functia ei.

 

Am soft start pe alimentare. Ma gandesc sa il fac cu delay de doua secunde. Dar la un calcul sumar, puterea disipata pe rezistente este foarte mare. Am doua rezistente de 47R 15W puse in serie. Pe de alta parte, daca maresc mai mult timpul (cu modificare rezistentelor in acelasi timp, normal), cred ca deja ar fi necesar sa inhib oscilatia in etajul final pana cand condensatorii nu se incarca. Asta se poate face cu un al treilea releu (doua sunt pentru alimentare) care sa dea drumul la alimentare pe etajul de comanda.

 

La snuberul pe diodele de redresare, din datasheet rezulta o capacitate de 110pF. Am patru diode => 440pf X3 => 1320pF=> 1.5nF. La 50KHz la o tensiune de 100V (teoretic 80) ar disipa 0.75W. Am folosit formula C*U*U*f. Mi se pare foarte putin. Dar nu imi dau seama unde am gresit la calcule :D.

 

 

LE: Am atasat fisierele cu ultima versiune a schemelor. Mentionez ca partea de alimentare e la un stadiu draft. Problemele sunt soft startul (greu de decis cum e mai bine sa fac) si partea de filtru EMI.

Full Schematic.pdf

power board.pdf

Editat Decembrie 16, 2014 de gap

[smilex]

Vezi ca 1N5355 e de 18V.

Da, 4k7 cade.

Fa cu 2 secunde sau chiar una, dar softstart se poate monta si pe UC ca sa nu plece pe sarcina. Sau utilizatorul poate sa astepte 2 secunde de la cuplarea la retea.

Cred ca poti sa combini opto sa citesti si curentrul cu control clasic pwm in tensiune de pe un shunt. Sau poti sa folosesti un 494 cu o singura iesire. Dar comanda cu controlul in curent este foarte precisa si in timp real. Chiar se potriveste de minune la aplicatia in cauza.

Mergi cu 4,7n-5,6n pe snubberul in cauza. Formula si aplicarea ei e corecta. 

[ciby]

Am mai avut noi o discutie legata de risipa de materiale si implicit de resurse banesti! Trei perechi E80 la bobina de iesire si o sectiune de 72 mmp, este ceva "grotesc", scuza-ma ca spun asta, in conditiile in care industrial acea bobina se construieste fara miez. Si 6 (sase) condensatori de 680 uF in filtraj? Dar, in fine, faci cum crezi!

Aici ai o schema in care este implementat reglajul curentului de iesire cu shunt. Este pe bara de + a iesirii, dar nu cred ca este asta o problema.

Pentru soft-start, merge o singura rezistenta de 47/8W, sau foloseste doua de 100/10W in paralel, daca totusi tii neaparat sa supradimensionezi. Socul la incarcare este destul de mic, indiferent de valoarea condensatorilor iar puterea disipata maxima este de cateva zeci de milisecunde. La 3x680 uF cu 47 ohmi la 8W, nu apuca sa se incalzeasca rezistorul. Asa ca nu-ti mai face probleme si din cauza asta! Pentru descarcarea condensatorilor pe timpul probelor, nu uita sa pui in paralel pe ei o rez. de 100K la cativa Wati, altfel risti sa te mai gadile din cand in cand.

Blocarea oscilatorului pe timpul soft-startului se poate face pe bara de avarie din circuitul de comanda, acolo unde vine legat prin dioda circuitul de la termostate. Comanda o da circuitul de cuplare intarziata al releului. Dar nu este neaparata nevoie de aceasta functie daca invertorul nu se porneste in sarcina.

Editat Decembrie 17, 2014 de ciby

[ciby]

Citind acum ce-am scris mai sus am gasit o mare enormitate "Socul la incarcare este destul de mic, indiferent de valoarea condensatorilor iar puterea disipata maxima este de cateva zeci de milisecunde". si cum nu mai pot edita mesajul, rectific aici: "Socul la incarcare este destul de mic, indiferent de valoarea condensatorilor iar puterea disipata maxima pe rezistor dureaza cateva zeci de milisecunde, apoi scade"

[gap]

Am facut niste calcule in excel cu energia degajata pe rezistenta intr-o secunda (dupa o secunda, energia e foarte mica):

- R=47Ohm X 15W => 114J in prima secunda =>114W => 8 X P nominala , curent initial 6.8A =>12 X I nominal

- R = 94 Ohm X 30W (2 in serie) => 154J in prima secunda => 154W=> 5 X P nominala, curent initial 3.4A => 7X I nominal

- R = 24 Ohm X 30W (2 in paralel) => 54J in prima secunda => 54W=> 1.8 P nominala, curent initial 14.5A => 13 X I nominal (se imparte la doi)

 

Spike-ul foarte mare e in primele doua zecimi de secunda (graful e descrestere exponentiala). Ce nu sunt eu sigur e daca rezistenta suporta varful ala de curent de la inceput sau se comporta ca o fuzibila. Cel mai bine arata varianta cu doua rezistente in serie, chiar daca energia disipata pe rezistoare e cea mai mare. Nu in puterea disipata vad eu problema (in doua secunde nu e bai , ca rezistentele sunt mari, au capacitate termica mare si pot prelua energia aia , regimul e tranzitoriu etc), ci in spike-ul de curent. Curentul initial e cel mai mic in configuratia serie.

 

Curentul initial nu depinde de capacitate ci de valoarea rezistentei. Dar intervalul de timp in care scade la 0 si energia disipata pe rezistoare depind de capacitate. La 2000uF energia e in jur de 54J, la 4000uF e 154, la 8000uF e 338J.

[smilex]

In privinta inductantei serie, ii dau dreptate lui ciby (caruia ii urez de asemeni bunvenit). Ti-am facut calculele pentru o pereche de E-uri. Numarul de spire, inductanta si sectiunea miezului aferent, corespund unei inductii de 0,3T la 200A, adica fara saturatie. Evident ca poti folosi insa si miezuri mai mari.

Curentul efectiv prin rezistenta este dat de tensiunea efectiva pe ea (pt. condurile descarcate). De exemplu, prin 47 ohmi sunt 4,9A (230Vef). Cauta niste rezistente bobinate de valoare aprox. 47 ohmi de 25-50W. Daca le bagi in priza o secunda si rezista, mai ai indoieli? Le testezi asa de 20 de ori cu pauza de 1 minut intre teste.

Editat Decembrie 18, 2014 de smilex

[gap]

Aici intervine lipsa de experienta. Nu stiu la ce soc rezista componentele.In nici un caz nu intentionez sa bag mai mult decat trebuie. Daca spuneti ca rezista, bag doua de 22Ohm inseriate (asta am la dispozitie). In Bacau, singurele surse de piese sunt magazinele online sau ce mai gasesc pe la Ciprian sau omniprezent. sa comand rezistente de 5 lei si sa dau 17-20 lei pe transport nu e prea rentabil.

 

Referitor la inductanta, problema e ca nu incap spirele. Am pus mai multe miezuri in paralel ca sa nu saturez ferita. In E80 incap fix 28 de spire cu o singura platbanda. Doar daca pun o singura platbanda ar incapea. Si daca tot am din abundenta ferite E80 ciobite, sparte si lipite cu superglue etc (multumim din inima magazinului care nu stie sa le ambaleze calumea), nu e o risipa sa pun doua trei miezuri in paralel. Oricum nu pot sa le folosesc la altceva decat la chestii cu intrefier. Si ma cam indoiesc ca o sa fac o sursa flyback pe miez E80 prea curand . Referitor la cupru, am facut prostia sa iau o coala de tabla de 0,4. Este foarte rigida si se lucreaza foarte greu cu ea. Prost sa fie ala care o mai cumpara asa ceva. Intre timp tot dl.ciby mi-a dat si posibile surse pentru tabla mai subtire. Pana una alta, trebuie sa o bag si pe asta undeva. De altfel, platbanda e si motivul pentru care lucrez cu E80, ca are fereastra foarte mare.

 

Scopul proiectului nu e invertorul in sine, am deja unul. Dar vreau sa fac unul foarte fiabil si mai ales sa inteleg cum functioneaza si cum se calculeaza. De asta vreau sa il fac 100% DA la 200A. Sunt de acord cu dl ciby ca nici in invertoarele profesionale nu vezi sectiuni din astea (ferite, cupru). Dar alea sunt facut in scop comercial, costul de productie primeaza, chiar si la cele profesionale ( a se vedea ce au facut Telwin la ultimele serii Technology, nu ca Telwin ar fi tata lor la invertoare). Plus ca daca ar tine o viata, dau astia faliment.

 

@ciby

Multumesc pt link. Gasisem schema de la 175, dar aia e cu microcontroller, si potentiometrul de curent intra in microcontroller. Superior 240 vad ca e doar analogic, ceea ce e perfect.

Editat Decembrie 18, 2014 de gap

[ciby]

Gasesti la Ciprian 47 ohmi la 7 sau 8W (nu mai stiu sigur). Astea se pun in invertoarele industriale. Tot din astea am montat si eu pe cel ce este acum in lucru. Daca nu cupleaza releul si incerci sa pui invertorul in sarcina se va arde rezistenta de soft-start, altfel nu.

Pe un site rusesc am vazut un bec cu halogen montat in locul acestei rezistente. Este o varianta de luat in calcul in conditiile in care soft-startul este amplasat inaintea puntii redresoare. Cu siguranta, becul nu se va mai arde si prin decuplarea releului va putea prelua si functia de limitare a curentului tras din retea in caz de avarie a invertorului!

Editat Decembrie 18, 2014 de ciby