Коректор коефіцієнта потужності для ДБЖ on-line. частина 6

Пролог

І знову здрастуйте!..
На жаль стаття моя затрималася, тому що виникло термінове проект по роботі, а так же з'явилися цікаві труднощі при реалізації коректора коефіцієнта потужності (далі ККМ). А викликані вони були такими - ми в своєму виробництві для управління ККМ використовуємо «замовну» мікросхему, яку нам під наші завдання виробляє дружня особливо в 1941-му Австрія і відповідно в продажу її не зустріти. Тому постало завдання переробити даний модуль під доступну елементарну базу і мій вибір припав на мікросхему ШІМ-контролер - L6561.
Чому саме вона? Банальна доступність, вірніше знайшов її в «Чіп і Діп», почитав даташит - сподобалася. Замовив відразу 50 шт, тому що дешевше і в своїх аматорських проектах у мене вже є кілька завдань для неї.
Тепер про головне: в даній стати я розповім як майже з нуля згадував про проектування однотактний перетворювачів (здавалося б при чому тут вони), чому вбив десяток ключів та як цього уникнути вам. Дана частина розповість теорію і що буває якщо нехтувати їй. Практична ж реалізація вийде в наступній частині як я і обіцяв разом із зарядним пристроєм, тому що вони по суті є одним модулем і тестувати їх треба разом.
Забігаючи вперед скажу, що для наступної частини вже заготовив пару десятків фотографій і відео, де моє ЗУ ненадовго «перекваліфіковувалося» спочатку в зварювальний апарат, а потім в блок живлення для «козла». Ті, хто працюють на виробництві зрозуміють що це за звір і скільки він споживає для нашого зігрівання)))
А тепер до наших баранів ...

Навіщо він нам взагалі потрібен цей ККМ?

Головне бідою «класичного» випрямляча з накопичувальним конденсаторів (це та штука, яка перетворює 220В змінного струму в + 308В постійного струму), який працює від синусоїдального струму є те, що цей самий конденсатор заряджається (бере енергію з мережі) тільки в моменти, коли напруга прикладена до нього більше ніж на ньому самому.
На людському мовою, із слабкими нервами і з науковими ступенями не читати

Як нам відомо електричний струм геть відмовляється йти, якщо немає різниці потенціалів. Від знака же різниці цій буде ще залежати і напрямок протікання струму! Якщо ви розлютився і вирішили спробувати напругою 2В заряджати свою мобілу, де батарея Li-ion і розрахована на 3.7В, то нічого у вас не вийде. Оскільки ток буде віддавати те джерело, яке має більший потенціал, а отримувати енергію буде той у кого потенціал нижче.
Все як в житті! Ви важите 60 кг, а хлопець на вулиці, який підійшов попросити зателефонувати 120 кг - ясна річ, що піздюлей роздасть він, а ви їх отримаєте. Так і тут - батарейка при своїх 60 кг 2В не зможе дати струм в акумулятор з 120 кг 3.7В. З конденсатором точно так же, якщо на ньому + 310В і ви докладете до нього + 200В, то він ток отримувати відмовиться і заряджатися не буде.

Варто так само відзначити, що виходячи з описаного вище «правила» час, відведений конденсатору на зарядку буде дуже маленьким. У нас же струм змінюється за синусоїдальним законом, а значить необхідну напругу буде лише на піках синусоїди! Але конденсатору то працювати треба, тому він нервує і намагається зарядитися. Він знає закони фізики на відміну від деяких і «розуміє», що часу мало і тому починає в ці самі моменти, коли напруга в піку, споживати просто величезний струм. Адже його має вистачити на роботу пристрою до настання наступного піку.
Трохи про ці «піках»:

Малюнок 1 - Піки в яких заряджається конденсатор
Як ми бачимо шматок періоду в якому ЕРС приймає достатню значення для заряду (образно 280-310В) становить близько 10% від повного періоду в мережі змінного струму. Виходить, що ми замість того, щоб постійно забирати плавно енергію з мережі, вириваєм її лише невеликими епізодами, тим самим ми «перенавантажуємо» мережу. При потужності в 1 кВт і індуктивному навантаженні, струм в момент таких «піків» може спокійній досягати значень на 60-80А.
Тому наше завдання зводиться до забезпечення рівномірного відбору енергії з мережі, щоб не перевантажувати мережу! Саме ККМ дозволить нам реалізувати це завдання на практиці.

Хто такий цей ваш ККМ?

- це звичайний підвищує перетворювач напруги, найчастіше він однотактний. Оскільки ми використовуємо ШІМ модуляцію, то в момент відкритого ключа напруга на конденсаторі постійне. Якщо ми стабілізуємо вихідна напруга, то струм забирається з мережі пропорційний вхідній напрузі, тобто змінюється плавно по синусоїдальній закону без раніше описаних піків споживання та стрибків.

Схемотехніка нашого ККМ

Тут я вирішив не зраджувати своїм принципам і так само поклався на даташит, обраного мною контролера - L6561. Інженери компанії STMicroelectronics вже зробили все за мене, а якщо конкретніше, то він вже розробили ідеальну схемотехнику для свого продукту.
Так я можу сам з нуля перерахувати всі і витратити на цю справу день-два, тобто всі свої і так рідко коли у вихідні, але питається навіщо? Доводити собі що можу, цей етап на щастя давно пройдений)) Тут у мене згадується бородатий анекдот про площу червоних кульок, мовляв математик застосовує формулу, а інженер дістає таблицю з площею червоних кульок .... Так і в цьому випадку.
Раджу відразу звернути увагу на те, що схема в даташіте розрахована на 120 Вт, а значить нам слід її адаптувати під наші 3 кВт і позамежні напруги роботи.
Тепер трохи документації до описаного вище:
Даташит на L6561
Якщо ми подивимося на сторінку 6, то побачимо кілька схем, нас цікавить схема з підписом Wide-range Mains, що з бусурманську значить «для роботи в широкому діапазоні напруги живильної мережі». Саме цей «режим» я мав на увазі, кажучи про позамежних напружених. Пристрій вважається універсальним, тобто може працювати від будь-якої стандартної мережі (наприклад, в штатах 110В) при діапазоні напруг 85 - 265В.
Дане рішення дозволяє нам забезпечить нашій ІБП ще й функцію стабілізатора напруги! Для багатьох такий діапазон здасться надмірною і тоді вони можуть виконати даний модуль з урахуванням напруги живлення 220В + - 15%. Це вважається нормою і 90% пристроїв в ціновій категорії до 40 тис. Руб взагалі позбавлені ККМ, а 10% використовують його лише з розрахунком відхилень не більше 15%. Це безперечно дозволяє трохи знизити собівартість і габарити, але якщо ви ще не забули, то ми робимо пристрій, яка зобов'язана потягатися з АРС!
Тому для себе я вирішив вибрати найправильніший варіант і зробити не вбиваємо танк, який зможе витягнути навіть на дачі, де 100В в мережі зварювальний апарат або насос в свердловині:

Малюнок 2 - Стандартне схемотехнічне рішення, пропоноване ST

Адаптація стандартної схемотехніки під наші завдання

а) Коли дивлюся на цю схему з ДШ, першим що приходить в голову - необхідно додати фільтр синфазних перешкод! І це правильно, тому що на великої потужності вони почнуть «зводити з розуму» електроніку. Для струмів 15 А і більше він буде мати більш ускладнений вид, ніж багато хто звик його бачити в тих же комп'ютерних БП, де всього 500-600 Вт. Тому дане доопрацювання буде окремим пунктом.
б) Ми бачимо конденсатор С1, можна взяти хитру формулу і порахувати необхідну ємність і я раджу тим, хто хоче вникнути це зробити, за одне згадавши електротехніку 2 курсу з будь-якого політеху. Але я цим займатися не буду, тому що за власними спостереженнями зі старих розрахунків пам'ятаю, що до 10 кВт дана ємність зростає майже лінійно щодо зростання потужності. Тобто взявши до уваги 1 мкФ на 100 Вт, ми отримаємо, що для 3000 Вт нам необхідно 30 мкФ. Дана ємність легко набирається з 7 плівкових конденсаторів по 4,7 мкФ і 400В кожен. Навіть трохи з запасом, адже ємність конденсатора сильно залежить від прикладеної напруги.
в) Силовий транзистор нам знадобиться серйозний, тому що ток споживаний від мережі буде обчислювати так:

Малюнок 3 - Розрахунок номінального струму для ККМ
Отримали ми 41,83А. Тепер ми чесно визнаємо, що утримати температуру кристала транзистора в районі 20-25 ° С ми не подужаємо. Вірніше подужати можемо, але буде дорого для такої потужності. Після 750 кВт вартість охолодження фреоном або рідким киснем розмивається, але поки до цього далеко))) Тому нам треба знайти транзистор, який зможе давати 45-50А при температурі 55-60 ° С.
З огляду на, що в ланцюзі є індуктивність, то я вважатиму за краще IGBT транзистор, бо найбільш живучі. Граничний струм треба треба вибирати для пошуку спочатку близько 100А, тому що це ток при 25 ° С, з ростом температури граничний комутований струм транзистора знижується.
Трохи про Cree FET

Отримав я буквально 9 січня посилку зі Штатів від свого товариша з купою різних транзисторів на тест, називається це диво - CREE FET. Не скажу, що це нова мега технологія, насправді транзистори на основі карбіду кремнію зробили ще в 80-х, просто до розуму довели чому лише зараз. Я як початковий матеріалознавець і композітчікам взагалі до даної галузі ставлюся педантично, тому мене дуже зацікавив даний товар, тим більше було заявлено 1200В при десятках і сотнях ампер. У Росії купити їх не зміг, тому звернувся до свого колишнього одногрупника і він люб'язно вислав мені купу зразків і тестову плату з forward'ом.
Можу сказати одне - це був мій найдорожчий феєрверк!
8 ключів ебнул так, що я засмутився і на довго ... Насправді 1200В це теоретична цифра для технології, заявлені 65А виявилися лише імпульсним струмом, хоча в документації було чітко написано мовляв номінальний. Мабуть був «номінальний імпульсний струм» ну або як там ще китайці придумують. Загалом то ще фуфло, але є одне АЛЕ!
Коли я все таки зробив на CMF10120D коректор на 300 Вт, то виявилося, що він на одному і тому ж радіаторі і схемою мав температуру в 32 ° С проти 43-х у IGBT, а це дуже суттєво!
Висновок по CREE: технологія сирувата, але вона перспективна і їй виразно БУТИ.

В результаті погортавши каталоги з відвіданих мною виставок (зручна штука до речі аля параметричний пошук) я вибрав два ключа, ними стали - IRG7PH50 і IRGPS60B120. Обидва на 1200В, обидва на 100 + А, але відкривши даташит перший ключ відсіявся відразу - він здатний комутувати струм 100А лише на частоті в 1 кГц, для нашої задачі це згубно. Другий ключ на 120А і частоту в 40 кГц, що цілком підходить. Дивись даташит по посиланню нижче і шукаємо графік із залежністю струму від температури:
Даташит на IRGPS60B120

Малюнок 4.1 - Графік з залежністю максимального струму від частоти комутації для IRG7PH50, залишимо його на Частотники

Малюнок 4.2 - Графік з робочим струмом при заданій температурі для IRGPS60B120
Тут спостерігаємо заповітні цифри, які показують нам, що при 125 оС і транзистор і діод спокійно осилять струми трохи більше 60А, при цьому ми зможемо реалізувати перетворення на частоті в 25 кГц без будь-яких проблем і обмежень.
г) Діод D1, нам необхідно вибрати діод з робочою напругою не менше 600В і струмом номінальним для нашої навантаження, тобто 45А. Я вирішив застосувати ті діоди, які у мене виявилися під рукою (Не давно закупив їх для розробки сварочніка під «косою міст») це - VS-60EPF12. Як видно з маркування він на 60А і 1200В. Ставлю я все з запасом, тому що даний прототип робиться для себе коханого і мені так спокійніше.
Насправді ви можете поставити діод на 50-60А і 600В, але ціна між версією на 600 і 1200В відсутня.
д) Конденсатор С5, тут все як у випадку з С1 - досить збільшити номінал з даташіта пропорційно потужності. Тільки варто врахувати, що якщо у вас планується потужна індуктивна навантаження або динамічна з швидкими наростаннями потужності (аля концертний усилок на 2 кВт), то краще на цьому пункті не економити.
Я в своєму варіант поставлю 10 електролітів по 330 мкФ і 450В, якщо ви плануєте живити пару комп'ютерів, роутери та інші дрібниці, то можна обмежитися 4-ма електролітами по 330 мкФ і 450В.
е) R6 - він же струмовий шунт, врятує нас від кривих рук і помилок випадкових, так само захищає схему від короткого замикання і перевищення навантаження. Штука корисна однозначно, але якщо ми вчинимо як інженери з ST, то на токах в 40А у нас вийде звичайний кип'ятильник. Тут є 2 варіанти: трансформатор струму або заводський шунт з падінням 75мВ + ОУ аля LM358.
Перший варіант простіше і дає гальванічну розв'язку даного вузла схеми. Як розраховувати трансформатор струму я приводив в попередній статті, важливо пам'ятати, що захист спрацює, коли на нозі 4 напруга зросте до 2,5 В (в реальності до 2,34В).
Знаючи цю напругу і струм ланцюга, використовуючи формули з частини 5 ви легко порахуєте трансформатор струму.
ж) І останній пункт - це силовий дросель. Про нього трохи нижче.

Силовий дросель і його розрахунок

Якщо хтось уважно читав мої статті і у нього відмінна пам'ять, то він повинен згадати статтю 2 і фотографію № 5, на ній видно 3 елементи моткових, які ми використовуємо. Ще раз покажу:

Малюнок 5 - Каркаси і сердечник для силових моткових виробів
В даному модулі ми будемо використовувати знову таки наші улюблені тороїдальні кільця з розпорошеного заліза, але тільки в цей раз не одне, а відразу 10! А як ви хотіли? 3 кВт це вам не китайські вироби ...
Вихідні дані у нас є:
1) Струм - 45А + 30-40% на амплітуду в дроселі, разом 58,5А
2) Напруга на виході 390-400В
3) напруга на вході 85-265В AC
4) Сердечник - матеріал -52, D46
5) Зазор - розподілений

Малюнок 6 - І знову шановний Starichok51 економить нам час і вважає програмою CaclPFC
Я думаю розрахунок всім показав наскільки це буде серйозна конструкція)) 4 кільця, так радіатор, діодний міст, так IGBT - жах!
Правила намотування можна вичитати в статті «Частина 2». Вторинна обмотка на кільця мотається в кількості - 1 витка.
Підсумок по дроселя:
1) як ви бачите кількість кілець аж 10 штук! Це накладно, кожне кільце коштує близько 140р, але що ми отримаємо в замін в наступних пунктах
2) температура робоча 60-70 оС - це зовсім ідеально, адже багато закладають робочу температуру 125 ° С. У себе на виробництві 85 оС закладаємо. Для чого це зроблено - для спокійного сну, я спокійно їду з дому на тиждень і знаю, що у мене нічого не спалахне, не згорить і все крижане. Думаю ціна за це в 1500р не така смертельна, чи не так?
3) Щільність струму я поставив мізерну в 4 А / мм2, це вплине і на тепло, і на ізоляцію і відповідно на надійність.
4) Як бачите з розрахунку ємність після дроселя рекомендована майже 3000 мкФ, так що мій вибір з 10 електролітами по 330 мкФ відмінно сюди вписується. Ємність конденсатора С1 вийшла 15 мкФ, у нас подвійний запас - можна зменшити до 4-х плівкових кондерів, можна залишити 7 штук і це буде краще.
Важливо! Кількість кілець в основному дроселі можна зменшити до 4-5, попутно збільшивши щільність струму до 7-8 А / мм2. Це дозволить непогано заощадити, але амплітуда струму виростить кілька, а головне температура підвищиться не менше ніж до 135 ° С. Я вважаю це хорошим рішенням для зварювального інвертора з ПВ 60%, але не для ДБЖ, який працює цілодобово і напевно в досить обмеженому просторі.
Що можу сказати - у нас росте монстр)))

Фільтр синфазних перешкод

Щоб зрозуміти чим різняться схеми для даної фільтра на струми в 3А (згаданий вище комп'ютерний БП) і на струми 20А, ви можете порівняти схемку з гугла на АТС з наступною:

Малюнок 7 - Принципова схема фільтра синфазних перешкод
Кілька особливостей:
1) С29 - це конденсатор для фільтрації електромагнітних завад, має маркування «Х1». Його номінал повинен бути в межах 0,001 - 0,5 мФ.
2) Дросель мотається на на осерді E42 / 21/20.
3) Два дроселя на кільцях DR7 і DR9 мотаються на будь-якому осерді з распиленкі і діаметром більше 20 мм. Я намотав на все тих же D46 з матеріалу -52 до заповнення в 2 шари. Шумов в мережі навіть при номінальній потужності практично немає, але це насправді навіть в моєму розуміння великій кількості.
4) Конденсатори С28 і С31 по 0,047 мкФ і 1 кВ і їх обов'язково ставити класу «Y2».
За розрахунком індуктивності дроселів:
1) Індуктивність синфазного індуктора повинна становити 3,2-3,5 мГн
2) Індуктивність для диференціальних дроселів розраховується за формулою:

Малюнок 8 - Розрахунок індуктивності диференціальних дроселів без магнітної зв'язку

Епілог

Використовуючи грамотні і професійні напрацювання інженерів компанії ST, мені вдалося з мінімальними витратами виготовити якщо не ідеальний, то просто чудовий активний коректор коефіцієнта потужності з параметрами краще ніж у будь-якого Шнайдера. Єдине вам обов'язково варто пам'ятати наскільки воно вам потрібно? І виходячи з цього коригувати параметри під себе.
Моєю метою в даній статті було якраз показати процес розрахунку з можливістю коригування вихідних даних, щоб кожен визначившись з параметрами для своїх завдань вже сам порахував і виготовив модуль. Сподіваюся мені вдалося показати це і в наступній статті я продемонструю спільну роботу ККМ і зарядного пристрою з частини №5.
PS Нову статтю постараюся опублікувати якомога швидше)))