MOT - Microwave Oven Transformer

MOT
      17.12.2008 Jak už anglický název napovídá, jedná se o transformátor používaný v mikrovlnných troubách pro napájení magnetronu - elektronky generující mikrovlnné záření (2,45 GHz, šířka pásma desítky MHz) pro ohřev jídla. Vzhledem k současné velké rozšířenosti mikrovlnných trub v domácnostech (a ve sběrných dvorech či u popelnic ;) se pro bastlíře a radioamatéry stává MOT asi nejdostupnějším výkonným zdrojem vysokého napětí (např. pro VTTC nebo lampové vysílače a zesilovače). Po převinutí sekundáru může dobře posloužit i jako nízkonapěťový zdroj velkých proudů třeba pro malou svářečku nebo žhavení velkých elektronek. Zde je typické zapojení mikrovlnné trouby:

MO schematics

      Podívejme se na MOT trochu podrobněji. Jedná se o transformátor s feromagnetickým jádrem složeným z E-I plechů pro výkony kolem 1 kVA. Sekundární napětí bývá typicky 2,0 - 2,3 kV a ještě je zde pomocné vinutí 3,6 V pro žhavení magnetronu. Jeden vývod sekundáru je obvykle spojen s jádrem MOTu a tedy se zemí. Papundeklová izolace mezi vinutím a jádrem nepůsobí zrovna důvěryhodně, ale prakticky je vyzkoušeno, že lze zapojit 2 až 3 MOTy do série, nikdo to ovšem nezaručí. Na první pohled tady ale něco nehraje - ano velikost trafa je vzhledem k výkonu neúměrně malá (na fotce je zrovna nejmenší MOT z mojí sbírky). Odpověď je jednoduchá - MOT není určen pro trvalý provoz. Je navržen tak, aby pracoval na hranici svých možností, po dobu několika málo desítek minut a za pomoci aktivního chlazení. To umožňuje výrazně zlevnit výrobu a snížit hmotnost přístroje. Např. u zmiňovaného trafa je průřez středního sloupku 20,5 cm2. Primární vinutí má 280 závitů hliníkového drátu průměru 0,8 mm (ano, opravdu u novějších MOTů je primár většinou z hliníku, který má asi 1,6x větší rezistivitu než měď a někdy je hliníkový i sekundár). Z toho vychází maximální sycení jádra 1,76 T, přičemž u železa se doporučuje max. 1,2 T. Při saturaci dochází k výraznému poklesu indukčnosti a tím zvýšení primárního proudu, jak je pěkně vidět na prvním oscilogramu níže. Další pro mě trochu nepochopitelnou konstrukční specialitou MOTů je svaření E-I plechů, čímž se uzavírá smyčka pro vířivé proudy, které dále ohřívají jádro. Když se MOT nechá hodinu zapnutý bez zátěže, tak se na něm skoro nedá udržet ruka. Ale asi by bez této úpravy trafo příliš bručelo. Zde jsou pro ilustraci naměřené hodnoty odebíraného výkonu a proudu (RMS) na prázdno 5 vybraných MOTů při síťovém napětí 230 V (VFe je brutto objem jádra V x Š x H a SFe je průřez středního sloupku jádra):

primár VFe [cm3] SFe [cm2] P0 [W] S0 [VA] I [A] cos(Φ)
Cu 693 20,1 85 943 4,10 0,09
Cu 687 25,5 54 649 2,82 0,08
Al 582 21,7 65 793 3,45 0,08
Cu 574 22,9 65 683 2,97 0,09
Al 427 20,5 55 683 2,97 0,08

      Dalším rozdílem oproti normálním transformátorům je vložení železných magnetických bočníků do magnetického obvodu jádra, podobně jako u rozptylových transformátorů pro neony (NST), přes které prochází určitá část primárního magnetického toku, která se tak nedostane do sekundáru.

MOT magnetic shunts

MOT-náhradní obvod

Tím se zvětší rozptylové indukčnosti Lr1, Lr2 a proud je tak omezen. Při zkratu MOT ani nevyhodí jističe. Na sekundáru tohoto MOTu jsem naměřil zkratový proud 1,7 A a na primáru 18 A. Tomu odpovídají proudové hustoty 24 resp. 36 A/mm2. Při takových proudech by ale MOT během chvíle shořel. Po odstranění magnetických bočníků lze očekávat zvýšení zkratového proudu a patrně i výpadek jističe. Ještě doplním hodnoty stejnosměrného odporu a indukčností vinutí při nepatrném sycení (změřené dig. RLC můstkem): Rpri = 2,2 Ω, Rsec = 176 Ω, Lpri = 350 mH, Lsec = 28,5 H, vzájemná indukčnost M = 2,54 H a z toho vychází činitel vazby k = 0,81. Při plném zatížení a velkém sycení boudou indukčnosti samozřejmě menší.
      Při provozu dvou MOTů s paralelně spojenými primáry a sériově spojenými sekundáry jsem se setkal s problémem občasných výpadků 15A jističe při zapnutí. Síťové trafo si totiž při zapnutí může vzít poměrně velkou proudovou špičku, která se odvíjí od okamžitého napětí v síti v době připojení trafa a remanentní indukce. Zjednodušeně řečeno, při připojení v maximu síťového napětí (proud a magnetický tok je zpožděn o 90°) je špička celkem nevýrazná, zato při připojení v nule dosahuje asi 10-ti násobku oproti ustálené hodnotě (viz. 4. a 5. oscilogram). Problém nastává už při předchozím vypnutí trafa, kdy v jádře zůstane remanentní magnetický tok, který se pak přičte k toku vyvolaným primární cívkou a dojde tak k přesycení jádra, poklesu indukčnosti a vzrůstu proudu. Na webu jsem našel jednu disertační práci, která se problematikou přechodového děje při zapnutí transformátoru zabývá velice podrobně. Autor zde publikuje i návrh chytrého soft-start obvodu s triakem řízeným MCU, který postupně zvětšuje úhel otevření tak, aby došlo k co nejrychlejšímu zapnutí na plný výkon a přitom bez proudového nárazu.
      V amatérské praxi ale většinou postačí i jednodušší zapojení. V mikrovlnkách se např. používá obvod, který MOT zapne přes výkonový odpor, jenž se po krátkém okamžiku přemostí relátkem. Další možností je použití nelineárního odporu - termistoru NTC (Negative Temperature Coefficient). Ten má za studena poměrně velký odpor, který prudce klesá s teplotou. Při zapnutí trafa, pokud je termistor studený, tak dojde k omezení náběhového proudu. Termistor se potom provozním proudem ohřeje natolik, že sníží svůj odpor a nepůsobí velké ztráty. V GMu jsem koupil velký 7,5A NTC, který sice proudovou špičku znatelně omezil (viz. 6. oscilogram), ale při zatížení MOTu se z něj už kouřilo a to se mi moc nelíbilo. Navíc takový velký termistor trpí z principu poměrně velkou tepelnou setrvačností, kdy je schopen účinně omezovat proud až po opětovném vychladnutí, a to může trvat několik minut. Ve zmiňované disertační práci mě také zaujala jednoduchá metoda omezení náběhového proudu pomocí paralelně připojeného kondenzátoru (může snížit impuls max. o 40%). Kondenzátor by měl při vypnutí díky zakmitání primárního proudu snížit remanentní indukci a tím i proudovou špičku při dalším zapnutí. V praxi jsem ale moc velké zmenšení proudové špičky nezaznamenal. Vyzkoušel jsem to s několika kondenzátory v rozsahu 0,1 - 10 µF (viz. oscilogramy 7, 8, 9) a s větší kapacitou to bylo spíše horší. U tohoto obvodu také závisí na tom, jaký je odebíraný proud ze sekundáru v době vypnutí (já jsem měřil s výstupem na prázdno). Při praktickém testu na 2 MOTech a regulačním autotransformátoru Křižík 2,2 kVA se mi nepodařilo žádným kondenzátorem zapínací proud dostatečně snížit a po několika desítkách zapnutí vždy došlo k výpadku jističe. Asi se poohlédnu po nějakém vhodném upgradu jističe ;)

U, I bez zátěže
pimární napětí a proud bez zátěže

U indukované ve smyčce bez zátěže
napětí indukované ve smyčce poblíž jádra, bez zátěže

U, I se zátěží (výbojka)
pimární napětí a proud při zátěži (2kW výbojka)

zapínací proud v Umax
zapínací proud při zapnutí v maximu síťového napětí

zapínací proud v nule
zapínací proud při zapnutí v nule

zapínací proud v nule-NTC
zapínací proud v nule s termistorem NTC v sérii

zapínací proud (skoro) v nule-C 1 uF
zapínací proud (skoro) v nule s paralelním kondenzátorem 1 µF

zapínací proud (skoro) v nule-C 2 uF
zapínací proud (skoro) v nule s paralelním kondenzátorem 2 µF

zapínací proud v nule-C 10 uF
zapínací proud v nule s paralelním kondenzátorem 10 µF


Malá bodovka z MOTu

      26.3.2017 MOT se běžně používá k transformaci na vysoké napětí, ale dá se použít i v případě, že naopak potřebujeme nízké napětí a veliký proud, např. pro malou bodovou svářečku. V takovém případě je potřeba odstranit původní sekundární vinutí a navinout nové dostatečně silným drátem. Nedávno jsem zrovna našel další MOT s hliníkovým primárem i sekundárem, který jsem obětoval k tomuto pokusu. Sekundární vinutí jsem na 4 místech těsně u jádra uřízl opatrně flexou a zbytky vinutí pak vytloukl pomocí ocelové hřídelky z tiskárny a kladiva. Řezání flexou nadělá dost bordelu z odletujících drátků, takže čas, který jsem ušetřil místo pižlání pilkou na železo, jsem zas promarnil zametáním celého balkónu. Po sekundáru v jádře zbyla 2 okénka 14 x 21 mm, kterými jsem provlíknul měděné lanko o průřezu 16 mm2 s nalisovanými oky jako 1 závit (silnější jsem zrovna neměl po ruce). Na nově navinutém sekundáru s 1 závitem jsem naměřil napětí 0,89 V na prázdno (při 235 V na primáru) a pomocí klešťového ampérmetru jsem změřil zkratový proud, který krátkodobě dosáhl 850 A. Během pár vteřin se však sekundár rozpálí tak, že jeho odpor vzroste a proud výrazně klesne. Zkusím sehnat silnější drát a udělat nějaké měděné elektrody pro bodové sváření.

MOT s převinutým sekundárem

      31.3.2019 Jeden kamarád mi v práci šmiknul kus pořádné licny o průřezu 50 mm2 a na konce nalisoval oka pro M8 šrouby (jsou tak akorát velká, aby prolezla otvory ve sloupkách). S tímto novým sekundárem jsem dosáhl krátkodobě zkratového proudu 1500 A. Pak jsem se pustil do výroby elektrod. U profesionálních bodovek se používá slitina CuCrZr, která je tvrdší a méně se opaluje než čistá měď, ale je to docela drahá sranda. Pro své pokusy jsem získal kus měděné tyče o průměru 14 mm, z níž jsem odřízl 2 kousky po 30 mm a obrobil je na malém soustruhu. Průměr kontaktní plošky jsem zvolil 4 mm. Záleží na typu bodovaného materiálu, jeho tloušťce, použitém proudu a přítlaku, viz. tab. 4, str. 25, kde najdete spoustu dalších zajímavých informací o bodování. Na opačné straně elektrod jsem vyříznul závit M8, abych je mohl pevně uchytit do kabelových ok.

mědené elektrody MOT s převinutým sekundárem MOT s převinutým sekundárem

      7.4.2019 Dále bylo potřeba vyřešit uchycení elektrod tak, aby se mohly pohybovat v ose a dal se na ně vyvinout dostatečný přítlak. Použil jsem k tomu kousek pertinaxu ze svých zásob, který je pevný, houževnatý, poměrně tepelně odolný a dobře se opracovává. Do pertinaxového bloku jsem vyvrtal díru 14 mm, do níž je elektroda částečně zapuštěna a drží tak osu rovnoběžně ve směru pohybu. Z boku jsem nahrubo odvrtal kapsu pro kabelové oko a jemně jí dofrézoval, aby vše zapadlo kam má. V kapse je schovaná i matice M8. Aby se při zašroubování neprotáčela, navrtal jsem do jedné její strany mělký důlek o průměru 4 mm. V odpovídajícím místě jsem v pertinaxu vyvrtal 4mm díru, kterou se dočasně prostrčí aretační tyčka (šroubek M4). Ze stejného důvodu jsem též částečně sbrousil boky válcové elektrody na šířku 12 mm, abych ji mohl chytit plochým klíčem a pořádně to utáhnout. Pro větší stabilitu jsem ještě šroubovou horní část elektrody v ose navrtal, vyřízl vnitřní závit M4 a chytnul šroubem z druhé strany. Vymezení vzájemného pohybu elektrodových lůžek je vyřešeno pomocí 2 ocelových hřídelek z tiskárny o průměru 12 a 8 mm, které jsou v jednom lůžku pevně uchyceny a prochází otvory druhého lůžka, jenž se po nich může volně pohybovat. Vůle do stran jsou dostatečně malé. Ještě by to chtělo na hřídelku nasadit nějakou pružinu, která po stlačení zas elektrody od sebe oddálí.

pertinaxová lůžka pro měděné elektrody pertinaxová lůžka pro měděné elektrody svařené hřebíky

      Nadšeně jsem zkusil sbodovat 2 kousky 1mm ocelového plechu, který jsem měl zrovna po ruce, ale nezdařilo se, proud nebyl dostatečný, aby se spoj prohřál. Tak jsem to zkusil aspoň s 2 hřebíky, které se během pár sekund rozsvítily a vzájemně se do sebe zatavily. Aby začal spojem protékat větší proud, je potřeba opravdu pořádný přítlak, tak jsem to přišlápl nohou. Klešťovým ampérmetrem jsem změřil, že proud během bodování dosahoval jen něco kolem 600 A. To může být dáno velkým odporem železa za tepla a tím, že mám nízké napětí sekundáru dané jen jedním závitem. Bohužel na dvakrát bych otvory v jádru tu licnu neprostrčil. To se by se dalo řešit použitím 2 či více MOTů, kterými by licna sekundáru procházela (primáry by byly připojené paralelně na síť).

      14.4.2019 Ještě jsem zkusil z jádra vymlátit magnetické bočníky (šroubovákem to šlo vyklepnout celkem snadno), abych zjistil, jestli se zvýší zkratový proud, ale podle klešťáku jsem naměřil pořád kolem 1500 A. Proudový odběr ze sítě byl jen 9 A. Tento MOT má hliníkový primár s odporem 2,8 Ω a indukčností 132 mH. Odstraněním bočníků se podařilo zvětšit okénko v jádře tak, že by se do něj vešly 2 závity licny nad sebou, ale to bych potřeboval licnu o něco delší a stejně bych tam neprotáhl kabelová oka, ta by se musela nalisovat až po provlečení jádrem. Zkusil jsem pokusně sbodovat 2 ocelové plíšky z bočníků tl. 0,5 mm. S velkým přítlakem jsem dosáhl proudu kolem 1000 A na pár vteřin, ale spoj nebyl moc kvalitní, povedlo se mi ho snadno roztrhnout.

odstranění magnetických bočníků z MOTu odstranění magnetických bočníků z MOTu svařené plechy 0,5mm



Zpět

Aktualizováno 15.4.2019 v 1:58

„Mějte dobrou náladu. Dobrá nálada vaše problémy sice nevyřeší, ale naštve tolik lidí kolem, že stojí za to si ji užít.“ Jan Werich