Elettronica di potenza,sistema di controllo scarica plasma

[brandortt]

Buongiorno,
ho una domanda riguardo elettronica di potenza.
Sto cercando di costruire un circuito di scarica di plasma. Il mio obiettivo è alimentare il plasma fra gli elettrodi con una scarica continua con un valore di corrente (fisso durante ciascuna scarica) compreso fra 50 e 500A per un periodo di almeno 20 ms (con fluttuazioni anche del 10-15% sul valore nominale). Per fare ciò pensavo di caricare un banco di condensatori da circa 0.1 F a 300V.
Cercavo consigli per creare il sistema di controllo. La mia ipotesi è costruire un buck-converter con controllo in corrente, ovvero modulare la PWM di apertura/chiusura dell’IGBT considerando la misura di corrente sul carico (utilizzando uno shunt). Pensate sia fattibile una cosa del genere? Conoscete siti o blog dove sono riportati circuiti elettrici dettagliati e consigli su microcontrollori per il controllo del circuito? Comunque, sapete suggerirmi del materiale per affrontare la questione? Alternativamente come posso controllare la corrente attraverso una scarica di plasma (dove R varia molto durante la scarica)?
Grazie mille a chi saprebbe aiutarmi
Saluti

[BrunoValente]

Non so aiutarti ma ho l'impressione che la corrente di una arco in scarica di un condensatore carico non sia facilmente controllabile perché l'arco è caratterizzato da impedenza negativa.

Una scarica in aria credo possa essere pensata quasi come fosse un interruttore che si chiude bruscamente, passando rapidamente da alta impedenza a bassissima impedenza, perciò temo che durante la scarica la corrente salga in modo incontrollabile, limitata solo dalle perdite interne e a valle del condensatore.

Di conseguenza, se il controllo lo fai per regolare la corrente che alimenta il condensatore, non mi pare possa avere effetti su quello che succede a valle del condensatore.

Forse sbaglio ma mi immagino che quando la tensione del condensatore arriva al valore che innesca l'arco, la scarica parte in modo incontrollato scaricando il condensatore rapidamente e che il controllo a monte non possa fare altro che regolare la velocità di carica del condensatore, quindi la frequenza di ripetizione delle scariche.

[stefanopc]

Forse bisognerebbe costruire un regolatore e a corrente costante in grado di gestire le correnti richieste.
A questo punto la cosa probabilmente più semplice è suddividere il compito e far lavorare in parallelo n regolatori di taglia inferiore.
Il fatto di utilizzare un Micro per una applicazione così particolare probabilmente è più che altro una complicazione.
Hai già in mente un budget per realizzare questo progetto?
Ciao

[fpalone]

Salve brandortt,
Ho l'impressione di aver già sentito parlare del tuo problema.
Mi veniva in mente di mutuare la topologia delle saldatrici ad inverter che impiegano un inverter ad alta frequenza, un trasformatore alta frequenza, ed un raddrizzatore .
A seconda della dinamica che devi ottenere penso che una induttanza lato dc possa aiutarti a stabilizzare la corrente ben più di un condensatore .
Per capire se può funzionare ti consiglio, se non lo hai già fatto, di definire matematicamente il comportamento non lineare del plasma e di scegliere un tool di simulazione EMTP per studiare il comportamento del convertitore e del suo regolatore .

[stefanodelfiore]

Una cosa importante è sapere cosa vuoi fare con questo "plasma".
Ad esempio nelle apparecchiature per il taglio al plasma la parte più complessa e problematica è la realizzazione della torcia non del convertitore.

[brandortt]

Non so aiutarti ma ho l'impressione che la corrente di una arco in scarica di un condensatore carico non sia facilmente controllabile perché l'arco è caratterizzato da impedenza negativa.

Una scarica in aria credo possa essere pensata quasi come fosse un interruttore che si chiude bruscamente, passando rapidamente da alta impedenza a bassissima impedenza, perciò temo che durante la scarica la corrente salga in modo incontrollabile, limitata solo dalle perdite interne e a valle del condensatore.

Di conseguenza, se il controllo lo fai per regolare la corrente che alimenta il condensatore, non mi pare possa avere effetti su quello che succede a valle del condensatore.

Forse sbaglio ma mi immagino che quando la tensione del condensatore arriva al valore che innesca l'arco, la scarica parte in modo incontrollato scaricando il condensatore rapidamente e che il controllo a monte non possa fare altro che regolare la velocità di carica del condensatore, quindi la frequenza di ripetizione delle scariche.

CIao BrunoValente,
grazie per la tua risposta, condivido il tuo dubbio riguardo al condensatore. Come soluzione pensavo: si potrebbe considerare di escludere il condensatore dal circuito e affidare la continuità della corrente alla sola induttanza e al diodo flyback. Potrebbe funzionare come soluzione?
In questo modo con un rate di controllo abbastanza alto sull'IGBT si dovrebbe poter controllare la scarica, cosa ne pensi?

[Etemenanki]

plasma ? ... nel senso di saldatura al plasma ?

Se si, sai di quanta energia stai parlando ?

nelle saldatrici al plasma viaggi in media fra 24 e 32 volt, a 500A nel peggiore dei casi sei sui 16kW

[brandortt]

plasma ? ... nel senso di saldatura al plasma ?

Se si, sai di quanta energia stai parlando ?

nelle saldatrici al plasma viaggi in media fra 24 e 32 volt, a 500A nel peggiore dei casi sei sui 16kW

Si, è corretto, nei primi test sono arrivato anche a potenze maggiori, essendo però brevi scariche di poche decine di millisecondi l'energia è contenuta (l'energia di un banco di condensatori da 0.1 F a 300V appunto).

[Etemenanki]

Quindi in pratica con la saldatura "al plasma" non hai nulla in comune.

Le saldatrici al plasma usano fra i 24 ed i 32 volt, ed il plasma e' innescato in due possibili modi, per contatto dell'elettrodo (metodo "brutale"), oppure con un circuito di prearco ad alta frequenza (sui 2MHz se ricordo bene), e poi la scarica si mantiene grazie al gas (o meglio alla miscela di gas) ... tu sembra stia invece parlando di una saldatrice a punti (tipo ad esempio quelle che si usano per saldare i lamierin dei pacchi di celle litio)

[brandortt]

Salve brandortt,
Ho l'impressione di aver già sentito parlare del tuo problema.
Mi veniva in mente di mutuare la topologia delle saldatrici ad inverter che impiegano un inverter ad alta frequenza, un trasformatore alta frequenza, ed un raddrizzatore .
A seconda della dinamica che devi ottenere penso che una induttanza lato dc possa aiutarti a stabilizzare la corrente ben più di un condensatore .
Per capire se può funzionare ti consiglio, se non lo hai già fatto, di definire matematicamente il comportamento non lineare del plasma e di scegliere un tool di simulazione EMTP per studiare il comportamento del convertitore e del suo regolatore .

Ciao fpalone,
grazie per la tua risposta. Potrei fare dei test su Simulink vedendo cosa succede se modellizzo la scarica di plasma con una resistenza variabile e cercando di controllare la scarica con un buck converter controllato in corrente senza il condensatore, quindi sfruttando solo l'induttanza come suggerivi tu, e come dicevo anche nel commento precedente a BrunoValente. Pensi possa funzionare?
Per quanto riguarda la topologia delle saldatrici ad inverter avevo pensato la stessa coda dal momento che il principio di funzionamento dovrebbe essere lo stesso. Purtroppo non so molto di inverter ad alta frequenza e dovrei cominciare a documentarmi da zero. Sai suggerirmi del materiale con circuiti di esempio per questa categoria di macchinari, così da farmi un'idea della topologia di studio?
grazie mille ancora per i tuoi commenti