Универсальный сварочный инвертор. Часть 3.

 Рассмотрим основные принципы построения сварочных инверторов для двух самых распространённых видов сварки. 
Это ручная дуговая сварка, именуемая ММА, и сварочный полуавтомат, т.е. MIG-сварка. Далее раскрывать эти понятия я не буду по причине моей не очень глубокой компетенции, в чём я убедился прочитав большой объём материала.  

Если кратко, то отличие MMA от MIG существенное, судите сами:
-ММА - источник тока, т.е. сварщик в зависимости от режима сварки ограничивает ток сварки. А вот напряжение, какое получится. Говоря популярным языком-сварщик не робот. Расстояние от электрода до свариваемой поверхности динамическое. Например, при увеличении этого расстояния требуется соответствующее увеличение напряжения, при этом должен сохранятся ток, только в этом случае дуга не погаснет.
-MIG - источник напряжения. Сварщик задаёт сварочное напряжение, а ток уж какой получится. А точнее в MIG сварке сварочный ток определяется количеством одновременно расплавленной  сварочной проволоки, т.е. скоростью подачи проволоки.

Это очень популярно, на уровне ликбеза. Более подробно можно узнать читая специализированную литературу. Для начинающих сваркостроителей обычно этого достаточно.

Попыток создания универсального MMA-MIG сварочника более чем достаточно. Просмотрев многое, решил что-то изобразить и я. Повторяюсь, ни чего ещё не сделано, пишу по одному предложению только в случае, если есть о чём, если что-то получилось. Так что это репортаж в "прямом эфире".

Ну не в восторге я от оптодрайверов HCPL-3120. Все как-то обходятся драйверами на трансформаторах. Выгода очевидна. 170 рублей за штуку, да ещё разных питаний не меряно. Но с другой стороны прошлый горький опыт показывает, что только с HCPL-ами я чувствую себя уверенно из-за пробитых транзисторов. Но очень хочется. Как быть? Ответ был найден когда я познакомился с электронным моделированием. По совету на форуме "мастерсити" выбрал для этого программу LTspice, именуемую в народе "Спица". Трансформаторный драйвер подсмотрел у одного из участников форума "Мастерсити" под НИКом "Мультик" и публикую с его разрешения. Просмотрим, как ОНО работает. По Спице, так очень даже не плохо. И отрицательное запирающее напряжение -3,3 Вольта появляется после первых двух-трёх импульсов. В общем решено. Делаю на промежуточном трансформаторе.
Для желающих повторить такой драйвер, что б сразу не попасть на деньги особо отмечу, промежуточный трансформатор должен быть повышающим в 2 раза по напряжению. Или при соотношении вторичной и первичной обмоток 1:1 питание предвыходного каскада  необходимо увеличить в два раза, т.е. 22-25 вольт. Тогда вместо микросхемы 3845 будет удобнее применить 3844.

Модель выходного каскада для Спицы здесь. А для тех, кому не хочется заморачиваться с моделированием приведу готовые картинки.

На картинке видно, как нарастает отрицательное напряжение на коллекторе транзистора Q1 (красный луч) и стабилизируется на уровне 3,3 Вольта. Зелёный луч - это напряжение на затворе IGBT.
На картинке справа красный луч-это ток коллекторов, а зелёный-ток на выходе нагруженного инвертора.

Подставил в модельку реальный выходной трансформатор, на сердечнике E70/33/32 фирмы EPCOS и получил реальные токи для сварки.
Вот параметры сердечника E70/33/32 из феррита N87:
 Hc=13    коэрцитивная сила
 Bs=0,39  индукция насыщения,
 Br=0,15   остаточная индукция,
 A=0,000676   площадь поперечного сечения сердечьника в кв.м,
 Lm=0,15   средняя длинна магнитной силовой линии в метрах,
Кроме того, я выбрал зазор в сердечнике Lg=0,0001, то есть прокладка толщиной 5 "соток". Для Ш-образных сердечников её значение удваивают потому, что магнитные силовые линии её пересекают дважды. Так же я выбрал число витков первичной обмотки N=23.

Итак для Спицы получилась вот такая директива
Hc=13 Bs=.24 Br=.15 A=.000676 Lm=.15 Lg=.0001 N=23

Теперь пора проверить, правельно-ли выбрано количество витков первичной обмотки? Для этого необходимо посмотреть амплитуду треугольной составляющей тока намагничивания на "холостом ходу". Спица нам позволяет сделать ЭТО без провода и сердечника, смотрите сами:

По картинкам мне больше нравится между 21 и 23 витками. Вторичную выбираю 7 витков.
А вот не плохой вариант elektrovoz подсказал, увеличиваем частоту и 18:6 витков уже годится.
Аналогично каждый может самостоятельно рассчитать первичную обмотку трансформатора для своего сердечника. Но вот участник того же форума под НИКом TAV советует при расчёте использовать питающее напряжение не 310 вольт, а 350. Это выпрямленное напряжение сети с верхним допуском +10% и ещё чуть-чуть. 

Схема выключения на "холостом ходу".

Схема выключения на "холостом ходу" (ХХ)применённая мною в сварочнике во второй части вызывает особенно много вопросов. Мне пришлось её неоднократно описывать на разных форумах, в том числе и не правельно. На этот раз остановлюсь на ней по подробнее, а заодно и сам разберусь до конца.
Схема срисована со схемы сварочного аппарата RitmArc, опубликованного в РАДИО 8-2003.
Для детального рассмотрения схемы, пришлось её погонять на "Спицах", и вот что из этого получилось. Пурпурный луч-это сварочный ток.

 Первые 4 миллисекунды показывают как заряжается ёмкость снаббера С34, зашунтированная резистором R53. При достижении на ёмкости постоянной составляющей напряжения величины срабатывания стабилитрона Д15 (39 вольт), импульсы на коллекотре Т3 прекращаются, как на картинке ниже. Зелёный луч-сварочный ток.

Далее всё просто. Если прекращаются импульсы на коллекторе, то, соответственно и на коллекторе оптопары. Это позволяет конденсатору С17 зарядиться и через 1 миллисекунду выключить микросхему 3845.

Вот так выглядит напряжение на коллекторе оптопары (синий луч) и на коллекторе Т4 (зелёный луч).

 
Если резистор R53 ещё уменьшить, то схема работать не будет.
Дежурное напряжение на выходе инвертора для данной схемы 75 вольт. Если есть необходимость его понизить до 60 вольт, то как вариант необходимо уменьшить напряжение БП до 80 вольт и применить стабилитрон на 27 вольт. 

Регулировка тока инвертора режим ММА.

Вариант регулировки тока, предложеный в первых двух частях обладает существенным недостатком, необходим потенциометор не большого номинала и при максимальном токе сопротивление потенциометра + последовательный с ним резистор очень блиски к нулю, что чревато.... Поэтому в дальнейшем буду регулировать ток по следующей схеме: 

В точке А при помощи делителя R14, R20, P1 будем изменять напряжение от 0 до 3,8 вольт. Спица в наборе удобств имеет "хитрый" ключ SW, позволяющий нам динамически изменять нагрузку инвертора. Я выбираю две нагрузки- 0,5 и 0,05 Ом. Посмотрим картинки. Зелёный луч-это ток, другой-напряжение. Для тех, кто не понял разберём в качестве примера пятую картинку, 2,5 вольта. По картинке имеем при нагрузке 0,05 Ом напряжение на нагрузке 3 вольта, а ток 60 Ампер, при нагрузке 0,5 Ом напряжение 10,5 Вольт (увеличение в 3,5 раза), а ток 45 Ампер, т.е. изменился не значительно, на 25%.
(TAV) Схема работает как ограничитель тока, каждый такт. Ограничение тока (порог срабатывания) зависит от нагрузки, точнее от падения напряжения на ней. Это связано с задержками в драйверах, ключах и фильтре с датчика тока R24C17. На малых выходных напряжениях, когда ширина импульса мала, эти задержки сильно сказываются, тем самым завышая выходной ток. По картинкам видно, что ограничение тока гораздо лучше в диапазоте больших и средних напряжений.

В завершении этой главы отмечу, что схема вполне работоспособная и любители минимализма в электронике могут с успехом использовать эту схему в качестве основы для сварочного инвертора ММА. Солидные мужчины наверно захотят добавить к ней схему выключения в режиме ХХ, защиту от пониженного напряжения, "антиприлипалку" и многое многое другое, что так облегчает жизнь сварщику.

      читать дальше>>

Осциллятор видео