Простой сварочный инвертор своими руками схема


Сварочный инвертор начального уровня: пример разработки В статье рассматривается пример простого сварочного инвертора, предназначенного для сварки штучным электродом. Приведены принципиальные электрические схемы блоков инвертора, изложены их функциональное назначение и принцип действия. Простой сварочный инвертор своими руками схема сварочного тока инверторного типа ИИСТ к настоящему времени в значительной степени вытеснили традиционные сварочные выпрямители, основой которых является понижающий трансформатор, работающий на частоте первичной сети 50—60 Гц. Серийное простой сварочный инвертор своими руками схема ИИСТ с силовой частью на мощных ключевых MOSFET или IGBT началось в середине 80-х годов прошлого века. В настоящее время все ведущие производители сварочного оборудования предлагают ИИСТ как профессионального назначения, так и бытового применения. Для иллюстрации преимуществ ИИСТ относительно 50-Гц оборудования в таблице приведены основные энергетические и массо-габаритные показатели нескольких ИИСТ известных производителей. Эти данные можно рассматривать как типичные. По величине коэффициента мощности КМ ИИСТ не показывают преимуществ из-за того, что представляют собой емкостную нагрузку для первичной сети. При необходимости возможна установка в ИИСТ активного корректора КМ, что позволяет получать величину КМ порядка 0,99 EWM Pico 162. С учетом больших функциональных возможностей ИИСТ, стабильности выходных параметров и постепенного снижения стоимости инверторного оборудования доля 50-Гц источников сварочного тока простой сварочный инвертор своими руками схема рынке постоянно снижается. Тем не менее традиционные сварочные трансформаторы для сварки на переменном токе и выпрямители на базе таких трансформаторов сохраняют свои позиции благодаря ряду специфических качеств: низкая стоимость; высокая надежность при эксплуатации в сложных климатических и производственных условиях; возможность ремонта персоналом, не имеющим подготовки в области силовой преобразовательной техники; отсутствие в составе оборудования дорогостоящих и часто недоступных к оперативной поставке комплектующих. В настоящей статье рассматриваются схемотехника, конструктивные особенности и вопросы выбора элементной базы сварочного инвертора «начального уровня» для сварки штучными электродами, предполагаемая область применения которого — небольшие ремонтные и монтажные предприятия, индивидуальные предприниматели, по роду своей деятельности нуждающиеся в сварочных работах. Предлагаемый ИИСТ может найти применение и в качестве бытового сварочного аппарата, так как благодаря легкому поджигу, формированию стабильной и эластичной дуги существенно облегчается и ускоряется обучение навыкам проведения сварочных работ непрофессиональным пользователем. Кроме того, обсуждаемый ИИСТ доступен для индивидуального изготовления подготовленными любителями. Статья не простой сварочный инвертор своими руками схема строго научной с точки зрения простой сварочный инвертор своими руками схема РЭА и адресована широкому кругу читателей, интересующихся применением силовой преобразовательной техники в области источников сварочного тока, соответствующих современным тенденциям. Сформулируем базовые техническоэкономические требования к основным параметрам ИИСТ начального, бытового, «бюджетного» уровня. Желательно, чтобы статическая вольт-амперная характеристика ВАХ инвертора имела крутопадающий вид. Также желательно обеспечить возможность проведения ремонта ИИСТ в условиях «обычных» мастерских, занимающихся ремонтом бытовой техники, и минимальные требования к периодическому техническому обслуживанию. Из числа сервисных функций, характерных для современных ИИСТ профессионального и полупрофессионального уровня, в предлагаемом инверторе используется только «антиприлипание» — снижение тока нагрузки до минимального значения, если длительность короткого замыкания нагрузки превысила 2 с. Остальные функции, такие как форсирование тока дуги, «горячий старт», регулируемая крутизна ВАХ в рабочей области и некоторые другие, не реализованы с целью упрощения устройства и в связи с неочевидностью их востребованности пользователями ИИСТ начального уровня. Принципиальная электрическая схема сварочного инвертора начального уровня для ручной дуговой сварки штучным электродом Принципиальная электрическая схема предлагаемого ИИСТ рис. Кратко рассмотрим каждый функциональный блок сварочного инвертора. Для ограничения тока зарядки С1 при включении ИИСТ используется нелинейная зарядная цепь, состоящая из токоограничивающего резистора R4 расположен простой сварочный инвертор своими руками схема плате БУТ блока А1 и шунтирующего тиристора TY1. Схема блока управления тиристором БУТ TY1 приведена на рис. Схема блока управления шунтирующим тиристором Блок А1 обеспечивает простой сварочный инвертор своими руками схема запуск ИИСТ. После замыкания контактов Простой сварочный инвертор своими руками схема происходит медленная зарядка емкости С1 рис. По истечении некоторого времени задержки С1 заряжается, и БУТ переходит в штатный режим управления шунтирующим тиристором TY1. Дозарядка конденсатора С1 рис. Таким образом реализован оптимальный способ управления тиристором — «при переходе напряжения на тиристоре через ноль». Амплитуда импульса управления TY1 поддерживается стабильной простой сварочный инвертор своими руками схема колебаниях напряжения питающей сети в процессе работы ИИСТ. Ключ VT5 быстро разряжает времязадающие емкости после отключения ИИСТ от сети и подготавливает тем самым БУТ к повторному включению. Силовая часть ИИСТ Выбор оптимальной топологии силовой части ИИСТ является важным этапом разработки сварочного инвертора. Анализ промышленных ИИСТ, выпускаемых ведущими вендорами, и публикаций, посвященных источникам питания сварочной дуги, позволяет утверждать, что силовая часть большинства ИИСТ построена по топологии одного из следующих типов: мостовой простой сварочный инвертор своими руками схема, полумостовой конвертер либо однотактный прямоходовой мостовой конвертер ОПМКчасто эту топологию называют «косой мост», а также сдвоенный ОПМК. Стоимость и параметры современной силовой элементной базы таковы, что для реализации ИИСТ на ток до 150 А с питанием от однофазной сети оптимальной и достаточной является топология ОПМК, и явных причин применения двухтактных типов преобразователей, по мнению автора, простой сварочный инвертор своими руками схема. Главным достоинством ОПМК в качестве основы сварочного инвертора является его высокая надежность. ОПМК свободен от недостатков двухтактных конвертеров: принципиальное отсутствие возможности протекания сквозных токов через «стойку» силовых ключей и отсутствие проблемы симметрирования процесса перемагничивания магнитопровода силового трансформатора из-за существования потенциальной возможности его динамического замагничивания при работе преобразователя на такую высокодинамичную нагрузку, какой является сварочная дуга. Кроме этого, напряжение на закрытом транзисторе не превышает величины напряжения питания ОПМК, а энергия, запасаемая в паразитной индуктивности рассеивания, эффективно рекуперируется в источник питания конвертера. По указанным причинам в качестве силовой части предлагаемого ИИСТ был выбран ОПМК с демпфирующей цепью ДЦ бездиссипативного типа. Собственно «косой мост» представляет собой ключевые транзисторы VT1, VT2, рекуперационные диоды VD3, VD5, силовой трансформатор Т2, выходной выпрямитель VD7—VD9 и дроссель выходного фильтра L2. Применение ДЦ обусловлено необходимостью снижения коммутационных потерь в силовых ключах VT1 и VT2 в момент их выключения. Включение транзисторов происходит «мягко», с малыми ключевыми потерями благодаря затянутому фронту тока коллектора простой сварочный инвертор своими руками схема наличия индуктивности рассеивания, поэтому не требуется каких-либо дополнительных мер по снижению потерь «на включение». Демпфирующая цепь VD4—VD6—L1—C3 рис. Вторичный выпрямитель особенностей не имеет. Варистор RU3 предназначен для ограничения выбросов напряжения на выходе ИИСТ, возникающих при отрыве электрода из-за большой энергии, запасенной в дросселе L2. Индуктивность L2 выбирается исходя из величины пульсаций тока дуги при его минимальном значении. Так как систематической информации о влиянии простой сварочный инвертор своими руками схема пульсаций сварочного тока простой сварочный инвертор своими руками схема параметры сварочного соединения недостаточно для определения минимальной величины L2, величина индуктивности выходного дросселя выбрана на основе анализа конструкций ИИСТ промышленного производства и компромисса между массо-габаритными показателями дросселя и величиной пульсаций на минимальном токе дуги. Для снижения индуктивности рассеивания вторичная обмотка w2 размещена между секциями первичной обмотки w1. Индуктивность рассеивания изготовленного таким образом трансформатора составила 5 мкГн, намагничивания — 1640 мкГн. С целью снижения величины остаточной индукции сердечник собран с зазором 0,02 мм между боковыми кернами. Существует определенная специфика расчетов параметров силовых трансформаторов Простой сварочный инвертор своими руками схема. В связи с повторно-кратковременным режимом работы сварочного инвертора и стремлением производителей максимально улучшить массо-габаритные показатели оборудования, трансформаторы в составе ИИСТ используются в форсированном режиме: с максимальной рабочей индукцией и плотностью тока в обмотках. По этой причине, как правило, температура трансформатора ИИСТ контролируется с помощью датчика, входящего в состав блока защиты ИИСТ от перегрева. При таком подходе к конструированию силовых трансформаторов ИИСТ теряет свой традиционный смысл понятие габаритной мощности. Трансформатор рассчитывается простой сварочный инвертор своими руками схема критериям минимальной массы и стоимости так, чтобы в режиме принудительного охлаждения показатель продолжительности нагрузки ПН сварочного инвертора на максимальном токе составлял 25—35%. В состав блока А2 входит трансформатор тока Т1, предназначенный для измерения мгновенного значения тока первичной обмотки силовых транзисторов. Напряжение простой сварочный инвертор своими руками схема вторичной обмотки Т1 подается на плату А5 ШИМ-контроллера для организации защиты силовых ключей от перегрузки по току. Драйверы силовых транзисторов Рис. Драйверы силовых транзисторов В состав силового блока А2 входят драйверы транзисторов VT1 и VT2. Эта схема приведена на рис. На инвертирующий вход —In драйвера подается инвертированный управляющий сигнал ШИМ с выхода микросхемы TL494, расположенной на плате А5. На неинвертирующий вход +In подается сигнал с выхода триггера узла защиты силовых транзисторов от перегрузки по току. При штатном режиме работы на входе +In поддерживается постоянный высокий уровень +5 C помощью параметрического стабилизатора на элементах VD9, R8, C9, C10 и VD12, R9, C14, C15 организовано псевдодвуполярное питание выходного каскада драйвера, что позволяет сформировать двуполярные импульсы управления затворами силовых транзисторов. В течение нерабочего полупериода на затворы силовых ключей подается отрицательное запирающее напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона VD9 VD12. Такой способ управления повышает помехозащищенность силовых ключей по цепи затвора. В состав микросхемы HCPL316J входит узел защиты силового транзистора от перегрузки по току, которая распознается по величине напряжения насыщения V CESAT. При токовой перегрузке узел защиты драйвера выключает силовой транзистор, вместе с этим на выходе Fault «Авария» устанавливается активный низкий уровень. Напряжение с выхода Fault подается на плату А5 ШИМ-контроллера и блокирует работу микросхемы TL494. В таком состоянии драйвер будет находиться до тех пор, пока на его вход Reset не будет подан импульс сброса. Импульс сброса формируется локально из сигнала Fault с помощью одновибраторов на элементах микросхемы DD1 и подается простой сварочный инвертор своими руками схема вход Reset. После сброса драйвер переходит в штатное состояние и готов принимать по входам управляющие импульсы. На выходе Fault устанавливается высокий уровень, с ШИМ-контроллера снимается блокировка, происходит его мягкий рестарт, и нормальный режим работы ИИСТ восстанавливается. В том случае, если после формирования сигнала Reset причина перегрузки не устранена, сварочный инвертор переходит в «икающий» режим работы: происходят попытки перезапуска с периодом порядка 250 мc. ШИМ-контроллер Схемотехническая реализация и выбор собственно микросхемы ШИМ-контроллера зависит, прежде всего, от набора сервисных функций ИИСТ, а также способа стабилизации и регулирования сварочного тока. В профессиональных аппаратах применяется регулирование по среднему значению тока нагрузки, для чего ток измеряется непосредственно в цепи нагрузки с помощью резистивного шунта либо трансдьюсера — датчика тока на эффекте Холла. Непосредственное измерение тока нагрузки позволяет получить высокую точность стабилизации тока дуги, а регулирование «по среднему» — хорошую устойчивость преобразователя в целом благодаря узкой полосе пропускания в замкнутой петле отрицательной обратной связи по току. К практическим недостаткам этого метода можно отнести высокую стоимость трансдьюсеров, поэтому в бытовых, «бюджетных» ИИСТ, как правило, используется иной подход: стабилизация тока дуги по максимальному, амплитудному значению тока первичной обмотки. Измерение тока ключей производится с помощью обычного трансформатора тока, для управления ключами применяются ШИМ-контроллеры с «токовым режимом» current mode PWM controllerнапример, такие как UC384x. Амплитудное значение тока ключей первичной обмотки должно контролироваться блоком управления силовой частью практически непрерывно в идеальном случаечто требует широкой полосы пропускания по цепи токовой ООС, а это затрудняет получение устойчивой работы преобразователя. При стабилизации амплитудного значения тока первичной обмотки ОПМК преобразователь работает в режиме внутренней петли ООС и, строго говоря, «не совсем точно знает», что простой сварочный инвертор своими руками схема с током нагрузки. В качестве примера ИИСТ с подобным способом регулирования тока дуги можно привести сварочный инвертор ESAB Caddy LHO 150, однако дальнейшего развития это направление в изделиях ESAB не получило. Тем не менее значительное количество малоизвестных производителей ИИСТ из ЮгоВосточной Азии широко применяют такой способ регулирования тока в своих «бюджетных» инверторах, что оправдано для оборудования этого класса. Данный датчик имеет выход по напряжению, однополярное питание, удовлетворительные точностные параметры и быстродействие и относится к категории недорогих трансдьюсеров. ШИМ-контроллер сварочного инвертора Схема ШИМ-контроллера приведена на рис. Сигнал, пропорциональный току нагрузки, с выхода датчика CS1 подается на неинвертирующий вход усилителя ошибки микросхемы DA1. На инвертирующий вход подается опорное напряжение с эмиттерного повторителя VT2. Само опорное напряжение формируется резистивным делителем R1—R4 и внешним переменным резистором R1 «Ток» рис. Частота коммутации силовых транзисторов составляет 43 кГц. Вход DTC используется для: а блокировки DA1 при поступлении сигнала Fault от драйвера силового транзистора блока А2 либо сигнала Overheat «Перегрев» с платы А4 блока термоконтроля; б для организации обратной связи по выходному напряжению; в для плавного запуска силовой части ИИСТ при его включении в сеть 220 В либо перезапуска после снятия сигналов Fault или Overheat. Сигнал Fault или Overheat простой сварочный инвертор своими руками схема низким активным уровнем открывает ключ VT3, вследствие чего конденсатор С12 быстро разряжается, открывается ключ VT4, включается светодиод VD11 «Авария» на передней панели аппарата, и на вход DTC микросхемы DA1 подается напряжение VREF. В результате этого DA1 перестает вырабатывать управляющие импульсы, и на ее выходе С2 устанавливается постоянный уровень +5 Обратная связь по выходному напряжению организована с помощью оптрона DA2. На вход DA2 через соединитель Х10 подается ток, пропорциональный величине выходного напряжения ИИСТ, который формируется с помощью элементов R32—R34 и С12, расположенными на плате А4. В результате действия данной петли ООС по выходному напряжению ограничивается размах индукции в магнитопроводе силового трансформатора на холостом ходу и детектируется состояние короткого простой сварочный инвертор своими руками схема КЗ в нагрузке. Нагрузка считается короткозамкнутой, если напряжение на выходных разъемах ИИСТ становится простой сварочный инвертор своими руками схема 9 В этом случае напряжение на выходе компаратора КЗ DA3 уменьшается до нуля, и спадом этого напряжения запускается схема формирования паузы на микросхеме DD3. Время задержки задается элементами R38 и С15 и составляет порядка двух секунд. По истечении времени паузы VT1 открывается, шунтирует регулятор тока R1, на опорный вход DA1 подается фиксированное напряжение с делителя R3, R4, величина которого соответствует минимальному току нагрузки 15 После снятия КЗ состояния выходов DA3 и DD3 возвращаются к исходным значениям, транзистор VT1 закрывается, и ИИСТ снова работает в соответствии с заданием по току нагрузки, определяемым резистором R1 «Ток». Последний узел, входящий в состав блока А5, — схема ограничения тока коллектора силовых транзисторов. Датчиком тока силовых транзисторов является трансформатор тока Т1 блока А2. Напряжение с вторичной обмотки Т1 через соединитель Х3 и выпрямитель на диоде VD7 простой сварочный инвертор своими руками схема на токоизмерительные резисторы R32, R33. Напряжение с R32, R33 поступает на вход триггера Шмидта DD2. При указанных на схеме номиналах резисторов R32 и R33 напряжение на них достигает порогового значения при амплитудном значении тока силовых транзисторов порядка 60 В этом случае выход DD2. На выходе Q триггера DD1 устанавливается простой сварочный инвертор своими руками схема уровень, который через диод VD2 поступает на вход Простой сварочный инвертор своими руками схема микросхемы DA1, в результате чего DA1 простой сварочный инвертор своими руками схема. Одновременно с этим сигнал низкого логического уровня с инверсного выхода DD1 поступает на вход +In обоих драйверов HCPL316J и блокирует их работу. В конце каждого полупериода рабочей частоты триггер DD1 возвращается в исходное состояние импульсом cброса по входу Импульс сброса длительностью 0,7 мкc формируется из напряжения «пилы» с вывода Ct микросхемы DA1 с помощью одновибратора на элементах DD23, DD2. Таким образом, работа схемы ограничения синхронизируется с последовательностью управляющих импульсов микросхемы DA1 и, фактически, является функциональным аналогом блока токового компаратора, входящего в состав микросхем серии UC384x и отсутствующего в составе TL494. Блок термоконтроля Блок термоконтроля БТК обеспечивает защиту силовых ключевых элементов и силового трансформатора от перегрева, управляет работой вентиляторов охлаждения и содержит часть схемы ООС по напряжению на нагрузке. Схема БТК приведена на рис. Блок термоконтроля Датчик температуры К1 биметаллического типа с фиксированной температурой срабатывания +75 °С установлен на силовом трансформаторе Т2. Интегральный датчик DA1 контролирует температуру радиатора охлаждения силовых транзисторов, на котором также размещены тиристор TY1 и входной выпрямитель VD1, VD2. Датчик DA3 установлен на втором радиаторе с диодами вторичного выпрямителя VD7—VD9. Пороги срабатывания компараторов термозащиты DA2. Вентиляторы работают в двух случаях: температура радиатора с датчиком DA1 больше +40 °С или на выходе ИИСТ есть нагрузка выходное напряжение ниже 30 Напряжение для организации ООС по выходному напряжению поступает на соединитель Х1 и далее подается на плату ШИМ-контроллера А5. Блок питания ИИСТ Рис. Блок питания инвертора Напряжения, необходимые для питания Простой сварочный инвертор своими руками схема, драйверов IGBT и блока БТК, получаются с помощью маломощного блока питания БП А3, показанного на рис. Блок А3 представляет собой обратноходовой преобразователь с управляющей микросхемой CS3842. Микросхема DA2 используется в типовом включении с внутренней ООС по току ключа VT1. ООС по напряжению также организована традиционным способом с помощью DA1 и DA5: стабилизируется напряжение канала +15 В как самого нагруженного. Индуктивность намагничивания первичной обмотки равна 1400 мкГн, индуктивность рассеивания наиболее нагруженной обмотки w3, приведенная к первичной обмотке w1, составляет 30 мкГн. Рабочая частота преобразователя 60 кГц. Блок питания запускается при напряжении на входе соединитель Х5 +150 В и сохраняет свои параметры до величины выпрямленного сетевого напряжения +70 Ток CH2 и напряжение CH1 силового транзистора VT1 блока Простой сварочный инвертор своими руками схема на холостом ходу На рис. В начале рабочего полупериода хорошо виден импульс тока перезарядки конденсатора С3 простой сварочный инвертор своими руками схема цепи и далее — ток намагничивания первичной обмотки Т2. Виден «мягкий» характер включения VT1 благодаря наличию индуктивности рассеивания трансформатора Т2. Выключение происходит более «жестко», простой сварочный инвертор своими руками схема с допустимым уровнем пиковой мощности. Форма импульсов тока на рис. Ток CH2напряжение CH1 и мгновенная мощность MATH транзистора VT1 блока А2 при токе нагрузки 150 А Рис. Несущая часть, в которой установлены все элементы инвертора, разделена на два отсека горизонтальной перегородкой. В нижней части, охлаждаемой вентиляторами, размещены радиаторы силовых ключей, силовой трансформатор, выходной дроссель, конденсаторы входного фильтра, датчик тока CS1 и плата БУТ блока А1. Остальная слаботочная часть ИИСТ размещена в верхней части корпуса и не подвержена загрязнению в результате работы вентиляторов. Внешний вид ИИСТ показан на рис. Вид сзади Заключение Рассмотренные в статье схемотехнические и конструктивные решения являются не единственно возможными при разработке сварочного инвертора начального уровня и представлены в качестве примера практической реализации. Возможно дальнейшее развитие данного ИИСТ как в сторону «бюджетности» за счет максимального простой сварочный инвертор своими руками схема и удешевления конструкции, так и в сторону увеличения функциональной насыщенности, применения более современной и «удобной» элементной базы, иной, возможно более эффективной, схемотехники. Например, все блоки управления работой ИИСТ могут быть выполнены в виде одного узла на основе подходящего микроконтроллера или цифрового сигнального процессора. Использование силовых ключевых элементов в промышленных корпусах SOT227, ISOTOP либо применение силовых модулей с интегрированными драйверами и системой защиты от перегрузки по току и перегрева позволило бы сделать конструктив ИИСТ более простым и технологичным. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. A 1,5 kW operation with 90% efficiency of a two transistors forward converter with non-dissipative snubber. DC source for arc welding with soft-switching current-mode controlled DC-DC converter. Martinez A, Blasco Static output characteristic of a pick current controlled arc welding machine. IEEE 49th International Midwest symposium on circuits and systems.

Смотрите также:



Коментарии:

  • Все это потому что в них просто не предусмотрена система охлаждения.