Thyristor et impulsion courtes (<60Hz)

[Bouteille51]

Bonjour,

je réfléchis actuellement a un projet "bricolage" pour fabriquer un soudeur à points (pas certain de l'appellation, spot welder en anglais).
Le principe est de générer une impulsion de faible tension mais forte intensité (~1000A) pendant quelques millisecondes (20ms à 80ms)

Deux alternatives aux soudeurs commerciaux sont envisageables.
Pour ces deux solutions, l'impulsion est commandée par un microcontrolleur (ou un timer à base 555).

Un premier design consiste à "court-circuiter" une batterie de voiture (ou des condensateurs) en utilisant des Mosfet (dis comme ca c'est un peu bourrin mais c'est l'idée je pense).
La seconde option utilise un transformateur modifié (le secondaire est remplacé par un cable grosse section) branché sur secteur pour générer un courant de haute intensité.

Je comprend globalement le fonctionnement de la solution a base de batterie et mosFETs mais je ne suis pas familier avec le courant alternatif et les moyens de 'controller' l'impulsion pour la deuxieme solution.
Le controle de l'impulsion se fait souvent à l'aide d'un thyristor (ou un Solid State Relay) sur le primaire du transformateur (220V) mais je pensais que ces derniers ne permettaient de 'couper' que lorsque la tension repasse au zero.

Dans ce cas, comment est-il possible de controler des impulsion plus courtes que le 60Hz imposé par le secteur ?
Cela ne pose pas de problème d'envoyer une énorme impulsion dans une charge inductive comme un transfo et de couper d'un coup (le problème existe sur la solution à mosFETs) ?

Merci pour votre aide !
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[Bouteille51]

Apres un petit peu plus de lecture sur le sujet :

Si je comprend bien, pour pouvoir controler la durée de l'impulsion indépendamment des périodes du courant secteur, il faut opter pour un thyristor "random-phase", correct ?
Dans ce cas, parce que le thyristor ne coupe pas forcement au zéro, le "retour d'inductance" (dsl pour les termes approximatifs) n'est-il pas d'autant plus important ?
En fait j'imagine que meme en coupant à zéro ce n'est pas parfait car l'inductance provoque un décalage de phase (???) mais tout cela est flou pour moi...

Ce qu'on appelle les solid-state relays sont en fait composés d'un thyristor et d'un circuit de commande ?
Il en existe des "zero-crossing" et des "random-phase" ?

Pour une application commandée par un microncontrolleur, et au vu de mon ignrance sur le sujet, je ne ferais pas mieux de m'orienter vers un solid state relay (au moins par securité) ?
Des recommendations pour éviter tout probleme lié à la courte impulsion dans une charge inductive ?

Merci !

[gienas]

Bonsoir Bouteille51 et tout le groupe

... Si je comprend bien, pour pouvoir controler la durée de l'impulsion indépendamment des périodes du courant secteur ...

J'ai le sentiment que tu fais fausse route.

D'abord, parlant de 60 Hz, serais-tu dans la lointaine Province?

La soudure par points "traditionnelle" se fait au moyen d'un transformateur à très faible tension secondaire, avec souvent une seule spire secondaire, mais de section énorme, mise en court circuit via les pinces en cuivre, avec une durée de courant courte mais de plusieurs périodes du secteur. C'est l'effet Joule qui fait rougir les plaques acier en contact et les mène à la fusion puis, au refroidissement toujours en pression.

Ce ne sont donc pas des durées inférieures à la période, mais de plusieurs périodes, dépendant de la masse d'acier à souder.

Peux-tu confirmer et préciser ton projet?

[Bouteille51]

Bonsoir,

merci pour ta réponse.
Oui je suis effectivement dans la lointaine province en ce moment mais mon projet verra bien le jour (j'espere) en France, 50Hz donc, mes excuses pour la confusion.
Il s'agit en effet de soudure par points mais appliquée à des couches de métaux fines, pour souder des bandes de nickel (0.15 mm d'epaisseur) sur des accumulateurs. Le principe est donc le même, transformateur modifié avec un ou deux tours sur le secondaire (section énorme en effet).

https://www.youtube.com/watch?v=iLQPeunfoa4

La différence est que ce courant n'est appliqué que pendant une (en fait deux) impulsion très courte (20ms-80ms) pour éviter de tout faire fondre

Il existe des solutions commerciales très chères (x000€), moins chères mais peu fiables et fonctionnant sur ce meme principe de transformateur (~200€), ou bricolées avec une fiabilité qui dépend du bricolage

[A voir en vidéo sur Futura]

[Bouteille51]

Les seuls design detaillés semblent utiliser un arduino et un SSR mais ne donnent aucun detail sur la nature de ce SSR.

Si vous confirmez que le "zero crossing" aide effectivement pour les problèmes d'inductance (j'en doute), je pourrais eventuellement utiliser des impulsions multiples de 50Hz (20ms) mais dans l'ideal ca serait sympa de pouvoir moduler l'impulsion librement.

[DAT44]

Bonjour,
tu a un idée de la valeur du courant dans le primaire du transfo, durant la soudure ?

[Bouteille51]

Certains font sauter leurs disjoncteurs 20A.
On est donc dans cet ordre de grandeur mais c'est difficile à prédire avant construction.

Le but est d'atteindre une intensité entre 800A et 2000A (>3000A pour les plus extrêmes) dans le secondaire.
En visant autour des 2 volts et 2000A dans le secondaire (ca va dépendre du transfo et du montage), on calcule ~20A à 220V dans le primaire (sans compter les pertes).

[DAT44]

Bonjour,
perso, je ferait deux tempos, une de 100mS (5 périodes de 50Hz ou 6 périodes de 60Hz, de façon a ce que le système soit compatible 50-60Hz), et une autre variable de 20 à 80 mS.
Les deux tempo serait enclencher sur demande de soudage, mais avec synchronisation avec le passage à zéro de la tension du secteur.
Quand la tempo de 100 ms est active et que la tempo variable est inactive la gâchette du (ou des) thyristor est alimenté.
Ainsi on obtient un temps se soudure variable de (100mS - (80 à 20)mS), soit les 20 à 80 mS demandé au départ dans ton cahier des charges.

[Kissagogo27]

Bonjour, Celduc fait des SSR a train d'ondes ^^ j'avais du faire un devis pour un Electro-aimant de ferrailleur .. et selon le conseil de la technicienne Celduc, ça devait le faire ^^

a voir si un modèle du genre http://www.celduc-relais.com/wp-content/PDF/sg5.pdf suffirait ?

je pense que vous pourrez prendre conseil auprès d'eux ^^

[Bouteille51]

Les deux tempo serait enclencher sur demande de soudage, mais avec synchronisation avec le passage à zéro de la tension du secteur.
Quand la tempo de 100 ms est active et que la tempo variable est inactive la gâchette du (ou des) thyristor est alimenté.

J'ai du mal à comprendre donc mes excuses si ma réponse est a coté de la plaque.
Pour ce qui est de la commande et des timings je peux gerer ca sans problème avec un PIC.
J'imagine que si j'utilise un thyristor "zero-crossing" mon "depart" de soudure sera effectivement au prochain passage à zéro et que je devrais prendre cela en compte dans mon timing.
Cela dit je pensais que l'ouverture du circuit (fin de soudure) avec ce genre de thyristor se faisait aussi au prochain passage à zero et que j'avais donc juste à relacher la commande avant la prochaine période (d'ou mon idée des 'multiples de periodes').

Le premier débat est donc de savoir quel type de commutateur je dois utiliser.

Tant qu'a faire je ne m'embete pas avec la phase du secteur et j'utilise un thyristor (ou SSR) "random phase", mais est-ce faisable ?
Et si oui, quels sont les problemes à anticiper (retour de courant a cause de l'inductance) ?

[Bouteille51]

Celduc fait des SSR a train d'ondes

Ceux-ci me semblent justement favoriser des périodes entieres mais je ne sais pas si c'est la bonne stratégie à adopter dans mon cas de figure.

[annjy]

bsr,

un coup d’œil sur les IGBT ?..........

cdlt,
JY

[Bouteille51]

Il me semblait que les IGBT sont utilisés à des tensions supérieures.
Apporteraient-ils un avantage pour cette application par rapport aux autres thyristors (notamment pour la commutation et le retour lié à l'induction) ?

[DAT44]

Bonjour,
compte tenu du courant et du cout de revient, perso, je privilégierait un montage avec deux thyristors et un opto non zéro crossing genre MOC3023.

Le fait de travailler en période entière (zéro crossing) n'est pas très fin, 16.6 mS ou 20 mS en fonction de la fréquence, tu peux travailler en demi-période, ce qui est un peu plus fin (8,3mS et 10 mS), mais, le fait d'utiliser un opto non zéro crossing te permet d'ajusté à ta guise le temps de conduction, sachant que avec des thyristor la conduction s’arrête au passage a zéro, car en charge (soudure) le transfo se comporte pratiquement comme une résistance pure, l'effet inductif est très atténué par la soudure sur le secondaire.

[Bouteille51]

Merci beaucoup !

Tu as repondu à la plupart de mes questions.
Je voulais effectivement (autant que possible) eviter de travailler avec des périodes entieres mais je ne savais pas si c'était possible.

Les SSR sont en fait une sorte de montage avec opto et thyristors non ?
Voici un dociment simple et interessant sur les SSR : SSR

Cependant, il semble que l'on puisse demarrer la commande independamment de la phase du secteur (SSR asynchrone), mais que la fin de soudure ne peut s'effectuer qu'en fin de periode.

Note that the output of the SSR does not stop conducting until the load current reaches the next zero-crossing point of the AC sine-wave. However, this is not related to the “zero-crossing” function of the SSR.
It is due to the fact that the SCRs in the output circuit cannot turn off until the load current falls below their specified holding current (typically less than 100mA).

Est-ce vrai, et est-ce possible avec un montage tel que tu le décrit (opto + 2 thyristors) ?

[DAT44]

Bonjour,
oui, la fin de soudure ne peut s'effectuer qu'en fin de periode avec le passage a zéro quand le courant se coupe dans le SSR, ou ici dans l'un des deux thyristor :

[Bouteille51]

Merci beaucoup pour ton aide.

Il n'y a donc pas de moyen pour commuter une charge sur le reseau alternatif independamment de la phase ?

[Antoane]

Bonjour,

compte tenu du courant et du cout de revient, perso, je privilégierait un montage avec deux thyristors et un opto non zéro crossing genre MOC3023.

Pourquoi deux thyristors plutôt qu'un triac ?

le fait d'utiliser un opto non zéro crossing te permet d'ajusté à ta guise le temps de conduction, sachant que avec des thyristor la conduction s’arrête au passage a zéro, car en charge (soudure) le transfo se comporte pratiquement comme une résistance pure, l'effet inductif est très atténué par la soudure sur le secondaire.

A voir en fonction des transfos : les transfos de micro-onde sont conçus pour avoir une inductance de fuite très importante (et d'autant plus si les shunts magnétiques ne sont pas retirés).





Pour résumer :
* Avec des thyristors et des triacs, le courant se coupera toujours lors de son passage par zéro, tu n'y peux rien.
En utilisant un optocoupleur (à sortie triac) de commande "zero crossing", la mise en conduction se fera lorsque la tension sera (proche) de zéro. Avec un opto-coupleur (à sortie triac) "random-phase", la mise en conduction se fera lors de l'apparition de la commande.
* Avec deux IGBT ou Mosfets comme organe de puissance, tu peux commander les instants de mise en conduction et de blocage de ton circuit. L'optocoupleur à utiliser est alors différent, adapté aux composants pilotés.

Je ne vois a priori pas l'intérêt d'utiliser Mosfets ou IGBT :
* Utiliser des Mosfets ou IGBT permet de générer des pulses de durée aléatoire, mais il faut les synchroniser avec le secteur si tu veux de la reproductibilité : un pulse de 1ms lorsque le secteur est à 325 V n'est pas équivalent à un pusle de 1 ms lorsque le secteur est à 10V.
* L'ensemble triac (ou thyristor) + random-phase opto permet de générer des pulses de durée aléatoire, il doit aussi être synchronisé sur le secteur. La reproductibilité est intrinsèque puisque l'arrêt se fera toujours pour la même valeur de phase du secteur (lorsque le courant s'annule). Permettre au courant de s'arreter "par lui même" permet de simplifier les protections : pas de d'énergie stockée dans les inductances du transfo.

[invite03481543]

Bonjour,

j'ajouterai que pour des pulses courts à courants forts et à périodes relativement longues l'usage des MOS et IGBT est moins solide qu'un thyristor.
Ce dernier est moins sujet au phénomène de fatigue thermique qui schématiquement peut s'imager par la flexion répétée d'un trombone, au bout d'un certain temps il casse.
Ce phénomène peu connu doit être pris en compte pour les applications TBF.

[Antoane]

Bonjour,

j'ajouterai que pour des pulses courts à courants forts et à périodes relativement longues l'usage des MOS et IGBT est moins solide qu'un thyristor.
Ce dernier est moins sujet au phénomène de fatigue thermique qui schématiquement peut s'imager par la flexion répétée d'un trombone, au bout d'un certain temps il casse.
Ce phénomène peu connu doit être pris en compte pour les applications TBF.

Tu sais à quoi cette différence est liée ?
J'aurais cru que cette fatigue n'était liée qu'au boitier (à fils de bonding vs. press-pack)
Merci.

[invite03481543]

Oui, j'aurai du préciser cela.
Cette fatigue thermique bien démontrée par le travail de Pierre Aloisi à la fin des années 80, montre en effet que le mode d'encapsulation dans le boitier est un facteur majeur pour la robustesse en fatigue thermique.
A cause principalement des différents coefficients de dilatation des matériaux employés et des soudures des fils d'aluminium.
Des boitiers "hockey puck" et maintenant "press-pack" permettent de limiter grandement ces effets dans les composants de fortes puissances.
Le problème survient surtout pour les boitier T0220 ou autres boitiers traditionnels comme le TO-3, TO-247 par exemple, composants bien plus répandus.