スポット溶接の試み （その２） 回路SIM

電動車椅子用バッテリーを換装するためにスポット溶接を試したく、220000uFという巨大キャパシタが届くのを待っているところです．

電流波形がどのようになるかを回路シミュレーションで確かめました．確かに1000Aぐらい流れることがわかりました．諸条件によりますが、こんな電流波形がありがちかと思われます．950Aのpeak電流で、半値幅が4mSで、20mSも経てばほとんどゼロになります．

↓シミュレーション回路図はこうしました．
V1は、充電電圧25Vを供給します．
R1は、シミュレーションの初期電圧をキャパシタに与えるためで、現実的な意味はなし．
C1は、スポット溶接パワーを蓄積します220000uFです．ESR=10mΩに設定しています．
R2は、配線抵抗＝10mΩぐらいはあると思う．
L1は、配線インダクタンス＝100nHぐらいはあると思う．
M1は、FETで、ON抵抗＝6mΩ．
V2は、FETをオンさせる電圧源．

電流波形を決める要素は、上で赤字で書いた４つのパラメータです．ESRとON抵抗はいじりようがなく、配線抵抗と配線インダクタンスは自助努力で改善しうるパラメータと考えます．要するに配線を太く短くする事にどの程度注力するべきか？という見極めをしたいわけです．

シミュレーション結果
配線抵抗を1mΩ、10mΩ、100mΩと変え、配線インダクタンスを０、10nH、100nHと変え、合計９つの条件における、電流peakと半値幅を調べました．
判ったこと、
 １） 配線インダクタンスは電流波形に影響を与えない
 ２） 配線抵抗と電流波形には強い相関がある
 ３） ESRとON抵抗で16mΩあるので、配線抵抗は10mΩぐらいまでならいいかんじ
 ４） 配線抵抗が100mΩだとpeak電流は明らかに劣化する

		Capacitance		配線		FET	電流
	条件	静電容量	ESR	抵抗	L	オン抵抗	peak	半値幅
	1	220000uF	10mΩ	1mΩ		6mΩ	1400A	3mS
	2			1mΩ	10nH		1400A	3mS
	3			1mΩ	100nH		1400A	3mS
	4			10mΩ			950A	4mS
	5			10mΩ	10nH		950A	4mS
	6			10mΩ	100nH		950A	4mS
	7			100mΩ			220A	20mS
	8			100mΩ	10nH		220A	20mS
	9			100mΩ	100nH		220A	20mS

考察
●配線材には直径１．６ｍｍのVVFケーブルの心線を使うつもりで、それの抵抗がどのくらいあるのか？
銅の抵抗率 1.7e-8Ωmから、配線１ｍの抵抗値は、８．６ｍΩと計算されます．
     R = (1.72×10^-8 Ωm) × 1m ÷ { 3.14 × (0.0016 m ÷ 2) ^2} ＝ 8.6mΩ
したがって、配線長は１ｍぐらいに留めるのが吉ということになろうかと考えられます．そのくらいなら無理なくできるであろう．

●ニッケルの薄板のスポットを急速に加熱するためにどのくらい短時間で加熱するべきなのか？
こちらのページによると、キャパシタ式スポット溶接の場合は10mSぐらいと書かれている．
http://www.sanpo-pub.co.jp/omoshiro/freshman/post_579.html

ゆえに、半値幅で4mSぐらいが適度な狙い所なのだろう．

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SW素子にはFETではなく、サイリスタを使ってみようと思っています．この品種のON抵抗がどのくらいなのかはわかりません．データシートに記載がないんです．

←ＴＭ９０ＤＺ （秋月）

それと、自作の電流プローブで電流を実測したいと思うんですが、周波数が低い信号であることと、1000Aにもなる巨大電流を両立しうる電流プローブを、トロイダルコアでちょちょいのちょいと設計できる気がせず、電流の実測は挫折気味です．

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