نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

[عباس جبراییلی]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

با سلام-در استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی پارامتر ها و محدودیتهای مختلفی وجود دارد که اگر در استفاده از پارامترها دقت کافی نشود منجر به اشتباه محاسباتی زیادی خواهد شد.حتما با نرم افزارهای شبیه ساز الکترونیک اشنا هستید که اگر در تعریفstep اشتباهی رخ دهد و یا در ارتباط یک المان دیجیتال به یک المان انالوگ دقت نشود شکل موجهای خروجی المان دیجیتال غلط نمایش داده خواهد شد.در شبیه سازی مقاومت بر حسب فرکانس مقدار مقاومت با شیب زیادی بالا میرود اگر چنین باشد که در فرکانسهای بالا گرمایش به سختی رخ خواهد دادزیرا ولتاژ ثانویه را اگر ثابت فرص کنیم با بالا رفتن مقاومت جریان کمتری القا خواهد شد.و در نتیجه توان مصرفی نیز کمتر خواهد شد..در حالیکه در عمل چنین نیست همچنین در مدل ترانس مگرNxI اولیه با NxIدر ثانویه نباید برابر باشد؟چگونه است که در شکل چگالی شاری ازقسمت قرار گرفته در زیر ثانویه عبور نمیکند و یا مقدار ان خیلی کم است ودر سمت اولیه مقدار بیشتری داردو قسمتهای رنگی نشان میدهد که شار در هسته یکنواخت توضیع نشده.در حالیکه در عمل شار در هسته یکنواخت میباشد., و در محاسبات ترانس فلوی گذرنده از اولیه و ثانویه برابر در نظر میگیریم.

[sina_javan]

پاسخ : پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

بدر شبیه سازی مقاومت بر حسب فرکانس مقدار مقاومت با شیب زیادی بالا میرود اگر چنین باشد که در فرکانسهای بالا گرمایش به سختی رخ خواهد دادزیرا ولتاژ ثانویه را اگر ثابت فرص کنیم با بالا رفتن مقاومت جریان کمتری القا خواهد شد.و در نتیجه توان مصرفی نیز کمتر خواهد شد..در حالیکه در عمل چنین نیست

نمودار زیر ( خط پیوسته) تغییرات مقاومت بر حسب فرکانس را برای بار آهنی نشان میدهد و مربوط به مقاله کنفرانس IEEE با عنوان زیر است:
Temperature Influence on Equivalent Impedance and Efficiency of Inductor Systems for Domestic Induction Heating Appliances

همچنین در مدل ترانس مگرNxI اولیه با NxIدر ثانویه نباید برابر باشد؟چگونه است که در شکل چگالی شاری ازقسمت قرار گرفته در زیر ثانویه عبور نمیکند و یا مقدار ان خیلی کم است ودر سمت اولیه مقدار بیشتری داردو قسمتهای رنگی نشان میدهد که شار در هسته یکنواخت توضیع نشده.در حالیکه در عمل شار در هسته یکنواخت میباشد., و در محاسبات ترانس فلوی گذرنده از اولیه و ثانویه برابر در نظر میگیریم.

دلیل متفاوت بودن چگالی شار در قسمت های مختلف هسته وجود شار نشتی است. در دو شکل زیر ، در حالت اول شار نشتی وجود دارد و در حالت دوم با فرض 0.001 بودن نفوذ پذیری نسبی محیط اطراف هسته، از نشت شار جلوگیری شده است و باعث یکنواخت شدن چگالی شار در طول هسته شده است:


در واقع اون اضافه شاری که در عکس بالایی، از اولیه میگذرد همون شار مغناطیس کنندگی است که در ترانس ایده آل با فرض بی نهایت بودن میوی هسته، صفر در نظر گرفته میشود.

[عباس جبراییلی]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

http://www.hes-13.com/wp-content/uploads/2013/07/Moro.pdf

مگر این جریان نباید N برابر از جریان کویل بزرگتر باشد؟ ( با فرض N دوری بودن کویل) اینجا ماهیت عملکرد با ترانس ایده آ ل چه تفاوتی دارد که در ترانس ایده آل، ثانویه مقید است حتما NI ای درست کند معادل با NI اولیه ... ولی اینجا مقید نیست که این کار را بکند؟ :question:.

وبا انجام این شبیه سازی خودتان جواب سوالتان را دادید

[ebismps]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

سلام
در یک ترانس معمولی باافزایش چگالی شار مغناطیسی پرمابیلیتی کم کم شروع به کاهش میکند بنحوی که در Bsat پرمابیلیتی برابر یک میشود.این منحنی کاهشی را میتوان از دیتاشیت هسته های فریت بدست اورد.
چگالی شار مغناطیسی در هسته از B=u0*u*N*I/l (یا همان B=u*H ) بدست می اید.با توجه به اینکه مقدار جریان اولیه ترانس در بار کامل بیشترین مقدار است بااطبع تلفات هسته نیز بیشتر است(هر دو تلفات Ph & Pe ).
بار مصرفی در کوره حکم اتصال کوتاه ثانویه را ندارد بلکه شامل مقاومت فلز + مقاومت Rhf یا همان مقاومت فرکانسی میباشد که مقاومت فلز با افزایش دما افزایش می یابد و مقاومت Rhf با افزایش فرکانس.(فرمول محاسبه هر دو در مقاله www.onsemi.com/pub/Collateral/AN1543-D.PDF ص 33و32).همچنین بار حکم یک دور در ثانویه را دارد که متناسب با ابعادش ضریب کوپلاژ را تعیین میکند.در این حالت N.I اولیه در ثانویه تماما تبدیل به I میشود.
در فلزات غیر مغناطیسی (دارای پرمابیلیتی1 )عمل ذوب صرفا با افزایش فرکانس امکانپذیر است .
موفق باشید.

[sina_javan]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

سلام
در یک ترانس معمولی باافزایش چگالی شار مغناطیسی پرمابیلیتی کم کم شروع به کاهش میکند بنحوی که در Bsat پرمابیلیتی برابر یک میشود.این منحنی کاهشی را میتوان از دیتاشیت هسته های فریت بدست اورد.
چگالی شار مغناطیسی در هسته از B=u0*u*N*I/l (یا همان B=u*H ) بدست می اید.با توجه به اینکه مقدار جریان اولیه ترانس در بار کامل بیشترین مقدار است بااطبع تلفات هسته نیز بیشتر است(هر دو تلفات Ph & Pe ).

با تشکر از توجهتون. ولی فکر کنم اصلا نتایج شبیه سازی و یا کتاب ماشین را نگاه نکردید. چون با یک نگاه مشخص است که به دلیل عکس العمل در ثانویه، شاری در جهت عکس شار اولیه ایجاد میشود که آنرا خنثی میکند و در نهایت یک شار منتجه کوچکی میماند که خیلی پایینتر از Bsat هسته ترانس است. هر چقدر جریان در اولیه بیشتر بشود، در ترانس معمولی، متناسب با آن جریان ثانویه هم بیشتر میشود و شار آنرا خنثی میکند و بازهم چیزی که میماند همان شار مغناطیس کنندگی است. درست است که منحنی اشباع هسته در دیتاشیت داده شده است. ولی نقطه کار در حالت عادی به سمت Bsat نزدیک نمیشود. همچنین فلسفه مدلسازی ، این است که از روی آن بتوانیم رفتار سیستم را توجیه و پیش بینی کنیم. وگرنه آن مدل را باید دور ریخت. مثل همین مدل بار که در کتاب علی مطلبی با ترانس تک دوری با ثانویه اتصال کوتاه شده مدل کرده و اصلا مدل دقیقی نیست.اما مدل زیر در تمامی کتاب های ماشین ( مثلا پی سی سن) آمده است و جای شک و شبهه ای ندارد.

در این مدل مقاومت Rc حکم تلفات فوکو و هیستروزیس ایجاد شده در هسته را دارد و پر واضح است که اگر از افت ولتاژ روی امپدانس نشتی اولیه صرفنظر کنیم، تلفات هسته ( یعنی تلفات ایجاد شده در Rc) ربطی به بار مصرفی نخواهد داشت. اینها که مطالب ساده و اولیه ترانس است و تعجب میکنم شما با دریایی از علم و تجربه چطور دقت نکردید بهش.

[arvinfx]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

دستگاه اندازه گیری B-H داریم؟ اصلا" به درد میخوره؟

[voyager2020]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

با اجازه اساتید من فکر میکنم به دلیل تاخیر فازی که بین اولیه و ثانویه وجود داره عامل اصلی هست یعنی به صورت تناوبی پرمیابلیتی هسته از مینیمم به ماکزیمم و برعکس میرسه و ثانویه هم همچنین و این مطلب منجر به تلفات هیسترزیس و فوکو میشه
نمیدونم شما امکان شبیه سازی در یه سیکل رو دارید یا نه؟! چون اگر در یک محدوده زمانی کوتاه شبیه سازی بشه به احتمال زیاد نتیجه متفاوت خواهد بود
اگر اشتباه میکنم اساتید لطفا به منم پاسخ بدن

[sina_javan]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

منبعی که استاد جبرائیلی معرفی کردند توصیف کیفی خوبی از مکانیزم تلفات هیستروزیس ازائه داده :
A simplified but qualitatively useful explanation of hysteresis losses states that it is caused by friction between molecules, or socalled
magnetic dipoles, when ferromagnetic metals are magnetized first in one direction and then in the other. The dipoles can be considered as small magnets
which turn around with each reversal of the magnetic field associated with an alternating current. The energy required to turn them around is dissipated
as heat, the rate of expenditure of which increases with the rate of reversal of the magnetic field-i.e., the frequency of the alternating current.
این عاملی که شما گفتید منشا تلفات هیستروزیسه. ولی تلفات فوکو از جاری شدن جریانهای گردابی و اثر ژول ناشی میشه که عامل غالب ایجاد تلفاته. تلفات فوکو ربطی به تغییرات پرمابیلیته نداره. چون بالاتر از نقطه کوری که پرمابیلیته نسبی 1 میشود هم تلفات فوکو وجود داره

[voyager2020]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

پس در اون صورت پرمیابلیتی تغییر میکنه در طول سیکل و اگر شبیه سازی در طول یه سیکل انجام بشه نتیجه درست خواهد بود ! درسته؟
این سبیه سازی رو با چه نرمافزاری انجام میدید و ایا قابلیت انیمیش هم داره مثلا در طول یه پریود

[ebismps]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

دستگاه اندازه گیری B-H داریم؟ اصلا" به درد میخوره؟

سلام
روش ساده بدست اوردن منحنی B-H رو اقای مارتی براون در کتاب طراحی منابع تغذیه توسط اسکوپ توضیح داده تو نت هم میشه مشابهش رو پیدا کرد.
موفق باشید.

---

اضافه شده در تاریخ :

با تشکر از توجهتون. ولی فکر کنم اصلا نتایج شبیه سازی و یا کتاب ماشین را نگاه نکردید. چون با یک نگاه مشخص است که به دلیل عکس العمل در ثانویه، شاری در جهت عکس شار اولیه ایجاد میشود که آنرا خنثی میکند و در نهایت یک شار منتجه کوچکی میماند که خیلی پایینتر از Bsat هسته ترانس است. هر چقدر جریان در اولیه بیشتر بشود، در ترانس معمولی، متناسب با آن جریان ثانویه هم بیشتر میشود و شار آنرا خنثی میکند و بازهم چیزی که میماند همان شار مغناطیس کنندگی است. درست است که منحنی اشباع هسته در دیتاشیت داده شده است. ولی نقطه کار در حالت عادی به سمت Bsat نزدیک نمیشود. همچنین فلسفه مدلسازی ، این است که از روی آن بتوانیم رفتار سیستم را توجیه و پیش بینی کنیم. وگرنه آن مدل را باید دور ریخت. مثل همین مدل بار که در کتاب علی مطلبی با ترانس تک دوری با ثانویه اتصال کوتاه شده مدل کرده و اصلا مدل دقیقی نیست.اما مدل زیر در تمامی کتاب های ماشین ( مثلا پی سی سن) آمده است و جای شک و شبهه ای ندارد.

منظورم از بکار بردن Bsat توجه به این نکته بود که با افزایش جریان اولیه پرمابیلیتی انقدر کاهش می یابد که در Bsat به 1میرسد. واضح است که یک هسته در نقطه Bsat کار نمیکند مگر در موارد خاص.
این نکته هم درست است که شار ثانویه اکثر شار اولیه را خنثی میکند ولی در حد ضریب مغناطیس شوندگی ثانویه به اولیه که مقدارش کمتر ازضریب مغناطیس شوندگی اولیه به ثانویه است.در نتیجه مقدار شارکمی در اولیه باقی مانده که Br نام داردو همین اساس تلفات هسترزیس است.که در نیم سیکل بعدی به گرما تبدیل میشود.
اگر مدل شبیه سازی داشته باشید که بتوان نمامی مشخصات الکتریکی و مغناطیسی هسته و رسانا را در ان تعریف کرد انوقت میتوان کوره القایی را کاملا شبیه سازی نمود.

[arvinfx]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

سلام
روش ساده بدست اوردن منحنی B-H رو اقای مارتی براون در کتاب طراحی منابع تغذیه توسط اسکوپ توضیح داده تو نت هم میشه مشابهش رو پیدا کرد.
موفق باشید.

تا اونجایی که من میدونم یه دستگاه رو توی کتابش معرفی کرده بود با اسکپ هم میشه! :surprised:

[Mohamadh14]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

تا اونجایی که من میدونم یه دستگاه رو توی کتابش معرفی کرده بود با اسکپ هم میشه! :surprised:

http://info.ee.surrey.ac.uk/Workshop/advice/coils/BHCkt/index.html

اگر چیز دیگه هم پیدا کردم می گذارم

[sina_javan]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

یه سوال دیگه از جناب جبرائیلی:
طبق صحبتهای قبلی که در همین فروم انجام شد و سایر شواهد، نتیجه گرفته شد در IGBT که zvs مهمتر از ZCS است. دلیل:
1- آقای جبرائیلی گفتند که اگر ZVS را از دست بدهیم، آنقدر کلید سریع داغ میشود که قبل از انتقال حرارت به هیت سینک و متوجه شدن سنسور دما، کلید میسوزد.
2-آقای ebi SMPS گفتند که چون منحنی Eon از Eoff در دیناشیت IGBT ها بزرگتر است معلوم است تلفات زمان روشن شدن بیشتر است. پس ZVS مهمتر است.
3- کلا در مقالات همه جا صحبت از ZVS میکنند. حتی در مدار نیم پل برای کنترل توان از PLL استفاده میکنند که مطمئن شوند، اگر به هر دلیل ( مثلا ذوب شدن بار یا نزدیک شدن آلومنیوم و ...) فرکانس رزونانس افت کرد، کلیدزنی بالای فرکانس رزونانس اتفاق بیفتد و ZVS تامین شود.
4- کمتر بودن جریان tail current در IGBT های جدید که باعث میشود تلفات زمان خاموش شدن کمتر و کمتر شود. ( البته این مورد تراوشات ذهن خودمه :rolleyes
5- خودم یه مبدل نیم پل با ماسفت ساختم، وقتی زیر فرکانس رزونانس کار میکرد، کلیدها در یک چشم به هم زدن داغ میشدند ولی بارم اصلا داغ نمیشد. ولی وقتی رفتم بالای رزونانس، کلیدام یکهو آروم شدند و بجاش بار داغ شد. تلفات زمان روشن شدن آیجیبیتی و ماسفت هم شبیه هم هستند.
اما در مقاله زیر یک مبدل شبه رزونانسی برای گرمایش القایی را در دو حالت ZVS و ZCS ساخته و نتیجه گرفته که بازدهی حالت ZCS دار بیشتر است :angry: :angry:



البته یک دلیلش این است که در حالتی که ZCS داره تلفات هدایتیش کمتره، به جای یک کلید در دو کلید تلفات داریم و ... که اصلا موضوع بحث من نیست. ولی سوال من اینجاست که مگه ZVS اون همه مهم نبود؟ پس چطوری این مقاله با توان 3 کیلو وات مبدل ساخته، و ZVS را کاملا قربانی کرده و نه کلیدش داغ کرده، نه تلفات کلید زنیش سر به فلک کشیده و کلا هیچ اتفاق بدی براش نیفتاده؟ :surprised:
این ZVS آخرش منو به کشتن میده
:cry2: :cry2:
لینک مقاله:
http://www.uplooder.net/cgi-bin/dl.cgi?key=0e7bb97be2b7e47bf4396a00f7885716

[عباس جبراییلی]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

با سلام--اگر در مقاله به شکل موجها دقت نمایید متوجه تفاوت انه با دیگر توپولوژیهای توان بالا خواهید شد.در این مقاله تاکید شده که کاربرد برای اجاق برقی میباشد--برق ورودی تک فاز میباشد--شکل موج خروجی سینوسی تمام موج یباشد-مهمترین اختلاف در همین شکل ولتاژ بعد از پل دیود میباشد-حال چرا؟در سوییچینگ عبور از صفرولتاژ شرلیط خاصی باید برقرار باشد تا بتوان در ان ناحیه کار کرد که این شرایط بستگی به جریان-مقدار اندوکتانس-فرکانس-ولتاژ دارد.یعنی در توانهای کم سوییچ زنی عبور از صفر براورده نمیشود و تلفات بالا میرود در این مدار که شکل ولتاژ دایما در حال کم وزیاد شدن است این اتفاق برای عبور از صفر ولاژ خواهد افتاد برای همین از حالت عبور از صفر جریان استفاده شده.

[sina_javan]

پاسخ : نحوه طراحی و محاسبات مدارهای منابع تغذیه سوییچینگ و کوره القایی

با تشکر . ولی این حالت ولتاژ بعد از پل که به قول خودشون envelope هست و برای بهبود کیفیت توان کشیده شده از شبکه اینطوری طراحی شده، برای سه توپولوژی دیگر هم برقرار است. یعنی مقاله 4 توپولوژی را بررسی کرده. 1- تمام پل 2- نیم پل 3- شبه رزونانسی در شرایط zvs و 4- شبه رزونانسی در شرایط ZCS. حالا در سه توپولوژی اول علیرغم بالا پایین رفتن ولتاژ پس از پل یکسوساز، باز هم از zvs استفاده کرده است. مثلا توپولوژی نیم پل را در نظر بگیریم. مگه وقتی که اول دیودها هدایت کنند و بعدش آیجیبیتیها ( جریان پسفاز باشد) zvs تضمین نمیشود؟ با فرض اینکه duty cycle به اندازه کافی زیاد باشد که مدار در حالتی قرار نگیرد که هر دو تا کلید خاموش شوند و خازنهای خروجی آنها شارژ شوند و ZVS را از بین ببرند. در اینصورت بالا پایین رفتن ولتاژ لینک دی سی که نمیتواند zvs را از بین ببرد. نمودار بالا در شکل زیر ولتاژ و جریان کلید، و نمودار پایین جریان کویل را نشان میدهد و معلوم است زمانیکه کلید میخواهد روشن شود، ولتاژ دو سر آن صفر ( اندازه افت ولتاژ دیود) است.

اما علیرغم این حرفها در توپولوژی چهارم خودش عامدانه رفته سراغ ZCS و اتفاقا تلفات کلید آن نسبت به هر کلید ( با داشتن جریان مساوی) توپولوژی نیم پل دو برابر بیشتر تلفات دارد.

ولی به هر حال ZVS ندارد. تا جایی که من یادم است ZVS نداشتن به دو دلیل باعث بالا رفتن تلفات در کلید میشد : 1- تخلیه انرژی خازن خروجی کلید در آن w=0.5*c*v^2*f و 2- تلفات بازیابی معکوس دیود آن . این فرمایش قبلی شماست :

با سلام-در مورد سوختن سوییچها--هنگامیکه هارد سوییچینگ اتفاق میافتد تلفات داخلی سوییچه انقدر زیاد خواهد بود که فرصت انتقال دما به ایت سینکها را پیدا نخواهد کرد و دمای سطح نیمع هادی بشدت بالا رفته واز ناحیه کار درمنحنی دمایی خارج میشویم SOA و سوییچ میسوزد -

پس اینطور که من از مجموع فرمایشات شما و نتایج این مقاله فهمیدم :
- اگر هارد سوییچینگ داشته باشیم که فاجعه است و کلید سریع میسوزد.
- اگر ZVS داشته باشیم در IGBT بهتر است و تلفات نسبت به هارد سوییچینگ مثلا حدود 66 درصد کاهش میابد.
اگر ZCS داشته باشیم خیلی معرکه نیست ولی باز هم نسبت به هارد سوییچینگ حدود 33 درصد تلفات کم میشود.