разное / Сварочный инвертор - это просто, 2
.pdf
Содержание
От автора ________________________________________________________ 3
1.Немного теории и основные требования к сварочному инвертору___________________________________________ 4
2.Типы высокочастотных преобразователей, наиболее
часто применяемых для построения сварочных инверторов. (Обзор)__________________________________ 7
3. Ассиметричный мост, или однотактный прямоходовой, или просто “косой мост”._____________________________ 12
4.Полумостовой двухтактный инвертор с ШИМ, резонансный, с дросселем рассеяния._________________ 16
5.Мостовой двухтактный инвертор с ШИМ, с дросселем рассеяния, резонансный, резонансный на токи 10 -350А в дуге.__________________ 24
6. Выбор силовых транзисторов _______________________ 36
7.Конструктивные хитрости и нюансы изготовления ответственных узлов. ________________________________ 39
8.Полезные устройства и схемы: “горячий старт”, “антипригар”, “мягкий поджиг”._______________________ 41
9. Параметры ферритов _______________________________ 45
10. Примеры разводки печатных плат и компоновки ________ 47
10. Список литературы _________________________________ 50
2
От автора
Эта книга является логическим продолжением и дополнением
моей первой книги - “Сварочный инвертор - это просто.” В ней Вы найдёте ответы на большинство вопросов с которыми столкнулись радиолюбители при конструировании мощных сварочных источников в домашних условиях. И если первая книга была практически полностью посвящена резонансному сварочному инвертору, то в этой, я постараюсь охватить и описать весь спектр сварочных инверторов, начиная с простейшего полумоста и заканчивая мощным резонансным источником!
За прошедший год, после выхода моей первой книги и опубликования в Интернете
схем резонансных сварочных инверторов моей конструкции, я получил сотни писем с вопросами и предложениями. Все письма были мной тщательно проанализированы,
технические решения многократно проверены в “железе”, и только после этого я выношу их на Ваш, уважаемый читатель, суд. Все тексты снабжены подробными электрическими схемами и рисунками.
Приведены реальные осциллограммы в ключевых точках, разработаны и
опробованы на практике методики настройки аппаратов с ШИМ , ЧИМ и фазовым
управлением выходным током и напряжением. Возможно, я что-то упустил, или не достаточно полно дал описание происходящих процессов, но, как говорится - нет предела совершенству.
Думаю, эта книга может быть полезна как опытным разработчикам новых схем силовых преобразователей, так и тем, кто ещё только собирается окунуться в мир силовой электроники. Пробуйте, ошибайтесь, исправляйте свои и чужие ошибки, учитесь на собственном и чужом опыте, и очень скоро Вы заметите, что побед всегда больше, чем поражений и разочарований!
Я благодарю всех, кто присылал письма с замечаниями и предложениями, требова-
ниями и ругательствами, и просто в знак внимания. Сам факт, что эти письма были написаны, свидетельствует о том, что мой труд был не напрасен. Спасибо всем!
Удачи!
Автор, разработчик, инженер электронщик
В.Ю. Негуляев, Киев, 2006 г.
3
1.Немного теории и основные требования к сварочному инвертору.
Я, как и многие из Вас, не люблю теорию. Но для понимания принципов
построения сварочного источника инверторного типа, обязан немного затронуть процессы возникновения и горения сварочной дуги. Надеюсь эта глава не отобьёт
желание прочитать всё до конца. Пэтому буду краток и сразу начну с вольт-амперной характеристики дуги.(в дальнейшем ВАХ)
Напряжение дуги,(В)
60
40
Рис.1
20
0
100 |
1000 |
Сварочный ток, (А)
На рис.1 показана ВАХ дуги в общем виде. Как видим при малых токах, примерно до 80А характеристика дуги имеет падающий вид, или если на пальцах - при возростании тока напряжение дуги падает. Это очень интересное свойство дуги которое можно и нужно использовать! Исходя из приведенного графика можно сделать однозначный вывод - чем выше напряжение, приложенное к искровому промежутку,
тем легче процесс возникновения дуги, дуга загорится при токе намного меньше, чем
если мы будем пытаться её зажечь на прямолинейном участке ВАХ! Именно с целью облегчения зажигания дуги применяются осцилляторы и различные устройства повышающие выходное напряжение сварочных аппаратов. Стандартное напряжение холостого хода (ХХ) для инверторных сварочных аппаратов колеблется от 70В до 95В,
и зависит только от конструкции вольтодобавки. Основной источник обычно имеет пологопадающую характеристику с крутопадающим хвостовым участком, ограничивающим максимальный ток короткого замыкания (КЗ). Приблизительный график ВАХ сварочного инвертора должен иметь вид, как на рис.2. Как видим высокое
выходное напряжение ХХ обеспечивает стабильный поджиг и поддерживание устойчи - вого горения дуги на всех режимах работы. При такой ВАХ сварочного инвертора, легко поджигаются и устойчиво горят электроды всех марок, в том числе электроды для сварки нержавеющих сталей, цветных металлов и чугуна.
4
Напряжение дуги,(В)
80
60
40
20
0
Imax
Рис.2
100 |
Iкз |
|
Сварочный ток, (А) |
Как я уже сказал, на рис.2 показан приблизительный график ВАХ, и реальная ВАХ может значительно отличаться, но в идеале нужно стремиться именно к получению
похожей выходной характеристики сварочного аппарата.
Мы рассмотрели только участок ВАХ дуги для токов менее 100А, но именно от того, насколько характеристика источника на этом участке будет похожа на характеристику
дуги, зависит устойчивость дуги, и как следствие качество сварного шва.
Вот мы и сформулировали первое требование к сварочному инвертору - крутопадающая ВАХ. Это обязательное условие, если оно не будет выполнено, то у нас врядли получится сварочный аппарат с достойными параметрами.
Рассмотрим следующий участок ВАХ дуги, который начинается после 80А, и про - должается примерно до 800А. На этом участке ВАХ, дуга является стабилизатором напряжения, именно этот участок является наиболее подходящим для переноса
расплавленного металла от электрода к свариваемому изделию. Напряжение в дуге
на этом участке не зависит от приложенного тока, а зависит только от длины дуги. Величину этого напряжения можно вычислить по формуле:
Uд = а+b*L
где Uд - напряжение дуги,В;
a - постоянный коэфициент, выражающий сумму падений напряжения на катоде и аноде дуги, не зависящий от длины дуги,В;
b - среднее падение напряжения на единицу длинны дуги, В/мм; L - длина дуги, мм.
Для стальных электродов можно в среднем принять a=10В и b=2В/мм.
Тогда напряжение дуги длинной L=4мм составит:
U= 10+2*4=18В.
При атмосферном давлении, дуга при сварке металлическим электродом горит устойчиво при напряжении 18 - 28В.
Это и будет следующее требование к нашему источнику. Во всём рабочем диапазоне, от I=80А до Imax, напряжение не должно быть меньше 18В, а для стабильной работы не менее 22-24В !
5
А теперь рассмотрим третий, хвостовой участок ВАХ сварочного инвертора. Этот
отрезок кривой очень важен для |
о горения дуги, для ограничения тока |
КЗ, для ограничения мощности |
для безопасной работы силовых ключей! |
В разных конструкциях преобра |
лей он формируется различными способами, и |
как следствие, имеет разный нак |
инверторах с ШИМ, ограничение максимально - |
го тока силовых ключей организ |
з ОС, в качестве датчика может применяться |
токовый трансформатор. При |
граничного тока, импульс с токового транс - |
форматора поступает на вход |
тока в блок управления, и прерывает |
управляющий импульс, пост |
силовые ключи. На осциллограмме это выгля - |
дит, как сужение управляющего |
. И чем больше нагрузка, тем короче стано - |
вится импульс управления. Напр |
на выходе начинает понижаться, хотя ток |
растёт. Крутизна этого участка |
т времени запаздывания реакции контрол - |
лера на изменение нагрузки. |
|
Для резонансных инверторов, |
ок ВАХ имеет более пологий наклон, его |
величина зависит только от |
резонансной LC цепочки, и чем она выше, |
тем более крутой этот угол. Как |
если аппарат правильно настроен, то можно |
обойтись без ОС по току! |
мощности будет происходить автоматически. |
Именно поэтому считается, что |
преобразователи не боятся режима КЗ! И |
это правда! |
|
Вот сформировалось и тре |
требование - ограничение максимального |
тока силовых ключей! Это самое |
требование! |
Эти три условия должны быть |
лнены в обязательном порядке! |
Все остальные требования |
чному источнику не столь важны. Но я обязан |
о них рассказать. Это: а) без |
сварщик должен быть уверен, что не попадёт |
под |
напряжения опасного для жизни; |
б) наличие |
от режима длительного КЗ; |
в) наличие |
от перегрева силовых частей аппарата; |
г) |
от влаги и пыли; |
д) наличие |
емы поджига и стабилизации горения дуги. |
Мне кажется этого достаточно, |
чные аппараты зарубежных фирм имеют |
самые разнообразные дополнит |
режимы, облегчающие жизнь сварщику. Но |
это отдельная история, сейчас |
трим только саму силовую машину, я имею |
ввиду высокочастотный преобра |
ведь именно от его конструкции зависят |
тактико - технические характ |
о аппарата, тоесть его мощность, габариты, |
вес. |
|
В следующей главе, будут |
типы преобразователей наиболее часто |
используемые для построения |
источников тока. |
6
2.Типы высокочастотных преобразователей, наиболее часто применяемых для построения сварочных инверторов. (Об
Наиболее часто, при |
арочных инверторов, применяют три основ - |
||||||||||||||||
ных типа высокочастотных преобра |
елей: полумост, ассиметричный мост (или |
||||||||||||||||
“косой мост”) и полный мост. По |
лумоста и полного моста, являются |
||||||||||||||||
резонансные преобразователи. |
|
от системы управления выходными |
|||||||||||||||
параметрами, преобразователи |
ШИМ (широтно-импульсная), с ЧИМ |
||||||||||||||||
(частотная регулировка), с фаз |
лировкой, и комбинациями из этих трёх. Все |
||||||||||||||||
эти типы преобразователей имею |
достоинства и свои недостатки. |
||||||||||||||||
Предлагаю начать с полу |
ШИМ. Блок схема такого преобразователя |
||||||||||||||||
показана на Рис.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+310В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Т1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Блок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
управления |
|
|
|
|
|
|
|
Тт |
||||||||
|
ШИМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.3 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Т2 |
Тр1 |
ШИМ |
БУ |
Ос |
|
|
Это самый простой преобра |
ль из семейства двухтактников, но от этого |
не менее надёжный. Недостатк |
схемы является то, что “раскачка” напряже - |
ния на первичной обмотке сил |
трансформатора, равна половине напряжения |
питания. Но с другой стороны, |
является плюсом, можно применить сердеч- |
ник меньшего размера, без |
ода в режим насыщения. Для инверторов |
небольшой мощности (2-3кВт), |
преобразователь весьма перспективен. Но ШИМ |
управление требует особой тща |
при монтаже силовых цепей, для управле - |
ния силовыми транзисторами |
ставить драйверы. Транзисторы такого |
полумоста работают в режиме |
переключения, поэтому к управляющим |
сигналам предъявляются |
требования. Обязательно наличие “мёртвого |
времени” между двумя против |
импульсами, отсутствие паузы, или недоста- |
точная её длительность, всегда |
к возникновению сквозного тока через |
силовые транзисторы. После |
о предсказуемы - выход транзисторов из |
строя. |
|
Весьма перспективным |
мостового преобразователя, является |
резонансный полумост. Блок сх |
о полумоста приведена на Рис.4. |
7
+310В
Блок |
|
|
управления |
|
Рис.4 |
ЧИМ или |
Тр1 |
|
фазовая |
Др.рез. Срез. |
|
регулировка |
|
|
Как видно из блок схемы, ре |
полумост гораздо проще, чем полумост с |
ШИМ. Простота построения |
ателя по такой схеме обусловлена тем, что |
комутация ключей происходит в |
а или в нуле напряжения. Паразитные |
индуктивности монтажа автома |
учитываются, максимальный ток через тран - |
зисторы ограничен последовате |
зонансным контуром Др.рез.- Срез. Ток |
протекающий через силовые ц |
форму синусоиды, а это снимает нагрузку |
с фильтрующих конденсаторов. |
ом построении силовые ключи не нуждаются |
в драйверах! Достаточно обыкнов |
о импульсного трансформатора, чтобы |
переключить силовые транзист |
чество управляющих импульсов не столь |
существенно, как в схеме с ШИМ, |
уза (”мёртвое время”) должна быть. Ещё |
один плюс, эта схема позволяет |
без токовой защиты и форма ВАХ (вольт - |
амперная характеристика) имее |
падающий вид и не нуждается в параметри - |
ческом формировании. Выходной |
ограничен только индуктивностью намагничива - |
ния трансформатора и может |
значительных величин при КЗ, это необходи - |
мо учитывать при выборе выхо |
дов, но это свойство положительно влияет |
на поджиг и горение дуги! Обычно |
дные параметры регулируются изменением |
частоты, однако применение фа |
лировки дает гораздо больше плюсов и |
является наиболее перспективной |
арочного инвертора, так как позволяет |
обойти такое неприятное явление, |
овпадение резонанса с режимом КЗ, да и |
диапазон регулировки выходных |
тров намного шире. Фазовая регулировка |
позволяет менять выходной ток |
от 0 до Imax. |
Следующая схема - ассиме |
мост, или “косой мост”. Блок схема такого |
преобразователя показана на |
|
Ассиметричный мост - однотак |
ямоходовой преобразователь. Преобразова - |
тель такой конфигурации очень |
как у производителей сварочных инверто - |
ров, так и у радиолюбителей. |
арочные инверторы были построены именно, |
как “косой мост”. Простота и |
широкие возможности для регулировки |
выходного тока, помехозащищённость |
сё это привлекает разработчиков сварочных |
инверторов до сих пор. И хотя |
такого преобразователя довольно суще - |
ственны, это большие токи чере |
оры, высокие требования к форме управ - |
8
ляющих импульсов, что подразумевает использование мощных драйверов для управ -
ления силовыми ключами, выс |
бования к монтажу силовых цепей, большие |
импульсные токи предъявляют |
требования к конденсаторам входного фильт - |
ра, электролитические конденса |
чень не любят большие импульсные токи. Для |
удержания транзисторов в ОДЗ |
допустимых значений) требуются RCD це - |
почки (снабберы). |
|
+310В
Т1
|
Д1 |
Др.1 |
Драйвер |
|
|
||
|
|
|
|
Блок |
|
|
|
управления |
|
|
|
ШИМ |
|
|
|
ШИМ |
БУ |
Драйвер |
Т2 |
Тр1 |
Тт |
|
|
Д2 |
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Рис.5
Но, несмотря на наших дней применяется в сваро синфазно, вместе открываются трансформаторе, а в выходной
превышает 50%, именно поэтом
преобразователем, требуется дв
работа такого преобразователя
инвертора.
Следующий тип преобра тактный преобразователь! Блок
достатки и малый КПД, “косой мост” до ерторах. Транзисторы Т1 и Т2 работают закрываются. Энергия накапливается не в индуктивности дросселя. Рабочий цикл не
лучения одинаковой мощности с мостовым
ок через транзисторы. Более детально
рассмотрена на примере реального сварочного
- полный мост с ШИМ. Классический двух - лного моста приведена на Рис.6.
+310В
Блок |
Драйвер |
|
|
управления |
Тт |
ШИМ |
|
ШИМ |
БУ |
Драйвер |
Т2 |
|
Ос |
||||
|
|
|||
|
|
|
Драйвер Рис.6 Драйвер
9
Мостовая схема даёт возможность получить мощность в 2 раза больше, чем полумост,
и в 2 раза больше чем “косой |
тех же величинах токов и потерь на переклю - |
чение. Это объясняется тем, чт |
а” напряжения первичной обмотки силового |
трансформатора, равна напр |
ания. Соответственно для получения одина - |
ковой мощности, например с по |
(в котором напряжение раскачки равно 0,5U |
пит.), потребуется ток через |
в 2 раза меньше! |
Транзисторы полного моста |
по диагонали, когда Т1 - Т3 открыты, Т2 - Т4 |
закрыты, и наоборот. Трансформа |
а отслеживает амплитудное значение тока, |
протекающего через включенную |
ональ. Регулировать выходной ток такого пре - |
образователя можно двумя спос |
изменять длительность управляющего |
импульса, оставляя неизменным |
яжение отсечки; 2) изменять уровень напряже - |
ния отсечки приходящего с токов |
трансформатора, оставляя неизменным длитель - |
ность управляющих импульсов. |
способа позволяют изменять выходной ток |
в достаточно широких пределах |
|
Недостатки и требования у |
моста с ШИМ, точно такие, как и у полумоста с |
ШИМ.(См.выше). |
|
И наконец, рассмотрим наибо
сварочного инвертора - рез
|
|
Драйвер |
|
|
Блок |
|
|||
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
управления |
|
|
|
|
с ЧИМ или |
|
|
|
|
фазовой |
|
|
|
|
|
Драйвер |
|
||
регулиров- |
|
|
||
|
|
|
|
|
кой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тивную схему ВЧ преобразователя, для
. Блок схема представлена на Рис.7
+310В
Срез. |
Драйвер |
Рис.7 |
Тр1 Др.рез. |
Драйвер |
|
|
|
Как может показаться на первый |
схема резонансного моста не сильно отлича - |
ется от моста с ШИМ, и это |
так. Практически дополнительно введена |
только LC резонансная цепочка, |
ченная последовательно с силовым трансформа- |
тором. Однако, введение этой |
лностью меняет процессы перекачки мощ - |
ности. Уменьшаются потери, ув |
тся КПД, на порядки снижается уровень |
электромагнитных помех, понижае |
нагрузка на входные электролиты. Как видите |
можно полностью убрать защит |
драйверы силовых транзисторов могут |
понадобиться лишь в том случае, |
применяются MOSFET транзисторы с ёмкостью |
затвора больше 5000pF. Для IGBT |
оров достаточно одного импульсного |
трансформатора. Более подробное |
работы и настройки, будет приведено |
чуть дальше, на примере реальног |
чного инвертора. Управлять выходным |
10