Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Przetwornica 30-60KV 30mA

18 Cze 2015 18:10 2022 8
  • Poziom 26  
    Cześć wszystkim,

    obecnie stoję przed zadaniem zbudowania przetwornicy zasilanej z napięcia sieciowego 230VAC mającej pracować w cyklach nawet po osiem godzin dziennie a napięcie wyjściowe ma być stabilizowane i regulowane w podanym zakresie.

    Obecnie postęp moich prac zatrzymał się na przetestowaniu półmostka H zasilającego transformator na rdzeniu ferrytowym 3C90. Miałem tu pewne problemy między innymi z przebiegami na uzwojeniu pierwotnym spowodowane złym rozwiązaniem sterowania tranzystorów mosfet/igbt, bez ujemnego biasu. Już przeszedłem ten etap i jestem w stanie zmieniać wypełnienie przebiegu na uzwojeniu pierwotnym transformatora, oraz uzyskanie prawie idealnych przebiegów.

    Tak wygląda przebieg uzwojenia pierwotnego przy częstotliwości 32KHz i napięciu 200V, 50V/działka.
    Przetwornica 30-60KV 30mA Przetwornica 30-60KV 30mA


    Jestem pewien że mój transformator się nada do tego celu, sam pracował w podobnych warunkach, kwestia dobrania odpowiedniej częstotliwości pracy. Sprawdziłem już że przy podaniu wypełnienia 50% i częstotliwości 20KHz transformator najlepiej przenosi moc, udało mi się uzyskać pobór prądu z sieci 230V zasilającej 16A przy zapaleniu łuku elektrycznego (czyli praktycznie zwarcie). Napięcie wyjściowe, na uzwojeniu wtórnym to ok. 10-15KV. Podczas ustawienia częstotliwości 20KHz prąd bez obciążenia transformatora, z sieci wynosił 90mA ( no należy dodać elementy rozładowujące pojemności filtrujące układu mocy, czyli rezystory, których wartości nie pamiętam ) Na podstawie tych prostych pomiarów wnioskuję że transformator najlepiej pracuje przy częstotliwości 20KHz.
    Przetwornica 30-60KV 30mA

    Doszedłem więc do wniosku że ten transformator w stu procentach się nadaje do mojego projektu. Doszedłem również do wprawy przy sterowaniu tranzystorami mosfet/igbt.

    Kolejnym etapem budowy przetwornicy jest wprowadzenie zabezpieczeń. Między innymi chcę zastosować przekładnik prądowy na uzwojeniu pierwotnym transformatora by wykryć zwarcie lub przebicie samego transformatora lub powielacza. Z przekładnika prądowego sygnał miałby dotrzeć do układu generującego częstotliwość pracy i zatrzymać jego pracę na określony czas za pomocą obwodu RC i jednego z komparatorów błędu. Układem generatora, w sumie sterownika przetwornicy jest TL494.

    Jeszcze kolejnym etapem budowy jest dobranie odpowiednich rezystorów do pomiaru napięcia wyjściowego. Planuję dać 4 rezystory 500MOhm i za pomocą tych rezystorów i dodatkowych stworzyć dzielnik napięcia z którego wyprowadziłbym napięcie wyjściowe ileś krotnie mniejsze i podawał na wejście drugiego z komparatorów błędu wraz z odpowiednią kompensacją na wejście DTC albo FEEDBACK w TL494.

    W realizacji dwóch ostatnich etapów budowy które tu wymieniłem pojawił się problem. Aby z 10-15KV, nie pamiętam teraz dokładnie, uzyskać 30-60KV trzeba podać to napięcie zmienne z transformatora na powielacz. i tu pierwsze podstawowe pytanie.

    Jak zachowa się powielacz napięcia na który podam przebieg z transformatora o zmiennym wypełnieniu ? Prawdopodobnie jest to słabe rozwiązanie, z tego co zdążyłem przeczytać wychodzi na to że napięcie wyjściowe na powielaczu można regulować jedynie częstotliwością.

    Podczas regulacji częstotliwości na moim transformatorze można wpaść na kilka górek napięcia wyjściowego na uzwojeniu wtórnym transformatora HV, jego indukcyjność i pojemności między zwojowe powodują że zmieniając nawet w niewielkim zakresie częstotliwość można trafić na podbicie napięcia wyjściowego wchodząc w obszar rezonansu samego uzwojenia wtórnego... Nie bardzo mi się to podoba i chyba wyklucza możliwość takiego sposobu regulacji napięcia wyjściowego ? To pytanie drugie.


    Najlepszą możliwością według mnie jest przewinięcie transformatora tak aby uzyskiwał przy maksymalnym wypełnieniu, ok. 49% przebiegu sterującego ok.45KVAC a potem podanie tego napięcia na układ prostowniczy. Taki zabieg usuną by dużą część tętnień które występują na powielaczach, to by było dla mnie na duży plus. po wyprostowaniu tych 45KVAC miałbym prawdopodobnie ok. 65KV, które doregulował by sterownik zmieniając wypełnienie na uzwojeniu pierwotnym. Przewijanie tego transformatora wydaje się słabym pomysłem, boję się, że mimo izolacji w postaci oleju i teflonowego karkasu dojdzie do przebicia. Ale nie powiem, jest to pewna możliwość, która dała by mi największą sprawność układu.

    Kolejnym pomysłem było by dostarczenie do części mocy pracującej na stałym wypełnieniu i częstotliwości czyli półmostka/ mostka H przetwornicy, a raczej układu PCF. Miało by to dwie korzyści. Można by było zwiększyć napięcie zasilania mostka na tyle dużo by zmniejszyć ilość stopni powielacza na wyjściu. Regulacją napięcia wyjściowego zają by się również układ PCF. Ale w takiej topologi gdzie zmieniamy napięcie wyjściowe całej przetwornicy za pomocą napięcia zasilania z przetwornicy PCF chyba były by problemy z uzyskaniem stabilności napięcia wyjściowego, a dodawanie przetwornicy zasilającej drugą, również powodowało by obniżenie sprawności.

    Mówię tu o powielaczach. Więc jeszcze raz napiszę, Dowiedziałem się że aby regulować napięcie wyjściowe z powielacza należy albo regulować napięcie wejściowe zasilające przetwornice generującą napięcie podane do powielacza, albo zmieniać częstotliwość pracy przetwornicy zasilającej powielacz ( pośrednio przez transformator, w obydwu przypadkach). Dowiedziałem się, że im więcej stopni jest w powielaczu tym mniejsza sprawność i optymalna ilość stopni powielacza to cztery stopnie. Dowiedziałem się że najlepiej by zastosować powielacz pełnofalowy, który ma mniejsze tętnienia i większą sprawność. Dowiedziałem się też, że powielacz najlepiej pracuje przy napięciu o przebiegu sinusoidalnym i jest to jedna z korzyści wynikającej z podbicia napięcia na uzwojeniu pierwotnym transformatora zasilającego powielacz za pomocą wprowadzenia układu rezonansowego, szeregowego gdzie indukcyjnością jest uzwojenie pierwotne i szeregowo z nim dodawany jest kondensator.

    Proszę, podrzućcie mi jakiś pomysł rozwiązania mojego problemu. Wolę uniknąć komplikacji związanych z dodaniem do jednej przetwornicy drugiej regulującej napięcie. Proszę o weryfikacje mojej wiedzy na temat powielaczy napięcia.

    Pozdrawiam was serdecznie
    Robert M
  • Poziom 43  
    Z mojego doświadczenia (a bawiłem sie tylko transformatorami małej mocy) wynika że transformator wysokonapieciowy ma dużą indukcyjność rozproszenia (trudno zadbać o dobre sprzężenie uzwojeń) oraz dużą pojemność własną uzwojenia wtórnego (wiele zwojów)
    Powoduje to że przebieg wyjściowy to kawałki sinusoidalnych oscylacji, nie przypomina prostokąta który mamy na pierwotnym (sprawdź jak zachowuje sie twój transformator)

    W teorii za transformatorem w przetwornicy mostkowej mamy przebieg o zmiennym wypełnieniu ale niezmiennej amplitudzie, dopiero wyjściowy filtr LC zamienia to na napięcie stałe regulowane, ponieważ te warunki raczej nie będą spełnione, uważam że regulacja napiecia PWM w przetwornicy HV nie ma prawa poprawnie działać, oczywiście dla wypełnienia 0% i 100% będzie 0V i max, ale co sie będzie działo pomiędzy, nie do przewidzenia, no i dławik wyjściowy był by bardzo trudny do wykonania.

    W powielaczu kondensatory ładują sie do napiecia szczytowego dlatego również wg teorii nie ma prawa działać z PWM'em, a jeśli przebieg będzie jakimiś pokręconymi sinusami to może troche działać, choć w nieprzewidywalny sposób.

    Dwie przetwornice i powielacz to dobre rozwiązanie (spotykane w oscyloskopach), pierwsza regulowana, druga stała 50% z powielaczem na wyjściu, jeśli druga przetwornica sama z siebie nie da na wyjściu sinusa to mozna ją poprawić żeby dawała.

    Regulacja napiecia przez zmianę częstotliwości też mogła by działać, ale raczej nie na zasadzie zmiany reaktancji kondensatorów powielacza z częstotliwością, tylko z wykorzystaniem rezonansu.
  • Poziom 26  
    Widzę, że kolega lubi się udzielać.

    Cytat:
    Regulacja napiecia przez zmianę częstotliwości też mogła by działać, ale raczej nie na zasadzie zmiany reaktancji kondensatorów powielacza z częstotliwością, tylko z wykorzystaniem rezonansu.


    Rezonans w samym powielaczu ? :D :D Odpada od razu. Zmieniając częstotliwość regulujesz czas ładowania każdych pojemności w powielaczu. Powielacze zazwyczaj są ograniczone na wejściu rezystorem, powiedzmy 2.2KOhm. Regulacja częstotliwością napięcia wyjściowego jest dość powszechna w powielaczach, nawet tych medycznych.

    Ps. kiedyś na prześwietleniu dna oka wykonano mi złożone wielowarstwowe zdjęcie RTG. Podczas robienia zdjęcia usłyszałem kilkanaście tonów wysokiej częstotliwości, bo ja wiem, od 10KHz ? Domyślam się że do każdego kolejnego zdjęcia lampa w tym RTG dostawała coraz wyższe/niższe napięcie by uwzględnić różne szczegóły na jednym końcowym zdjęciu.
  • Poziom 43  
    Cytat:
    Widzę, że kolega lubi się udzielać.
    Korzyści materialnej z tego nie mam, wiec gdybym nie lubił, albo nic na ten temat nie wiedział, to bym nie pisał, nie budowałem dokładnie takiej konstrukcji jak twoja, ale robiłem transformatory HV w których ważny był kształt przebiegu na wyjściu i wiem że wartość szczytaowa "lubi" niemonotonicznie zależeć od wypełnienia, więc zabrałem głos żeby ostrzec przed tą pułapką, oczywiście są niewielkie szanse że w twoim transformatorze problemu nie będzie, zobaczysz przebieg wyjściowy i będziesz wiedział.

    Cytat:
    Rezonans w samym powielaczu ? Very Happy Very Happy Odpada od razu.
    Oczekujesz że napiszę coś bez sensu? Rezonans ma być przed transformatorem, zaletą będzie większy wpływ częstotliwości na napiecie wyjściowe i czysty sinus na wyjściu transformatora.

    Cytat:
    Zmieniając częstotliwość regulujesz czas ładowania każdych pojemności w powielaczu. Powielacze zazwyczaj są ograniczone na wejściu rezystorem, powiedzmy 2.2KOhm. Regulacja częstotliwością napięcia wyjściowego jest dość powszechna w powielaczach, nawet tych medycznych.
    Ciekawe, odrzuciłem tą metodę na wstępie, bo według mnie zmieniając częstotliwość wpływasz na rezystancje wyjściową układu (w ograniczonym zakresie) - bez obciążenia napiecie bedzie maksymalne niezależnie od częstotliwości, pojemności w powielaczu nie rozładowują się nigdy do zera więc trudno kontrolować napięcie czasem ładowania, zresztą gdyby to od czasu ładowania zależało, napiecie ze wzrostem częstotliwości powinno spadać, a rośnie. Metoda moim zdaniem niewygodna, choć nie wykluczam że ją stosują, godząc się na pewne kompromisy. Skoro to popularna metoda, daj jakiś link gdzie o tym piszą, bo google znajduje mi nic sensownego, albo źle szukam.
  • Poziom 26  
    Cytat:
    (..) robiłem transformatory HV w których ważny był kształt przebiegu na wyjściu i wiem że wartość szczytaowa "lubi" niemonotonicznie zależeć od wypełnienia, więc zabrałem głos żeby ostrzec przed tą pułapką, oczywiście są niewielkie szanse że w twoim transformatorze problemu nie będzie, zobaczysz przebieg wyjściowy i będziesz wiedział.

    W pełni się zgadzam z tym zdaniem, że kształt przebiegu wyjściowego będzie zależny od wypełnienia i innych czynników.
    Czy jesteś w stanie mi udzielić odpowiedzi, a może ktoś inny jeszcze jak to jest z powielaczami, to znaczy czy sprawność powielacza zależy od wyglądu przebiegu ? Czy powielacz ma największą sprawność przy przebiegu sinusoidalnym ?

    Cytat:
    Oczekujesz że napiszę coś bez sensu? Rezonans ma być przed transformatorem, zaletą będzie większy wpływ częstotliwości na napiecie wyjściowe i czysty sinus na wyjściu transformatora.

    Zabrzmiało to, tak jakby rezonans miał występować w samym powielaczu lub na jego wejściu. Mówię o tym zdaniu:
    Cytat:
    Regulacja napiecia przez zmianę częstotliwości też mogła by działać, ale raczej nie na zasadzie zmiany reaktancji kondensatorów powielacza z częstotliwością, tylko z wykorzystaniem rezonansu.


    Cytat:
    Ciekawe, odrzuciłem tą metodę na wstępie, bo według mnie zmieniając częstotliwość wpływasz na rezystancje wyjściową układu (w ograniczonym zakresie) - bez obciążenia napiecie bedzie maksymalne niezależnie od częstotliwości, pojemności w powiela tczu nie rozładowują się nigdy do zera więcrudno kontrolować napięcie czasem ładowania, zresztą gdyby to od czasu ładowania zależało, napiecie ze wzrostem częstotliwości powinno spadać, a rośnie. Metoda moim zdaniem niewygodna, choć nie wykluczam że ją stosują, godząc się na pewne kompromisy. Skoro to popularna metoda, daj jakiś link gdzie o tym piszą, bo google znajduje mi nic sensownego, albo źle szukam.

    Tutaj też należy przyznać Ci rację. Raz, że pośrednio wpływamy na rezystancję wyjściową. Dwa, wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie napięcie wyjściowe. I to był punkt mojego zaczepienia, stwierdziłem, że skoro napięcie wyjściowe jest zależne od częstotliwości pracy to łatwo można regulować napięcie wyjściowe. Wzór określający pracę powielacza

    Cytat:
    Regulation Voltage: DC output voltage drops as DC output current is increased. Regulation is the drop, from the ideal, in DC output voltage at a specified DC output current (assuming AC input voltage and AC input frequency are constant).

    A close approximation for series half-wave multipliers can be expressed as:

    VREG = [I(N3+(9N2/4)+(N/2))]/12fC
    Where: N = # of stages, (1 capacitor and 1 diode = 1 stage)
    f = AC input frequency (Hz)
    C = capacitance per stage (F)
    I = DC output current (A)

    Example: Calculate the regulation voltage of a 6 stage multiplier with 1000pF capacitors, 50kHz input frequency (sine wave), 1mA DC output current, 20kV DC output voltage:

    VREG = [1*10-3(63+((9*62)/4 + (6/2))]/12*50000*(1*10-9)) = 500 volts
    This would require increasing the input voltage 167Vp-p (VREG / 3 DC capacitors) to maintain
    20kV DC output voltage at 1mA.

    Zapożyczone ze strony http://www.voltagemultipliers.com/html/multregvolt.html


    Ogólnie to jeszcze znalazłem kilka informacji odnośnie powielaczy napięcia. Między innymi, to że ich zastosowanie kończy się przy mocy ciągłej, wyjściowej ok. 200W. Teraz jestem zdania, że budowa powielacza jest mało sensowna. Zmieniły się trochę parametry układu.

    Żądane napięcie wyjściowe regulowane w przedziale 25-50KVDC, prąd maksymalny w owym przedziale do 50mA czyli moc wyjściowa będzie rzędu 2500W

    Tak więc, coraz bardziej rozpatruje swoją przyszłą przetwornicę jako urządzenie składające się z:
    a) przetwornicy buck regulującej napięcie wyjściowe w zakresie 100-300VDC z pobranym napięciem będącym sprzężeniem zwrotnym z wyjścia całego układu
    b) pełny mostek zasilony z przetwornicy buck, pracujący na współczynniku wypełnienia 50% i stałej częstotliwości ze wspomnianym transformatorem (rozpatruje jeszcze pracę w rezonansie szeregowym)

    Generalnie zacznę od stworzenia pełnego mostka z oddzielną płytką sterownika. Pełny mostek zasilę z autotransformatora, poeksperymentuję z dodaniem elementów LC szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora. Najlepiej by wyszło gdyby się okazało że podczas pracy w rezonansie uzwojenia pierwotnego mój transformator uzyskiwał by zbliżone parametry wyjściowe do tych, które oczekuje, ok. 40KVAC. Przy twardym sterowaniu jest to 10-15KV. Jeszcze lepiej by było, gdyby okazało się, że w pracy jako przetwornica LLC, regulacja wyjściowego napięcia zmieściła by się w zadanym przedziale 25-50KVDC, przy stałym zasilaniu 320VDC

    Jeżeli jednak mój transformator nie będzie "dawał" się regulować podczas pracy w obwodzie LLC, będą zbyt duże straty podczas regulacji, nie będzie działać stabilnie itd. to rozwiązaniem będzie wpierw przewinięcie transformatora na 40KVAC, następnie podłączenie transformatora do pełnego mostka z kondensatorem separującym składową stałą, ustawienie najlepszej częstotliwości pracy, zasilenie takiego pełnego mostka z przetwornicy buck która w obwodzie sprzężenia zwrotnego będzie wykorzystywała napięcie wyjściowe z całego urządzenia.

    Jeżeli będę musiał stosować przetwornicę buck do zasilenia pełnego mostka, to czy obojętne jest na jakiej częstotliwości będzie pracował buck ? Zakładam że transformator będzie pracował w przedziale 20-30KHz. Wydaje mi się, że w takim przypadku sama przetwornica buck powinna pracować z dwukrotnie wyższą częstotliwością ? Czy należało by synchronizować pracę bucka i pracę pełnego mostka ?
  • Poziom 26  
    Więc na obecny moment udało mi się uruchomić transformator który pracuje z uzwojeniem pierwotnym w niejako rezonansie.

    Na początku, do uzwojenia pierwotnego w szeregu podłączyłem kondensator 2.2uF i zmieniałem jego wartość, szukając częstotliwości rezonansowej w zakresie 20-100KHz przy napięciu 50VDC na półmostku. W trakcie poszukiwań częstotliwości rezonansowej uzwojenie wtórne było rozwarte. Nie znalazłem rezonansu. Tak zmieniałem wartość kondensatora, aż doszedłem do kilku nF i dalej nic.

    Przy zwarciu uzwojenia wtórnego przez rezystor, lub bez rezystora rezonans utrzymywał się cały czas przy częstotliwości 31.56KHz niezależnie od wartości kondensatora w obwodzie pierwotnym. Przebieg napięcia na kondensatorze miał kształt sinusoidy, przy wartości 31.56Khz amplituda była najwyższa.

    Kolejnym krokiem było dodanie indukcyjności, około 10 zwojów przewodu linki nawinięte na szpulce po drucie nawojowym, o średnicy 45mm i szerokości ok. 80mm dając indukcyjność rzędu 7uH (liczona z kalkulatora). Wraz z samym kondensatorem 1.1uF dało to rezonans na częstotliwości ok. 48KHz. Częstotliwość rezonansową zmierzyłem podłączając sam nawinięty dławik z kondensatorem w obwodzie szeregowym podłączonym bezpośrednio do pół mostka. Po odnalezieniu częstotliwości rezonansowej podłączyłem uzwojenie pierwotne transformatora. Połączenie szeregowe dwóch indukcyjności powinno zwiększyć wartość indukcyjności całkowitej a w konsekwencji, przy takiej samej wartości kondensatora 1.1uF obniżyć częstotliwość rezonansową.

    Rozwarte uzwojenie wtórne, obwód LLC, regulacja częstotliwości i znalezienie najlepszego punktu pracy o najwyższym potencjale wyjściowym i przyroście prądu w obwodzie pierwotnym mierzonego przekładnikiem prądowym. Częstotliwość przy której był największy przyrost prądu w obwodzie pierwotnym to 84KHz Przy tej częstotliwości pojawiła się największa jonizacja na uzwojeniu wtórnym. Przypominam, napięcie zasilania 50V, znaczne zwiększenie napięcia wyjściowego względem pracy bez obwodu rezonansowego.

    Przetwornica 30-60KV 30mA

    Przy częstotliwości 84KHz przebieg napięcia z półmostka jest prostokątny. Przebieg prądu ma kształt sinusoidalny, ale mimo częstotliwości pracy półmostka częstotliwość prądu wynosi 250KHz, tak więc na ten moment transformator pracuje na jakiejś ćwiartce rezonansu. Chcę obniżyć częstotliwość rezonansową do 20-25KHz. Praca przy tak wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości generuje straty na przełączaniu tranzystorów, grzaniu pojemnościowym. Zmieniałem pojemność w obwodzie pierwotnym ale w dalszym ciągu częstotliwość rezonansowa się nie zmienia. :idea:

    Jedynie dodanie indukcyjności cokolwiek zmieniło. Będę teraz eksperymentował ze zmianą indukcyjności.

    Macie jakieś sugestie ?
  • Pomocny post
    Poziom 27  
    Dla uzyskania napięcia 65 kV będziesz musiał użyć dwóch transformatorów połączonych szeregowo w gałęzi mostka, to moja sugestia po przeglądnięciu kiedyś schematów ideowych aparatów Rentgena. Tandem zasilacza, ze stopniem step down i pełnego mostka pracującego w układzie rezonansowym jak najbardziej słuszna.
  • Poziom 26  
    Szczelina na rdzeniu załatwiła sprawę całkowicie. Wreszcie pojąłem LLC i sposób działania.

    Przetwornica 30-60KV 30mA Przetwornica 30-60KV 30mA Przetwornica 30-60KV 30mA Przetwornica 30-60KV 30mA

    https://youtu.be/aH2AbAL-3cQ
    Napięcie zasilania półmostka ok.80VDC
    Szczelina na łączeniach połówek rdzeni to 1.3mm, Indukcyjność dławika obecnie to ok. 27uH, pojemność kondensatora ok. 130nF, częstotliwość pracy dla rezonansu uzwojenia pierwotnego ok. 34KHz.

    Bardzo dziękuję za słuszne podpowiedzi odnośnie LLC.

    Temat jeszcze nie zamknięty ;)