Зварювальний інвертор косий міст своїми руками. Зварювальний інвертор - асиметричний (косий міст) із мікроконтролерним керуванням. Повний міст з дроселем розсіювання

Схемасилової частини з блоком живлення та драйверами.

………. Представлений на схемі зварювальний інвертор побудований за схемою однотактного прямохода. На первинну обмоткусварочного трансформатора за допомогою двох ключів подаються однополярні імпульси випрямленої мережевої напруги із заповненням не більше 42%. Магнітопровід трансформатора відчуває одностороннє підмагнічування. У паузах між імпульсами магнітопровід розмагнічується по так званій приватній петлі. Розмагнічуючий струм завдяки зворотно включеним діодам повертає магнітну енергію,запасенную в сердечнику трансформатора назад у джерело, подзаряжаяконденсатори (2 x 1000 мкф x 400 В) накопичувача.

………. На прямому ходу енергія передається внавантаження через зварювальний трансформатор і прямо включені діодивипрямлячі (2x150EBU04). У паузі між імпульсами струм у навантаженні підтримується завдяки енергії, накопиченої в дроселі. Електричний ланцюг у цьому випадку замикається через зворотні діоди (2x150EBU04). Добре відомо, що на ці діоди припадає більше навантаження, ніж на прямі. Причина - струм у паузі тече довше ніж у імпульсі.

………. Конденсатор 1200 мкф x 250 Увімкнений зварювальні дроти через резистор 4,3 Ом забезпечує чітке запалення дуги. Мабуть, це одне із вдалих схемних рішень для підпалу в косоммісті.

………. Ключі косого мосту працюють у режимі жорсткого перемикання. Причому режим включення свідомо полегшений завжди присутньою індуктивністю розсіювання зварювального трансформатора. І оскільки до моменту включення ключів вважається, що магнітопровід трансформатора повністю розмагнічений, то через відсутність струму в первинній обмотці, втратами на включення можна знехтувати. Потерина виключення – дуже суттєві. Для їх зниження паралельно кожному ключу встановлені RCD-снаббери.

………. Для забезпечення точної роботи ключів, моменти між включеннями на їх затвори подається негативна напруга завдяки спеціальній схемі включення драйверів. Кожен драйвер живиться від гальванічно ізольованого джерела (близько 25 В) блоку живлення. Напруга живлення «верхнього» драйвера використовується для включення реле К1, контакти якого шунтують пусковий резистор.

………. Блок живлення (класичний малопотужний флайбек) має 3 гальванічно ізольованих виходи. При справних деталях починає працювати відразу. Напруга для драйверів -23-25В. Напруга 12 використовується для живлення блоку управління.

………. Істотні радіатори потрібно передбачити для вхідного випрямляча, ключів та вихідного випрямляча. Від розмірів цих радіаторів та інтенсивності їх обдування залежатиме постійна часу роботи апарату. Оскільки апарат забезпечує суттєвий зварювальний струм (до 180 А), ключі потрібно обов'язково припаяти до мідних пластин товщиною 4 мм, потім ці «бутерброди» прикрутити до радіаторів через теплопровідну пасту. Про те як це зробити написано Разом кріплення ключів посадкове місце радіатора має бути ідеальноплоським без сколів і раковин. Бажано щоб у місці кріплення ключей радіатор мав суцільне тіло завтовшки не менше 10 мм. Як показала практика для кращого відведення тепла, не потрібно ізолювати ключі відрадіатора. Найкраще ізолювати радіатор від корпусу апарату. Обдув потрібно поставити також трансформатор, дросель і обов'язково всерезистори потужністю 25 і 30 Вт. Інші елементи схеми в радіаторах і обдуві не потребують.

Блок керування

Схема блоку управління повномістовим зварювальним інвертором

………. Блок управління побудований на основі поширеного ШІМ-контролера TL494 із залученням одного каналу регулювання. Цей канал стабілізує струм у дузі. Завдання струму формує мікроконтролер за допомогою модуля CCP1 в режимі ШІМ на частоті приблизно 75 кГц. Заповнення ШІМ визначатиме напругу на конденсаторі C1. Величина цієї напруги визначає величину зварювального струму.

………. За допомогою мікроконтролера виконується блокування інвертора. Якщо на вхід DT(4) TL494 буде подано високий логічний рівень, то імпульси на виході Out зникнуть та інверторо стає. Поява логічного нуля на виході RA4 мікроконтролера призведе до плавного старту інвертора, тобто до поступового збільшення заповнення імпульсів на виході Out до максимального. Блокування інвертора використовується в момент включення та при перевищенні температури радіаторів.

Ось що вийшло у залозі. Блок живлення, драйвера та блок управління на одній платі.


. У моєму апараті індикатор та клавіатура підключені до блоку керування через комп'ютерний шлейф. Шлейф проходить у безпосередній близькості від радіаторів ключів та трансформатора. У чистому вигляді такий конструктив приводив до помилкового натискання на кнопки. Довелося застосувати такі спец. заходи. На шлейфодето феритове кільце К28x16x9. Шлейф скручений (наскільки дозволяла його довжина). Для клавіатури та термостатів використані додаткові підтягуючі резистори 1,8К, зашунтовані керамічними конденсаторами 100 пкф. Таке схемне рішення забезпечило перешкодостійкість клавіатури, повністю виключені помилкові натискання клавіш.

………. Хоча, моя думка – треба недопускати перешкоди до блоку управління. Для цього блок управління повинен бути відокремлений від силової частини суцільним металевим листом.

Налаштування інвертора

………. Силова частина поки знеструмлена. Попередньо перевірений блок живлення підключаємо до блоку управління і включаємо його в мережу. На індикаторі загоряться всі вісімки, потім увімкнеться реле і, якщо контакти термостатів замкнуті, то індикатор покаже завдання струму 20 А. Осцилографом перевіряємо напругу на затворах ключів. Там мають бути прямокутні імпульси з фронтами не більше 200 нс, частотою 40-50 кГц напругою 13-15В у позитивній області та 10 В – у негативній. Причому в негативній області імпульс має бути помітно довшим.

………. Якщо все так, збираємо повністю схему інвертора і вмикаємо його в мережу. На індикацію спочатку будуть виведені вісімки, потім має увімкнутися реле і індикатор покаже 20 А. Клацаючи кнопками, пробуємо змінювати завдання струму. Зміна завдання струму має пропорційно змінювати напругу на конденсаторі C1. Якщо змінивши завдання струму не натискати на кнопки більше 1 хвилини, запис запис завдання в незалежну пам'ять. На індикаторі короткочасно з'явиться повідомлення «ЗАПС». При наступному включенні інвертора величина завдання струму дорівнюватиме значенню, яке записалося.

………. Якщо все так, встановлюємо завдання 20 А і включаємо в зварювальні дроти навантажувальний реостат опором 0,5 Ом. змінювати завдання струму, і за показаннями вольтметра контролюємо струм. У цьому режимі реостат може видавати звук, що нагадує дзвін. Його не варто бояться – це працює струмообмеження. Струм повинен змінюватися пропорційно до завдання. Виставляємо завдання струму 50 А. Якщо показання вольтметра не відповідають 50 А, то на вимкненому інверторі впаюємо опір R1 іншого номіналу. Підбираючи опір R1, домагаємося відповідність завдання струму виміряному.

………. Перевіряємо роботу термозахисту. Для цього обриваємо ланцюг термостатів. На індикаторі висвітиться напис "EroC". Імпульси на затворах ключів повинні зникнути. Відновлюємо ланцюг термостатів. Індикатор повинен показати встановлений струм. На затворах ключів мають з'явитися імпульси. Їх тривалість має плавно збільшитися до максимальної.

………. Якщо все так, можна спробувати варити. Після 2-3-х хвилин зварювання струмом 120-150 А вимикаємо інвертор з мережі і шукаємо 2 гарячих радіатора. На них потрібно встановити захисні термостати. По можливості термостати встановлюються поза зоною обдування.

Досить часто для побудови зварювального інвертора застосовують основні три типи високочастотних перетворювачів, а саме перетворювачі, включені за схемами: асиметричний або косий міст, напівміст, а також повний міст. При цьому резонансні перетворювачі є підвидами схем напівмосту та повного мосту. За системою управління дані пристрою можна розділити на: ШІМ (широтно-імпульсної модуляції), ЧІМ (регулювання частоти), фазове управління, а також можуть існувати комбінації всіх трьох систем.

Усі перелічені перетворювачі мають свої плюси і мінуси. Розберемося з кожним окремо.

Система напівміст з ШІМ

Блок схема показана нижче:

Це, мабуть, один із найпростіших, але не менш надійних перетворювачів сімейства двотактних. «Розкачування» напруги первинної обмотки трансформатора силового дорівнюватиме половині напруги живлення – це недолік даної схеми. Але якщо подивитися з іншого боку, можна застосувати трансформатор з меншим сердечником, не побоюючись при цьому заходу в зону насичення, що одночасно є і плюсом. Для зварювальних інверторів, що мають потужність близько 2-3 кВт, такий силовий модуль цілком перспективний.

Оскільки силові транзистори працюють у режимі жорсткого перемикання, то їх нормальної роботи необхідно ставити драйвери. Це з тим, що з роботі у такому режимі, транзисторам необхідний високоякісний керуючий сигнал. Також обов'язково наявність безструмової паузи, щоб не допустити одночасне відкриття транзисторів, результатом чого стане вихід останніх з ладу.

Досить перспективний вид напівмостового перетворювача, його схема показана нижче:

Резонансний напівміст буде трохи простіше, ніж напівміст з ШІМ. Це обумовлено наявністю резонансної індуктивності, яка обмежує максимальний струм транзисторів, а комутація транзисторів відбувається в нулі струму або напруги. Струм, що протікає по силовому ланцюгу, матиме форму синусоїди, що зніме навантаження з конденсаторних фільтрів. За такої побудови схеми необов'язково необхідні драйвери, перемикання може здійснюватися звичайним імпульсним трансформатором. Якість керуючих імпульсів у цій схемі менш істотно як і попередньої, але безструмова пауза однаково має бути.

В даному випадку можна обійтися без струмового захисту, а форма вольт-амперної характеристики, що не потребує її параметричного формування.

Вихідний струм обмежуватиметься лише індуктивністю намагнічування трансформатора і зможе досягати досить значних величин, у разі, коли виникне коротке замикання КЗ. Ця властивість позитивно впливає на підпал і горіння дуги, але і його також необхідно враховувати при виборі вихідних діодів.

Зазвичай вихідні параметри регулюються зміною частоти. Але і фазне регулювання теж дає трохи своїх плюсів і є більш перспективним для зварювальних інверторів. Він дозволяє обійти таке неприємне явище, як збіг режиму короткого замикання з резонансом, а також збільшує діапазон регулювання вихідних параметрів. Застосування фазового регулювання може дозволити змінювати вихідний струм від 0 до I max .

Асиметричний або «косий» міст

Це однотактний, прямоходовий перетворювач, блок схема якого наведена нижче:

Даний тип перетворювача досить популярний як у простих радіоаматорів, так і у виробників зварювальних інверторів. Найперші зварювальні інвертори будувалися саме за такими схемами – асиметричний чи «косий» міст. Перешкодозахищеність, досить широкий діапазон регулювання вихідного струму, надійність і простота – всі ці якості досі залучають виробників досі.

Досить високі струми, що проходять через транзистори, підвищена вимога до якості керуючого імпульсу, що призводить до необхідності використовувати потужні драйвери для керування транзисторами, а високі вимоги до виконання монтажних робіт у цих пристроях та наявність великих імпульсних струмів, які, у свою чергу, підвищують вимоги до – це суттєві недоліки такого типу перетворювача. Також для підтримки нормальної роботи транзисторів необхідне додавання RCD ланцюжків – снабберів.

Але незважаючи на перераховані вище недоліки і низький ККД пристрою за схемою асиметричний або «косий» міст все ще застосовуються в зварювальних інверторах. У разі транзистори Т1 і Т2 працюватимуть синфазно, тобто закриватися і відкриватися одночасно. У разі накопичення енергії відбуватиметься над трансформаторі, а котушці дроселя Др1. Саме тому у тому, щоб отримати однакову потужність з мостовим перетворювачем необхідний подвоєний струм через транзистори, оскільки робочий цикл у своїй перевищуватиме 50%. Докладніше цю систему ми розглянемо у наступних статтях.

Є класичний двотактний перетворювач, блок схема якого показана нижче:

Дана схема дозволяє отримувати потужність у 2 рази більше, ніж при включенні типу напівміст і в 2 рази більше ніж при включенні типу «косий» міст, при цьому величини струмів і втрати в усіх трьох випадках будуть рівні. Це можна пояснити тим, напруга живлення дорівнюватиме напрузі «розгойдування» первинної обмотки трансформатора силового.

Щоб отримати однакові потужності з полумостом (напруга розгойдування 0,5U пит.) необхідний струм вдвічі! менше ніж для випадку напівмосту. У схемі повного мосту з ШІМ транзистори працюватимуть по черзі – Т1, Т3 включені, а Т2, Т4 вимкнені і навпаки при зміні полярності. Через відстежують і контролюють значення амплітудне струму, що протікає через цю діагональ. Для його регулювання є два найчастіше застосовувані способи:

• Залишити постійним напруга відсічення, а змінювати лише довжину імпульсу управління;
• Проводити зміни рівня відсікаючої напруги за даними трансформатора струму при цьому залишаючи незмінним тривалість імпульсу управління;

Обидва способи можуть дозволити проводити зміни вихідного струму досить великих межах. У повного мосту з ШІМ недоліки та вимоги такі ж, як і у півмоста з ШІМ. (Дивись вище).

Є найперспективнішою схемою високочастотного перетворювача для зварювального інвертора, блок схема якого показана нижче:

Резонансний міст не сильно відрізняється від повного мосту із ШІМ. Різниця полягає в тому, що при резонансному підключенні послідовно з обмоткою трансформатора підключають резонансний ланцюжок LC. Однак її поява докорінно змінює процес перекачування потужності. Зменшаться втрати, збільшиться ККД, знизиться навантаження на вхідні електроліти та електромагнітні перешкоди зменшаться. У цьому випадку драйвери на силові транзистори потрібно застосовувати лише у випадку, якщо будуть використані MOSFET транзистори, які мають ємність затвора більше 5000 pF. IGBT можуть обійтися лише наявністю імпульсного трансформатора. Докладніші описи схем будуть наведені в наступних статтях.

Управління вихідним струмом може здійснюватися двома способами – частотним та фазовим. Обидва ці способи описувалися в резонансному напівмості (дивися вище).

Повний міст з дроселем розсіювання

Схема його нічим практично не відрізняється від схеми резонансного моста або напівмоста, тільки замість резонансного ланцюга LC послідовно з трансформатором не включають резонансну LC ланцюг. Місткість С, приблизно З 22мкф х 63В, працює як симетруючий конденсатор, а індуктивний опір дроселя L як реактивний опір, величина якого буде лінійно зміняться в залежності від зміни частоти. Перетворювач керується частотним способом. , зі збільшенням частоти напруги опір індуктивності зросте, що зменшить струм у силовому трансформаторі. Досить простий та надійний спосіб. Тому досить багато промислових інверторів будують за таким принципом обмеження вихідних параметрів.

Нещодавно збирав зварювальний інвертор від Бармалея на максимальний струм 160 ампер, одноплатний варіант. Названо цю схему на честь її автора - Barmaley. Ось електрична схема та файл із друкованою платою.

Схема інвертора для зварювання

Робота інвертора: живлення від однофазної мережі 220 Вольт випрямляється, згладжується конденсаторами і подається на транзисторні ключі, які з постійної напруги роблять високочастотне змінне, що подається на феритовий трансформатор. Завдяки високій частоті ми маємо зменшення габаритів силового трансу і, як наслідок, застосовуємо не залізо, а ферит. Далі знижуючий трансформатор, за ним випрямляч та дросель.

Осцилограми керують польовими транзисторами. Заміряв на стабілітроні кс213б без силових ключів, коефіцієнт заповнення 43 та частота 33.

У своєму варіанті силові ключі IRG4PC50Uзамінив на більш сучасні IRGP4063DPBF. Стабілітрон кс213б замінив на два 15 вольтових потужністю 1.3 Вт зустрічно включених, тому що в минулому апараті кс213б трохи грілися. Після заміни проблема одразу зникла. Решта все залишається як у схемі.

Це осцилограма колектор-емітер нижнього ключа (за схемою). При подачі живлення 310 вольт через лампу 150 Вт. Осцилограф коштує 5 вольт поділ та 5 мкс справ. через дільник помножений на 10.

Силовий трансформатор намотаний на сердечнику B66371-G-X187, N87, E70/33/32 EPCOS Моточні дані: спочатку підлога первинки, вторинка, і знову залишки первички. Провід що на первинці, що на вторинному - діаметром 0.6 мм. Первинка - 10 дротів 0.6 скручених разом 18 витків (всього). У перший ряд влазить 9 витків. Далі залишки первички убік, мотаємо 6 витків дротом 0.6 складеного в 50 штук так само скрученого. І далі знову залишки первинки, тобто 9 витків. Не забуваємо міжшарову ізоляцію (використовував кілька шарів касового паперу, 5 або 6, більше не стараємось, інакше обмотка не влізе у вікно). Кожен шар просочував епоксидкою.

Потім все збираємо, між половинками Е70 фериту потрібен зазор 0.1 мм, по крайніх керна кладемо прокладку зі звичайного касового чека. Все стягуємо, склеюємо.

Я пофарбував із балончика чорною матовою фарбою, потім лаком. Так, мало не забув, кожну обмотку, коли скрутили, обмотуємо малярським скочем – ізолюємо, так би мовити. Не забуваємо помічати початок і кінці обмоток, знадобиться для подальшого фазування та складання. При неправильному фазуванні трансформатора апарат варитиме в півсили.

При включенні інвертера в мережу починається зарядка вихідних конденсаторів. Початковий струм їх зарядки дуже великий, можна порівняти з КЗ, і може призвести до вигоряння діодного мосту. Не кажучи вже про те, що для кондерів це теж загрожує виходом з ладу. Щоб уникнути такого різкого стрибка струму в момент увімкнення, ставлять обмежувачі заряду конденсаторів. У схемі Бармалея це 2 резистора по 30 Ом, потужністю по 5 ватів, разом 15 Ом х 10 Ватт. Резистор обмежує струм зарядки конденсаторів і після їх зарядки можна вже подавати живлення безпосередньо, минаючи ці резистори, що робить реле.

У зварювальному апараті за схемою Бармалея застосовано реле WJ115-1A-12VDC-S. Живлення котушки реле - 12 вольт DC, комутоване навантаження 20 Ампер, 220 Вольт AC. У саморобках дуже поширене застосування автомобільних реле на 12 Вольт, 30 Ампер. Однак вони не призначені для комутації струму до 20 Ампер мережної напруги, але, дешеві, доступні і цілком справляються зі своїм завданням.

Струмообмежуючий резистор краще ставити звичайний дротяний, він витримає будь-які навантаження і дешевше, ніж імпортні. Наприклад С5-37 10 (20 Ом, 10 Ватт, дротяний). Замість резисторів можна поставити струмообмежуючі конденсатори, послідовно в ланцюг змінної напруги. Наприклад К73-17, 400 Вольт, сумарною ємністю 5-10 мкф. Конденсатори 3 мкФ, що заряджають ємність 2000 мкФ, приблизно за 5 секунд. Розрахунок струму зарядки конденсаторів такий: 1 мкФ обмежує струм на рівні 70 міліампер. Виходить 3 мкФ на рівні 70х3 = 210 міліампер.

Нарешті зібрав усе в один запустив. Струм з обмеження виставив 165 ампер, тепер оформимо зварювальний інвертор у гарний корпус. Собівартість саморобного інвертора приблизно 2500 рублів – деталі замовляв в інтернеті.

Провід у перемотному цеху брав. Ще можна провід зняти з телевізорів з контуру, що розмагнічує, з кінескопа (це практично готова вторинка). Дросель виготовив із E65мідною смугою шириною 5 мм і товщиною 2 мм - 18 витків. Індуктивність підібрав 84 мкГн шляхом збільшення зазору між половинками, він становив 4 мм. Можна і не смугою мотати, а також 0.6 мм дротом, але її складніше буде укласти. Первинку на трансформаторі можна мотати проводом 1.2 мм, набором з 5 штук 18 витків, але можна і 0.4 мм так само порахувати кількість проводів під потрібний перетин, тобто наприклад 15 штук 0.4 мм 18 витків.

Після монтажу та налаштування схеми на платі, зібрав усе воєдино. Випробування Бармалей пройшов успішно: трійку та четвірку електрода тягне спокійно. Струм з обмеження поставив 165 Ампер. Зібрав і випробував пристрій: Арсі .

Обговорити статтю ЗВАРЮВАЛЬНИЙ ІНВЕРТОР БАРМАЛЕЙ

Принципова схема заводського зварювального інвертора "Ресанта" (натисніть, щоб збільшити)

Схема інвертора від німецького виробника FUBAG з додатковими функціями (натисніть, щоб збільшити)

Приклад принципової електричної схеми зварювального інвертора для самостійного виготовлення (натисніть, щоб збільшити)

Принципова електрична схема інверторного пристрою складається з двох основних частин: силової ділянки та ланцюга керування. Першим елементом силової ділянки схеми є діодний міст. Завдання такого мосту таки полягає в тому, щоб перетворити змінний струм на постійний.

У постійному струмі, перетвореному зі змінного в діодному мосту, можуть виникати імпульси, які потрібно згладжувати. Для цього після діодного моста встановлюється фільтр, що складається з конденсаторів переважно електролітичного типу. Важливо знати, що напруга, яка виходить з діодного моста, приблизно в 1,4 рази більша, ніж його значення на вході. Діоди випрямляча при перетворенні змінного струму на постійний дуже сильно нагріваються, що може серйозно позначитися на їх працездатності.

Щоб захистити їх, а також інші елементи випрямляча від перегріву, у цій частині електричної схеми використовують радіатори. Крім того, на сам діодний міст встановлюється термозапобіжник, завданням якого є відключення електроживлення в тому випадку, якщо діодний міст нагрівся до температури, що перевищує 80-90 градусів.

Високочастотні перешкоди, що створюються під час роботи інверторного пристрою, можуть через його вхід потрапити до електричної мережі. Щоб цього не сталося, перед випрямляючим блоком схеми встановлюється фільтр електромагнітної сумісності. Складається такий фільтр із дроселя та кількох конденсаторів.

Сам інвертор, який перетворює вже постійний струм на змінний, але має значно вищу частоту, збирається з транзисторів за схемою «косий міст». Частота перемикання транзисторів, за рахунок яких відбувається формування змінного струму, може становити десятки або сотні кілогерц. Отриманий у такий спосіб високочастотний змінний струм має амплітуду прямокутної форми.

Отримати на виході пристрою струм достатньої сили для того, щоб можна було з його допомогою ефективно виконувати зварювальні роботи, дозволяє трансформатор, що понижує напругу, встановлений за інверторним блоком. Для того, щоб отримати за допомогою інверторного апарату постійний струм, після понижуючого трансформатора підключають потужний випрямляч, також зібраний на діодному мосту.

Елементи захисту інвертора та управління ним

Уникнути впливу негативних чинників працювати інвертора дозволяють кілька елементів у його принципової електричної схеми.

Для того щоб транзистори, які перетворюють постійний струм на змінний, не згоріли в процесі своєї роботи, використовуються спеціальні демпфуючі (RC) ланцюги. Всі блоки електричної схеми, які працюють під великим навантаженням і сильно нагріваються, не тільки забезпечені примусовим охолодженням, але також підключені до термодатчиків, що їх живлення відключають у тому випадку, якщо температура їх нагріву перевищила критичне значення.

Через те, що конденсатори фільтра після своєї зарядки можуть видавати струм великої сили, який може спалити транзистори інвертора, апарату необхідно забезпечити плавний пуск. Для цього використовують стабілізаторні пристрої.

У схемі будь-якого інвертора є ШІМ-контролер, який відповідає за керування всіма елементами електричної схеми. Від ШІМ-контролера електричні сигнали надходять на польовий транзистор, а від нього – на розділовий трансформатор, що має одночасно дві вихідні обмотки. ШИМ-контролер за допомогою інших елементів електричної схеми подає керуючі сигнали на силові діоди і силові транзистори інверторного блоку. Для того, щоб контролер міг ефективно керувати всіма елементами електричної схеми інвертора, на нього також необхідно подавати електричні сигнали.

Для вироблення таких сигналів використовується операційний підсилювач, на вхід якого подається вихідний струм, що формується в інверторі. При розбіжності значень останнього із заданими параметрами операційний підсилювач і формує сигнал на контролер. Крім того, на операційний підсилювач надходять сигнали всіх захисних контурів. Це необхідно для того, щоб він зміг відключити інвертор від електроживлення у той момент, коли в його електричній схемі виникне критична ситуація.

Переваги та недоліки зварювальних апаратів інверторного типу

Апарати, які прийшли на зміну звичним усім трансформаторам, мають низку вагомих переваг.

• Завдяки зовсім іншому підходу до формування та регулювання зварювального струму маса таких пристроїв складає всього 5-12 кг, тоді як зварювальні трансформатори важать 18-35 кг.
• Інвертори мають дуже високий ККД (близько 90%). Це тим, що у них витрачається значно менше зайвої енергії на нагрівання складових частин. Зварювальні трансформатори, на відміну інверторних пристроїв, дуже сильно гріються.
• Інвертори завдяки такому високому ККД споживають вдвічі менше електричної енергії, ніж звичайні трансформатори для зварювання.
• Висока універсальність інверторних апаратів пояснюється можливістю регулювати з допомогою зварювальний струм у межах. Завдяки цьому один і той самий пристрій можна використовувати для зварювання деталей з різних металів, а також для його виконання за різними технологіями.
• Більшість сучасних моделей інверторів наділені опціями, які мінімізують вплив помилок зварювальника на технологічний процес. До таких опцій, зокрема, відносяться "Антизалипання" та "Форсування дуги" (швидке розпалювання).
• Виняткова стабільність напруги, що подається на зварювальну дугу забезпечується за рахунок автоматичних елементів електричної схеми інвертора. Автоматика в даному випадку не лише враховує та згладжує перепади вхідної напруги, а й коригує навіть такі перешкоди, як загасання зварювальної дуги через сильний вітер.
• Зварювання з використанням інверторного обладнання може виконуватись електродами будь-якого типу.
• Деякі моделі сучасних зварювальних інверторів мають функцію програмування, що дозволяє точно та оперативно налаштовувати їх режими під час виконання робіт певного типу.

Як у будь-яких складних технічних пристроїв, зварювальні інвертори мають ряд недоліків, про які також необхідно знати.

• Інвертори відрізняються високою вартістю, що на 20–50% перевищує вартість звичайних зварювальних трансформаторів.
• Найбільш уразливими і часто виходять із ладу елементами інверторних пристроїв є транзистори, вартість яких може становити до 60% ціни всього апарату. Відповідно, є досить дорогим заходом.
• Інвертори через складність їхньої принципової електричної схеми не рекомендується використовувати в поганих погодних умовах і при негативних температурах, що серйозно обмежує сферу їх застосування. Для того щоб застосовувати такий пристрій у польових умовах, необхідно підготувати спеціальний закритий та опалювальний майданчик.

При зварювальних роботах, що виконуються з використанням інвертора, не можна використовувати довгі дроти, так як у них наводяться перешкоди, що негативно відбиваються на роботі пристрою. З цієї причини дроти для інверторів роблять досить короткими (близько 2 метрів), що вносить у зварювальні роботи деяку незручність.

(голосів: 9 , Середня оцінка: 4,00 із 5)

Апарат дугового зварювання повинен забезпечувати падаючу вольтамперну характеристику в навантаженні (дузі). У мостових інверторах, як правило, характеристика, що падає, забезпечується досить складною електронікою з обов'язковим зворотним зв'язком по струму. З погляду простоти управління, як на мене, найбільш привабливий саме резонансний міст. У ньому характеристика джерела зварювального струму, що падає, забезпечується параметричними властивостями резонансного ланцюжка в первинному ланцюгу інвертора.

Особливістю інвертора, представленого в цій статті, є не тільки використання повного резонансного моста, але й керування ним за допомогою мікроконтролера PIC16F628-20I/P.

Відразу зауважимо, що максимальний зварювальний струм інвертора залежить від налаштування. Його значення повністю визначається шириною немагнітного зазору в магнітопроводі резонансного дроселя. Для силових елементів, що використовуються в інверторі, за умови дотримання їх теплових режимів, зварювальний струм може досягати 200 А.

Принципова схема інвертора поділена на дві частини. на рис.1показана силова частина, а на рис.2- Схема блоку живлення з блоком управління. Класичний мостовий зварювальний інвертор складається з випрямляча напруги з фільтруючими конденсаторами. Постійна напруга 300 за допомогою 4 ключів перетворюється на змінну вищої частоти, яке за допомогою зварювального трансформатора знижується, а потім випрямляється.

Силова частина

У резонансних перетворювачах послідовно з первинною обмоткою зварювального трансформатора Т1 включені резонансний дросель L1 і конденсатор резонансний С1-С10 (див. рис.1на якому силові ланцюги виділені жирними лініями). Індуктивність послідовного контуру складається з індуктивності резонансного дроселя L1 та індуктивності первинної обмотки трансформатора Т1. Вторинна обмотка Т1 навантажена зварювальною дугою. Якщо ємність С1-С10 і індуктивність L1 величини постійні, індуктивність первинної обмотки Т1 залежить від опору навантаження у вторинній обмотці, тобто. від зварювального струму. Максимальній індуктивності первинної обмотки Т1 відповідає режим холостого ходу інвертора, а мінімальної режим короткого замикання. Опір навантаження визначає також добротність контуру. Таким чином, резонансна частота контуру мінімальна в режимі «холостого ходу» (при максимальній індуктивності первинної обмотки Т1) та максимальна в режимі короткого замикання (при мінімальній індуктивності первинної обмотки Т1). Коли навантаженням інвертора є зварювальна дуга, резонансна частота контуру залежить від струму в дузі.

З усього сказаного вище, очевидно, що частота інвертора при роботі на максимальну потужність в дузі повинна бути нижчою за власну частоту резонансного контуру інвертора в режимі короткого замикання і вище її в режимі «холостого ходу». Оптимально, щоб резонанс наступав на власній частоті контуру, коли в дузі розвивається максимальна потужність (f МАКС. ПОТУЖН.). Саме це є основним критерієм правильного налаштування інвертора. Якщо у цьому випадку збільшувати частоту інвертора щодо f МАКС. ПОТУЖНИЙ. , Струм у дузі зменшується за рахунок збільшення індуктивного опору резонансного дроселя L1. Так здійснюється частотне регулювання струму у зварювальній дузі.

Резонанс у контурі інвертора при короткому замиканні та неправильному налаштуванні інвертора можливий і на частоті вище, ніж f МАКС. ПОТУЖНИЙ. .

Зауважимо також, що резонанс неприпустимий в режимі короткого замикання для транзисторних ключів інвертора через виникнення надструму в первинному ланцюзі. Оскільки режим короткого замикання є штатним режимом для зварювального апарату, необхідно не допускати роботу інвертора на частотах вище МАКС. ПОТУЖНИЙ. при короткому замиканні зварювального ланцюга.

Для цього в цьому інверторі мікроконтролером безперервно відстежується факт короткого замикання зварювальних проводів за допомогою спеціального детектора. У разі короткого замикання мікроконтролер автоматично зменшує частоту інвертора до раніше заданого значення f МАКС. ПОТУЖНИЙ. — на цій частоті резонанс у короткому замиканні неможливий, що запобігає протіканню надмірного струму в первинному ланцюзі і через ключі.

У силовій частині (Рис.1) R13 - пусковий резистор. Він обмежує зарядний струм оксидних конденсаторів С16 С17 при включенні апарату. Діодний міст VD14-VD21 призначений для випрямлення напруги 220 В / 50 Гц, яке згладжується конденсаторами С15-С17 і подається на вихідний міст схеми, що складається з 4 ключів на IGBT- транзисторах VT1-VT4.

Супресори VD3, VD9 та VD22 захищають ключі від викидів напруги. Резистори R5, R6 розряджають резонансний конденсатор при вимиканні інвертора. Стабілітрони VD1, VD2, VD4, VD5 не допускають перевищення напруги на затворах ключів вище 18 В. Резистори R1, R3, R7 і R9 обмежують вихідний струм драйверів в моменти заряду-розряду ємностей затворних ключів. Резистори R2, R4, R8, R10 забезпечують надійне закриття ключів у моменти, коли відсутнє живлення драйверів.

Зварювальний трансформатор Т1 з коефіцієнтом трансформації 6 знижує напругу та забезпечує гальванічну розв'язку виходу щодо мережної частини інвертора. Змінна напруга з вторинної обмотки зварювального трансформатора випрямляється діодами VD6, VD7 і надходить через зварювальні дроти на електрод і поверхні, що зварюються. Ланцюжки R11C13 і R12C14 служать для поглинання енергії викидів зворотної напруги вихідного випрямляча. Для стійкого горіння дуги при малих струмах, а також для полегшення її запалення передбачений подвійник напруги, зібраний на елементах С11 С12, VD10-VD13, С19, С20 і L2. Резистор R14 є навантаженням подвоювача. Супресор VD8 захищає діоди вихідного випрямляча від викидів зворотної напруги.

Блок живлення

Побудований за схемою зворотноходового перетворювача на основі спеціалізованої мікросхеми DA6 TNY264 за типовою схемою (Рис.2). Він забезпечує живлення драйверів, реле та мікроконтролерного блоку управління. Електроживлення драйверів верхніх ключів гальванічно ізольовано від каналу живлення реле 24 і каналу живлення нижніх драйверів. Для живлення мікроконтролера DD1 (5) застосований параметричний стабілізатор DA7. Драйвера DA1-DA4 типу HCPL3120 призначені для керування ключами VT1-VT4 та забезпечують круті фронти керуючих імпульсів на затворах цих транзисторів.

Детектор короткого замикання зібраний на елементах R25, R27, R28, DA8, VD32, VD33, C38. При напрузі на зварювальних проводах нижче 9 (коротке замикання) на вході RB4 контролера DD1 з'являється високий логічний рівень, а при напрузі більше 9 (короткого замикання немає) на вході RB4 - низький логічний рівень.

У позиції DD1 використано широко поширений мікроконтролер (МК) PIC16F628-20I/P у DIP-корпусі.

Робота інвертора

Як тільки запуститься блок живлення, починає працювати програма мікроконтролера. Через затримку приблизно 5 с включиться зумер і працюватиме інвертор. Як тільки напруга в зварювальних проводах перевищить 9, МК відкриє ключ VT5, який включить реле К1, а контакти реле зашунтує зарядний резистор R13. Зумер також вимкнеться. Із цього моменту інвертор готовий до роботи. Частота роботи інвертора визначатиметься положенням потенціометра R18. Причому мінімальній частоті (вона ж f МАКС. ПОТУЖН.) відповідає максимальний зварювальний струм, а максимальній частоті - мінімальний струм. Частота змінюється східчасто (дискретно). Використовується лише 17 позицій. При обертанні потенціометра R18 зміна частоти супроводжується коротким звуковим сигналом зумера. Таким чином, можна за звуком зумера змінити частоту зварювального струму на потрібне число позицій.

При короткому замиканні у зварювальних дротах інвертор автоматично починає працювати на частоті f МАКС. ПОТУЖНИЙ. ,- Робота інвертора як короткого замикання супроводжується звуковим сигналом зуммера. Якщо коротке замикання триває більше 1 с, робота інвертора блокується і через 3 з знову відновлюється. Так реалізовано функцію антизалипання електрода.

За відсутності короткого замикання на вхід RB4 подається низький логічний рівень, частота інвертора визначається положенням потенціометра R18.

Для захисту вихідних ключів від перегріву використовуються як датчики два термостати TS1 та TS2. Якщо сталося відключення хоча б одного термостата, то робота інвертора блокується. Зумер видає переривчастий частий звуковий сигнал до остигання радіатора, на якому встановлено термостат, що спрацював.

Конструкція та деталіРезонансний дросель L1 намотаний на магнітопроводі ETD59, матеріал №87 фірми EPCOS і містить 12 витків мідного дроту діаметром 2 мм у лаковій ізоляції. Провід намотується з обов'язковим проміжком між витками. Для забезпечення проміжку можна використовувати товсту нитку. Для фіксації обмотки потрібно промазати витки епоксидним клеєм. Половинки магнітопроводу стикуються з немагнітним зазором 1...2 мм. Точніше значення немагнітного зазору підбирається при налаштуванні резонансної частоти. Під час роботи інвертора магнітопровід резонансного дроселя може сильно нагріватися. Це з насиченням фериту під час роботи у резонансе. Для забезпечення надійної фіксації зазору магнітопроводу його половинки повинні стягуватися металевими шпильками. При цьому необхідно забезпечити відстань від зазору до шпильок щонайменше 5 мм. Інакше поруч із зазором шпильки можуть розплавитись. З цієї причини неприпустимо стягувати дросель суцільним металевим кожухом.

Трансформатор Т1 намотаний на магнітопроводі Е65, матеріал №87 фірми EPCOS. Спочатку в один ряд мотають первинну обмотку - 18 витків мідного дроту діаметром 2 мм у лаковій ізоляції. Поверх первинної обмотки мотають обмотки II та III. Кожна їх займає половину каркаса. Обмотки II і III містять по 3 витки в чотири мідні дроти діаметром 2 мм. Половинки магнітопроводу трансформатора стикують без зазору та надійно фіксують.

Дросель L2 містить 20 витків монтажного дроту перетином 1,5 мм 2 намотаних на феритовому кільці К28х16х9.

Трансформатор Т2 намотують на фериті Ш5х5 з проникністю 2000 НМ. Половинки магнітопроводу стикують із зазором 0,1…0,2 мм. Обмотка I містить 180 витків дроту ПЕВ-1 діаметром 0,2 мм. Обмотку II мотають в один ряд, містить 47 витків такого ж дроту. Обмотки III, IV і V містять по 33 витки дроту ПЕВ-1 діаметром 0,25 мм. Між обмотками потрібно прокласти два шари ізоляції (наприклад, малярський скотч). Фазування підключення обмоток вказано на рис.2.

Резонансні конденсатори С1-С10 допустимо застосовувати тільки якісні плівкові на напругу не менше 1000 В. Переважно використовувати конденсатори типу К78-2. Такого ж типу має бути блокуючий конденсатор С15.

Блок живлення налаштування не потребує і при справних деталях починає працювати відразу. Необхідно тільки проконтролювати величини напруги для живлення драйверів 16…17 В. При перевірці блоку живлення на його вхідні клеми GND і +300 В можна подати мережеву напругу 220 В. Таким же чином слід запитувати блок живлення при налаштуванні резонансної частоти.

Під час роботи інвертора усі його силові елементи нагріваються. Від того, наскільки грамотно обдуваються ці елементи, залежатиме час безперервної роботи апарату та його довговічність. Радіатори з великою площею потрібно передбачити для вхідного випрямляча VD14-VD21, транзисторів VT1-VT4 та вихідного випрямляча VD6, VD7. Примусове повітряне охолодження необхідне резонансному дроселю L1, зварювальному трансформатору Т1 і діодам подвоювача VD10-VD13. Захисні термостати TS1 та TS2 типу KSD250V встановлюють на радіатори верхніх ключів та вихідних діодів. Всі інші елементи інвертора в обдуві та радіаторах не потребують.

Настроювання резонансної частоти

Для налаштування інвертора необхідний ЛАТР і реостат навантаження опіром 0,15 Ом. Реостат повинен витримувати короткочасне перебіг струму до 200 А. Зазор магнітопроводу резонансного дроселя виставляють приблизно 1 мм. Між контактами 3 та 4 оптопари DA8 встановлюють перемичку. Встановлюють "прошитий" мікроконтролер у блок управління.

Блок живлення під час налаштування слід запитати окремо. Для цього, не включаючи апарат в мережу, на дроти GND і +300 блоку живлення потрібно подати мережеву напругу 220 В.

Силова частина поки що знеструмлена. Після включення живлення через 5 с повинен увімкнутися зумер, потім звук повинен припинитися і ввімкнутися реле. Натискаємо одночасно обидві кнопки SB1 та SB2. Утримуємо кнопки до появи звукового сигналу зумера. Відпускаємо кнопки. Безперервний звук припиниться, і зумер почне видавати переривчастий сигнал із періодом приблизно 2 с. Це відповідає режиму налаштування резонансної частоти.

Якщо так, то за допомогою осцилографа контролюємо наявність двополярних імпульсів між затворами транзисторів VT2 і VT4 частотою 30 кГц амплітудою не менше 15 В і сходинкою «мертвого часу» 2 мкс. Такий самий сигнал повинен бути між затворами VT1 ​​та VT3. Якщо так, запитуємо силову частину через ЛАТР і виставляємо напругу 20…30 У.

До зварювальних дротів можна включити лампочку на 12 В. Якщо лампочка світиться, включаємо в зварювальні дроти реостат опором 0,15 Ом та вольтметр постійного струму. Виставляємо на латрі напруга 30 ... 40 В і починаємо налаштування. Кнопкам SB1 та SB2 зменшуємо або збільшуємо частоту інвертора. Межі зміни частоти 30...42 кГц. Підстроюючи частоту кнопками, досягаємо максимальної напруги на реостаті. Якщо напруга продовжує збільшуватися при зменшенні частоти до 30 кГц, необхідно збільшити зазор в магнітопроводі резонансного дроселя і повторити налаштування знову. Якщо при збільшенні частоти до 42 кГц напруга на реостаті продовжує зростати, необхідно зменшити проміжок в магнітопроводі резонансного дроселя і повторити налаштування знову.

Необхідно домогтися резонансу, тобто. налаштувати схему так, щоб збільшення або зменшення частоти інвертора призводило до зменшення напруги на реостаті. При вказаних на схемі елементах краще домогтися такого зазору в резонансному дроселі, щоб резонанс з навантаженням 0,15 Ом виникав на частоті 33 ... 37 кГц. Резонанс на більшій частоті збільшить максимальний зварювальний струм, але ключі та вихідні діоди працюватимуть на межі.

Як тільки настроєна резонансна частота, натискаємо обидві кнопки одночасно. Після тривалого звукового сигналу відбудеться запис резонансної частоти в енергонезалежну пам'ять мікроконтролера. Обертаючи потенціометр R18, перевіряємо роботу частотного регулювання. Мінімальна частота повинна дорівнювати резонансної. При обертанні потенціометра зміна частоти повинна супроводжуватись коротким звуковим сигналом (всього 17 ступенів).

Якщо все відбувається саме так, повністю збираємо схему інвертора. Видаляємо перемичку між контактами 3 та 4 оптопари DA8. Включаємо інвертор у мережу. Через 5 с прозвучить сигнал зумера, потім увімкнеться реле, і звук припиниться. Потенціометром R18 виставляємо мінімальну частоту (вона ж f МАКС. ПОТУЖН.), що відповідає максимальному струму. Короткочасно навантажуємо інвертор реостатом опором 0,15 Ом та вимірюємо напругу в навантаженні. Якщо ця напруга перевищує 23 В, можна вважати налаштування завершеною. Якщо менше, то слід збільшити проміжок в магнітопроводі резонансного дроселя і повторити налаштування спочатку.