Регулировка питания электромагнита переменного тока, советы Опции

[In_an_im_di]

Есть электромагнит с питанием от 220В 50Гц мощностью 100-200Вт. Задача ввести регулировку(уменьшение) мощности на электромагните от 100% до 10%.
Что из готовых блоков можно эффективно и не затратно использовать без переделки - не нашел. Решено делать с нуля. Набросал блок-схему. На схеме:
-ОР1,ОР2 - датчик полярности напряжения сети,
-MCU - микроконтроллер
-L1 и L2 с конденсаторами - соответственно входной и выходной фильтры
-ОРТО - оптодрайверы.
Частота ШИМ предполагается выше 20кГц чтобы не "свистело", коэффициентом заполнения ШИМ устанавливается мощность на электромагните ЕМ, конкретному значению мощности соответствует конкретный постоянный коэффициент заполнения.

Прошу покритиковать идею, или, может, предложить более простой способ регулировки.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Plain]

более простой способ регулировки

Возможно. Попробуйте запитать его постоянным током.

[In_an_im_di]

Возможно. Попробуйте запитать его постоянным током.

Электромагнит используется для вибростенда, пост. ток не подойдет.

[alexvu]

Возможно, для вибростенда может быть критично наличие ВЧ вибраций с частотой ШИМ.
Не знаю, какой уровень исполнения нужен и как часто Вы собираетесь регулировать мощность, а то есть такая старая добрая штука, как ЛАТР (возможно, дополненный сервоприводом).

[In_an_im_di]

Не знаю, какой уровень исполнения нужен и как часто Вы собираетесь регулировать мощность, а то есть такая старая добрая штука, как ЛАТР (возможно, дополненный сервоприводом).

Нет, регулироваться будет цифрой из промышленного контроллера, к ручке ЛАТРа промконтроллер я "цеплять" не хочу.

[Tanya]

Электромагнит используется для вибростенда, пост. ток не подойдет.

Вы же рисуете выпрямитель. Так какой нужен ток?

[injener]

Может быть, фазовый регулятор?

[alexPec]

Может быть, фазовый регулятор?

Неа, тогда точно вибрации 50 гц пройдут на стенд. А там я так понимаю частоту менять надо.

[xemul]

Есть электромагнит с питанием от 220В 50Гц мощностью 100-200Вт. Задача ввести регулировку(уменьшение) мощности на электромагните от 100% до 10%.
Частота ШИМ предполагается выше 20кГц чтобы не "свистело"

Прошу покритиковать идею, или, может, предложить более простой способ регулировки.

Идея правильная. Добавил бы датчик тока эл.-магнита.
Частоту ШИМ нужно считать не от 'чтобы не "свистело"', а от требуемого разрешения (читайте, точности воспроизведения) и верхней частоты воспроизводимого НЧ сигнала.
Если достаточно трясти на 50 Гц, и гармоники не страшны (смотрите на механические резонансы), то проще фазового управления, как уже предложили, ничего не придумаете.

[Batman]

Самый простой способ как упоминалось - сделать управляемый выпрямитель, да и все. Ключей на 4 меньше. И емкость поставьте - сгладить.
Покритиковать идею можно только в одном - полный мост без защит по току. В крайнем случае поставьте драйвера с desaturation detector (не вспомнил на руском как )

Сообщение отредактировал Batman - Oct 9 2012, 09:22

[In_an_im_di]

Идея правильная. Добавил бы датчик тока эл.-магнита.
Частоту ШИМ нужно считать не от 'чтобы не "свистело"', а от требуемого разрешения (читайте, точности воспроизведения) и верхней частоты воспроизводимого НЧ сигнала.
Если достаточно трясти на 50 Гц, и гармоники не страшны (смотрите на механические резонансы), то проще фазового управления, как уже предложили, ничего не придумаете.

Точность тут непричем. Синусоида напряжения на эл-магните формируется модулем синуса из VBUS, ШИМ-ом с постоянной скважностью определяется только амплитуда переменного напряжения на магните равной частоте сети 50Гц. Это одночастотная схема, ШИМ не используется для формирования формы сигнала, а только для установки амплитуды.

Самый простой способ как упоминалось - сделать управляемый выпрямитель, да и все. Ключей на 4 меньше. И емкость поставьте - сгладить.
Покритиковать идею можно только в одном - полный мост без защит по току. В крайнем случае поставьте драйвера с desaturation detector (не вспомнил на руском как )

Не счел полезным загромождать блок-схему цепями защиты. В ней и так народу лень разбираться, как я вижу.

Управляемый выпрямитель позволит рекуперировать энергию от магнита? это же и дроссель все таки. Может, нарисуете применение? буду благодарен.

Вы же рисуете выпрямитель. Так какой нужен ток?

Знаете, в частотниках, например, тоже есть выпрямитель, но вопросов таких по этому поводу никто не задает, извините.

Может быть, фазовый регулятор?

А, это - как прикрутить к эл-магниту? Через Н-мост и фаз-шифт?

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 9 2012, 13:48

[Batman]

А, действительно, я дал маху....сорри... у вас электромагнит на переменном токе... я по не внимательности не допонял. И выпрямитель посоветовал ) Здесь три варианта.
Можно на тиристорах с фазовым управлением (если гармоники позволяют), можно импульсный AC AC регулятор на двух модулях Half Bridge, или как у Вас.
Проще только первый ) Второй и третий совпадают практически.

Сообщение отредактировал Batman - Oct 9 2012, 13:57

[In_an_im_di]

Можно на тиристорах с фазовым управлением (если гармоники позволяют)

Вот заказчик "плавает" в теме качества потребления эл-сети, поэтому как-то боюсь я ставить несмышленым людям просто фазовое на тиристорах хоть и ватт всего 100. Может выплыть противоречие в дальнейшем. Решено сразу сделать с максимальным коэфф.мощности, чтобы не возникло никаких вопросов потом.

[Plain]

сразу сделать с максимальным коэфф.мощности

Тогда проще всего уже предложенный выше вариант понижающего стабилизатора на двух полумостах — как на Рис.3 здесь:  MF_001621.pdf ( 804.32 килобайт ) Кол-во скачиваний: 489

Помимо КПД, выгода от такой конфигурации в том, что нужно только одно местное питание и годятся обычные бутстрепные драйверы.

[In_an_im_di]

Тогда проще всего уже предложенный выше вариант понижающего стабилизатора на двух полумостах — как на Рис.3 здесь:  MF_001621.pdf ( 804.32 килобайт ) Кол-во скачиваний: 489

Помимо КПД, выгода от такой конфигурации в том, что нужно только одно местное питание и годятся обычные бутстрепные драйверы.

Вот спасибо за файл. Нет практики по приводам и таких топологий АС-АС не знал. Вариант Рис.3 лучше моего ровно на один диодный мост, что не мало.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 9 2012, 17:08

[Парус]

Стесняюсь спросить, как насчёт механического резонанса вибратора?

[Microwatt]

Мосты. контроллеры. сдвиг фаз. резонансы... Та чи не проблема для единичной установки такой мощности!
Купите наскоро балластных ПЭВов, две пары реле и клацайте ими добавки в разных комбинациях. Хоть прямо вручную, хоть через любимый контроллер и клавиатуру с подсветкой и музыкой.
Будет Вам и бюджет и сроки, и 100% ККМ и, главное, - работать будет. Долго и надежно.

[Siv21]

предложить более простой способ регулировки.

По картинке к первому посту: Уберите диодный мостик. Разорвите цепь стоков Т1 и Т2, подайте туда входное мапряжение. Управляется такой "диммер" очень просто.
ШИМ с постоянной скважностью, верхние и нижние транзисторы - в противофазе. На сколько % открыты верхние транзисторы, такой % напряжения от входного будет на нагрузке.

[In_an_im_di]

Стесняюсь спросить, как насчёт механического резонанса вибратора?

Никак. Добротность системы низкая-много энергии не накопишь. Да и незачем. Поэтому тупо выбрана фиксированная частота 50 и всё.

Мосты. контроллеры. сдвиг фаз. резонансы... Та чи не проблема для единичной установки такой мощности!
Купите наскоро балластных ПЭВов, две пары реле и клацайте ими добавки в разных комбинациях. Хоть прямо вручную, хоть через любимый контроллер и клавиатуру с подсветкой и музыкой.
Будет Вам и бюджет и сроки, и 100% ККМ и, главное, - работать будет. Долго и надежно.

Конечно когда просто это хорошо. Но, при ближайшем рассмотрении ситуация не радостная - сдувать куда-то из шкафа образовавшиеся ватт 30-40 тепла с резисторов, крепить их опять же горяченьких не на печатную плату, короче - решение для прошлого века хорошее и годное, но в нынешних технологиях довольно дорого реализуемое. Опять же реле нужны с максимальным классом контактов для тяжёлой нагрузки(большой пусковой ток + индуктивность), а они сейчас ох как дороже полевичков.

По картинке к первому посту: Уберите диодный мостик. Разорвите цепь стоков Т1 и Т2, подайте туда входное мапряжение. Управляется такой "диммер" очень просто.
ШИМ с постоянной скважностью, верхние и нижние транзисторы - в противофазе. На сколько % открыты верхние транзисторы, такой % напряжения от входного будет на нагрузке.

Меня просветили в постах повыше про класс АС-АС, вы это и предлагаете, но все равно спасибо вам за комментарий по существу.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 10 2012, 09:36

[Microwatt]

сдувать куда-то из шкафа образовавшиеся ватт 30-40 тепла с резисторов, ........
короче - решение для прошлого века хорошее и годное, но в нынешних технологиях довольно дорого реализуемое.
Опять же реле нужны с максимальным классом контактов для тяжёлой нагрузки(большой пусковой ток + индуктивность), а они сейчас ох как дороже полевичков.

Вы оптимистично полагаете, что прокачав все ватты через самодельный импульсный стабилизатор , тепла получите намного меньше, на порядок?
Дорого? А как посчитали? Месяца два, в самом лучшем случае, возни с малознакомыми схемами, это что, не деньги?
Реле индуктивностей никогда не боялись. Контактам опасна емкостная нагрузка. Сойдут заурядные.

Понятно было бы, если бы это устройство тиражировалось в паре тысяч экземпляров. А тут - заурядная технологическая задачка, требующая простого, быстрого и эффективного решения. Не стоит ее намеренно усложнять, мне кажется.

[In_an_im_di]

Вы оптимистично полагаете, что прокачав все ватты через самодельный импульсный стабилизатор...

В этом мире все вещи самодельные, в том смысле что людьми придуманы и сделаны.

Понятно было бы, если бы это устройство тиражировалось в паре тысяч экземпляров.

Именно так.


Microwatt, технико-экономическое обоснование проекта я тут обсуждать не намеревался. Я просил сообщество поделиться идеями по способам регулировки, вы предложили свой способ, за что вам от меня спасибо. И, не углубляясь дальше в бессмысленный спор мосты vs реле, скажу лишь, что того разработчика, который бы принёс мне большую дорогущюю коробку кипятильник со щелкающими реле унутрях под видом регулятора, я бы вымазал дёгтем и вывалял в пуху, как плохого комедианта.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 05:56

[Microwatt]

В этом мире все вещи самодельные, в том смысле что людьми придуманы и сделаны.


Именно так.


Microwatt, технико-экономическое обоснование проекта я тут обсуждать не намеревался. , ....я бы вымазал дёгтем и вывалял в пуху, как плохого комедианта.

Конечно, если это серийное изделие, то подход нужен другой.
Как плохой комедиант, я бы подступился к этой задачке, включив последовательно с электромагнитом диодный мост. В диагональ моста поставил бы импульсный однотактнай регулятор тока.

[In_an_im_di]

Конечно, если это серийное изделие, то подход нужен другой.
Как плохой комедиант, я бы подступился к этой задачке, включив последовательно с электромагнитом диодный мост. В диагональ моста поставил бы импульсный однотактнай регулятор тока.

Тож в эту сторону думаю. Только не придумал пока как конкретно это воплотить. В диагонали диодного мостика должно получиться что-то типа стабилитрона с напряжением стабилизации вида V=K*|Vсети|, где К=0..1 и задавая значение К изменяем амплитуду напряжения на нагрузке.

А насчет импульсного однотактного регулятора тока, то есть источника тока, это вы не подумавши написали наверное. Что будет если к источнику тока подключить индуктивность? правильно, бесконечно большое напряжение. Чисто физика.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 07:52

[Tanya]

Тож в эту сторону думаю. Только не придумал пока как конкретно это воплотить. В диагонали диодного мостика должно получиться что-то типа стабилитрона с напряжением стабилизации вида V=K*|Vсети|, где К=0..1 и задавая значение К изменяем амплитуду напряжения на нагрузке.

В таком варианте нужно два мостика. Один подключает к магниту сеть (ШИМ - с фиксированной скважностью), а другой (или два транзистора) - коротит его - проводит ток, когда транзистор внутри первого закрывается (комплементарный ШИМ). Тут нужно вовремя открыть транзистор внутри второго мостика. Опасное это дело... Тут еще защиты нужно придумывать.

[In_an_im_di]

В таком варианте нужно два мостика. Один подключает к магниту сеть (ШИМ - с фиксированной скважностью), а другой - коротит его - проводит ток, когда транзистор внутри первого закрывается (комплементарный ШИМ). Тут нужно вовремя открыть транзистор внутри второго мостика. Опасное это дело... Тут еще защиты нужно придумывать.

конечно их нужно два, второй - для рассасывания тока дросселя, (приятно, черт побери, что хоть кто-то въезжает в тему!) и переключать их как полумост, поочередно. Преимущество такой схемы по сравнению с АС-АС вышепредложенным - отсутствие краш-ситуаций при возможных ошибках датчика полярности, ибо он тут теперь совсем не нужен. Осталось решить проблему Деад-тайма, и идея станет рабочей. Придумать какой-то снаббер для поглощения выбросов тока в мертвое время. Навскидку, подойдут варисторы на 390 вольт паралельно ключам в диагоналях мостов.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 08:31

[Tanya]

для рассасывания энергии дросселя, (приятно, черт побери, что хоть кто-то въезжает в тему!)

А Вы немного не въезжаете - энергия при этом не рассасывается... рассасывается немного на сопротивлении магнита, но это вредно. У Вас какая постоянная времени у катушки?

[In_an_im_di]

А Вы немного не въезжаете - энергия при этом не рассасывается... рассасывается немного на сопротивлении магнита, но это вредно.

Я ошибся, конечно тока дросселя, энергия тут не причем.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 08:25

[Tanya]

Я ошибся, конечно тока дросселя, энергия тут не причем.

Ток тоже не должен рассасываться - энергия ведь пропорциональна квадрату тока? Вы же хотели синусоидальный ток, а не гребенку?

[In_an_im_di]

Я ошибся, конечно тока дросселя, энергия тут не причем.

Постоянная времени? грубо можно считать, что это сетевой 50Гц трансформатор ватт на 150... с числами второпях не определюсь.

[Tanya]

Постоянная времени? грубо можно считать, что это сетевой 50Гц трансформатор ватт на 150... с числами второпях не определюсь.

Не про это спрашивала... А про соотношение активного сопротивления и индуктивности. Но если это у Вас не "чистый" магнит, а двигатель чего-то, то тут не все так просто.

[In_an_im_di]

Ток тоже не должен рассасываться - энергия ведь пропорциональна квадрату тока? Вы же хотели синусоидальный ток, а не гребенку?

"для протекания тока дросселя" - так будет правильно. вы очень внимательны)

Не про это спрашивала... А про соотношение активного сопротивления и индуктивности. Но если это у Вас не "чистый" магнит, а двигатель чего-то, то тут не все так просто.

Все непросто с соотношением, да. Примерно как в эл-двигателе.

Вот, на схеме воплощение идеи "полумоста на двух диодных мостах". Варисторы поглощают выбросы тока в мертвое время, L1 и L2 фильтры на частоту ШИМ. Такая конструкция полетит? как думаете?

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 09:04

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Tanya]

Такая конструкция полетит?

Полетит... Только куда?
Варистор(ы) нужно, наверное прямо к магниту вместо конденсатора. А фильтры вы рисуете синфазные... Зачем они? Особенно второй.
А два транзистора вместо второго моста не лучше будет? Я в этой "дергающей(ся) технике" плохо понимаю. Времен, скоростей, элементов не знаю. И советовать тут не могу и не буду.

[In_an_im_di]

Полетит... Только куда?
Варистор(ы) нужно, наверное прямо к магниту вместо конденсатора. А фильтры вы рисуете синфазные... Зачем они? Особенно второй.
А два транзистора вместо второго моста не лучше будет? Я в этой "дергающей(ся) технике" плохо понимаю. И советовать тут не могу и не буду. Времен, скоростей, элементов не знаю.

Можно и прямо к магниту, разгрузить диоды нижнего моста.

Фильтры бездумно скопированы из предыдущей схемы с мостиком на входе, в этой схеме действительно незачем, достаточно одиночных - из нижнего провода сети убрать дроссели.

Два транзистора (затворы истоки паралельно) может и лучше, чем мост на шустрых диодах и один транзистор, это "надопосмотреть" потом.

Фильтр на выходе, например, частотников, кажется ставится при неизвестной или большой длине проводов до электродвигателя для уменьшения помех от ШИМ, в данном случае похожая физика процесса, я тут сам "плаваю", надо чо-нить почитать на эту тему.


Вобщем, в результате схема "выродилась" в вариант, как на Рис.2 в документе MF_001621.pdf, который выше в постах приводили. Только появился несомненный плюс - не нужен датчик полярности и не надо избирательно полярности сети переключать транзисторы. Хотя... в этом документе мне непонятно, почему бы на Рис.2 не соединить затворы ключей S1-S3 и S2-S4 и не морочиться полярностью, подав на вход S1-S3 ШИМ а на S2-S4 инверсию(см файл ЕМ4). Пишут, что типа коммерческие модули для этой схемы не подходят, во как, причина.

На второй картинке имеем долгое закрывание боди-диодов в ключах, в первой картинке с этим проблем нет. При моих небольших токах первая может и более предсказуемо в деад-тайм себя вести. Будем смотреть, вобщем.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 10:16

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные файлы

 EM4.sch ( 32.83 килобайт ) Кол-во скачиваний: 5

 

[Tanya]

Будем смотреть, вобщем.

L1 - совсем не нужно, даже вредно.
L2 - трудно сказать... Если это двигатель, то там должна быть противоэдс, и второй (коротящий) мост будет играть роль тормоза. В таком случае этот дроссель нужен. И второй варистор прямо на двигателе. Вместо конденсатора.
Тут уже без натурных экспериментов не обойтись. Так мне кажется.

[In_an_im_di]

L1 - совсем не нужно, даже вредно.

Намекаете на колебания в контуре фильтра? непонятно

L2 - трудно сказать... Если это двигатель, то там должна быть противоэдс, и второй (коротящий) мост будет играть роль тормоза. В таком случае этот дроссель нужен. И второй варистор прямо на двигателе. Вместо конденсатора.
Тут уже без натурных экспериментов не обойтись. Так мне кажется.

Это электромагнит с вибрирующим якорем на упругой подвеске, масса якоря и расстояние до якоря - величины случайные в некоторых пределах.
Разница частот 50Гц и ШИМ неск килогерц какбэ говорит нам о том, что действие L2 по отношению к эл-магниту будет равно нулю практически. Но ФНЧ сгладит частоту ШИМ на элмагните.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 10:57

[xemul]

Фильтр на входе нужен, чтобы не гадить ШИМ'ом в сеть.
Про назначение и расчёт фильтра на выходе можно почитать в каком-нибудь аппноте для усилителей класса D.
Если стендом предполагается трясти осмысленно (т.е. нужна какая-то метрология), на платформу придётся добавить акселерометр.
Для изобретения модели стенда и её последующей реализации в софте стоит снять АФХ хотя бы при пустой и полностью нагруженной платформе. (заодно получится ответ про непростые соотношения)

[Batman]

Вот, на схеме воплощение идеи "полумоста на двух диодных мостах". Варисторы поглощают выбросы тока в мертвое время, L1 и L2 фильтры на частоту ШИМ. Такая конструкция полетит? как думаете?

Это есть усеченный преобразователь на выпрямителях Вены (или венных, не знаю как по русски ) (Vienna rectifier). Такая схема уже летает , так что можете ее смело использовать, единственное, что в данном применении она работает принципиально также как и схема с четырьмя транзисторами с общими истоками, только ключи другие и их больше.
Соединять затворы на последней схеме не следует - там требуется раздельное управление, почитайте еще раз тот файлик про ac ac.
Вместо варистора я бы поставил супрессоры, а вместо полевиков - IGBT с быстродействующим диодом, но это вопрос религии.


Сообщение отредактировал Batman - Oct 11 2012, 14:46

[In_an_im_di]

Это есть усеченный преобразователь на выпрямителях Вены (или венных, не знаю как по русски ) (Vienna rectifier). Такая схема уже летает , так что

Да, посмотрел, действительно есть такое на три фазы, спасибо. В который раз изобретаю велосипед.

Затворы в любом случае соединять напрямую не следует, это так, схематично. А вот в файлике разные сигналы для одной пары транзисторов требуются для схемы на Рис.3. Для схемы на Рис.2 на затворы(там базы) пары должны поступать одинаковые сигналы, в файлике прямо это не пишется, но иначе работать не будет, очевидно же.

Вообще, последняя моя схема нравится меньше, чем с диодными мостами. Полный ток течет по боди-диодам ключей, что не есть хорошо. Применять ИГБТ с шустрым боди на такие маленькие токи считаю избыточным.

Собственно, останется добавить сюда только маленький флайбэк на три напряжения для питания двух HCPL3120 и управляющей схемки, и силовая часть готова.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Oct 11 2012, 18:03