Polskie forum dyskusyjne poświęcone dziedzinie wysokich napięć, głównie transformatorom Tesli (SSTC, DRSSTC, VTTC, SGTC) oraz generatorom wysokiego napięcia.

Teraz jest 29 lip 2021, 10:10

Strefa czasowa: UTC + 1 [ DST ]



Utwórz nowy temat Odpowiedz w wątku  [ Posty: 8 ] 

PostNapisane: 9 mar 2021, 20:27 
Dołączył(a): 09.03.2021
Posty: 4
Cześć,
chciałbym zbudować swoją pierwszą cewkę Tesli. Jako, że kończę studia z elektroniki i chciałbym rozwijać się w kierunku energoelektroniki to wybór padł na SSTC. Na pierwszym stopniu studiowałem elektrotechnikę, więc wydaje mi się, że jakieś podstawy podstaw wiedzy o pracy z wysokimi napięciami mam i postaram się nie zrobić sobie ani nikomu innemu krzywdy.
Jeśli chodzi o dotychczasowe doświadczenie energoelektroniczne, to zbudowałem falownik dla silnika trójfazowego (oparty na IPM, więc nie była to wielka filozofia). Na wyposażeniu mam zasilacz regulowany, oscyloskop, transformator separacyjny z regulatorem tyrystorowym.

Tyle tytułem wstępu i autoprezentacji. Co do samej cewki to chciałbym, żeby to było SSTC na pełnym mostku. Zasilanie domyślnie miałoby być z sieci 230V czyli około 320 VDC po wyprostowaniu i filtracji. Dodatkowo chciałbym nie tylko uruchomić cewkę ale także dobrze zrozumieć jej działanie. Przed napisaniem tego posta zrobiłem przegląd tematów na forum i w internecie. Po tym przekopaniu się przez wiele stron mam troszkę mętlik.
1. Jak działa taka cewka? Z tego co rozumiem, to obwód wtórny jest zbudowany tak, aby wpadał w rezonans szeregowy - stąd duże wzrosty napięć. Uzwojenie pierwotne (częściowo sprzężone z uzwojeniem wtórnym) ma za zadanie dokładać energii z odpowiednią częstotliwością, tak aby zwiększyć ilość energii w obwodzie wtórnym a co za tym idzie zwiększyć napięcie. Sytuacja wygląda analogicznie do rodzica bujającego dziecko na huśtawce. Jednak wśród tematów przewinęły się też takie, w których mowa o tym, że torus (a więc główne źródło pojemności) w cewkach SSTC nie jest konieczny. Co wówczas jest źródłem pojemności dla rezonansu? Pojemność własna uzwojeń? Czy dla obliczeń parametrów obwodu wtórnego dla cewki SSTC można korzystać ze wzorów dla SGTC?
2. Na podstawie zamieszczonych w różnych wątkach fragmentów schematów Yuriego (bardzo dziękuję i chylę czoła przed Twoją wiedzą), narysowałem schemat, na którym chciałbym się oprzeć. Mógłby ktoś sprawdzić i ewentualnie wytknąć błędy?
Na schemacie, szeregowo z uzwojeniem pierwotnym jest kondensator C15. Rozumiem, ze służy on wycinaniu składowej stałej. Wtrąca on jednak swoją impedancję? Jak więc prawidłowo dobrać jego pojemność?
3. Na schemacie widoczna jest zworka do wyboru interupterra - w przyszłości chciałbym, aby cewka zagrała ;)


Komentarz: Część mocy


Komentarz: Kontroler

Góra
   
 

PostNapisane: 10 mar 2021, 15:02 
Avatar użytkownika
Dołączył(a): 19.12.2015
Posty: 118
1. Sam koniec uzwojenia, tzw. breakpoint ma pewną pojemność do ziemii, do tego pojemności międzyzwojowe rezonatora są stosunkowo duże. W założeniu torus dodaje się by częstotliwość rezonansową obniżyć, a nie by wogóle jakaś istniała.
2. Yuri jak się pojawi to się pojawi, tymczasem ja odpowiem - bateria kondensatorów o której mówisz służy może nie dosłownie jako usuwająca składową stałą, a zabezpieczenie mostka gdy ten się wyłącza. Jedna strona mostka jest chwilowo włączona, druga wyłączona (wyjście zwarte do masy) co bez tych kondensatorów skutkowałoby zwarciem i wybuchem mostka.
220nF, przy typowej częstotliwości pracy rzędu 200-500kHz daje około 1,5-3,5 oma. W skali całego obwodu transformatora to wartość niemalże pomijalna, przynajmniej w przypadku SSTC. W praktyce powinien być on po prostu duży. Nie podałeś planowej mocy cewki ale na oko mogę powiedzieć że te okolice pojemności są sensowne. Do 1uF powinno być ok.
3. Tak, tylko kwestia podłączania delikatnego sprzętu elektronicznego do cewki bywa niebezpieczne. Dla sprzętu oczywiście. Najlepiej zastosować połączenie światłowodem, sam używam do tego celu Toslinka :P Do tego sposób w jaki zaprezentowałeś podłączenie sygnału audio... nie zadziała. SSTC to nie głośnik plazmowy i modulowanie jej sinusem lub nawet PWMem da tragiczne rezultaty. Trzeba przyjąć że każde przerwanie spowoduje pojawienie się na wyjściu długiej i bardzo głośnej iskry więc to częstotliwością przerwań osiągamy wymaganą częstotliwość dźwięku.

Odnośnie błędów na schemacie:
1. W obwodzie pierwotnym radzę zastosować kondensator na wyższe napięcie. Polecam 2kV. Kilka złotych a może uratować dosyć drogi mostek i sporo czasu. Minimum 2x wyższe napięcie od zasilającego, przy maksymalnej ostrożności minimum 3x. Przy odrobinie pecha energia z wtórnego może wrócić na stronę pierwotną co może wiązać się z przepięciami na obwodzie pierwotnym a mocniejszy kondensator ma szansę nie ulec zniszczeniu i nie wysłać za sobą całego mostka.
2. Brak snubberów w mostku. Kondensatory foliowe podłączone między szyny zasilania, możliwie blisko tranzystorów. Mostek pracuje przy twardym przełączaniu a tutaj będą one potrzebne by zapewnić długi żywot tranzystorom i byćmoże wogóle pozwolić na włączenie i regulację. Do tego typu zastosowań polecam kondensatory WIMA MKP10. Koniecznie MKP, najlepiej 10.
3. Diody Zenera zabezpieczające bramki Mosfetów mają być podłączone do bramek Mosfetów a nie do wyjść GDT.

4. Na schemacie 2, nie wiem czym jest CTinput, ale w założeniu ma się tam znajdować antena która sprawia że mostek automatycznie będzie dostrajany do zmieniającej się częstotliwości rezonansowej obwodu wtónego.


Góra
   
 

PostNapisane: 11 mar 2021, 22:50 
Dołączył(a): 09.03.2021
Posty: 4
Bardzo dziękuję za wyjaśnienie ;)
1. Jasne. O ile pojemność samego końca do ziemi wydaje mi się jednak stosunkowo niewielka, to całe uzwojenie faktycznie ma już całkiem dużą pojemność. Na podstawie linku znalezionego w innym temacie (https://web.archive.org/web/20160706222 ... ublika.pl/) postanowiłem nieco policzyć parametry cewki. Chciałbym, aby uzwojenie wtórne było nawinięte na rurze o średnicy zewnętrznej 11 cm, miało wysokość 50 cm, było nawinięte drutem 0.2 mm. Są to dane na podstawie innych wpisów i stron internetowych więc, jeśli gdzieś jest błąd to proszę o skorygowanie założeń.
Z obliczeń wyszły mi następujące dane:
Liczba zwojów: 1724
Indukcyjność własna uzwojenia wtórnego: 64.4 mH
Pojemności doziemna uzwojenia wtórnego: 3.8 pF
Rezystancja uzwojenia wtórnego: 321 Ohm
Częstotliwość rezonansowa: 125.88 kHz (mam wątpliwości, czy należy przyjąć prędkość światła w próżni tak jak podane na stronie czy w miedzi)
Pojemność wymagana dla rezonansu na tej częstotliwości: 24.8 pF
Zatem potrzebny jest top load o pojemności 21 pF - warunek ten spełnia kula o promieniu 189 mm.
Czy przedstawione wartości wydają się sensowne?
Zostało mi jeszcze uzwojenie pierwotne. Z tego co rozumiem, to nie musi ono spełniać bardzo wyśrubowanych założeń, a jedynie jego impedancja ma ograniczyć prąd do wartości bezpiecznej dla mostka. Z drugiej strony im krótsze uzwojenie, tym więcej energii przekazuje. Według wpisów na forum należy zaczynać od nieco ponad 12 zwojów i jeśli jest wszystko w porządku to można ograniczać ilość zwojów. Pomimo to chciałbym jednak przeliczyć to od strony teoretycznej ;)
2. Rozumiem, dam dla bezpieczeństwa kondensator na 700 VAC/2 kVDC. Wiecie może skąd taka różnica? Wyprostowane 700 VAC to tylko około 1 kVDC.
3. Rozumiem, że potrzebne jest coś w stylu modulacji FM? Chyba na obecną chwilę zostawię tę modulację audio jako opcję na później, a skupię się na zbudowaniu samej cewki.
4. CTinput co Current Transducer input. Automatyczne dostrajanie chciałbym oprzeć na przekładniku prądowym - z tego co czytałem to istnieje taka możliwość.

Wrzucam poprawiony schemat ;) Z góry dziękuję za wszelkie uwagi.



Góra
   
 

PostNapisane: 12 mar 2021, 02:53 
Avatar użytkownika
Dołączył(a): 19.12.2015
Posty: 118
Odnośnie obwodu wtórnego:
Teoretycznie wszystko ok, ale pamiętaj że te wzory i programy liczą wartości orientacyjnie. Nie sugeruj się nimi dokładnie, konkretniej nie licz że tyle ma być to tyle będzie. Tobie chodzi o rząd wielkości, niektóre cewki chodzą na 200kHz, inne na 500kHz. Mniej więcej wyszło ok.
Zwiększyłbym częstotliwość rezonansową. Celowałbym raczej w okolice 200-250kHz.

"(mam wątpliwości, czy należy przyjąć prędkość światła w próżni tak jak podane na stronie czy w miedzi)"
A od kiedy światło płynie w miedzi? :P To chyba te sławne światłowody :P
Z serio, należy przyjąć dla próżni. Z taką prędkością "płynie" sygnał w przewodach, z wykluczeniem linii długiej.

Teoretycznie największy prąd popłynąłby w stanie zwarcia transformatora. Prąd obwodu pierwotnego limituje wtedy nie tyle co marna indukcyjność uzwojenia pierwotnego, to stosunkowo słabe jak na transformator sprzężenie magnetyczne uzwojeń. Słowem spora część strumienia magnetycznego wytworzonego przez pierwotne omija wtórne. Sprzężenie możesz policzyć używając kalkulatorów z internetu, nadal mając z tyłu głowy ich niedokładność. Wtedy możesz narysować schemat zastępczy transformatora w stanie zwarcia i go rozwiązać.
Ważna uwaga o której czasem zapominają początkujący, to to że w takiej sytuacji w obwodzie pierwotnym mogą płynąć bardzo duże prądy (limitowane tylko wytrzymałością tranzystorów) podczas gdy nie powoduje to ogromnego poboru mocy z sieci ponieważ elementy bierne w obwodzie pierwotnym pobierają tylko moc bierną. W obwodzie pierwotnym może płynąć i 100A podczas gdy z sieci faktycznie pobierane będzie kilka/kilkanaście. Na taki też prąd (ten duży) musisz liczyć mostek.

3. Tak, coś w stylu. Po angielsku to się nazywa modulacja PRF. Nie jestem pewien jak się to powinno tłumaczyć na polski ;)
4. ależ oczywiście. W takim razie kondensator C5 zmień na powiedzmy 1-2uF i szeregowo dodaj rezystor 1k.

I ważna sprawa, diody FTTH w mostku. Są za słabe. Marne 2A natychmiast spłoną. Zwykle stosuje się coś rzędu kilkunastu amperów. No i oczywiście muszą być to diody ultraszybkie, poniżej 80ns. Ale to już zmiana po policzeniu wymagań dot. mostka.


Góra
   
 

PostNapisane: 13 mar 2021, 15:54 
Dołączył(a): 09.03.2021
Posty: 4
Jasne, ilość zmiennych wpływających na pracę cewki jest ogromna więc jestem świadom, że te wyliczenia to jedynie orientacyjne wartości, których można się spodziewać. Zgodnie z Twoją radą zwiększyłem trochę częstotliwość rezonansową.
Wzorów użyłem tak, aby według nich uzyskać 200 kHz. Wyszło mi 1085 zwojów, drutem o średnicy 0.3 mm, wysokość uzwojenia 41.2 cm, średnica 11 cm. Promień kuli na szczycie cewki to 11.4 cm. Parametry te wrzuciłem do programu JavaTC, poniżej screen z wynikami.

Co do prędkości światła w miedzi to źle się wyraziłem - miałem na myśli prędkość propagacji fal elektromagnetycznych. Dla próżni wynosi ona c natomiast dla różnych materiałów jest mniejsza - stąd zjawisko załamania światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Prędkość tę można określić także dla różnego rodzaju przewodów tak jak tutaj: https://en.wikipedia.org/wiki/Velocity_factor . Tabela przedstawia przewody komunikacyjne ale zjawisko zachodzi także dla poszczególnych materiałów ;)

Kurczę, mam problem z wyliczeniem tego maksymalnego obciążenia mostka. Stwierdziłem, że pominę uzwojenie wtórne i wyliczę zaniżoną reaktancję pierwotnego - w rzeczywistości będzie większa czyli prąd będzie mniejszy. Jej spadek zwiększy prąd, więc można zacząć od dłuższego uzwojenia i skracać je aż do czasu optymalnego wykorzystania mostka.
Założyłem 12 zwojów, o średnicy 20 cm, wysokość uzwojenia 10 cm, drut o przekroju 3mm - a może lepiej wykorzystać grubszą rurkę albo licę? Z programu JavaTC wynika, że indukcyjność uzwojenia pierwotnego wynosi 29.7 uH. Przy częstotliwości 200 kHz (a pewnie będzie nieco więcej) daje to 37 Ω. Dodatkowo kondensator doda około 1.5 Ω. Przy napięciu 320 V, powinno to dać prąd szczytowy około 8.3 A co wydaje się bezpieczną wartością. Troszeczkę nie wiem, skąd miałby się brać w tym przypadku prąd rzędu 100 A - chyba, że mówimy o skróceniu uzwojenia.

Co do samego mostka to mam następujące pytania/propozycje:
-Czym należy kierować się przy wyborze tranzystorów?
Na razie, kierując się napięciem większym lub równym 600V, jak najkrótszym czasem przełączania oraz jak największym prądem, "wpadły mi w oko" następujące modele:
IPW60R125P6XKSA1
IRFP460
i IGBT: STGW20NC60VD
- Czym należy kierować się przy wyborze diod antyrównoległych?
Kierując się podobnymi parametrami jak przy tranzystorach, wybrałem:
FES16JT
MUR3060
-Co do diody schottkyego to ma być na prąd taki jak tranzystor lub większy, co jednak z napięciem blokowania? Wydaje się, że nie wystąpi sytuacja, w której będzie ona musiała blokować 400V a jedynie kilka voltów.
Z góry dziękuję za odpowiedź ;)


Góra
   
 

PostNapisane: 13 mar 2021, 21:37 
Avatar użytkownika
Dołączył(a): 19.12.2015
Posty: 118
Akapitami.
1. H/D ratio trochę małe. Lepiej trzymać się 4-5. Na upartego może zostać ale spróbuj pokombinować by uzwojenie było wyższe lub o mniejszej średnicy. Lub to i to. Do tego sprzężenie magnetyczne... 0,275 to za dużo. Teoretycznie rekomendowane jest 0,13 wg programu ale w tym przypadku wartość jest nieważna. Zejdź poniżej 0,2. To bardzo ważne. Odsuń pierwone od wtórnego, teoretycznie możesz dać je niżej. Ciekawym rozwiązaniem byłaby regulowana wysokość wtórnego i zmieniające się przy tym sprzężenie ;)

2. A jednak, nie zrozumieliśmy się wcześniej :P
3. Tak, bez wtórnego prąd będzie mniejszy. Dlatego właśnie powinieneś liczyć dla istniejącego a raczej zwartego wtórnego. To najmocniejsze obciążenie jakie wystąpi w układzie. Do z tego że mostek wytrzyma pracę jałową skoro obciążenia nie przeżyje?
Na Twoim screenie masz podane rezystancję DC wtórnego, rezystancję AC przy rezonansowej i Q. Z AC, DC i Q wyliczysz R,L,C szeregowo obwodu wtórnego. Dla rezonansowej powinny wpadać w rezonans.
[tutaj nie jestem pewien - chyba wyjdzie po prostu rezystancja AC z obrazka ale nie jestem pewien czy nie powalili z impedancją, więc przelicz]
Wtedy znając sprzężenie magnetyczne rysujesz obwód zastępczy pierwotne (R,L) i wtórne (R,L,C), gdzie indukcyjności sprzężone są sprzężeniem które polecałem zmienić. Prosta teoria obwodów. Wtedy dowiesz się jaka jest Impedancja całego ustroju magnetycznego i będziesz wiedział na jaki prąd szykować mostek.
Na uzwojenie pierwotne zwykle stosuje się rurki. Mają dużą powierzchnie bo mają 2 "strony" są sztywne i takie "typowe" dla tesli. Licę musiałbyś przypinać, układać by mieć równe zwoje. Nie wiadomo jak z naskórkowością by wyszło w stosunku do rury.
"Troszeczkę nie wiem, skąd miałby się brać w tym przypadku prąd rzędu 100 A - chyba, że mówimy o skróceniu uzwojenia."
Właśnie przez brak obwodu wtórnego masz takie bezpieczne wartości.

4. Tranzystory SSTC przełączają się prawie na miękko. Tzw. miękkie przełączanie w momencie gdy prąd przez nie płynący przecina 0. Także o ile szybkość przełączania nie jest kluczowa chociaż należy zadbać by była sensowna, o tyle bardzo ważna jest rezystancja w kanału w stanie przewodzenia. Popularne do SSTC były IRFP460. Tranzystory IGBT... no nie wiem. O ile w cewkach DRSSTC prąd strony pierwotnej bywa ogromny i łatwiej wytracać moc I*Uf tranzystora o tyle przy mosfetach I^2*Rds(on) jest to często niemożliwe. W przypadku SSTC można zastosować oba rodzaje tylko trzeba policzyć co się bardziej opłaca jeżeli chodzi o straty na tranzystorach.
Zwróć też uwagę na ładunek jaki trzeba dostarczyć do bramki by otworzyć tranzystor dla prądu jakiego będziesz się spodziewał w pierwotnym. Teoretycznie im mniej tym lepiej ale w praktyce każdy tranzystor ma wiele parametrów. Żeby się nie okazało że wziąłeś tranzystor o mniejszym ładunku bramki by ograniczyć straty przełączania, ale kosztem dużo większych rezystancji Rds(on) więc w przewodzeniu cały profit stracisz z nawiązką.

Diody antyrównoległe powinny być przede wszystkim jak najszybsze, wytrzymać prąd strony pierwotnej i napięcie zasilania z zapasem. Straty na nich zależą od napięcia przewodzenia.
Dioda szeregowo z tranzystorem ogranicza straty a w skrajnych przypadkach zapewnia dłuższe życie tranzystorom. Diody pasożytnicze wbudowane w tranzystory, a raczej powstałe w tranzystorach, są bardzo wolne. Będąc zamknięte i po nagłym pojawieniu się na nich napięcia otwierają się powoli co powoduje straty mocy. Dioda Shottkiego zamyka się w takim wypadku bardzo szybko praktycznie usuwając ten prąd, który w zamian w całości przepłynie przez diody antyrównoległe spolaryzowane w tą samą stronę co pasożytnicze ale będące dużo szybsze.
Nie będą musiały wytrzymywać dużych napięć, ale prądy już tak. Taka 45V powinna wystarczeć.


Góra
   
 

PostNapisane: 16 mar 2021, 19:58 
Dołączył(a): 09.03.2021
Posty: 4
1) Jasne, poprawiłem ją jeszcze trochę. Teraz uzwojenie wtórne ma średnicę 11cm, wysokość 50 cm, 1085 zwojów nawinięte drutem 0.4 mm. Uzwojenie pierwotne ma 12 zwojów, o średnicy dolnej 20 cm i górnej 40 cm, nawinięte rurką miedzianą. Wynik obliczeń z JavaTC w załączniku.

2) Jednak nie taka prosta elektrotechnika - liczę ale wychodzą mi jakieś bzdury - rzuciłbyś okiem co robię nie tak?

3) Jasne, elementy będziemy dobierać jak już będzie wiadomo jakiego prądu się będzie można spodziewać :)



Komentarz: Arkusz z obliczeniami - z błędem Obliczenia.ods [58.44 KiB]
Pobrane 21 razy

Góra
   
 

PostNapisane: 17 mar 2021, 04:56 
Avatar użytkownika
Dołączył(a): 19.12.2015
Posty: 118
Cewki wyglądają już ok.

Na początek - w arkuszu masz błąd. R2 to 51 omów a nie 122.

Pisałem Ci żebyś narysował schemat zastępczy transformatora.
http://www.kmg.zut.edu.pl/ftp/Teoria_Ob ... tyczne.pdf
Tutaj masz na stronie 15. Polecam wziąć ten pierwszy.
Podstawiasz wszystkie wartości i rozwiązujesz układ. Wzory masz pod spodem nawet. Tylko ważna uwaga - indukcyjność L1-M wychodzi ujemna. Jeżeli nie dasz rady liczyć z ujemną albo będziesz chciał to wrzucić do jakiegoś symulatora, to ujemna indukcyjność = dodatnia pojemność o takiej samej reaktancji.
My wyszedł prąd skuteczny 18,3A. Tylko pamiętaj że to dla użycia pełnego uzwojenia pierwotnego. Będziesz je skracał, prąd będzie rósł. Załóż sobie że użyjesz jakiejś minimalnej ilości zwojów, przykładowo nie zejdziesz poniżej 4rech (nie wiem jak to wyjdzie, kombinuj), zmień zewnętrzną średnicę pierwotnego by liczba space between turns na pierwotnym się zgadzała i dopiero licz max prąd. Jeżeli zaprojektujesz mostek tak by wytrzymał minimum X liczby zwojów, będziesz wiedział że poniżej X nie schodzimy bo będziesz radiatory z sufitu zeskrobywał.

PS:
A jakby admin zobaczył jak wyglądał poprzedni post to niech nie czyta bo osiwieje :P Usprawiedliwię się że pisałem go o 4 rano :D


Góra
   
 

Wyświetl posty nie starsze niż:  Sortuj wg  
Utwórz nowy temat Odpowiedz w wątku  [ Posty: 8 ] 

Strefa czasowa: UTC + 1 [ DST ]




Powered by phpBB® Forum Software © phpBB Group
Przyjazne użytkownikom polskie wsparcie phpBB3 - phpBB3.PL
phpBB SEO