Сварочный инвертор - резонансный мост с частотным регулированием на МК. Сварочный инвертор с фиксирующей обмоткой

Power Electronics • Просмотр темы

Wiew писал(а):

можна подробнее, что Вы имеете в виду?.

Я имею ввиду, что в модели трансформатора в первичке установлена индуктивность рассеяния, которая , в зависимости от способа измерения, соответствует суммарному каналу рассеяния первичка-вторичка, приведенному к первичной обмотке, или просто инд.рассеяния первичной обмотки опять-же добытому из суммарного канала рассеяния первичной обмотки и обмоток трансформатора ( вторичной и фиксирующей). Далее, имхо, на практике при выключении силового транзистора, ток первичной обмотки из-за инд.рассеяния продолжает "искать" путь для протекания и соответственно существует в снаббере. Далее, после достижения на снаббере напряжения Uпит ( 2*Uпит на силовом транзисторе) при наличии фиксирующей обмотки рядом с первичкой происходит сцепление потока рассеяния с обмоткой фиксации и сброс паразитной энергии в силовые электролиты, поскольку сопротивление силовых электролитов значительно меньше сопротивления снаббера, а индуктивные элементы всегда упираются в точку минимального напряжения при условии хорошей связи обмоток, имхо. Про то, как тот процесс выглядит в симуляторе, сколько там забавных колебаний на LC и какое напряжение на силовом транзисторе - писать не буду. Обозначу только тот момент, что в симуляторе передача паразитной энергии из первички происходит только при наличии тока в паразитной индуктивности рассеяния, что и рисует забавные картинки на коллекторе силового транзистора. Одно скажу, что фиксеров я починил приличное количество, собрал один сварочный несколько лет назад ( ещё не пользовался симулятором) и недавно по модели преобразователь 24-12вольт, так сказать честно, я три дня вылизывал в модели снаббер и смотрел на ужас в виде стокового напряжения 200 Вольт. И что вы думаете, там осциллографом удалось разглядеть больше, чем 2*Uпит плюс ооочень маленький "пстрик" при закрытии силового транзистора ( ну 5 Вольт отсилы при питании 30 Вольт)? В модели этот параметр соответствует инд.рассеяния около 0,2-0,5 микроГенри ( насколько помню). Про то, сколько показывал индуктометр при замере на трансформаторе писать? Поэтому трансформатор для фиксера нужно мотать аккуратно. Фиксирующая , очень тоненькая изоляция, один слой первички , тонкая изоляция, ещё один слой "фиксации" ( дублирующий, параллельно первому подключить), нормальная изоляция, вторичка в один слой, нормальная изоляция, фиксирующая ( подключить параллельно фиксирующей во внешнем слое первички) , тонкая изоляция, вторая половина первички (внешний слой), тонкая изоляция, фиксирующая обмотка . Имхо, при такой намотке проблем быть не должно, а снаббер со спокойной душой можно рассчитывать под уверенную опору К-Э для макимального тока на время коммутации транзистора. В слабых промышленных инверторах фиксирующую обмотку кладут между витками первички ( в углублениях между диаметрами соседних витков первичной обмотки).

valvol.ru

Сварочный инвертор - резонансный мост с частотным регулированием на МК

Читать все новости ➔

Аппарат дуговой сварки должен обеспечивать падающую вольтамперную характеристику в нагрузке (дуге). В мостовых инверторах, как правило, падающая характеристика обеспе­чивается достаточно сложной электроникой с обязательной обратной связью по току. С точки зрения простоты управле­ния, на мой взгляд, наиболее привлекателен именно резо­нансный мост. В нем падающая характеристика источника сварочного тока обеспечивается параметрическими свойст­вами резонансной цепочки в первичной цепи инвертора.

Особенностью инвертора, который представлен в этой статье, является не только использование полного резонанс­ного моста, но и управление им с помощью микроконтрол­лера PIC16F628-20I/P.

Сразу заметим, что максимальный сварочный ток ин­вертора зависит от настройки. Его значение целиком опре­деляется шириной немагнитного зазора в магнитопроводе ре­зонансного дросселя. Для используемых в инверторе сило­вых элементов, при условии соблюдения их тепловых режи­мов, сварочный ток может достигать 200 А.

Принципиальная схема инвертора разделена на две час­ти. На рис.1 показана силовая часть, а на рис.2 - схема бло­ка питания с блоком управления. Классический мостовой сва­рочный инвертор состоит из выпрямителя сетевого напряже­ния с фильтрующими конденсаторами. Постоянное напряже­ние 300 В с помощью 4 ключей преобразуется в переменное более высокой частоты, которое с помощью сварочного транс­форматора понижается, а затем выпрямляется.

Рис. 1

Силовая часть

В резонансных преобразователях последовательно с пер­вичной обмоткой сварочного трансформатора Т1 включены ре­зонансный дроссель L1 и резонансный конденсатор С1-С10 (см. рис.1 на котором силовые цепи выделены жирными ли­ниями). Индуктивность последовательного контура состоит из индуктивности резонансного дросселя L1 и индуктивности пер­вичной обмотки трансформатора Т1. Вторичная обмотка Т1 на­гружена сварочной дугой. Если емкость С1-С10 и индуктив­ность L1 величины постоянные, то индуктивность первичной обмотки Т1 зависит от сопротивления нагрузки во вторичной обмотке, т.е. от сварочного тока. Максимальной индуктивнос­ти первичной обмотки Т1 соответствует режим «холостого хо­да» инвертора, а минимальной - режим короткого замыкания. Сопротивление нагрузки определяет также добротность конту­ра. Таким образом, резонансная частота контура минимальна в режиме «холостого хода» (при максимальной индуктивности первичной обмотки Т1) и максимальна в режиме короткого замыкания (при минимальной индуктивности первичной обмот­ки Т1). Когда нагрузкой инвертора служит сварочная дуга, ре­зонансная частота контура зависит от тока в дуге.

Из всего сказанного выше, очевидно, что частота инвер­тора при работе на максимальную мощность в дуге должна быть ниже собственной частоты резонансного контура инвер­тора в режиме короткого замыкания и выше ее в режиме «холостого хода». Оптимально, чтобы резонанс наступал на собственной частоте контура, при которой в дуге развивает­ся максимальная мощность (fМАКС. МОЩН.). Именно это яв­ляется основным критерием правильной настройки инверто­ра. Если в этом случае увеличивать частоту инвертора от­носительно fМАКС. МОЩН., ток в дуге уменьшается за счет увеличения индуктивного сопротивления резонансного дрос­селя L1. Так осуществляется частотное регулирование тока в сварочной дуге.

Резонанс в контуре инвертора при коротком замыкании и неправильной настройке инвертора возможен и на часто­те выше, чем fМАКС. МОЩН..

Заметим также, что резонанс недопустим в режиме ко­роткого замыкания для транзисторных ключей инвертора по причине возникновения сверхтока в первичной цепи. По­скольку режим короткого замыкания является штатным ре­жимом для сварочного аппарата, необходимо не допускать работу инвертора на частотах выше fМАКС. МОЩН. при корот­ком замыкании в сварочной цепи.

Для этого в данном инверторе микроконтроллером непре­рывно отслеживается факт короткого замыкания сварочных проводов с помощью специального детектора. При возникно­вении короткого замыкания микроконтроллер автоматически уменьшает частоту инвертора до ранее заданного значения fМАКС. МОЩН. - на этой частоте резонанс в коротком замыка­нии невозможен, что предотвращает протекание чрезмерного тока в первичной цепи и, соответственно, через ключи.

В силовой части (рис.1) R13 - пусковой резистор. Он ограничивает зарядный ток оксидных конденсаторов С16, С17 при включении аппарата. Диодный мост VD14-VD21 предназ­начен для выпрямления сетевого напряжения 220 В / 50 Гц, которое сглаживается конденсаторами С15-С17 и подается на выходной мост схемы, состоящий из 4 ключей на IGBT- транзисторах VT1-VT4.

Супрессоры VD3, VD9 и VD22 защищают ключи от вы­бросов напряжения. Резисторы R5, R6 разряжают резо­нансный конденсатор при выключении инвертора. Стабилитроны VD1, VD2, VD4, VD5 не допускают превышения на­пряжения на затворах клю­чей выше 18 В. Резисторы R1, R3, R7 и R9 ограничи­вают выходной ток драйве­ров в моменты заряда-раз­ряда затворных емкостей ключей. Резисторы R2, R4, R8, R10 обеспечивают на­дежное закрытие ключей в моменты, когда отсутствует питание драйверов.

Сварочный трансформа­тор Т1 с коэффициентом трансформации 6 понижает напряжение и обеспечивает гальваническую развязку вы­хода относительно сетевой части инвертора. Переменное напряжение с вторичной обмот­ки сварочного трансформатора выпрямляет­ся диодами VD6, VD7 и поступает через сва­рочные провода на электрод и сваривае­мые поверхности. Цепочки R11C13 и R12C14 служат для поглощения энергии выбросов об­ратного напряжения выходного выпрямите­ля. Для устойчивого горения дуги при малых токах, а также для облегчения ее зажига­ния предусмотрен удвоитель напряжения, со­бранный на элементах С11, С12, VD10-VD13, С19, С20 и L2. Резистор R14 служит нагруз­кой удвоителя. Супрессор VD8 защищает ди­оды выходного выпрямителя от выбросов об­ратного напряжения.

Блок питания

Построен по схеме обратноходового преобразователя на основе специализированной микросхемы DA6 TNY264 по типовой схеме (рис.2). Он обеспечивает питание драйве­ров, реле и микроконтроллерного блока управления. Элект­ропитание драйверов верхних ключей гальванически изоли­ровано от канала питания реле 24 В и канала питания ниж­них драйверов. Для питания микроконтроллера DD1 (5 В) при­менен параметрический стабилизатор DA7. Драйвера DA1-DA4 типа HCPL3120 предназначены для управления ключами VT1-VT4 и обеспечивают крутые фронты управляющих им­пульсов на затворах этих транзисторов.

Рис. 2

Детектор короткого замыкания собран на элементах R25, R27, R28, DA8, VD32, VD33, С38. При напряжении на сва­рочных проводах ниже 9 В (короткое замыкание) на входе RB4 контроллера DD1 появляется высокий логический уро­вень, а при напряжении более 9 В (короткого замыкания нет) на входе RB4 - низкий логический уровень.

В позиции DD1 использован широко распространенный микроконтроллер (МК) PIC16F628-20I/P в DIP-корпусе.

Работа инвертора

Как только запустится блок питания, начинает работать программа микроконтроллера. Спустя задержку примерно 5 с включится зуммер и начнет работать инвертор. Как только напряжение в сварочных проводах превысит 9 В, МК откро­ет ключ VT5, который включит реле К1, а контакты реле зашунтирует зарядный резистор R13. Зуммер также отключит­ся. С этого момента инвертор готов к работе. Частота рабо­ты инвертора будет определяться положением потенциомет­ра R18. Причем минимальной частоте (она же fМАКС. МОЩН.) соответствует максимальный сварочный ток, а максимальной частоте - минимальный ток. Частота изменяется ступенчато (дискретно). Используется всего 17 позиций. При вращении потенциометра R18 изменение частоты сопровождается ко­ротким звуковым сигналом зуммера. Таким образом, мож­но по звуку зуммера изменить частоту сварочного тока на нужное число позиций.

При коротком замыкании в сварочных проводах инвер­тор автоматически начинает работать на частоте fМАКС. МОЩН.,- Работа инвертора в режиме короткого замыкания сопро­вождается звуковым сигналом зуммера. Если короткое за­мыкание длится более 1 с, то работа инвертора блокирует­ся и спустя 3 с вновь возобновляется. Так реализована функ­ция антизалипания электрода.

При отсутствии короткого замыкания на вход RB4 подается низкий логический уровень, и частота инверто­ра определяется положением потенциометра R18.

Для защиты выходных ключей от перегрева исполь­зуются в качестве датчиков два термостата TS1 и TS2. Если произошло отключение хотя бы одного из термо­статов, то работа инвертора блокируется. Зуммер изда­ет прерывистый частый звуковой сигнал до остывания ра­диатора, на котором установлен сработавший термостат.

Конструкция и детали Резонансный дроссель L1 намотан на магнитопроводе ETD59, материал №87 фирмы EPCOS и содержит 12 вит­ков медного провода диаметром 2 мм в лаковой изоляции. Провод наматыва­ется с обязательным зазором между витками. Для обеспечения зазора мож­но использовать толстую нить. Для фик­сации обмотки нужно промазать витки эпоксидным клеем. Половинки магнитопровода стыкуются с немагнитным за­зором 1...2 мм. Более точное значение немагнитного зазора подбирается при настройке резонансной частоты. Во вре­мя работы инвертора магнитопровод ре­зонансного дросселя может сильно на­греваться. Это связано с насыщением феррита при работе в резонансе. Для обеспечения надежной фик­сации зазора магнитопровода его половинки должны стягиваться металлическими шпильками. При этом необ­ходимо обеспечить расстоя­ние от зазора до шпилек не менее 5 мм. Иначе рядом с зазором шпильки могут расплавиться. По этой же причине недопустимо стяги­вать дроссель сплошным ме­таллическим кожухом.

Трансформатор Т1 намо­тан на магнитопроводе Е65, материал №87 фирмы EPCOS. Сначала в один ряд мотают первичную обмотку - 18 витков медного провода диамет­ром 2 мм в лаковой изоляции. Поверх первичной обмотки мотают обмотки II и III. Каждая из них занимает половину каркаса. Обмотки II и III содержат по 3 витка в четыре мед­ных провода диаметром 2 мм. Половинки магнитопровода трансформатора стыкуют без зазора и надежно фиксируют.

Дроссель L2 содержит 20 витков монтажного провода сечением 1,5 мм2, намотанных на ферритовом кольце К28х16х9.

Трансформатор Т2 наматывают на феррите Ш5х5 с про­ницаемостью 2000 НМ. Половинки магнитопровода стыкуют с зазором 0,1...0,2 мм. Обмотка I содержит 180 витков про­вода ПЭВ-1 диаметром 0,2 мм. Обмотку II мотают в один ряд, содержит 47 витков такого же провода. Обмотки III, IV и V содержат по 33 витка провода ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм. Между обмотками нужно проложить 2 слоя изоляции (на­пример, малярный скотч). Фазировка подключения обмоток указана на рис.2.

Резонансные конденсаторы С1-С10 допустимо применять только качественные, пленочные на напряжение не менее 1000 В. Предпочтительнее использовать конденсаторы типа К78-2. Такого же типа должен быть блокирующий конденса­тор С15.

Блок питания в настройке не нуждается и при исправ­ных деталях начинает работать сразу. Необходимо только проконтролировать величины напряжений для питания драй­веров 16...17 В. При проверке блока питания на его вход­ные клеммы GND и +300 В можно подать сетевое напряже­ние 220 В. Таким же образом следует запитывать блок пи­тания при настройке резонансной частоты.

Во время работы инвертора все его силовые элементы нагреваются. От того, как грамотно обдуваются эти элемен­ты, будет зависеть время непрерывной работы аппарата и его долговечность. Радиаторы с большой площадью нужно предусмотреть для входного выпрямителя VD14-VD21, тран­зисторов VT1-VT4 и выходного выпрямителя VD6, VD7. При­нудительное воздушное охлаждение необходимо также резо­нансному дросселю L1, сварочному трансформатору Т1 и ди­одам удвоителя VD10-VD13. Защитные термостаты TS1 и TS2 типа KSD250V устанавливают на радиаторы верхних ключей и выходных диодов. Все остальные элементы инвертора в обдуве и радиаторах не нуждаются.

Настройка резонансной частоты

Для настройки инвертора необходим ЛАТР и нагрузоч­ный реостат сопротивлением 0,15 Ом. Реостат должен вы­держивать кратковременное протекание тока до 200 А. За­зор магнитопровода резонансного дросселя выставляют при­мерно 1 мм. Между контактами 3 и 4 оптопары DA8 уста­навливают перемычку. Устанавливают «прошитый» микро­контроллер в блок управления.

Блок питания при настройке следует запитать отдельно. Для этого, не включая аппарат в сеть, на провода GND и +300 В блока питания нужно подать сетевое напряжение 220 В.

Силовая часть пока обесточена. После включения питания спустя 5 с должен включиться зуммер, затем звук должен прекратиться, и включиться реле. Нажимаем одновременно обе кнопки SB1 и SB2. Удерживаем кнопки до появления звукового сигнала зуммера. Отпускаем кнопки. Непрерыв­ный звук прекратится, и зуммер начнет издавать прерывис­тый сигнал с периодом примерно 2 с. Это соответствует ре­жиму настройки резонансной частоты.

Если все так, то с помощью осциллографа контролируем наличие двуполярных импульсов между затворами транзис­торов VT2 и VT4 частотой 30 кГц амплитудой не менее 15 В и ступенькой «мертвого времени» 2 мкс. Такой же сигнал должен быть между затворами VT1 и VT3. Если все так, запитываем силовую часть через ЛАТР и выставляем напря­жение 20...30 В.

К сварочным проводам можно включить лампочку на 12 В. Если лампочка светится, включаем в сварочные провода ре­остат сопротивлением 0,15 Ом и вольтметр постоянного то­ка. Выставляем на ЛАТРе напряжение 30...40 В и начинаем настройку. Кнопкам SB1 и SB2 уменьшаем или увеличиваем частоту инвертора. Пределы изменения частоты 30...42 кГц. Подстраивая частоту кнопками, добиваемся максимального напряжения на реостате. Если напряжение продолжает уве­личиваться при уменьшении частоты до 30 кГц, то необходи­мо увеличить зазор в магнитопроводе резонансного дроссе­ля и повторить настройку снова. Если при увеличении час­тоты до 42 кГц напряжение на реостате продолжает расти, необходимо уменьшить зазор в магнитопроводе резонансно­го дросселя и повторить настройку снова.

Нужно добиться резонанса, т.е. настроить схему так, что­бы увеличение или уменьшение частоты инвертора приводи­ло бы к уменьшению напряжения на реостате. При указан­ных на схеме элементах предпочтительней всего добиться такого зазора в резонансном дросселе, чтобы резонанс с на­грузкой 0,15 Ом возникал на частоте 33...37 кГц. Резонанс на большей частоте увеличит максимальный сварочный ток, но ключи и выходные диоды будут работать на пределе.

Как только резонансная частота настроена, нажимаем обе кнопки одновременно. После продолжительного звуко­вого сигнала произойдет запись значения резонансной час­тоты в энергонезависимую память микроконтроллера. Вра­щая потенциометр R18, проверяем работу частотного регу­лирования. Минимальная частота должна быть равна резо­нансной. При вращении потенциометра изменение частоты должно сопровождаться коротким звуковым сигналом (всего 17 ступеней).

Если все происходит именно так, собираем полностью схему инвертора. Удаляем перемычку между контактами 3 и 4 оптопары DA8. Включаем инвертор в сеть. Через 5 с про­звучит сигнал зуммера, затем включится реле, и звук пре­кратиться. Потенциометром R18 выставляем минимальную частоту (она же fМАКС. МОЩН.), соответствующую максималь­ному току. Кратковременно нагружаем инвертор реостатом сопротивлением 0,15 Ом и измеряем напряжение в нагруз­ке. Если это напряжение превышает 23 В, то можно считать настройку завершенной. Если меньше, то следует увеличить зазор в магнитопроводе резонансного дросселя и повторить настройку сначала.

Автор: Руслан Липин, г. Хабаровск

Возможно, Вам это будет интересно:

meandr.org

fiksatyi

Материал прислал Трибун.

ФИКСАТЫЙ

Инверторный источник на однотранзисторном однотактном прямоходовым преобразователе (ОПП) с регенеративным снаббером.

Принципиальная схема источника.Принципиальная схема в формате Splan 6.0 А здесь => модель преобразователя в формате SwCad

Ну вот - доделал ОПП с реген. Работает как и ожидалось - ЛУЧШЕ ОБЫЧНОГО КОСОГО. После сборки пришлось добавить один диодик и перемотать рег. дроссель. На прогоне на 120 амперах (на балласт -ведро 5 л с нихромом) транзисторный радиатор (iglo 2420 с родным вентилятором) за 5 минут нагрелся с 20 до 43 градусов, такой-же диодный радиатор, обмотки транса и выходные провода (10мм2) нагрелись градусов до 60-70. Кратковременно пробовал 150А - работает нормально. Думаю если удвоить силовую часть, то запросто 200-240А можно выжать. Не смог заказать (не хватило времени) нормальных диодов - все работает на HER308. Верхние (в модели) по 5 шт впараллель, нижние по 2, D11 - один. Транс Ш20х28 2500НМС1 - 28/8. Дроссель рег.(L5) 18 витков на К28х16х9 с зазором 2мм (разломал и склеил через картон супером).

В процессе сборки

В предыдущий раз заполнение было маловато - погонял заново. Без крышки не обдувается дроссель, поэтому очень горячий, но транзистор греется меньше всего (120А, 26В, 5минут) - 52 градуса, на диодах примерно 70. Больше греть не стал - плавятся выходные провода (10мм2). При настройке случайно даже 160А накрутил (кратковременно) и ничего - работает. Начинается дачный сезон - погоняю по "полной программе". Вообще по теплу явный выигрыш есть.

В процессе сборки

Лень было снова все писать - нашел и скопировал старые сообщения. Позднее (в аппарате) заменил диоды на нормальные - HFA16PB120 (на схеме сверху стоят). Оба прикручены к небольшой медной пластине (греется слабо), которая служит "посадочным местом" для регенеративного дросселя.

Готовый аппарат

Транс примерно такой (долго вспоминал) 1 комплект 2500нмс1 ш20х28 1/2 I - 14 витков 17 шт. диам 0.45       II - 8 витков 48 шт. диам 0.45 1/2 I - 14 витков 17 шт. диам 0.45 сверху намотана фиксирующая обмотка 28 витков диам. 0.6 в два провода.

каждый слой для фиксации :-) пропитывался китайским суперклеем (жидкий - по 4р. за тюбик), всего ушло 10-12 тюбиков.

для хорошей изоляции вторичной обмотки использовался строительный (бумажный) скотч и прозрачная пленка для печати на лазерных принтерах (достаточно термостойкая). После сборки проверял киловольтным (другого под рукой небыло) мегаомметром - отклонения стрелки прибора не заметил.

зазор 2х0.05 мм - слюда частота 40 кГц

Дроссель из того что было "под рукой" - два комплекта рогатин с 14 витками, индуктивность не измерял.

В завершение платы в формате Sprint-Layout 4.0.

chernooleg

valvolodin.narod.ru

vgtmaster - Сварка

  Сварочный аппарат на одном силовом ключе

 

          Однотактный прямоходовый преобразователь с фиксирующей обмоткой. Принципиальная схема  преобразователя показана на рисунке 1. В данной топологии обмотка wl.2 не является размагничивающей, как в традиционной схеме однотактного прямоходового преобразователя с одним транзистором и размагничивающей обмоткой, а служит для перезаряда конденсатора С13 при включенном состоянии силового ключа. При закрытом силовом ключе энергия, накопленная в индуктивностях рассеивания и намагничивания в предыдущем такте, возвращается в конденсатор С13 и затем в источник питания. Если ёмкость этого конденсатора выбрана достаточно большой, среднее значение напряжения на «поперечном» конденсаторе С13 равно напряжению питания Vd, а напряжение на коллекторе силового ключа фиксировано на уровне 2Vd.

Посмотреть видио работы макета сварочного аппарата, размер файла 1,3Мгб

Однотактник  рис.1 

Преимущество данной топологии: - простота в конструкции - выходной каскад выполнен на одном транзисторе - выходная мощность может достигать от 2 до 5кВт   

Недостатки:- большие токи переключения- ощутимый  нагрев  силового ключа.

В настоящее ведётся работа по усовершенствованию сваросного аппарата на МК

Сварочный аппарат на микроконтроллере Atmega 8515

Схема принципиальная:

Сварочный аппарат на микроконтроллере Atmega 8515, это простое современное схемное решение, минимум радиоэлектронных компонентов, большие возможности в реализации всевозможных встроенных функций.

Плата управления в сборе.

Ток сварки минимальный 1А, установка сварочного тока и запись в EEprom осуществляется кнопками.

Ток сварки максимальный 160А.

 

Перегрев сварочного аппарата, на индикацию выводится значение температуры (например, 75 грд.) при которой дальнейшая работа запрещена и аппарат переходит в спящий режим (сварочный ток уменьшается до 1А). Температура на индикации указана условно и зависит от применяемого термореле.

 

Данное фото иллюстрирует на индикации ошибку (Err), данная ошибка появляется в том случае, когда происходит длительное (более 1сек.) короткое замыкание на выходе аппарата,  аппарат переходит в спящий  режим (сварочный ток уменьшается до 1А).

 

Резонансный сварочный аппарат

 

Инверторы, так же часто именуемое как импульсное оборудование - это современное направление в развитии сварочной техники на базе высокочастотных преобразователей (инверторов).

 

Преимущества использования инвертора:

 

• Уникальная точность параметров сварочного процесса, гарантирующая отличные характеристики сварочного шва.
• Качественное формирование сварочного шва, отсутствие разбрызгивания, значительно снижают затраты на механическую обработку сварочных швов и на 8-10% экономят сварочную проволоку и штучные электроды.
• Снижение энергопотребления в 1,5 - 2 раза, веса и габаритов в 5 - 8 раз в сравнении с классическим сварочным оборудованием.
• Широкий диапазон допустимых температур окружающей среды, позволяющей работать практически в любых климатических условиях.
• Оборудование имеет принудительное охлаждение и защиту от перегрузки.
• Высокий коэффициент полезного действия.

 

На базе инверторной технологии сейчас производится очень много различного вида оборудования для сварки, а также его комбинации. Для улучшения качества и комфорта сварочных работ, аппараты часто оснащаются схемами стабилизации, усиления поджига дуги, и защиты от очень низкого или высокого питающего напряжения.

 

Принцип работы инвертора основан на высокочастотном преобразовании входного напряжения сети. Поэтому вес трансформатора понижающего напряжение до сварочного, значительно меньше, чем при частоте 50Гц. Выходное напряжение имеет форму высокочастотных прямоугольных импульсов, что обеспечивает облегченный поджиг и форсирование дуги.

Схема принципиальная

Расположение основных элементов и узлов внутри корпуса

Выпрямитель 160А

Вид сзади

Силовой трансформатор

Дроссель резонансный

Осциллограмма резонанса.

Вид аппарата с переди.

Резонансный сварочный аппарат в сборе и готов к применению, вид с боку.

Краткие характеристики аппарата

Напряжение питания                            220В 50Гц

Мощность потребляемая от сети до                5кВт

Напряжение холостого хода                          100В

Напряжение на дуге                                18 - 28В

Минимальный сварочный ток                            5А

Максимальный сварочный ток при ПВ 100%   160А

Охлаждение                                принудительное

Встроенные функции:

Защита по току (при КЗ более 2сек аппарат отключается а при устранении КЗ восстанавливает работоспособность)

Защита по температуре.

Вес аппарата примерно 6кГ.

 

vgtmaster.ucoz.ru

Доработка сварочного инвертора: рекомендации

Инвертор в последние годы стал одним из самых популярных аппаратов для сварки. Именно он сейчас применяется многими профессионалами и простыми людьми. В некоторых случаях подобное оборудование приходится дорабатывать. Доработку сварочного трансформатора можно доверить и профессионалам, а можно и сделать все своими руками. Ведь именно к этому в основном и сводится вся работа. В сварочном инверторе очень важную роль играет трансформатор, который преобразует входящее напряжение, повышая его значение до необходимого уровня. Доработка сварочного инвертора с данной информацией превратится в самое настоящее удовольствие.

Схема устройства сварочного инвертора.

Если хорошо посмотреть на сварочный аппарат данного типа, то сразу бросается его простота. Система представляет собой простейший преобразователь напряжения. Первичная обмотка силового трансформатора достаточно проста. Она рассчитана на входное напряжение 220/400 Вольт.

Разумеется, имеется здесь тепловая защита от перегрева и вентилятор охлаждения. Все эти детали являются неотъемлемой частью инвертора. Именно здесь и кроется возможность доработки. В основном подобную схему имеют практически все инверторы. Стоит отметить, что они рассчитаны на работу не с самыми большими токами. Чаще всего значение этого параметра не превышает 200 Ампер. Модернизация схемы не всегда является необходимостью. В некоторых ситуациях этого делать не нужно, но в месте использования в обязательном порядке должно быть стабильное напряжение питания.

Предпосылки к модернизации

Таблица требуемых технических характеристик для сварочного инвертора.

Существует несколько основных предпосылок, которые заставляют людей переходить к доработке сварочного трансформатора. Во-первых, если данный агрегат используется в том месте, где нестабильно напряжение. Он рассчитан на стабильное потребление от 220 до 400 Вольт, но этого добиться можно не всегда. В некоторых случаях напряжение питания может падать куда ниже критической отметки. К примеру, если оно опустится до 170 Вольт, то велика вероятность того, что трансформатор не будет работать, а соответственно, и инвертор. Аппараты подобного типа не предназначены для художественной сварки. Они скорее могут использоваться для работы с крупногабаритными деталями. Если нужна художественная сварка, то придется также переходить к доработке сварочного трансформатора.

Подобный аппарат даже при номинальных значениях напряжения не всегда позволяет зажечь дугу. Выходной каскад трансформатора не всегда выдает нужное высокое его значение. Если говорить о пониженных значениях, то тут может случиться беда. Именно поэтому при возникновении подобных проблем можно смело переходить к доработке.

Вся работа в данном случае сводится к установке диодного моста для выпрямления тока, что позволит получить на выходе более стабильную дугу и приведет к увеличению значения выходного напряжения трансформатора, чтобы розжиг можно было производить даже при недостаточном питании. Это очень полезные решения, которые каждый человек может реализовать самостоятельно.

Процесс выполнения работы

Функциональные возможности сварочного инвертора.

Вся работа сводится к тому, что в схему добавляется перемычка, состоящая из выпрямительного моста с фильтром низкой частоты. В результате получается выпрямительное устройство, на выходе которого при холостом ходе получается значение удвоенного напряжения. Можно более подробно рассмотреть сам процесс работы схемы с перемычкой. Сначала полуволна напряжения поступает на первый вентиль, пройдя через который, она поступает на фильтр.

В результате выпрямленное напряжение поступает на обмотку трансформатора. Происходит полная зарядка конденсатора в схеме. Далее вторая полуволна поступает на второй диод, проходя через который, она поступает на второй конденсатор. Соответственно, он тоже заряжается до максимума.

В результате получается, что по схеме напряжения от обоих элементов складываются между собой, что приводит к удвоению значения этого параметра на выходе. Именно этого и нужно было добиться, чтобы трансформатор позволял без каких-либо затруднений производить розжиг дуги. Итак, можно считать, что первая проблема полностью решена.

Схема источника питания инверторного сварочного аппарата.

Стоит еще отметить тот факт, что третий и четвертый выпрямители при отсутствии нагрузки в схеме никак не работают, то есть они не участвуют в рабочем процессе. Измененная схема выпрямительного моста позволяет сохранить стабильные показатели напряжения на выходе, в то время как стандартная принципиалка не позволяет работать с максимальным качеством дуги.

Это связано с тем, что при касании электрода рабочей поверхности происходит резкий разряд конденсатора, а это приводит к микровзрыву. В подобной ситуации не стоит рассчитывать на качественное сваривание поверхностей. Итак, модифицированный мост позволит получить на выходе действительно потрясающий результат. Он позволяет работать уже не только с толстыми металлами, но и выполнять ювелирную работу.

Несколько слов о самих деталях

Схема дросселя сварочного инвертора.

Теперь стоит поговорить о том, какие детали необходимо включить в схему, чтобы на выходе получить весьма неплохой результат. Ничего сверхъестественного использоваться не будет. Все детали можно без каких-либо проблем приобрести в специализированных магазинах.

Что касается выпрямительных диодов, то лучше всего использовать модель Д161 со стандартными радиаторами охлаждения, которые на них устанавливаются. Можно составить смешанную схему, в которой будут использоваться выпрямители предыдущей марки, а также модели В200. В этой ситуации устройство получается более компактным, так как радиаторы у каждой модели имеют различные габариты. Их проще соединить с помощью специальной шпильки.

В качестве конденсаторов можно использовать практически любые модели этих элементов, но лучше перестраховать себя и установить МБГО, которые не имеют полярности.

Для стабильной работы аппарата придется подбирать емкость каждого элемента.

Для этого используется либо метод тыка, либо математика. В большинстве случаев можно обойтись 400 мкФ.

Токовый дроссель наматывается на сердечник трансформатора. Для этого должен использоваться достаточно крупный провод. В большинстве случаев можно обойтись шнурком диаметром 10 квадратных миллиметров. Мотать нужно до тех пор, пока окно не заполнится. В результате должно получиться пространство без каких-либо щелей. Между половинами сердечника стоит уложить текстолит. Он используется в качестве изолятора.

В результате получается инвертор со стабильными показателями работы дуги и со стабильным розжигом. Этого и стоило добиваться.

Повышение экономичности: рекомендации

Схема работы сварочного инвертора.

Сварочный инвертор — это весьма мощный агрегат, который потребляет огромное количество электроэнергии. Разумеется, с этим явлением можно бороться различными методами. Один из них будет предложен прямо сейчас. Трансформатор в значительной степени влияет на подсадку напряжения в сети. Если работы будут вестись постоянно, то можно быть уверенными, что свет дома будет гореть слабо. Это приводит к дискомфорту всех окружающих. Нужно искать правильный выход из ситуации.

Сам процесс понижения напряжения предельно прост. Придется внедрить еще одну доработку в сварочный инвертор. Делается дополнительный вывод со вторичной обмотки, то есть уменьшается количество ее витков. Разумеется, каждый может начать спорить, ведь значительно ухудшится качество горения при этом, но на самом деле здесь также имеется одна хитрость, которая позволит сохранить стабильное горение дуги.

Нужно сделать плавным входящее напряжение, то есть у него полностью должны отсутствовать какие-либо скачки. Для этого используются, разумеется, конденсаторы. В подобной ситуации достаточно одного мощного устройства, которое будет сделано из бумаги. Его емкость должна при этом составлять приблизительно 15 тысяч мкФ. Этого будет вполне достаточно. Разумеется, для каждого конкретного аппарата это значение может изменяться, но в большинстве случаев оно варьируется от 10 до 18 тысяч мкФ. На это и стоит ориентироваться.

Итак, теперь каждый читатель знает о том, как можно доработать сварочный инвертор, чтобы на выходе иметь оптимальную дугу, которая позволит работать даже с самыми прихотливыми и тонкими материалами.

moyasvarka.ru

однофазный инвертор СВАРОГ в трехфазный . Ч.1.

Сварог TIG 200P AC/DC

Пришлось мне приводить в порядок старый дом в деревне. Без сварки мужику – сами знаете что. Фаза на краю деревни проваливалась на обычном сварочном трансформаторе так, что соседи приходили и в с держанном тоне предупреждали «по-хорошему».Купил себе цацу TIG 200P AC_DC… точнее сначала был TIG 160 AC_DC, но его вынесли быстро вместе с линолеумом, поэтому о нем не будем…Вот, соседи рады, я счастлив, т.к. от 40 до 90 ампер на тройку электрод и на TIG нержавейку – вполне достаточно. Вместе с новой проводкой в доме, договорился с энергосетями на подключение 3-х фаз – стало вообще кошерно, рейсмусовый станочек и все-такое… вах!

Сварочный инвертор Сварог фото внутри

Однако, пришла нужда пару раз поварить алюминий…. тут то мне и взгрустнулось. Ток больше 90 А выкачать из одной деревенской фазы TIG 200P AC_DC ну никак не мог. Трещала защита, моргал свет,ИБП на ОГВ после безуспешных попыток осознать, что происходит с фазой уходил в аут и реанимировался лишь после полного ВКЛ\ВЫКЛ. Пришлось побороть свою лень и включить мозк насчет того, можно ли из трех фаз взять понемножку, чтобы моему сварАппу хватило на рубашку (замечу, что гугл побрезговал мне помочь в этой теме)…

Итак, вскрытие пациента:

Ответственно, без личных эмоций, можно сказать что китайские модули собраны вполне прилично. Детали стоят ровно, платы покрыты лаком, полноценные радиаторы, практически все винты\болтики затянуты и маркированы красным лаком, провода зацеплены жгутами, спрятаны где необходимо в негорючие презервативы , честные медные шины на больших токах, т.е, если не знать что папа китаец — то выглядит пациент нормальным человеком. Сразу, чтобы делать операцию без осложнений – разгоняем кистью пауков и сдуваем пыль легочным компрессором…

Фото сварочный инвертор Сварог внутри: 1- блок импульсных трансформаторов и 2-Силовые транзисторы

Обращаем внимание на стандартную, для заявленных ТТХ, комплектацию модулей – то бишь, приличный сетевой фильтр импульсных помех (платка сзади внизу где входит провод 220v) дальше на переключатель ВКЛ\ВЫКЛ, после него провода идут на плату с релюшкой, которая с небольшой задержкой подает переменку на силовые выпрямительные диоды (две шоколадки в каждой по два независимых диода видимо) батарея конденсаторов на 400v, и с них выпрямленное и выглаженное питание идет на блок импульсных трансформаторов (1) спрятанных между радиаторами в левом модуле на фото. Правый модуль, по ходу дела, занимается импульсами тока и деланием его из постоянного снова в переменное когда это необходимо.Дальше – лень разбираться, потому как нам нужно препарировать лишь часть схемы, которая до батареи конденсаторов.Почти сразу нашел начавший обгорать болт (2) к которому прикручена медная шина, идущая на правый модуль.Здесь на фото уже после восстановления новая гайка, затянутая на разогретую паяльником снизу шину, заодно плата снизу была к шине еще и припаяна.Силовые транзисторы (3) кучей аккуратно придавлены к массивным радиаторам — лепота.

На следующем фото видны друг за другом два одинаковых разъема (5), в каждом по четыре параллельно провода желтых – это два переменных конца на полнопериодный диодный выпрямитель из двух шоколадок (4).Пара пар красных проводов – это плюс с выпрямительного моста и пара пар черных — это минус.

Фото сварочный инвертор Сварог внутри: 4- диодный выпрямитель, 5- разъемы, 6-батарея конденсаторов

Если померить напряжение между красными и черными к ним еще подключена батарея конденсаторов (6), то с одной фазы набегает примерно 240-260v постоянки.Откручиваем со своей стороны пару гаек и приподымаем плату (7).

Фото сварочный аппарат внутри

Да, верно, к желтым идет переменка, а выпрямленный плюс и минус уходит на конденсаторы.Сюда бы нам и прилепить свой плюс и минус с выпрямленных трех фаз! Кстати, (12) это как раз восстановленный и пропаянный обгоревший контакт о котором говорилось выше.Красный провод (9) переменка приходит с выключателя ВКЛ/ВЫКЛ, вместе с ним жгутом перетянут провод черный.Это второй провод переменки и он тоже идет в плату, НО, видите за ним белую релюшку?Она срабатывает чуть позже включения питания сварАппа и подает силовую переменку с черного провода на 4 желтых в разъеме и дальше на выпрямитель….Возьмем этот момент на заметку!В белом презервативе (8) видим два красных провода, идущих на выключатель ВКЛ/ВЫКЛ.Это 220v которые вы включаете в розетку.Начало этого провода (11) мы видим выходящим из платы ВЧ сетевого фильтра (вон там за 11 виден его дроссель).Обратите внимание на черный варистор (10).Ниже красный овальчик, в нем едва заметная дорожка на плате, она позже будет перерезана и освобожденный контакт перемычкой будет перепаян чуть в сторону.Фотка будет ниже… плинн, я один вижу тюльпанчики или еще кто?!Резюмируем — осмотр пациента внушает надежду на положительный исход от вживления трансплантатов и расширение возможностей функционала.Можно планировать хирургическое вмешательство.

Теперь прикидываем «что и как».

Как выпрямить 3 фазы и вообще, что это такое. Снова google дает картинки в которых только гуру разберутся, звезды да треугольники, да действующие напряжения, мы и слов таких не знаем… сейчас сам нарисую, чтобы «все ежики» поняли…. Вот, смотрите кто еще не в теме, все очень просто, как два пальца.

Теперь, кратенький ассоциативный ряд:Представим, что слева три тестера есть квартиры на одной лестничной площадке. В общем стояке проходят три провода «трехфазного напряжения 360в» (обозначены L1, L2, L3 разными цветами) и четвертый, общий\земляной\нулевой провод (в особенности не вдаемся).До нулевого провода (NULL) можно дотронуться рукой, он прикручен к раме\дверце металлической крышки общего щитка на лестничной площадке, и он один\общий не только на вашем этаже, но и для всех во всем доме…. И даже в вашей розетке один из двух контактов есть именно этот нулевой провод. На рисунке он обозначен черным цветом и общий для трех левых тестеров.Так вот, если померить напряжение между проводом NULL и любым из L1, L2, L3 то тестеры покажут 220в. И именно так, во все три квартиры на лестничной площадке разведены один из L1, L2, L3 и один общий NULL. НИКАКИХ 360в там нет!, вроде бы….На каждой фазе (L1, L2, L3) относительно NULL, в форме синусоиды с размахом в плюс и в минус присутствует ЭДС, которая напрягает\давит электроны, заставляя их двигаться «туда-сюда», если цепь от фазы замкнется на NULL через какую либо нагрузку. Эта ЭДС, среди обывателей обзывается «напряжением» и условно обмеряется Вольтами. Для нас она в сети есть 220в. Итого, в розетку каждой квартиры приходит один NULL и одна фаза Lх, на которой, то в одну, то в обратную сторону появляется давление на электроны силой\напряжением 220в.

САМОЕ ЗАГАДОЧНОЕ в «3-х фазном» — где же 360 вольт?Дело в том, что синусоиды на L1, L, и L3 (смотрите изображение в предыдущей части) сдвинуты друг от друга по форме напряжения на 120 градусов , и если до сих пор мы замеряли напряжение на фазе относительно NULL провода, то замер напряжения одной фазы относительно другой преподнесет нам сюрприз – посмотрите на четвертый тестер внизу картинки. Если провести на графике линию в какой-либо момент времени, то можно сразу понять – «так вот они какие! 360в» Я точками отметил что показывает тестер, измеряющий напряжение между L1 и L2.Теперь нам становиться понятно и явление, когда в нашем доме из-за электрика, который перепутал провода, горят холодильники и телевизоры.Просто вместо NULL электрик пробросил соседнюю фазу и в розетке случилось двухфазное напряжение, которое после выпрямления в бытовом приборе дает вместо 250в на конденсаторах блоков питания все 400в с хвостиком, что в свою очереди разрывает электролитические конденсаторы, которые не рассчитаны на такое издевательство. В холодильнике и в лампочке, после непродолжительной борьбы сгорают обмотки и спиральки.Однако, не торопитесь обвинять электрика.Гораздо чаще, проблема носит техногенный характер. Где-то в сплетениях силовых проводов на подстанции рядом с вашим домом, а может даже в общем стояке, крыса или просто эрозия изоляционной обмотки на какой-либо фазе, замыкает фазу на NULL. ЭДС радостно разгоняет электроны по образовавшейся цепи в глубину нашей планеты, намертво сваривая место контакта. Через некоторое время, если у ЭДС хватает силы, NULLевой провод в сторону ядра планеты разогревается и переплавляется…. цепь в землю размыкается и… вуаля!Через место сварки фазы с проводом NULL, который в направлении земли отгорел, а в направлении квартир остался цел (туда тока почти не было), мы получаем в розетке ДВЕ фазы! Последствия вам уже известны.Повезет только тем, кто висел на той же фазе, которая приварилась к NULL. У них просто все выключится без последствий (несмотря на то, что на обеих контактах розеток будет телепаться одна и та же фаза, и если за нее взяться рукой, то будет очень неприятно!).Есть еще третий вариант последствий, просто с «отгоранием нулевого провода» и «перекосом фаз из-за разности нагрузок», но он чуть сложнее в понимании и не будем в него вдаваться.

Итак, теперь после теории, приступаем к практике.С правой стороны рисунка с тестерами, показаны сравнительные результаты выпрямления 3-х фаз по схеме Миткевича (именно ее мы будем пользовать по ряду причин) И выпрямленное напряжение однофазное по полномостовой схеме, которая применяется в нашем сварАппе. Схематически такой выпрямитель справа.Что можно сказать о них?Первое, что трехфазный выпрямитель в отличии от однофазного дает пульсации 150Гц вместо 100Гц, и это хорошо для нас, т.к. силовая емкостная батарея заряжается на 50 раз в с екунду чаще (кстати, и служить будет дольше).Второе, нагрузка от сварАппа разделяется на три части, что уменьшает просаживание линий, и это тоже дает нам выигрыш.Третье, самое интересное – это закрашенная площадь действующего напряжения.В выпрямленной однофазной схеме есть полный провал до нуля, а в трехфазной схеме его вообще нет.Из-за такого расклада, емкости сварАппа заряжаются минимум в 1,3 раза эффективнее, а реально — эффективность будет еще выше!Теперь, мы знаем, что при самом пессимистическом прогнозе, мы сможем поднять, в моем случае, допустимый сварочный ток с 90А до 120А. И это уже приятно.

Продолжение читайте в «Апгрейд: однофазный инвертор СВАРОГ в трехфазный. Ч.2»

svarka-master.ru

Cварочный аппарат на основе резонансного инвертора

В данной статье представляется новое поколение электронных источников сварочного тока (ИСТ), включающих в себя инверторы с «мягким» режимом коммутации, работающие на высокочастотных трансформаторах. Подобные инверторы имеют малый вес, надежны, гибкие в эксплуатации, обеспечивают хорошую эффективность, высокую скорость реакции и надежность управления. Примененный алгоритм управления инвертором позволяет обеспечить корректную работу при любом состоянии нагрузки и источника питания, малые потери в режиме холостого хода и автоматическое восстановление рабочего состояния после аварии по питающей сети. Представляется также прототип промышленного источника сварочного тока, имеющего напряжение холостого хода 80В, максимальный сварочный ток – 130А при частоте коммутации 80 кГц. От современных ИСТ требуются малый вес, надежность, безопасность, дешевизна и гибкость в эксплуатации. Качество сварки должно быть обеспечено независимо от используемых материалов и параметров окружающей среды ( температура, влажность и т.д.). Более того, электрод должен быть предохранен от протекания по нему какого-либо тока в нерабочем режиме. Для выполнения указанных требований важно обеспечить: широкий диапазон регулирования сварочного тока, а это, обычно, 3% - 100% от максимального значения, что нужно для увеличения гибкости и возможностей оборудования; высокую эффективность для исключения принудительного охлаждения; высокую частоту коммутации для минимизации веса ИСТ; достаточно высокий коэффициент мощности, что необходимо для получения максимальной мощности от питающей сети с учетом существующих стандартов; автоматическую адаптацию под различные условия работы, быстроту реакции на изменения нагрузки и устойчивость к аварийным режимам. Эти требования могут быть выполнены только с использованием высокочастотных инвертеров с «мягкой» коммутацией. В рамках описанного подхода, в данной работе представляется решение на базе резонансного инвертора на MOSFET, работающего выше частоты резонанса силового контура, включающего ВЧ-трансформатор и нагрузку. Это решение, минимизирующее токи обратного восстановления и коммутационные потери диодов, позволяет использовать высокие частоты переключения транзисторов инвертора при малых коммутационных перегрузках и при высокой эффективности преобразователя. Более того, достигается высокая степень использования магнитопровода трансформатора и естественное ограничение инвертером тока короткого замыкания. СХЕМОТЕХНИКА И РАБОТА ИНВЕРТОРА Топология инвертора показана на Рис.1. На показанной схеме можно выделить несколько функциональных блоков (частей).

Рис.1 Топология резонансного инвертора

Входная часть: включает в себя неуправляемый выпрямитель и конденсатор фильтра Cd (напряжение +300В питания инвертора). Емкость этого конденсатора рассчитывается обычно так, чтобы при полной нагрузке обеспечить пульсации напряжения на Cd 25% - 30%. Это делается для увеличения времени, в течение которого диоды первичного выпрямителя находятся в проводящем состоянии. Это приводит к увеличению величины коэффициента мощности, но приводит к необходимости уменьшать коэффициент трансформации N ВЧ-трансформатора (N=w1/w2), что в свою очередь приводит к росту тока первичной обмотки и ключевых транзисторов. Разумеется, вместо подобного выпрямителя возможно использования активного корректора коэффициента мощности, но такое решение приводит к неприемлемому росту стоимости устройства. Инвертер: при нормальных условиях работы, полумостовой инвертер работает на тактовой частоте выше частоты резонанса контура, поэтому полное сопротивление контура имеет индуктивный характер. Причем ток контура отстает по фазе от напряжения на выходе инвертора. Это обеспечивает «мягкое» переключение body-диодов MOSFET транзисторов и, следовательно, малые токи обратного восстановления и коммутационные потери. Поэтому медленные body-диоды полевых транзисторов могут использоваться в качестве D1 и D2 даже на высоких частотах. Так как коммутация транзисторов происходит при нулевом напряжении «сток-исток», то потери при включении очень малы. Потери при выключении в принципе малы из-за индуктивного характера нагрузки инвертора. Однако, все эти коммутационные потери могут быть еще уменьшены за счет применения соответствующих снабберных цепей, устанавливаемых между стоком и истоком ключевых транзисторов. Резонансный контур: Как видно из Рис.1, используется резонансный контур LCС – типа, то есть состоящий из индуктора Lr и «расщепленной» емкости, в которую входит Cp параллельно обмотке трансформатора) и конденсатор Cs (состоит из двух одинаковых конденсаторов Cs/2, включенных параллельно по переменному току). У этой топологии есть несколько преимуществ по сравнению с обычными резонансными конвертерами, как с последовательным резонансом (SRC: первичная обмотка включена последовательно с резонансным контуром), так и с параллельным резонансом (PRC: первичная обмотка включена параллельно с конденсатором резонансного контура). Предлагаемая топология более селективна, она обеспечивает более широкий диапазон регулировки тока нагрузки для данного диапазона изменения тактовой частоты инвертора. Более того, при правильном выборе компонент резонансного контура возможно сохранить некоторые положительные свойства и SRC (ограничение тока короткого замыкания) и PRC (управляемость и регулируемость при отсутствии нагрузки), при этом слабые места «обычных» резонансных топологий могут быть преодолены: ограниченный диапазон регулирования для SRC, потери при работе на холостом ходе и возможность насыщения трансформатора для PRC. В частности: 1. при максимальной нагрузке поведение резонансной части схемы определяется индуктором Lr и емкостью Cs, так как Cp зашунтирована малым импедансом нагрузки. Аналогичная ситуация наблюдается для SRC; 2. на холостом ходе резонансный ток мал, но не нулевой (течет через Cp). Таким образом не нарушается управляемость инвертора в отличие от SRC, а ключевые потери малы, в отличие от PRC; 3. при коротком замыкании, что является нормальным режимом для ИСТ, ток через резонансный контур ограничен импедансом Lr и Cs, величину тока короткого замыкания легко удерживать на необходимом уровне подстройкой тактовой частоты инвертора. Трансформатор: предложенная топология оптимизирует использование трансформатора по нескольким причинам. Во-первых, передача максимальной мощности в нагрузку происходит при минимальной частоте инвертора, в то время, как более высокие тактовые частоты требуются только при малых нагрузках. Во-вторых, из-за наличия последовательно с первичной обмоткой конденсатора отсутствует постоянная составляющая индукции в магнитопроводе трансформатора, поэтому возможно максимально использовать сердечник при его перемагничивании. В-третьих, форма тока и напряжения на обмотках – синусоидальная, что обеспечивает малые потери и нагрузку на трансформатор. В-четвертых, паразитные реактивности трансформатора не влияют на работу инвертора (складываются с реактивностями резонансного контура), что упрощает разработку трансформатора. Выходная часть: диоды выходного выпрямителя работают на высокой частоте, но благодаря синусоидальной форме, напряжение на диодах нарастает медленно после их выключения. Таким образом, потери на восстановление ограничены. Емкость конденсатора выходного фильтра C0 обычно очень маленькая, этот конденсатор нужен лишь для подавления помех, возникающих при горении дуги из-за индуктивности подводящих проводов к держателю электрода. Нагрузка: напряжение холостого хода определяется типом электрода, а сварочный ток определяет скорость плавления электрода.

РАБОТА ИНВЕРТОРА И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

Рис.2 Эквивалентная схема LCC-инвертора

Для анализа работы инвертора в установившемся режиме обратимся к схеме на Рис.2, где все переменные будем считать синусоидальными, а выходная часть схемы представлена эквивалентным сопротивлением RE, включенным последовательно с источником напряжения ue. Здесь же инвертер будет представлен просто источником напряжения ui, которое соответствует основной гармонике (to the fundamental components of actual inverter voltadge) на тактовой частоте Fsw. Пусть Ud – напряжение питания инвертора, а Ui – среднеквадратичное (эффективное) значение величины ui, тогда: Можно видеть, что U0 равно выпрямленному напряжению вторичной обмотки трансформатора. Более того, в установившемся режиме, U0 равно постоянной составляющей напряжения на нагрузке. В случае электрической дуги, нагрузку можно представить в виде источника напряжения с постоянным напряжением UL (десятки вольт) последовательно с резистором RL (десятки миллиом). Такая схема замещения дуги экспериментально подтверждена. Соответственно, мы считаем, что: Где N = N1/N2 – коэффициент трансформации, Up - эффективное значение up-напряжения на первичной обмотке. Отметим, что пульсации тока нагрузки IL считаются равными нулю. Фактически, при низком напряжении на нагрузке (десятки вольт) и высокой частоте коммутации (порядка 100кГц) малая индуктивность подводящих к электроду проводов (десятки микрогенри) достаточна для обеспечения фильтрации тока нагрузки. Таким образом, ток первичной обмотки i1 имеет прямоугольную (rectangular) форму с амплитудой IL/N и его основная гармоника (fundamental component) равна: поскольку в уравнениях, приведенных выше, UE по фазе совпадает с I1, мы можем представить нагрузку в виде единственного эквивалентного резистора RT, определенного следующим образом: Легко убедиться, что оба представления нагрузки удовлетворяют условию баланса мощьности. Короткое замыкание нагрузки: при этих условиях собственная резонансная частота контура становится: При этом регулировка выходного тока инвертора в режиме «к.з.» осуществляется изменением тактовой частоты в соответствие с выражением: Амплитуда резонансного тока описывается выражениями, подобными (5d) и (5e). Эти уравнения показывают, что для того, чтобы избежать существенных вариаций тактовой частоты при работе инвертора на реальную нагрузку емкость конденсатора Cp должна быть достаточно большой. С другой стороны, увеличение Cp приводит к увеличению тока в контуре на холостом ходе, что приводит к нежелательным потерям на холостом ходе. Следовательно, выбор номинала Cp необходимо производить на основе компромисса. Максимальная нагрузка: в этих условиях импедансом Cp можно пренебречь. Тогда: Коэффициент передачи инвертора: в общем случае коэффициент передачи может быть рассчитан в соответствие с выражением: где Zp – импеданс параллельных Cp и RT, ZS – импеданс последовательных LS и CS (величиной RS обычно можно пренебречь). На Рис. 3 показана зависимость коэффициента передачи инвертора в соответствие с выражениями, приведенными выше, от частоты. Q-фактор при коротком замыкании нагрузки определяется как: Соответственно, низкой величине Q соответствует большое значение RT, то есть при отсутствии нагрузки выходное напряжение становится максимальным. При больших значениях Q-фактора, то есть при коротком замыкании, выходное напряжение падает.

Рис.3 Коэффициент передачи инвертора по переменному току при разных Q

Рис.4 Блок схема управления инвертером

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРОМ Блок схема инвертора показана на Рис.4 и включает в себя несколько функциональных узлов, необходимых для обеспечения корректного поведения ИСТ во всех режимах. Данный алгоритм управления может быть реализован с помощью простой схемотехники и адаптирован к любым параметрам конкретной схемы инвертора, источнику питания и параметрам нагрузки. Рассмотрим работу схемы управления инвертора. Регулирование по току нагрузки: ток нагрузки измеряется с помощью трансформатора тока, включенного во вторичную обмотку силового трансформатора. Хотя более удобной с практической точки зрения является установка трансформатора тока в первичную цепь трансформатора, но измерение тока нагрузки в первичной цепи не возможно, т.к. это повлияет на точность измерения тока нагрузки. Сигнал с трансформатора тока выпрямляется, фильтруется и сравнивается с опорным значением Iref . Затем сигнал ошибки подается на пропоционально-интегральный усилитель (PI amplifier), который своим выходным напряжением управляет частотой задающего генератора (VCO). Среди различных возможным вариантов непосредственное управление частотой было выбрано по причине своей простоты, с учетом того, что в нашем случае динамические характеристики не критичны и стабильность может быть получена за счет ограничения полосы пропускания петли обратной связи по току нагрузки. При таком алгоритме управления если сопротивление нагрузки уменьшается, ток контура стремится возрасти и система отвечает повышением тактовой частоты. Это приводит к уменьшению коэффициента передачи инвертора (см. Рис.3), что компенсирует изменения величины сопротивления нагрузки и поддерживает ток нагрузки в соответствии с Iref. Аналогично система ведет себя при увеличении сопротивления нагрузки: тактовая частота снижается, что приводит к увеличению коэффициента передачи инвертора по переменному току. Ограничение тактовой частоты инвертора: достигается ограничением максимального и минимального значения усиленного сигнала ошибки VF. В частности, в предложенной схеме VFmax соответствует fmin и VFmin соответствует fmax. Минимальный ток нагрузки: величина максимальной тактовой частоты fmax определяет уровень минимального тока нагрузки и должна быть выбрана с учетом возможностей примененных ключевых элементов. Так как fmax связана с частотой fnl (no load) и с величиной Q-фактора Qnl, то необходимо очень внимательно отнестись к выбору fmax при расчете параметров резонансного контура. Автоматический выход преобразователя из аварийного режима: ограничение тактовой частоты минимальным значением fmin полезно и, теоретически, позволяет избежать заход инвертора на частоты ниже резонансной частоты контура, где управление инвертером становится неустойчивым. Но, фактически, при работе преобразователя на тактовой частоте, меньшей, чем резонансная частота контура, дальнейшее снижение тактовой частоты приводит к уменьшению тока, что приводит к увеличению сигнала ошибки по току, что приводит к еще большему уменьшению тактовой частоты схемой управления. На практике (см. Рис.3) нет простого способа избежать «захода» инвертора в область ниже частоты собственного резонанса контура только «правильным» выбором fmin. Реально, резонансная частота fnl на холостом ходе может быть выше частоты fn при максимальной (rated) нагрузке. Отключение нагрузки может по этой причине «загнать» систему ниже собственной резонансной частоты контура. Действительно, в нашей схеме управления fmin установлена ниже частоты резонанса, что служит несколько иной цели: это позволяет реализовать автоматическое восстановление работоспособного состояния инвертора, независимо от причин, повлекших потерю управления. Предположим, что из-за неожиданной просадки напряжения питания, инвертер не может обеспечить заданный ток в нагрузке. Система управления отвечает снижением тактовой частоты, которая «падает» ниже собственного резонанса контура. Инвертер оказывается в зоне неустойчивой работы и его тактовая частота снижается до fmin. После этого интегратор ПИ-усилителя ошибки сбрасывается в исходное состояние (reset) сигналом, поступившим от блока ограничения (Limiter block) и напряжение ошибки VF cпадает до значения VFmin, соответствующее частоте fmax. После этого тактовая частота инвертора быстро возвращается в область частот выше резонанса контура и нормальное управление восстанавливается, инвертер становится способен адекватно отрабатывать изменения нагрузки. В противном случае весь процесс повторяется до тех пор, пока не будет устранена причина аварийного поведения схемы управления. Исключение возможности работы инвертора ниже частоты собственного резонанса: чтобы исключить такой режим работы производится отслеживание фазового сдвига между прямоугольным сигналом с выхода задающего генератора, управляемого напряжением (VCO), который управляет работой ключевых транзисторов, и током вторичной обмотки трансформатора. Когда фаза этих сигналов приближается к нулю (состояние резонанса), фазовый детектор (Phase Detector) и блок подстройки опорного сигнала (RefeRence Adjustment Block) вырабатывают ступенчатый сигнал, который временно уменьшает величину опорного сигнала тока нагрузки Iref. Таким образом, ток нагрузки снижается, а частота коммутации увеличивается до тех пор, пока не закончится переходный период. Теоретически, ток резонансного контура iR на первичной стороне трансформатора мог бы быть измерен вместо тока во вторичной обмотке i2 для детектирования приближения тактовой частоты к резонансу. На практике, приближение тактовой частоты к резонансу происходит при максимальной мощности в нагрузке, когда токи текут через емкость Cp и током намагничивания трансформатора можно пренебречь. Тем не менее, измерение тока во вторичной цепи является более корректным. Ограничение выходного напряжения: для обеспечения корректной работы инвертора в качестве ИСТ и в соответствии со стандартами безопасности выходное напряжение в режиме холостого хода должно быть в пределах 60 – 80В. Для этого применен принцип “bang-bang” управления выходным напряжением u0: при возрастании выходного напряжения выше допустимого уровня инвертер останавливается сигналом с блока запрета (Enable block). После снижения напряжения на выходе (используется компаратор с гистерезисом) сигнал запрета снимается, и инвертер снова запускается. Работа инвертора в «спящем» режиме (standby mode): если ток нагрузки равен нулю, то система переходит в ждущий («спящий») режим. Инвертер находится в выключенном состоянии, но периодически запускается на несколько периодов тактовой частоты для контроля наличия или отсутствия тока нагрузки. Сигнал запуска повторяется с периодичностью единицы герц, поэтому потребляемая мощность в этом режиме очень мала. Предотвращение замыкания электрода: при замыкании электрода возникает режим короткого замыкания, что детектируется датчиком напряжения на нагрузке. Быстрый рост тока нагрузки на 20-30% приводит к плавлению в области сваривания детали и отключению электрода. Поэтому реакция на такие резкие изменения тока нагрузки должна быть достаточно быстрой со стороны схемы управления и полоса пропускания по цепи обратной связи по току должна составлять порядка 1кГц. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОЙ ЧАСТИ РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА Этот раздел представляет упрощенную процедуру расчета для предварительной разработки инвертора. Конденсатор входного фильтра питания: как уже говорилось, номинал этого конденсатора выбирается на основе компромисса между необходимостью получения достаточного коэффициента мощности с одной стороны и разумным уровнем переменной составляющей напряжения (пульсации) на конденсаторе, с другой. Для выбора емкости Cd используется диаграмма, приведенная на Рис.5, на котором показана зависимость коэффициента мощности, напряжения пульсаций ud от параметра w:

Рис.5

Тоесть связь между пиковой энергии, запасаемой конденсатором (Us – амплитудное значение напряжения питания) и энергией, передаваемой в нагрузку с максимальной мощностью PLn при периоде сетевой частоты TS. где LS – индуктивность в цепи питания, если таковая имеется. Рабочая частота инвертора: рабочая частота fr определяется как входной параметр при разработке устройства. Она выбирается исходя из имеющейся элементой базы по ключевым приборам, с учетом требований к массо-габаритным параметрам, КПД, стоимости. Коэффициент трансформации силового трансформатора: выбирается таким образом, чтобы на выходе инвертора обеспечивалось требуемое напряжение при минимальном напряжении питающей сети и, одновременно, максимальной нагрузке. При этих условиях инвертер работает ниже резонанса и емкостью Cp можно пренебречь, поэтому напряжение на первичной обмотке достигает величины выходного напряжения инвертора Можно получить: где Udmin – минимальное допустимое значение Ud. На практике, следует учесть падение напряжения на различных элементах схемы. Особенности работы на высоких частотах коммутации приводят к накладываниям по времени интервалов проводящего состояния выходных диодов, что происходит из-за наличия индуктивности рассеивания. При максимальном токе нагрузки ILn соответствующее падение напряжения Ux будет равно: где Lx – индуктивность рассеивания трансформатора. Эта проблема частично может быть решена перемещением конденсатора Cp во вторичную обмотку трансформатора, с учетом коэффициента трансформации. Это уменьшает эффекты, возникающие из-за наличия индуктивности рассеивания, но вызывает увеличение тока, текущего по обмоткам трансформатора. Параметры резонансного контура: для данной рабочей частоты fr параметры резонансного контура fn и Q, а также отношение Cp/Cs выбираются с помощью графиков на Рис.3 С учетом следующих моментов: - увеличение отношения fr/fn увеличивает voltadge margin, в частности, коэффициент передачи по напряжению инвертора при f = fn должен быть достаточно большим, чтобы скомпенсировать любые колебания напряжения питающей сети; - увеличение добротности контура делает его более избирательным ( отношение fr/fn можно уменьшить), но приводит к большим перенапряжениям на элементах контура (UCs ~ QUi) и делает регулирование более трудным. - увеличение отношения Cp/Cs делает коэффициент передачи инвертора по напряжению менее зависимым от величины нагрузки, но приводит к большим токовым нагрузкам на элементы схемы; Относительно последнего аспекта, в Табл.1 даны величины дополнительного тока в зависимости от отношения Cp/Cs. Где IR0 – эффективный максимальный ток резонансного контура при Cp = 0, IRn – тот же ток при наличии Cp. Отметим, что относительный рост токовых нагрузок имеет место при Cp/Cs больше 1. После того, как были выбраны fn и Q, значения Zn, LR и Cs легко рассчитываются. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Был изготовлен прототип инвертора на MOSFET – транзисторах со следующими параметрами: напряжение холостого хода U0 = 80В, напряжение при максимальной нагрузке ULn = 30В при максимальном токе нагрузки ILn = 130A. Тактовая частота инвертора при полной нагрузке была выбрана равной fr = 80кГц. На основании данных на Рис.3 были выбраны следующие значения: fn = 0.9fr Q = 3 Cp = Cs На основании этих параметров были получены следующие параметры резонансного контура инвертора: LR = 11 Cp = 470nF Cs = 470 nF C0 = 10 Cd = 2000 N = 3 Типичные осциллограммы сигналов показаны на Рис.6-8.

Рис.6 Осциллограммы.

На Рис.6 показано поведение резонансного контура: напряжение сток-исток uDS ключевых транзисторов, резонансный ток iR, резонансные напряжения на конденсаторах up и us (только переменная составляющая). Отметим отсутствие выбросов напряжения на осциллограммах и синусоидальную форму токов и напряжений, несмотря на высокую частоту коммутации. На Рис.7 показано поведение напряжения и тока нагрузки в момент начала процесса сварки (переходной режим резкого изменения нагрузки от ХХ до некоего установившегося режима). На Рис.8 показано поведение напряжения и тока нагрузки при снятии нагрузки и прекращении процесса сварки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предложена топология резонансного LCC – инвертора, которая удобна для использования в качестве источника сварочного тока. Инвертер работает на тактовой частоте выше частоты собственного резонанса колебательного контура. Контроллер обеспечивает алгоритм управления, соответствующий назначению инвертора. Тестирование промышленного прототипа инвертора подтвердили его высокую эффективность, высокую удельную мощность на единицу объема, повторяемость и экономическую эффективность.

Кроме статьи "Cварочный аппарат на основе резонансного инвертора" смотрите также:

nanolife.info

---

• 
  Телевизионный кабель какой лучше
• 
  Что понимается под охранной зоной воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кв
• 
  Каким образом можно измерять малые сопротивления мостиком уитстона
• 
  Электродвигатель как работает
• 
  Класс влагозащиты ipx4 что это
• 
  Башрэс комсомольская 17
• 
  Типы движителей
• 
  Обозначение термостат на схеме
• 
  Диммирование что такое
• 
  Крепление для сип
• 
  Бесплатное электричество в частном доме