Wymuszalnik prądowy 300 ADC
Do czego służy te urządzenie
Prezentowane urządzenie to niskonapięciowy zasilacz o bardzo dużym prądzie wyjściowym.
Podczas pomiaru bardzo małych rezystancji (rzędu mikroomów) przydatne jest źródło prądu o wysokiej wydajności.
Przepływ dużego prądu przez małą rezystancję spowoduje, że spadek napięcia na mierzonej rezystancji będzie mieć wartość na tyle dużą, że można ją zmierzyć używając jedynie miliwoltomierza.
Przykład:
\(100A*0,001\Omega=0,1V\)
Elementy które bada się dużym prądem DC to np. styki wyłącznika 110kV (nie mniej niż 100A narzucone przez normę PN-E-04700:1998).
Użyte podzespoły w mostku prostowniczym
Prostownik w układzie Graetza składa się z 4 podwójnych diod CD610816b prod. POWEREX.
Są to diody o maksymalnym średnim prądzie przewodzenia If(AV)=160A,
przy powtarzalnym szczytowym napięciu wstecznym VRRM=800V.
rys. 1 Diagram połączeń wew. diody.(źródło POWEREX )
Prąd mostka(ze względu na półprzewodniki):
\(I_{max}=160A*2*2=640A\)Prostownik składa się z dwóch takich mostków, więc całkowity prąd to suma tych dwóch, 320-amperowych mostków.
Pomiar spadku napięcia na złączu diody
Moduły diodowe wykorzystane do tego projektu miały być wykorzystane do budowy prostownika 40kW, jednak projekt ten został porzucony. W ramach tamtego projektu wykonałem pomiary spadku napięcia w szerokim zakresie prądu przewodzenia. W tamtym czasie nie posiadałem miernika o odpowiedniej dokładności do tego badania, stąd na wykresie widoczny jest znaczny przyrost napięcia przy 10mA.
Schemat urządzenia
RB – Bocznik 300A 60mV
L – Dławik filtru
D1-D4 – Moduły diod prostowniczych
DC+, DC- – Zaciski wyjściowe prostownika
Połączenia elektryczne
Połączenia wewnętrzne wykonane są z płaskownika miedzianego o wymiarach 15×5, który po obróbce został wypolerowany w celu lepszego połączenia elektrycznego.
Odczytany z katalogu prąd dla AC50Hz wynosi 250A, co stanowi ograniczenie dla długotrwałego obciążenia.
Do wykonania połączeń elektrycznych użyto mniej niż 1m płaskownika miedzianego.
Transformator
Prostownik połączony jest za pomocą złącz spawalniczych 25mm2 z transformatorem, który może być wykorzystany jako wymuszalnik prądowy AC.
W ten sposób za pomocą jednego urządzenia mogę uzyskać zarówno prąd AC, jak i DC.
Długotrwały prąd tego transformatora to 120A. Po przeliczeniu na stronę DC daje prąd:
\(I_{DC}=\frac{I_{AC}}{1,44}=83,3A\)
I jest to prąd, jaki w długotrwały sposób da się pobierać z tego wymuszalnika.
Temperatury przy próbnym obciążeniu
Pomiar wykonany przed montażem dławika filtra
Temperatura otoczenia 20,8*C
Radiator nie miał załączonego chłodzenia wymuszonego.
Prąd strony AC: 136A
Prąd strony DC: 114A
Napięcie wyjściowe: 576mV
Obciążenie: 3 metry przewodu OS H01N2-D 25mm2 – 2,02mΩ
50*C Radiator
45*C Płaskownik miedziany – wejście AC
42*C Płaskownik miedziany – wyjście DC
38*C Przewody DC (obciążenie)
35*C Płaskownik miedziany – przy kondensatorach
32*C Uzwojenia transformatora
23*C Rdzeń transformatora
Możliwość rozbudowy
Planowany jest montaż transformatora toroidalnego trójuzwojeniowego (1x230V, 2X10V) na wspólnej ramie z prostownikiem.
Producenci dławików go nienawidzą, zwiększył indukcyjność dławika ponad 4-krotnie!
Wykonano 4 pomiary:
1. Pomiar fabrycznego dławika;
2. Pomiar dławika w którym zmniejszono przekładkę dzielącą kształtki E I rdzenia;
3. Pomiar dławika po usunięciu przekładki;
4. Pomiar po szlifowaniu obu części rdzenia;
(wartość indukcyjności przed skręceniem rdzenia wynosiła około 719uH, jednak na wskutek sposobu mocowania elementów pakietów blach – braku docisku spowodowało powstanie minimalnej szczeliny i zmniejszenie się indukcyjności do do 567uH).
Podsumowując:
200 μH – indukcyjność odczytana z tabliczki;
130 μH – indukcyjność fabrycznego dławika ze szczeliną 2,5mm;
322 μH – indukcyjność dławika ze szczeliną ze szczeliną 0,25mm;
478 μH – indukcyjność dławika ze szczeliną ze szczeliną 0,1mm;
719 μH – indukcyjność dławika bez szczeliny, po szlifowaniu, ale przed skręceniem;
567μH – indukcyjność dławika bez szczeliny, po szlifowaniu, po skręceniu;
Uwaga!
Zmiana grubości szczeliny powietrznej wpływa w znaczny sposób na wartość prądu, przy którym nasyca się dławik.
Dławik ten przeznaczony był do pracy ze znaczną ilością składowej stałej, której już niewielka wartość potrafi nasycać rdzenie i aby temu zapobiegać odpowiednio do warunków pracy dobiera się grubość tej przerwy.
Pomiary oscyloskopowe nie wykazały przy prądzie przemiennym nasycania się rdzenia do 100A,
a w doświadczalny sposób, przy stałej wartości prądu DC zmierzono, że w tym przypadku zmniejszenie szczeliny powoduje znaczne zmniejszenie się tętnienia na wyjściu prostownika.
Szlifowanie rdzenia
Szlifowanie kształtki E i I miało na celu lepsze dopasowanie do siebie tych dwóch części, zmniejszenie szczeliny powietrznej a tym samym zwiększenie indukcyjności dławika.
| Dławik z fabryczną szczeliną powietrzną | Dławik po zmniejszeniu szczeliny powietrznej | Dławik po usunięciu szczeliny powietrznej | Po usunięciu szczeliny i po szlifowaniu płaszczyzn | |
| Grubość szczeliny powietrznej | 2,5mm | 0,25mm | ≈ 0,1 | ≈ 0 |
| Indukcyjność zmierzona mostkiem RLC | 130μH | 322μH | 478μH | 567μH |
Indukcyjność zmierzona metodą techniczną | 162μH | 509μH | – – – | – – – |
Reaktancja indukcyjna | 0,051Ω | 0,16Ω | – – – | – – – |
| Rezystancja zmierzona miernikiem małych rezystancji I=2A | 734μΩ | |||
| Impedancja | 0,051Ω | 0,16Ω | – – – | – – – |
| Prąd nasycenia | >100A | >100A | >100A | >100A |
Bateria superkondensatorów jako ratunek od tętnień
Dodanie dławika ograniczyło wartość tętnień na wyjściu prostownika. Pojemność istniejącej baterii kondensatorów 2 x 100000uF okazała się być zdecydowanie za mała, aby skutecznie zmniejszyć tętnienia.
Superkondensatory w porównaniu do tradycyjnych kondensatorów mają zdecydowanie większą rezystancję wewnętrzną, co w tym przypadku stanowi znaczną zaletę, gdyż ogranicza prąd zwarciowy do wartości nie stanowiącej zagrożenia.
Duża pojemność elektryczna z małej objętości w przypadku przenośnego urządzenia można uznać za znaczną zaletę.
Przed montażem tych superkondensatorów chciałem poznać jaką rzeczywiście mają pojemność.
Użyłem do tego metody polegającej na:
1. Naładowaniu baterii do napięcia znamionowego, tj. 16V
2. Obciążeniu baterii elektronicznym sztucznym obciążeniem w trybie utrzymywania stałego prądu i pomiarze czasu od chwili załączenia do osiągnięcia napięcia bliskiego 0V.
3. Obliczenie pojemności ze wzoru:
C – pojemność [F]
I – wymuszany prąd o stałej wartości [A]
T1 – czas początku pomiaru [s]
T2 – czas zakończenia pomiaru [s]
U1 – napięcie na początku pomiaru [V]
U2 – napięcie na końcu pomiaru [V]
| Prąd rozł. | Nap. Pocz. | Napięcie końcowe | Czas rozł. | Energia | Pojemność | Pojemność |
| Superkondensator – rozładowanie od razu po osiągnięciu napięcia znamionowego | ||||||
| 1 A | 16,0 V | 0,9 V | 13,38 m | 1,897 Wh | 0,223 Ah | 53,2 F * |
| Rozładowanie po czasie 30min od osiągnięcia nap. znamionowego (nap. 16 V utrzymywane przez 30 minut) | ||||||
| 1 A | 16,0 V | 0,9 V | 14,34 m | 1,989 Wh | 0,239Ah | 57 F ** |
| Bateria kondensatorów 2×33 mF | ||||||
| 0,1 A | 16,0 V | 0,9 V | 10 s | 0,2 Wh | 0,00028Ah | 66,2 mF |
Rezultaty
Dodanie baterii superkondensatorów w nieznaczny sposób zmniejszyło tętnienia napięcia ( i prądu) pomimo ich znacznej pojemności. Prawdopodobnie ich wysoka rezystancja wewnętrzna powoduje, że energia zgromadzona w superkondensatorze nie jest w stanie w tak krótkim czasie być dostarczana do obciążenia w chwili kiedy napięcie w na wyjściu prostownika spada.
Rezystancja baterii superkondensatorów:
Rezystancja laminatu: 8 mΩ PCB
Rezystancja pojedynczego superkondensatora: 2,8 mΩ
———————————————————————————————–
Łączna rezystancja modułu superkondensatorów: 24,8 mΩ
| Kondensator | Superkondensator | |
| Pojemność | 100 mF | 83,33 F |
| Napięcie | 25 V | 16 V |
| Rezystancja wewn. | 9mΩ | 24,8mΩ |
| Symulacja | Symulacja z kondensatorem 200mF | Symulacja z kondensatorem 83,33F |
W tabeli powyżej porównałem dwa typy magazynów energii.
