Вес
аппарата со сварочными проводами не более 8 кг !
Речь пойдёт о полном резонансном мосте с частотным регулированием.
Желающие получить подробную информацию о данном типе сварочных
инверторов могут посетить сайт
Вадима Негуляева
Принципы работы резонансного моста
Резонансный мост – это одна из разновидностей двухтактных
преобразователей инверторного типа. Во время первого такта открыты
транзисторы (далее ключи)VT1 и VT2, во время второго – VT4 и VT5.
Такты отличаются полярностью подачи высокого напряжения (приблизительно
300В) в резонансную цепочку, состоящую из конденсатора C17, сварочного
трансформатора T1 и дросселя L1.
Для безопасной работы ключей инвертора между тактами необходима пауза
(DeadTime). В сварочном инверторе частота преобразователя должна быть
такой, чтобы ёмкость С17, индуктивность L1 + индуктивность нагруженного
на дугу трансформатора образовывали контур, в котором на этой частоте
происходит резонанс напряжений. При этом мощность в нагрузке
максимальна.
При коротком замыкании в сварочной цепи этот резонанс уходит, как бы
ограничивая ток короткого замыкания. Подстраивая частоту инвертора
можно добиться максимальной мощности в дуге. С увеличением частоты ток
в контуре начинает ограничиваться реактивным сопротивлением дросселя L1
и ток в дуге понижается. Таким образом, один раз настроив резонансную
частоту (читай, частоту при которой в контуре с трансформатором,
нагруженным на дугу, в дуге максимальная мощность) можно изменять
значение сварочного тока, увеличивая частоту инвертора относительно
резонансной.
Это вкратце теория. Прошу прощения у Вадима, если он увидит здесь
плагиат.
Силовая часть сварочного инвертора
Схема силовой части
сварочного инвертора представлена на рисунке(кликните для увеличения):
При включении инвертора в сеть через пусковой резистор R1 и спаренный
выпрямитель VD6-VD13 заряжаются ёмкости С3 и C4. Как только ёмкости
зарядятся до напряжения 200-250В включиться реле K1, и своими
контактами зашунтирует резистор R1. Ёмкости дозаряжаются до напряжения
приблизительно 300 В. C этого момента высоковольтная часть инвертора
готова к работе.
В своём сварочном инверторе для управления мощными IGBT-транзисторами,
я применил специализированные драйверы фирмы IR. Драйверы верхних
ключей получают питание от бустпретных ёмкостей С5 и C8. Эти ёмкости
периодически подпитываются через диоды VD14 и VD19 в моменты открытия
нижних ключей. Здесь верхними (условно) ключами называю те транзисторы,
коллекторы которых соединены с плюсом силового питания 300 В. У нижних
ключей эмиттеры соединены с минусом силового питания 300 В. Для
согласования ТТЛ уровней микроконтроллера с уровнями входов LIN и HIN
драйверов (не менее 9 В) служат элементы R2, R9, VT3, VT6. Резисторы R8
и R14 обеспечивают неактивный режим драйверов во время “пусковой
распутицы” микроконтроллера.
Удвоитель напряжения собран на элементах VD23, VD26, VD27, С15, C16,
С11 и служит для облегчения зажигания дуги. Программой микроконтроллера
непрерывно отслеживается состояние выхода сварочного инвертора. При
коротком замыкании на выходе светодиод оптопары U1 потушен и на входе
UOut будет высокий логический уровень. Для защиты от пробоя силовых
элементов схемы неизбежными выбросами напряжения служат так называемые
снабберы и сапрессоры VD17, VD18, VD22, VD28, С13, C14, R19, R21, а
также ограничитель “раскачки” R20.
Во время работы под нагрузкой все силовые элементы инвертора (показаны
утолщённой линией) нагреваются. От того, как грамотно будет отведено
тепло с этих элементов, будет зависеть надёжность аппарата и его
долговечность. Как показала практика, наиболее подвержены тепловой
напасти IGBT-транзисторы.
Отведение тепла от силовых элементов
схемы
Теперь могу с полной уверенностью сказать, что никакая теплопроводная
паста не спасёт эти ключики при отсутствии плотного прилегания их
корпусов к радиатору толщиной не менее 6 мм. Транзисторы нужно
привинтить к радиатору винтами М4, для чего заводское крепёжное
отверстие нужно рассверлить. А ещё лучше транзисторы предварительно
припаять к массивной медной основе.
Я делаю это так. Крепёжные отверстия в транзисторах рассверливаются до
4 мм и припоем ПОС60 с канифолью пролуживается подложка. Используется
паяльник мощностью не менее 40 Вт.
Затем, нужно изготовить вот такой винтик с резьбой М4 и подобрать для
него достаточно мощную пружину.
В заготовке медной пластины сверлится отверстие диаметром 6мм и
пролуживается участок около этого отверстия.
Транзистор привинчивается к пластине "спецвинтом" с пружиной.
Затем, пластина с установленным транзистором помещается на разогретую
электроплитку и горячим паяльником прогреваются участки меди вокруг
транзистора. Как только расплавится припой, заготовку можно снимать с
плитки и подождать, когда остынет. После удаления винта с пружиной
получается вот что.
Поверхности медных подложек шлифуются и через теплопроводную подложку
привинчиваются к алюминиевому радиатору. Если радиаторы изолировать от
корпуса, то изоляционные подложки можно не устанавливать и для лучшего
теплового контакта использовать теплопроводную пасту. Защитные
термостаты устанавливаются на самые нагреваемые радиаторы силовой
части. Я установил термостаты между выпрямительными мостами KBPC3510 и
на подложке “верхних” ключей.
Питание управляющих цепей сварочного
инвертора
и схема управления
Использование любого аппарата электродуговой сварки предполагает
наличие достаточно мощной сети питающего напряжения. Это условие не
всегда обеспечивается при сварке в условиях гаража или дачи. Отсюда
повышенные требования к блоку питания (БП). Для питания ответственных
узлов БП должен обеспечивать стабильное напряжение при просадке
сетевого напряжения до 150 В, а лучше, ещё меньше. Для этой цели как
нельзя лучше подходит импульсный блок питания, построенный по схеме
обратноходового преобразователя, в простонародье называемый флайбэк.
Схема управления сварочного
инвертора представлена на рисунке(кликните для увеличения):
Представленный на схеме БП обеспечивает стабильное напряжение на выходе
при просадке сетевого до 50 В! При этом запускается рывком при
напряжении выше 80 В. Таким образом, отсутствует промежуточный режим
работы когда напряжение на выходе уже есть, но ещё не 12,5 В. Для
инверторов это важно, поскольку исключается работа ключей в линейном
режиме. Желаю всем сваркостроителям использовать в качестве блока
питания именно флайбэк! Уверяю, что затраты окупятся сполна. К слову
сказать, в моём инверторе от линейного режима ключи защищены ещё и
специализированными драйверами фирмы IR.
Мотая трансформатор нужно обеспечить хорошую межобмоточную изоляцию. В
моей конструкции все обмотки намотаны медным проводом в лаковой
изоляции диаметром 0,2 мм. При подключении трансформатора необходимо
правильно соблюсти фазировку обмоток, иначе флайбэк работать не будет.
Подборкой сопротивления резистора R1, добиваемся напряжения на выходе
12,5 В. Это напряжение используется для питания драйверов.
Микроконтроллер получает питание через параметрический стабилизатор
КР142ЕН5А. Применение микроконтроллера позволило значительно упростить
настройку резонансной частоты (кнопочками), к тому же стабильность
обеспечивается кварцевым резонатором. Настройка производится один раз с
помощью выносного кнопочного пульта. Значение резонансной частоты
сохраняется в энергонезависимой памяти микроконтроллера. В программе
применены "спецмеры" исключающие ложную подстройку резонансной частоты
во время рабочего режима.
