Трансформаторът е необходим елемент на всеки източник на заваряване. Той намалява мрежовото напрежение до нивото на напрежението на дъгата, а също така осигурява галванична изолация на мрежата и заваръчната верига. Известно е, че размерите на трансформатора се определят от неговата работна честота, както и от качеството на материала на магнитната сърцевина.
Забележка.
С намаляване на честотата размерите на трансформатора се увеличават, а с увеличаване на честотата намаляват.
Трансформаторите на класически източници работят при относително ниска мрежова честота. Следователно теглото и размерите на тези източници се определят главно от масата и обема на заваръчния трансформатор.
Наскоро бяха разработени различни висококачествени магнитни материали, които позволяват до известна степен да се подобрят параметрите на теглото и размера на трансформаторите и заваръчните източници. Но значително подобрение на тези параметри може да се постигне само чрез увеличаване на работната честота на трансформаторите. Тъй като честотата на мрежовото напрежение е стандартна и не може да се променя, е възможно да се увеличи работната честота на трансформатора с помощта на специален електронен преобразувател.
Блокова схема на инверторен заваръчен източник
Показана е опростена блокова схема на инверторен заваръчен източник (IWS). ориз. 1. Да погледнем диаграмата. Мрежовото напрежение се коригира и изглажда, след което се подава към електронния преобразувател. Той преобразува постоянно напрежение във високочестотно променливо напрежение. Високочестотното променливо напрежение се трансформира с помощта на малък високочестотен трансформатор, след което се коригира и се подава в заваръчната верига.
Видове трансформатори
Работата на електронния преобразувател е тясно свързана с циклите на обръщане на намагнитването на трансформатора. Тъй като феромагнитният материал на ядрото на трансформатора е нелинеен и наситен, индукцията в ядрото на трансформатора може да нарасне само до определена максимална стойност Vm.
След достигане на тази стойност сърцевината трябва да се демагнетизира до нула или да се ремагнетизира в посока обратна на стойността – Vm. Енергията може да се предава през трансформатор:
- в цикъла на намагнитване;
- в цикъла на обръщане на намагнитването;
- и в двата цикъла.
Определение.
Наричат се преобразуватели, които осигуряват пренос на енергия в един цикъл на обръщане на магнетизацията на трансформатора едноцикличен.
Съответно се наричат преобразуватели, които осигуряват пренос на енергия в двата цикъла на обръщане на намагнитването на трансформатора двутактов.
Преобразувател с единичен край
Предимства на еднокрайните преобразуватели. Едноцикличните преобразуватели се използват най-широко в евтини и маломощни инверторни заваръчни източници, предназначени да работят от еднофазна мрежа. При условия на рязко променливо натоварване, като например заваръчната дъга, едноцикличните преобразуватели се сравняват благоприятно с различни двутактови преобразуватели:
- не изискват балансиране;
- те не са податливи на такова заболяване като чрез течения.
Следователно, за да контролирате този конвертор, повече проста схемаконтрол, в сравнение с това, което би било необходимо за двунасочен преобразувател.
Класификация на едноцикловите преобразуватели.Според метода на прехвърляне на енергия към товара едноцикличните преобразуватели се разделят на две групи: напред и назад ( ориз. 2). В предните преобразуватели енергията се прехвърля към товара в момента на затворено състояние, а в обратните преобразуватели - в момента на отворено състояние на ключовия транзистор VT. В този случай, в обратноходовия преобразувател, енергията се съхранява в индуктивността на трансформатора Т по време на затвореното състояние на превключвателя и токът на превключвателя има формата на триъгълник с нарастващ ръб и стръмно прекъсване.
Забележка.
При избора на типа ISI преобразувател между директен и обратен ход, предпочитание се дава на преден еднокраен преобразувател.
Наистина, въпреки голямата си сложност, преобразувателят напред, за разлика от обратния преобразувател, има висока плътност на мощността. Това се обяснява с факта, че в обратния преобразувател през ключовия транзистор протича триъгълен ток, а в предния преобразувател протича правоъгълен ток. Следователно, при същия максимален ток на превключване, средната стойност на тока на преден преобразувател е два пъти по-висока.
Основни предимстваобратен преобразувател е:
- липса на дросел в токоизправителя;
- възможност за групова стабилизация на няколко напрежения.
Тези предимства осигуряват предимство на flyback преобразувателите в различни приложения с ниска мощност, като захранващи устройства за различни домакински телевизионни и радиооборудвания; както и сервизни захранвания за управляващите вериги на самите заваръчни източници.
Трансформатор на еднотранзисторен преден преобразувател (SFC), показано на ориз. 2, б, има специална размагнитваща намотка III. Тази намотка служи за демагнетизиране на сърцевината на трансформатора Т, която се магнетизира по време на затворено състояние на транзистора VT.
По това време напрежението върху намотка III се прилага към диод VD3 в блокираща полярност. Поради това размагнитващата намотка не оказва влияние върху процеса на намагнитване.
След изключване на транзистора VT:
- напрежението върху намотката III променя полярността си;
- диод VD3 е отключен;
- енергията, натрупана в трансформатора Т, се връща към първичния източник на енергия Up.
Забележка.
На практика обаче, поради недостатъчно свързване между намотките на трансформатора, част от магнетизиращата енергия не се връща към първичния източник. Тази енергия обикновено се разсейва в VT транзистора и амортизационните вериги (вкл ориз. 2не е показано), което влошава цялостната ефективност и надеждност на преобразувателя.
Наклонен мост.Този недостатък не присъства в двутранзисторен преден преобразувател (DFC), което често се нарича "кос мост" (ориз. 3, а). В този преобразувател (поради въвеждането на допълнителен транзистор и диод) първичната намотка на трансформатора се използва като демагнетизираща намотка. Тъй като тази намотка е напълно свързана със себе си, проблемите с непълното връщане на енергията на намагнитване са напълно елиминирани.
Нека разгледаме по-подробно процесите, протичащи в момента на обръщане на магнетизацията на ядрото на трансформатора.
Обща характеристика на всички еднопосочни преобразуватели е, че техните трансформатори работят в условия с еднопосочно намагнитване.
Магнитната индукция B (в трансформатор с еднопосочно намагнитване) може да варира само в диапазона от максималното Bm до остатъчното Br, описвайки частична верига на хистерезис.
Когато транзисторите VT1, VT2 на преобразувателя са отворени, енергията на източника на енергия Up се прехвърля към товара през трансформатор T. В този случай сърцевината на трансформатора е магнетизирана в посока напред (секция a-b на ориз. 3, б).
Когато транзисторите VT1, VT2 са заключени, токът в товара се поддържа от енергията, съхранявана в индуктора L. В този случай токът се затваря през диода VD0. В този момент, под въздействието на ЕМП на намотката I, диодите VD1, VD2 се отварят и токът на размагнитване на ядрото на трансформатора протича през тях в обратна посока (раздел b-a на ориз. 3, б).
Промяната в индукцията ∆B в сърцевината става практически от Bm до Br и е значително по-малка от стойността ∆B = 2·Bm, възможна за двутактов преобразувател. Известно увеличение на ∆B може да се получи чрез въвеждане на немагнитна междина в сърцевината. Ако сърцевината има немагнитна междина δ, тогава остатъчната индукция става по-малка от бр. Ако в сърцевината има немагнитна празнина, новата стойност на остатъчната индукция може да се намери в пресечната точка на права линия, начертана от началото под ъгъл Ѳ към кривата на обръщане на намагнитването (точка B1 на ориз. 3, б):
tgѲ= µ 0 · л в/δ,
където µ 0 – магнитна пропускливост;
л в – дължина на средната линия на магнитното поле на магнитното ядро, m;
δ – дължина на немагнитна междина, m.
Определение.
Магнитна пропускливост – това е отношението на индукцията B към напрежението H за вакуум (също валидно за немагнитна въздушна междина) и е физическа константа, числено равна на µ 0 = 4π·10 -7 H/m.
Стойността tgѲ може да се разглежда като проводимост на немагнитна междина, намалена до дължината на сърцевината. По този начин въвеждането на немагнитна празнина е еквивалентно на въвеждане на отрицателна сила на магнитното поле:
Н1 = -В1/ tgѲ.
Push-pull мостов преобразувател
Предимства на двутактовите преобразуватели. Push-pull преобразувателите съдържат повече елементи и изискват по-сложни алгоритми за управление. Тези преобразуватели обаче осигуряват по-ниска пулсация на входния ток и по-голяма изходна мощност и ефективност от същите дискретни ключови компоненти.
Схема на двутактов мостов преобразувател. включено ориз. 4, апоказва диаграма на двутактов мостов преобразувател. Ако сравним този преобразувател с еднокрайни, тогава той е най-близо до двутранзисторен преден преобразувател ( ориз. 3) . Push-pull конвертор лесно се преобразува в него, ако премахнете чифт транзистори и чифт диоди, разположени диагонално (VT1, VT4, VD2, VD3 или VT2, VT3, VD1, VD4).
По този начин двутактният мостов преобразувател е комбинация от два едноциклични преобразувателя, работещи последователно. В този случай енергията се прехвърля към товара през целия период на работа на преобразувателя, а индукцията в ядрото на трансформатора може да варира от -Bm до +Bm.
Както в DPP, диодите VD1-VD4 служат за връщане на енергията, натрупана в индуктивността на утечка Ls на трансформатора T към първичния източник на захранване Up. Като тези диоди могат да се използват вътрешни MOSFET диоди.
Принцип на действие. Нека разгледаме по-подробно процесите, протичащи в момента на обръщане на магнетизацията на ядрото на трансформатора.
Забележка.
Обща характеристика на двутактните преобразуватели е, че техните трансформатори работят в условия на симетрично обръщане на намагнитването.
Магнитната индукция B, в сърцевината на трансформатор със симетрично обръщане на намагнитването, може да варира от отрицателна -Bm до положителна +Bm максимална индукция.
Във всеки половин цикъл на работа на DMP са отворени два ключа, разположени диагонално. По време на пауза всички транзистори на преобразувателя обикновено са затворени, въпреки че има режими на управление, когато някои транзистори на преобразувателя остават отворени по време на пауза.
Нека се съсредоточим върху режима на управление, според който всички DMP транзистори са затворени по време на пауза.
Когато транзисторите VT1, VT4 на преобразувателя са отворени, енергията на източника на енергия Up се прехвърля към товара през трансформатор T. В този случай сърцевината на трансформатора се магнетизира в конвенционалната обратна посока (секция b-a на фиг. 4, б).
По време на пауза, когато транзисторите VT1, VT4 са затворени, токът в товара се поддържа от енергията, съхранявана в индуктора L. В този случай токът се затваря през диода VD7. В този момент една от вторичните намотки (IIa или IIb) на трансформатор Т е съединена накъсо чрез отворен диод VD7 и една от токоизправителни диоди(VD5 или VD6). В резултат на това индукцията в ядрото на трансформатора остава практически непроменена.
След завършване на паузата транзисторите VT2, VT3 на преобразувателя се отварят и енергията на източника на енергия Up се прехвърля към товара през трансформатор T.
В този случай сърцевината на трансформатора е магнетизирана в конвенционалната посока напред (секция a-b на ориз. 4). По време на пауза, когато транзисторите VT2, VT3 са затворени, токът в товара се поддържа от енергията, съхранявана в индуктора L. В този случай токът се затваря през диода VD7. В този момент индукцията в ядрото на трансформатора остава практически непроменена и се фиксира на постигнатото положително ниво.
Забележка.
Поради фиксирането на индукции в паузи, сърцевината на трансформатора Т е в състояние да обърне намагнитването само когато диагонално разположените транзистори са отворени.
За да се избегне едностранно насищане при тези условия, е необходимо да се осигури еднакво отворено време на транзисторите, както и симетрия на силовата верига на преобразувателя.
Силовата част на нашата домашна полуавтоматична машина за заваряване от инверторен тип се основава на асиметрична мостова схема или, както се нарича още, „наклонен мост“. Това е преобразувател с единичен край. Предимствата на такава схема са простота, надеждност, минимален брой части и висока устойчивост на шум. Досега много производители произвеждат своите продукти, използвайки дизайна на "наклонен мост". Не можете да се справите и без недостатъци - това са големи импулсни токове от захранването, по-ниска ефективност, отколкото в други схеми, и големи токове през силовите транзистори.
Блокова схема на преден преобразувател "наклонен мост"
Блоковата схема на такова устройство е показана на фигурата:
Силовите транзистори VT1 и VT2 работят в една и съща фаза, т.е. те се отварят и затварят едновременно, следователно, в сравнение с пълен мост, токът през тях е два пъти по-голям. Трансформаторът TT осигурява обратна връзка по ток.
Повече за всички видове инверторни преобразуватели за заваръчни машини можете да научите от книгата.
Описание на инверторната схема
Полуавтоматичен инверторен заваръчен апарат, работещ в режими MMA (дъгово заваряване) и MAG (специално заваряване с тел в газова среда).
Контролно табло
На контролната платка са монтирани следните компоненти на инвертора: главен осцилатор с трансформатор за галванична изолация, блокове за обратна връзка по ток и напрежение, блок за управление на реле, блок за термична защита и блок "против залепване".
Главен осцилатор
Блокът за управление на тока (за режим MMA) и главният осцилатор (OG) са сглобени на микросхеми LM358N и UC2845. UC2845 беше избран като MG, а не по-често срещаният UC3845 поради по-стабилните параметри на първия.
Честотата на генериране зависи от елементите C10 и K19 и се изчислява по формулата: f = (1800/(R*C))/2, където R и C са в килооми и нанофаради, честотата е в килохерци. В тази схема честотата е 49KHz.
Друг важен параметър е коефициентът на запълване, изчислен по формулата Kzap = t/T. Не може да бъде повече от 50%, а на практика е 44-48%. Зависи от съотношението на деноминациите C10 и R19. Ако кондензаторът е възможно най-малък и резисторът е възможно най-голям, тогава Kzap ще бъде близо до 50%.
Генерираните SG импулси се подават към превключвателя VT5, който работи върху трансформатора за галванична изолация T1 (TGR), навит върху сърцевина EE25, използвана в електронни стартови устройства луминесцентни лампи(електронни баласти). Всички намотки се отстраняват и се навиват нови според схемата. Вместо транзистора IRF520 можете да използвате всяка от тази серия - IRF530, 540, 630 и др.
Текуща обратна връзка
Както споменахме по-рано, за електродъгово заваряванеВажното е стабилен изходен ток, за полуавтоматични - постоянно напрежение. На токовия трансформатор ТТ е организирана обратна връзка по ток, представлява феритен пръстен с размер К 20 х 12 х 5, поставен на долната (според схемата) клема на първичната намотка на силовия трансформатор. В зависимост от тока на първичната намотка T2, ширината на импулса на главния осцилатор намалява или се увеличава, поддържайки изходния ток непроменен.
Обратна връзка по напрежение
Заваряване полуавтоматиченинверторният тип изисква обратна връзка по напрежение; за това в режим MAG превключвателят S1.1 подава напрежението от изхода на устройството към блока за регулиране на изходното напрежение, монтиран на елементи R55, D18, U2. Мощен резистор K50 задава първоначалния ток. И с контакти S1.2, ключът на транзистора VT1 късо свързва стабилизатора R2 до максималния ток, а ключът VT3 деактивира режима „анти-залепване“ (изключване на GB, когато електродът залепне).
Блок за термозащита
Домашната полуавтоматична машина за заваряване включва верига за защита от прегряване: това се осигурява от блок на транзистори VT6, VT7. На радиатора на изходните диоди и на един от радиаторите на силовите транзистори са монтирани температурни датчици при 75 градуса С (има два, нормално затворени, свързани последователно). Когато температурата бъде превишена, транзисторът VT6 свързва пин 1 на UC2845 към маса и прекъсва генерирането на импулси.
Блок за управление на реле
Този блок е сглобен на микросхема DD1 CD4069UB (аналогична на 561LN2) и транзистор VT14 BC640. Тези елементи осигуряват следния режим на работа: когато натиснете бутона, релето на газовия клапан незабавно се включва, след около секунда транзисторът VT17 позволява на генератора да стартира и в същото време се включва релето на изтеглящия механизъм.
Релетата, които контролират "дърпането" и газовия клапан, както и вентилаторите, се захранват от стабилизатора на MC7812, монтиран на контролната платка.
Захранващ блок на базата на транзистори HGTG30N60A4
От изхода на TGR, импулси, предварително генерирани от драйвери на транзистори VT9 VT10, се подават към превключватели за захранване VT11, ME12. Успоредно на клемите колектор-емитер на тези транзистори са свързани „демпфери“ - вериги от елементи C24, D47, R57 и C26, D44, R59, които служат за поддържане на мощни транзистори в диапазона на допустимите стойности. В непосредствена близост до клавишите има кондензатор C28, сглобен от 4 кондензатора от 1 микрон х 630v. Ценерови диоди Z7, Z8 са необходими за ограничаване на напрежението на превключвателите до 16 волта. Всеки транзистор е инсталиран на радиатор от компютърен процесор с вентилатор.
Силови трансформаторни и токоизправителни диоди
Основният елемент на полуавтоматичната заваръчна верига е мощният изходен трансформатор Т2. Сглобен е на две ядра E70, материал N87 от EPCOS.
Изчисляване на заваръчен трансформатор
Навивките на първичната намотка се изчисляват по формулата: N = (Upit * timp)/(Badd * Ssec),
където Uпит = 320V – максимално захранващо напрежение;
timp = ((1000/f)/2)*K – продължителност на импулса, K = (Kzap*2)/100 = (0,45*2)/100 = 0,9 timp = ((1000/49)/2 )*0,9 = 9.2;
Vdop = 0,25 – допустима индукция за материала на сърцевината;
Sсечение = 1400 – сърцевинна секция.
N = (320 * 9,2)/(0,25 * 1400) = 8,4, закръглено до 9 оборота.
Съотношението на вторичните към първичните завои трябва да бъде приблизително 1/3, т.е. навиваме 3 оборота на вторичната намотка.
Силовият трансформатор може да бъде навит на различен стандартен размер; оборотите се изчисляват по горната формула. Например, за ядро 2 x E80 при f = 49Khz, обороти в първичната: 16, вторична: 5.
Избор на напречното сечение на проводниците на първичната и вторичната намотка, навиване на трансформатора
Избираме напречното сечение на проводника със скорост 1mm.kv = 10A изходен ток. Това устройство трябва да произвежда приблизително 190A под товар, така че вземаме вторичното напречно сечение от 19 mm.kv (пакет от 61 проводника с диаметър 0,63 mm). Сечението на първичната се избира 3 пъти по-малко, т.е. 6мм.кв. (сноп от 20 проводника с диаметър 0,63 mm). Напречното сечение на проводника в зависимост от неговия диаметър се изчислява като: S = D²/1,27 където D е диаметърът на проводника.
Намотката се извършва върху рамка, изработена от 1 мм печатна платка, без странични бузи. Рамката се монтира върху дървена рамка според размерите на ядрото. Първичната намотка е навита (всички завои в един слой). След това 5 слоя дебела трансформаторна хартия, с вторичната намотка отгоре. Намотките са компресирани с пластмасови връзки. След това рамката с намотките се отстранява от дорника и се импрегнира с лак във вакуумна камера. Камерата беше направена от литров буркан със стегнат капак и маркуч, прикрепен към смукателната тръба на компресора от хладилника (можете просто да потопите транса в лак за един ден, мисля, че също ще се насити).
Инсталации за автоматично заваряване на надлъжни шевове на корпуси - в наличност!
Висока производителност, удобство, лекота на работа и надеждност при работа.
Заваръчни паравани и защитни завеси - в наличност!
Радиационна защита при заваряване и рязане. Голям избор.
Доставка в цяла Русия!
Най-често при конструирането на заваръчни инвертори се използват три основни типа високочестотни преобразуватели: полумост, асиметричен мост (или „наклонен мост“) и пълен мост. Под прикритието на половин мост и пълен мост има резонансни преобразуватели. В зависимост от системата за управление на изходните параметри се предлагат преобразуватели с PWM (широчина на импулса), с PFM (честотен контрол), с фазово управление и комбинации от тези три. Всички тези видове конвертори имат своите предимства и недостатъци. Да започнем с полумост с ШИМ. Блоковата схема на такъв преобразувател е показана на фиг. 3.
Това е най-простият конвертор от двутактовото семейство, но не по-малко надежден. Недостатъкът на тази схема е, че "люлеенето" на напрежението върху първичната намотка на силовия трансформатор е равно на половината от захранващото напрежение. Но от друга страна, този факт е плюс, можете да използвате по-малко ядро, без да се страхувате да влезете в режим на насищане.
За инвертори с ниска мощност (2-ZkW) такъв преобразувател е много обещаващ. Но управлението на ШИМ изисква специално внимание при инсталиране на силови вериги; трябва да се инсталират драйвери за управление на силови транзистори. Транзисторите на такъв половин мост работят в режим на твърдо превключване, така че към управляващите сигнали се поставят повишени изисквания.
Трябва да има "мъртво време" между два противофазни импулса, липсата на пауза или недостатъчната й продължителност винаги води до възникване на проходен ток през силовите транзистори.
Последствията са лесно предсказуеми - отказ на транзистори. Много обещаващ тип полумостов преобразувател е резонансният полумост. Блоковата схема на такъв полумост е показана на фиг. 4.
Токът, протичащ през силовите вериги, има синусоидална форма и това премахва натоварването от филтърните кондензатори.
С този дизайн превключвателите на захранването не изискват драйвери! За превключване на силовите транзистори е достатъчен обикновен импулсен трансформатор. Качеството на управляващите импулси не е толкова значимо, колкото в PWM верига, въпреки че трябва да има пауза („мъртво време“).
Друг плюс е, че тази схема ви позволява да правите без текуща защита и формата на характеристиката ток-напрежение (волт-амперна характеристика) има незабавно падаща форма и не изисква параметрично оформяне.
Изходният ток е ограничен само от индуктивността на намагнитване на трансформатора и може да достигне значителни стойности по време на късо съединение, това трябва да се вземе предвид при избора на изходни диоди, но това свойство има положителен ефект върху запалването и изгарянето на дъга!
Обикновено изходните параметри се регулират чрез промяна на честотата, но използването на фазово управление дава много повече предимства и е най-обещаващото за заваръчния инвертор, тъй като ви позволява да заобиколите такова неприятно явление като съвпадението на резонанса с режим на късо съединение, а обхватът на настройка на изходните параметри е много по-широк. Регулирането на фазата ви позволява да променяте изходния ток практически от 0 до Imax.
Следващата схема е асиметричен мост или „наклонен мост“. Блоковата схема на такъв преобразувател е показана на фиг. 5.
Асиметричният мост е едноциклен преобразувател с права посока.
Конвертор с тази конфигурация е много популярен както сред производителите на заваръчни инвертори, така и сред радиолюбителите. Първите заваръчни инвертори са изградени точно като "наклонен мост". Простота и надеждност, широки възможностиза регулиране на изходния ток, устойчивост на шум - всичко това все още привлича разработчиците на заваръчни инвертори.
И въпреки че недостатъците на такъв преобразувател са доста значителни, това са големи токове през транзистори, високи изисквания за формата на управляващите импулси, което предполага използването на мощни драйвери за управление на превключватели на захранването, високи изисквания за инсталиране на силови вериги, големи импулсните токове поставят високи изисквания към кондензаторите на входния филтър, електролитните кондензатори наистина не харесват големи импулсни токове. За да поддържате транзисторите в ODZ (обхват на допустимите стойности), са необходими RCD вериги (демпфери).
Но въпреки всички тези недостатъци и ниска ефективност, "наклоненият мост" все още се използва в заваръчните инвертори и до днес. Транзисторите Т1 и Т2 работят във фаза, отварят се заедно и се затварят заедно. Енергията не се съхранява в трансформатора, а в изходния индуктор на индуктора. Коефициентът на запълване не надвишава 50%, поради което за получаване на същата мощност с мостов преобразувател е необходим двоен ток през транзисторите. Работата на такъв преобразувател ще бъде разгледана по-подробно на примера на истински заваръчен инвертор.
Следващият тип преобразувател е пълен мост с ШИМ. Класически двунасочен преобразувател! Блоковата схема на пълния мост е показана на фиг. 6.
Мостовата верига позволява да се получи мощност 2 пъти повече от полумост и 2 пъти повече от „наклонен мост“ със същите стойности на токовете и загубите при превключване. Това се обяснява с факта, че "люлеенето" на напрежението на първичната намотка на силовия трансформатор е равно на захранващото напрежение.
Съответно, за да се получи същата мощност, например, с половин мост (в който задвижващото напрежение е 0,5U захранване), токът през транзисторите ще бъде 2 пъти по-малък! Пълните мостови транзистори работят диагонално, когато T1 - T3 са отворени, T2 - T4 са затворени и обратно. Токовият трансформатор следи амплитудната стойност на тока, протичащ през включения диагонал. Можете да регулирате изходния ток на такъв преобразувател по два начина:
1) променете продължителността на управляващия импулс, оставяйки напрежението на прекъсване непроменено;
2) променете нивото на прекъсващото напрежение, идващо от токовия трансформатор, оставяйки продължителността на управляващите импулси непроменена.
И двата метода ви позволяват да промените изходния ток в доста широк диапазон. Недостатъците и изискванията на пълен мост с ШИМ са абсолютно същите като тези на половин мост с ШИМ. (Виж по-горе). И накрая, нека разгледаме най-обещаващата RF преобразувателна схема за заваръчен инвертор - резонансен мост. Блоковата схема е показана на фиг.7.
Както може да изглежда на пръв поглед, веригата на резонансния мост не се различава много от моста с ШИМ и това е вярно. На практика допълнително се въвежда само LC резонансен кръг, свързан последователно със силовия трансформатор. Въвеждането на тази верига обаче напълно променя процесите на пренос на енергия. Загубите се намаляват, ефективността се увеличава, нивото на електромагнитните смущения намалява с порядъци и натоварването на входящите електролити намалява. Както можете да видите, можете напълно да премахнете текущата защита; драйверите на силовите транзистори може да са необходими само ако се използват MOSFET транзистори с капацитет на затвора, по-голям от 5000pF. За IGBT транзистори е достатъчен един импулсен трансформатор.
Изходният ток на резонансния преобразувател може да се контролира по два начина: честота и фаза. И двамата бяха споменати по-рано, в описанието на резонансния полумост. И последният тип RF преобразувател е пълен мост с дросел за утечка. Неговата верига практически не се различава от веригата на резонансен мост (полу-мост), точно както LC веригата е свързана последователно с трансформатор, само че не е резонансна. C = 22 µFx63V работи като балансиращ кондензатор, а L на индуктора действа като реактивно съпротивление, чиято стойност зависи линейно от честотата. Управлението на такъв преобразувател е честотно. С увеличаване на честотата съпротивлението L се увеличава. Ток през силов трансформаторнамалява. Просто и надеждно. Повечето индустриални инвертори са изградени на този принцип на регулиране и ограничаване на изходния ток.
Машината за електродъгово заваряване трябва да осигурява намаляваща характеристика ток-напрежение в товара (дъгата). В мостовите инвертори, като правило, падащата характеристика се осигурява от доста сложна електроника със задължителна обратна връзкапо ток. От гледна точка на лекота на управление, според мен най-привлекателен е резонансният мост. При него падащата характеристика на източника на заваръчен ток се осигурява от параметричните свойства на резонансната верига в първичната верига на инвертора.
Характеристика на инвертора, представен в тази статия, е не само използването на пълен резонансен мост, но и неговото управление с помощта на микроконтролер PIC16F628-20I/P.
Нека веднага да отбележим, че максималният заваръчен ток на инвертора зависи от настройката. Стойността му се определя изцяло от ширината на немагнитната междина в магнитната верига на резонансния дросел. За силовите елементи, използвани в инвертора, в зависимост от техните термични условия, заваръчният ток може да достигне 200 A.
Схемата на инвертора е разделена на две части. включено Фиг.1е показана силовата част и Фиг.2— схема на захранването с блока за управление. Класическият мостов заваръчен инвертор се състои от токоизправител за мрежово напрежение с филтърни кондензатори. Едно постоянно напрежение от 300 V се преобразува с помощта на 4 превключвателя в променливо напрежение с по-висока честота, което се понижава и след това се коригира с помощта на заваръчен трансформатор.
Силова част
В резонансните преобразуватели резонансен индуктор L1 и резонансен кондензатор C1-C10 са свързани последователно с първичната намотка на заваръчния трансформатор T1 (виж фиг. Фиг.1на който силовите вериги са подчертани с удебелени линии). Индуктивността на последователната верига се състои от индуктивността на резонансния дросел L1 и индуктивността на първичната намотка на трансформатора Т1. Вторичната намотка T1 е натоварена със заваръчна дъга. Ако капацитетът C1-C10 и индуктивността L1 са постоянни стойности, тогава индуктивността на първичната намотка T1 зависи от съпротивлението на натоварване във вторичната намотка, т.е. от заваръчен ток. Максималната индуктивност на първичната намотка T1 съответства на режима на "без натоварване" на инвертора, а минималната - на късо съединение. Съпротивлението на натоварване също определя качествения фактор на веригата. По този начин резонансната честота на веригата е минимална в режим "без товар" (с максимална индуктивност на първичната намотка T1) и максимална в режим на късо съединение (с минимална индуктивност на първичната намотка T1). Когато натоварването на инвертора е заваръчна дъга, резонансната честота на веригата зависи от тока в дъгата.
От всичко казано по-горе е очевидно, че честотата на инвертора при работа на максимална мощност в дъгата трябва да бъде по-ниска от естествената честота на резонансната верига на инвертора в режим на късо съединение и по-висока от нея в режим на късо съединение. режим "неактивен". Оптимално е да възникне резонанс при естествената честота на веригата, при която се развива максимална мощност в дъгата (f МАКС. МОЩНОСТ). Именно това е основният критерий правилни настройкиинвертор Ако в този случай честотата на инвертора се увеличи спрямо f MAX. МОЩНОСТ , токът на дъгата намалява поради увеличаване на индуктивното съпротивление на резонансния индуктор L1. Така се извършва честотно регулиране на тока в заваръчната дъга.
Възможен е резонанс във веригата на инвертора поради късо съединение и неправилни настройки на инвертора при честота, по-висока от f MAX. МОЩНОСТ .
Имайте предвид също, че резонансът е неприемлив в режим на късо съединение за транзисторни превключватели на инвертора поради възникване на свръхток в първичната верига. Тъй като режимът на късо съединение е нормалният режим за заваръчната машина, е необходимо да се предотврати работата на инвертора при честоти над f MAX. МОЩНОСТ в случай на късо съединение в заваръчната верига.
За да направите това, микроконтролерът в този инвертор непрекъснато следи факта на късо съединение в заваръчните проводници с помощта на специален детектор. Когато възникне късо съединение, микроконтролерът автоматично намалява честотата на инвертора до предварително зададената стойност f MAX. МОЩНОСТ - при тази честота е невъзможен резонанс при късо съединение, което предотвратява протичането на прекомерен ток в първичната верига и съответно през ключовете.
В секцията за захранване (фиг.1) R13 - стартов резистор. Ограничава тока на зареждане на оксидните кондензатори C16, C17, когато устройството е включено. Диодният мост VD14-VD21 е предназначен да коригира мрежовото напрежение 220 V / 50 Hz, което се изглажда от кондензатори C15-C17 и се подава към изходния мост на веригата, състоящ се от 4 ключа на IGBT транзистори VT1-VT4.
Супресорите VD3, VD9 и VD22 предпазват ключовете от пренапрежения. Резисторите R5, R6 разреждат резонансния кондензатор, когато инверторът е изключен. Ценерови диоди VD1, VD2, VD4, VD5 не позволяват напрежението на портите на превключвателите да надвишава 18 V. Резисторите R1, R3, R7 и R9 ограничават изходния ток на драйверите в моментите на зареждане и разреждане на портата капацитет на превключвателите. Резисторите R2, R4, R8, R10 осигуряват надеждно затваряне на клавишите в моменти, когато няма захранване на драйверите.
Заваръчният трансформатор Т1 с коефициент на трансформация 6 намалява напрежението и осигурява галванична изолация на изхода спрямо мрежовата част на инвертора. Променливото напрежение от вторичната намотка на заваръчния трансформатор се коригира от диоди VD6, VD7 и се подава през заваръчните проводници към електрода и заваряваните повърхности. Веригите R11C13 и R12C14 служат за поглъщане на енергията от емисиите на обратно напрежение на изходния токоизправител. За стабилно изгаряне на дъгата при ниски токове, както и за улесняване на запалването й, е предвиден удвоител на напрежението, монтиран на елементи C11, C12, VD10-VD13, C19, C20 и L2. Резистор R14 служи като товар за удвоителя. Супресорът VD8 предпазва диодите на изходния токоизправител от обратни пренапрежения на напрежението.
захранващ агрегат
Изграден с помощта на схема на обратен преобразувател, базирана на специализирана микросхема DA6 TNY264 съгласно стандартна схема (фиг.2). Той осигурява захранване на драйверите, релетата и контролния блок на микроконтролера. Захранването на драйверите на горните превключватели е галванично изолирано от канала за захранване на релето 24 V и канала за захранване на долните драйвери. За захранване на микроконтролера DD1 (5 V) се използва параметричен стабилизатор DA7. Драйверите DA1-DA4 тип HCPL3120 са предназначени да управляват превключватели VT1-VT4 и осигуряват стръмни ръбове на управляващите импулси на портите на тези транзистори.
Детекторът за късо съединение е монтиран на елементи R25, R27, R28, DA8, VD32, VD33, C38. Когато напрежението на заваръчните проводници е под 9 V (късо съединение), на входа RB4 на контролера DD1 се появява високо логическо ниво, а когато напрежението е над 9 V (без късо съединение), се появява ниско логическо ниво на входа RB4.
Позиция DD1 използва широко използвания микроконтролер (MCU) PIC16F628-20I/P в DIP пакет.
Инверторна работа
Веднага след като захранването започне, програмата на микроконтролера започва да работи. След закъснение от приблизително 5 s ще прозвучи зумерът и инверторът ще започне да работи. Веднага щом напрежението в заваръчните проводници надвиши 9 V, MK ще отвори ключ VT5, който ще включи реле K1 и контактите на релето ще бъдат заобиколени от зареждащия резистор R13. Зумерът също ще се изключи. От този момент инверторът е готов за работа. Работната честота на инвертора ще се определя от позицията на потенциометъра R18. Освен това минималната честота (известна още като f MAX. POWER) съответства на максималния ток на заваряване, а максималната честота съответства на минималния ток. Честотата се променя на стъпки (дискретно). Използват се само 17 позиции. При въртене на потенциометър R18, промяната на честотата е придружена от късо съединение звуков сигналзумер По този начин, чрез звука на зумера, можете да промените честотата на заваръчния ток до необходимия брой позиции.
Ако има късо съединение в заваръчните кабели, инверторът автоматично започва да работи на честота f MAX. МОЩНОСТ ,- Работата на инвертора в режим на късо съединение е придружена от зумер. Ако късото съединение продължи повече от 1 s, работата на инвертора се блокира и се възобновява след 3 s. Така се реализира функцията на електрода против залепване.
При липса на късо съединение на входа RB4 се подава ниско логическо ниво, а честотата на инвертора се определя от положението на потенциометър R18.
За защита на изходните превключватели от прегряване се използват два термостата TS1 и TS2 като сензори. Ако поне един от термостатите е изключен, работата на инвертора е блокирана. Зумерът издава прекъсващ, бърз звуков сигнал, докато радиаторът, на който е монтиран задействаният термостат, се охлади.
Конструкция и детайлиРезонансен дросел L1 е навит върху магнитопровод ETD59, материал № 87 от EPCOS и съдържа 12 навивки меден проводник с диаметър 2 мм в лакова изолация. Жицата се навива със задължителна празнина между завоите. За да осигурите хлабина, можете да използвате дебел конец. За да фиксирате намотката, трябва да покриете завоите с епоксидно лепило. Половинките на магнитната верига са съединени с немагнитна междина от 1...2 mm. По-точна стойност на немагнитната междина се избира при настройка на резонансната честота. По време на работа на инвертора, магнитната верига на резонансния дросел може да се нагрее много. Това се дължи на насищането на ферит при работа в резонанс. За да се осигури надеждно фиксиране на празнината на магнитната сърцевина, нейните половини трябва да бъдат затегнати с метални щифтове. В този случай е необходимо да се осигури разстояние от пролуката до шпилките от най-малко 5 mm. В противен случай шпилките може да се стопят близо до пролуката. По същата причина е неприемливо затягането на дросела със солидна метална обвивка.
Трансформатор Т1 е навит върху магнитопровод E65, материал № 87 от EPCOS. Първо, първичната намотка се навива в един ред - 18 навивки от медна жица с диаметър 2 мм в лакова изолация. Намотки II и III са навити върху първичната намотка. Всеки от тях заема половината от рамката. Намотки II и III съдържат по 3 навивки от четири медни проводника с диаметър 2 mm. Половинките на магнитната сърцевина на трансформатора са свързани без празнини и стабилно фиксирани.
Дроселът L2 съдържа 20 навивки от монтажен проводник с напречно сечение 1,5 mm 2, навит върху феритен пръстен K28x16x9.
Трансформатор Т2 е навит на ферит Ш5х5 с пропускливост 2000 NM. Половинките на магнитната верига се съединяват с разстояние от 0,1…0,2 mm. Намотка I съдържа 180 навивки от проводник PEV-1 с диаметър 0,2 mm. Намотка II е навита в един ред и съдържа 47 навивки от същия проводник. Намотки III, IV и V съдържат по 33 навивки от проводник PEV-1 с диаметър 0,25 mm. Между намотките трябва да поставите 2 слоя изолация (например маскираща лента). Фазирането на връзките на намотките е показано на Фиг.2.
Допустимо е да се използват само висококачествени филмови кондензатори C1-C10 за напрежение най-малко 1000 V. За предпочитане е да се използват кондензатори от типа K78-2. Блокиращият кондензатор C15 трябва да бъде от същия тип.
Захранването не изисква конфигурация и, ако частите са в добро състояние, започва да работи веднага. Необходимо е само да проверите стойностите на напрежението за захранване на драйверите 16…17 V. Когато проверявате захранването, можете да приложите мрежово напрежение 220 V към неговите входни клеми GND и +300 V. Захранването трябва да се захранва. по същия начин при настройка на резонансната честота.
По време на работа на инвертора всичките му захранващи елементи се нагряват. Времето на непрекъсната работа на устройството и неговата издръжливост ще зависят от това колко добре са издухани тези елементи. Радиатори с голяма площтрябва да бъдат осигурени за входния токоизправител VD14-VD21, транзистори VT1-VT4 и изходния токоизправител VD6, VD7. Принудително въздушно охлаждане е необходимо и за резонансния дросел L1, заваръчния трансформатор T1 и удвоителните диоди VD10-VD13. На радиаторите на горните превключватели и изходните диоди са монтирани предпазни термостати TS1 и TS2 тип KSD250V. Всички останали елементи на инвертора не изискват въздушен поток и радиатори.
Настройка на резонансната честота
За да конфигурирате инвертора, имате нужда от LATR и реостат за натоварване със съпротивление от 0,15 Ohm. Реостатът трябва да издържа на краткотраен токов поток до 200 A. Пролуката на магнитната верига на резонансния дросел е настроена на приблизително 1 mm. Между щифтове 3 и 4 на оптрона DA8 е монтиран джъмпер. Инсталирайте "зашития" микроконтролер в контролния блок.
При настройка захранването трябва да се захранва отделно. За да направите това, без да включвате устройството към мрежата, трябва да приложите мрежово напрежение от 220 V към проводниците GND и +300 V на захранването.
Силовата част все още е без ток. След включване на захранването зумерът трябва да прозвучи след 5 секунди, след което звукът да спре и релето да се включи. Натиснете двата бутона SB1 и SB2 едновременно. Задръжте бутоните, докато прозвучи зумерът. Да пуснем бутоните. Продължителният звук ще спре и зумерът ще започне да бипка периодично за около 2 секунди. Това съответства на режима на настройка на резонансната честота.
Ако всичко е така, тогава с помощта на осцилоскоп наблюдаваме наличието на биполярни импулси между портите на транзисторите VT2 и VT4 с честота 30 kHz, амплитуда най-малко 15 V и стъпка на „мъртво време“ от 2 μs. Същият сигнал трябва да бъде между портите VT1 и VT3. Ако всичко е така, захранваме захранващата част през LATR и настройваме напрежението на 20...30 V.
Можете да свържете 12 V електрическа крушка към заваръчните проводници. Ако светлината свети, свържете 0,15 Ohm реостат и DC волтметър към заваръчните проводници. Задаваме напрежението на LATR на 30...40 V и започваме настройката. Използвайте бутоните SB1 и SB2, за да намалите или увеличите честотата на инвертора. Граници на промяна на честотата 30…42 kHz. Чрез регулиране на честотата с бутоните постигаме максимално напрежение на реостата. Ако напрежението продължава да се увеличава, когато честотата намалява до 30 kHz, тогава е необходимо да се увеличи празнината в магнитната верига на резонансния дросел и да се повтори настройката отново. Ако, когато честотата се увеличи до 42 kHz, напрежението на реостата продължава да се увеличава, е необходимо да се намали празнината в магнитната верига на резонансния дросел и да се повтори настройката отново.
Необходимо е да се постигне резонанс, т.е. конфигурирайте веригата така, че увеличаването или намаляването на честотата на инвертора да доведе до намаляване на напрежението на реостата. С елементите, посочени на диаграмата, най-добре е да се постигне такава празнина в резонансния дросел, така че резонансът с товар от 0,15 ома да се появи при честота 33...37 kHz. Резонансът при по-висока честота ще увеличи максималния заваръчен ток, но превключвателите и изходните диоди ще работят на границата си.
След като резонансната честота е зададена, натиснете двата бутона едновременно. След дълъг звуков сигнал стойността на резонансната честота ще бъде записана в енергонезависимата памет на микроконтролера. Чрез въртене на потенциометър R18 проверяваме работата на честотното регулиране. Минималната честота трябва да е равна на резонансната честота. При завъртане на потенциометъра промяната на честотата трябва да бъде придружена от кратък звуков сигнал (общо 17 стъпки).
Ако всичко се случи по този начин, ние сглобяваме цялата верига на инвертора. Отстранете джъмпера между щифтове 3 и 4 на оптрона DA8. Включваме инвертора към мрежата. След 5 секунди ще прозвучи зумерът, след това релето ще се включи и звукът ще спре. С помощта на потенциометър R18 задаваме минималната честота (известна още като f MAX. POWER), съответстваща на максималния ток. Заредете за кратко инвертора с реостат със съпротивление 0,15 Ohm и измерете напрежението в товара. Ако това напрежение надвишава 23 V, тогава настройката може да се счита за завършена. Ако е по-малко, тогава трябва да увеличите празнината в магнитната верига на резонансния дросел и да повторите настройката отначало.
Схематична диаграма на фабричния заваръчен инвертор "Resanta" (щракнете за уголемяване)
Инверторна схема от немския производител FUBAG с редица допълнителни функции (щракнете за уголемяване)
Пример за принципност електрическа схемазаваръчен инвертор за самостоятелно производство (щракнете за уголемяване)
Електрическата схема на инверторното устройство се състои от две основни части: силовата секция и управляващата верига. Първият елемент от силовата част на веригата е диоден мост. Задачата на такъв мост е именно да преобразува променлив ток в постоянен.
В постоянния ток, преобразуван от променлив ток в диодния мост, могат да възникнат импулси, които трябва да бъдат изгладени. За да направите това, след диодния мост е инсталиран филтър, състоящ се от кондензатори от предимно електролитен тип. Важно е да знаете, че напрежението, което излиза от диодния мост, е приблизително 1,4 пъти по-голямо от стойността му на входа. При преобразуване на AC в DC, токоизправителните диоди стават много горещи, което може сериозно да повлияе на работата им.
За да ги предпазят, както и други елементи на токоизправителя от прегряване, в тази част на електрическата верига се използват радиатори. Освен това на самия диоден мост е монтиран термичен предпазител, чиято задача е да изключи захранването, ако диодният мост се нагрее до температура над 80–90 градуса.
Високочестотните смущения, генерирани по време на работа на инверторното устройство, могат да навлязат електрическа мрежа. За да се предотврати това, пред блока на токоизправителя на веригата е монтиран филтър за електромагнитна съвместимост. Такъв филтър се състои от дросел и няколко кондензатора.
Самият инвертор, който преобразува постоянен ток в променлив, но има много повече висока честота, сглобени от транзистори с помощта на схема "наклонен мост". Честотата на превключване на транзисторите, поради която се генерира променлив ток, може да бъде десетки или стотици килохерци. Така полученият високочестотен променлив ток е с правоъгълна амплитуда.
Трансформаторът за намаляване на напрежението, инсталиран зад инверторния блок, ви позволява да получите ток с достатъчна сила на изхода на устройството, така че да можете ефективно да извършвате заваръчни работи с негова помощ. За да се получи постоянен ток с помощта на инверторно устройство, след понижаващия трансформатор е свързан мощен токоизправител, също сглобен на диоден мост.
Елементи за защита и управление на инвертора
Няколко елемента в неговата електрическа схема ви позволяват да избегнете влиянието на отрицателните фактори върху работата на инвертора.
За да се гарантира, че транзисторите, които преобразуват постоянен ток в променлив ток, не изгарят по време на работа, се използват специални вериги за затихване (RC). Всички блокове на електрическата верига, които работят при голямо натоварване и се нагряват много, не само са снабдени с принудително охлаждане, но също така са свързани с температурни сензори, които изключват захранването си, ако температурата им на нагряване надвиши критична стойност.
Поради факта, че филтърните кондензатори след зареждане могат да произведат висок ток, който може да изгори инверторните транзистори, устройството трябва да бъде снабдено с плавен старт. За тази цел се използват стабилизатори.
Веригата на всеки инвертор има PWM контролер, който отговаря за управлението на всички елементи на неговата електрическа верига. От PWM контролера електрическите сигнали се изпращат към транзистор с полеви ефекти и от него към изолационен трансформатор, който едновременно има две изходни намотки. ШИМ контролерът, чрез други елементи на електрическата верига, също така подава управляващи сигнали към силовите диоди и силовите транзистори на инверторния блок. За да може контролерът да управлява ефективно всички елементи от електрическата верига на инвертора, е необходимо също така да се подават електрически сигнали към него.
За генериране на такива сигнали се използва операционен усилвател, чийто вход се захранва с изходния ток, генериран в инвертора. Ако стойностите на последните се различават от зададените параметри, операционният усилвател генерира управляващ сигнал към контролера. Освен това операционният усилвател получава сигнали от всички защитни вериги. Това е необходимо, за да може той да изключи инвертора от захранването в момента, когато възникне критична ситуация в електрическата му верига.
Предимства и недостатъци на заваръчните машини от инверторен тип
Устройствата, които замениха обичайните трансформатори, имат редица значителни предимства.
- Благодарение на напълно различен подход към формирането и регулирането на заваръчния ток, теглото на такива устройства е само 5–12 kg, докато заваръчните трансформатори тежат 18–35 kg.
- Инверторите имат много висока ефективност (около 90%). Това се обяснява с факта, че те изразходват значително по-малко излишна енергия за нагряване на компонентите. Заваръчните трансформатори, за разлика от инверторните устройства, се нагряват много.
- Поради такава висока ефективност, инверторите консумират 2 пъти по-малко електрическа енергия от конвенционалните трансформатори за заваряване.
- Високата гъвкавост на инверторните машини се обяснява с възможността за регулиране на заваръчния ток в широк диапазон с тяхна помощ. Благодарение на това едно и също устройство може да се използва за заваряване на детайли от различни метали, както и за заваряване по различни технологии.
- Повечето съвременни инверторни модели са оборудвани с опции, които минимизират влиянието на грешките на заварчика върху технологичния процес. Такива опции включват по-специално „Анти-стик“ и „Arc Force“ (бързо запалване).
- Изключителната стабилност на напрежението, подавано към заваръчната дъга, се осигурява от автоматичните елементи на инверторната електрическа верига. В този случай автоматизацията не само взема предвид и изглажда разликите във входното напрежение, но също така коригира дори такива смущения като затихването на заваръчната дъга поради силен вятър.
- Заваряването с помощта на инверторно оборудване може да се извърши с всякакъв вид електрод.
- Някои модели модерни заваръчни инвертори имат функция за програмиране, която ви позволява точно и бързо да конфигурирате техните режими при извършване на определен вид работа.
Като всеки комплексар технически средства, заваръчните инвертори също имат редица недостатъци, за които също трябва да знаете.
- Инверторите са много скъпи, с 20–50% по-високи от цената на конвенционалните заваръчни трансформатори.
- Най-уязвимите и често неизправни елементи на инверторните устройства са транзисторите, чиято цена може да достигне до 60% от цената на цялото устройство. Съответно е доста скъпо начинание.
- Поради сложността на електрическата им схема, инверторите не се препоръчват за използване при лоши метеорологични условия и при ниски температури, което сериозно ограничава обхвата им на приложение. За да се използва подобно устройство в полеви условия, е необходимо да се подготви специална затворена и отопляема зона.
При заваръчни работи, извършвани с помощта на инвертор, не могат да се използват дълги проводници, тъй като те предизвикват смущения, които се отразяват негативно на работата на устройството. Поради тази причина проводниците за инвертори са направени доста къси (около 2 метра), което прави заваръчната работа донякъде неудобна.
(гласове: 9
, средна оценка: 4,00
от 5)
