Назва: Зварювальний інвертор - це просто
Автор: В.Ю.Негуляев
Видавництво: Київ
Рік: 2005
Ми всі знаємо - зварювання це важкий апарат, довгі, товсті, заплутані дроти, замурзаний зварювальник! Але виявляється в цьому світі все змінюється, і навіть нашу країну якимось боком зачепив технічний прогрес!
У продажу вже кілька років є імпортні зварювальні інвертори, але їх ціна трохи кусається! Апарат середнього класу, здатний віддати в дугу 120 -160 ампер, важить від 4 до 7 кг, і коштує від 500 до 1000 доларів! А звичайний зварювальний трансформатор, такого ж класу, коштує 150 доларів, правда важить не менше 30 кг!
зміст
Від автора
1. Трохи теорії і основні вимоги до зварювального инвертору
2. Технічні характеристики
3. Принципова схема резонансного зварювального інвертора
4. Вибір силових транзисторів
5. Опісаеіе роботи і настройки вузлів інвертора
6. Нові розробки та опис їх роботи
7. Висновок
8. Схема інвертора з дроселем розсіювання
9. Запропоновані конструктивні зміни
10. Інвертор з фазової регулюванням вихідного струму
11. Список корисної літератури
Від автора
Ідею написати цю книгу підкинув мій товариш, професійний розробник РЕА, кілька років тому ми разом працювали в АН України, потім дороги наші розійшлися, я поїхав працювати за кордон, він зайнявся євроремонтами, або просто будівельними роботами. І ось одного разу він мені дзвонить і розповідає красиву казку про те, як він, будучи виконробом, викликав зварника, і той прибув на будівництво в костюмі і з дипломатом, і на питання - де ж його зварювальний апарат, відкрив кейс. Там було все! Апарат, кабелю, маска, рукавички! Зваривши без особливої напруги все металоконструкції і отримавши належний гонорар, він поважно пішов! У мого товариша і всієї його бригади був шок! Ми всі знаємо - зварювання це важкий апарат, довгі, товсті, заплутані дроти, замурзаний зварювальник! Але виявляється в цьому світі все змінюється, і навіть нашу країну якимось боком зачепив технічний прогрес! У продажу вже кілька років є імпортні зварювальні інвертори, але їх ціна трохи кусається! Апарат середнього класу, здатний віддати в дугу 120 -160 ампер, важить від 4 до 7 кг, і коштує від 500 до 1000 доларів! А звичайний зварювальний трансформатор, такого ж класу, коштує 150 доларів, правда важить не менше 30 кг!
Я його вислухав і у мене відразу виникла думка зробити недорогий зварювальний інвертор для своїх потреб, адже необхідність в зварювальних роботах виникає досить часто, якщо є дача, машина і гараж. Але для того, щоб що - то зробити потрібно знати як! І перші мої пошуки інформації не дали результату, інтернет наводить безліч піонерс -ких конструкцій, автори яких намагалися повторити схеми імпортних сварочніка, я перепробував всі доступні схеми, висновки були вельми невтішні, купа згорілих транзисторів і косі погляди сусідів, адже завдяки мені, кілька разів вирубувалося електрику в усьому будинку! На спроби повторення чужих конструкцій пішло два місяці! Підрахувавши витрати, я сказав собі - досить! І заглибився в теорію, перегорнувши довідники по імпульсній техніці, перерва купи документа-ції на транзистори, я зрозумів де і чому були зроблені помилки, чому горіли потужні високовольтні транзистори, які не повинні горіти, чому вибуху -лісь конденсатори, згорали силові діоди! На це пішов ще місяць! Разом - три місяці пошуків, аналізу і дослідів! І ось перша дуга! Результат перевершив всі мої очікування! Врахувавши всі помилки, зібравши в єдине ціле всі напрацювання, відкинувши догми розробників імпульсної техніки, мною було створено чудовий апарат, надійний, легкий, з доступних деталей (при його створенні використовувалися деталі наявні на радіоринку), не дорогий (на його створення пішло менше 100 $)!
І тепер, знаючи по собі, як це все важко дається, при практично повній відсутності правдивої і написаної доступною мовою інформації по силовій електроніці, я пишу цю книгу. Сподіваюся вона багатьом допоможе не збагнути того гіркого розчарування, яке виникає, коли дивишся як горять дорогі транзистори, а з ними тануть надії! У мене немає досвіду написання книг, тому прошу вибачити можливі помилки, я намагався написати книгу так, щоб будь-який радіоаматор, знає з якого боку тримати паяльник, міг зібрати і без проблем налаштувати потужний зварювальний інвертор! Сподіваюся ця книга дасть поштовх до творчості, і буде корисна не тільки любителям але і досвідченим профі! Годі спати, пора брати в руки паяльник!
Автор, розробник, інженер електронник В.Ю. Негуляєв, Київ, 2005 р
1. Трохи теорії і основні вимоги до зварювального инвертору.
У зв'язку з тим, що даний посібник не є технологічною картою, то я не наводжу ні розведення друкованих плат, ні конструкцію радіаторів, ні порядок розміщення деталей в корпусі, ні конструкцію самого корпусу! Все це не має значення і ніяк не впливає на роботу апарату! Важливо тільки, що на транзисторах (на всіх разом, а не на одному) моста виділяється близько 50 ват, і на силових діодах теж близько 100 ват, разом близько 150 ват! Як Ви розпорядитеся цим теплом мене мало хвилює, хоч в стакан з дистильованою водою їх опустіть (жарт :-))), головне не розігрівайте їх вище 120 градусів С. Ну ось з конструкцією розібралися, тепер трохи теорії і можна приступати до налаштування.
Що таке зварювальний апарат - це потужний блок живлення здатний працювати в режимі освіти і тривалого горіння дугового розряду на виході! Це досить важкий режим і не всякий блок живлення може в ньому працювати! При торканні кінцем електрода зварюється відбувається коротке замикання зварювального ланцюга, це самий критичний режим роботи блоку живлення (БП), так як для розігріву, розплавлення і випаровування холодного електрода потрібно енергії набагато більше, ніж для простого горіння дуги, тобто БП, повинен мати запас по потужності достатній для стабільного підпалу дуги, при використанні електрода максимально допустимого для даного апарату діаметра! У нашому випадку це 4 мм. Електрод типу АНО-21 діаметром 3 мм стабільно горить при токах 110-130 ампер, але якщо для БП це максимальний струм, то дугу запалити буде вельми проблематично! Для стабільного і легкого запалювання дуги необхідно ще 50-60 ампер, це в нашому випадку 180-190 ампер! І хоча режим підпалу короткочасний, його повинен витримувати БП. Йдемо далі, дуга загорілася, але за законами фізики вольт-амперна характеристика (ВАХ) електричної дуги в повітрі, при атмосферному тиску, при зварюванні покритим електродом має падаючий вид, тобто Чим більше струм в дузі, тим менше на ній напруга, і тільки при токах більше 80А напруга дуги стабілізується, і залишається постійним при збільшенні струму! Виходячи з цього можна збагнути, що для легкого запалювання та стійкого горіння дуги ВАХ БП повинна двічі перетинатися з ВАХ дуги! В іншому випадку дуга буде не стійкою з усіма витікаючими наслідками, як то непровар, пористий шёв, пропалив! Тепер можна коротко сформулювати вимоги до БП;
а) з огляду на ККД (близько 80-85%) потужність блоку повинна бути не менше 5 кВт;
б) повинен мати плавне регулювання вихідного струму;
в) на малих токах легко запалювати дугу, мати систему гарячого підпалу;
г) мати захист від перевантаження при залипання електрода;
д) вихідна напруга на хх не нижче 45В;
е) повна гальванічна розв'язка від мережі 220В;
ж) падаюча вольт-амперна характеристика.
Ось власне і все! Всім цим вимогам відповідає розроблений мною апарат, технічні характеристики і електрична схема якого наведені нижче.
2. Технічні характеристики зварювального випрямляча інверторного типу
Напруга живильної мережі 220 + 5% В
Зварювальний струм 30 - 160 А
Номінальна потужність в дузі 3,5 кВА
Напруга холостого ходу при 15 витках в первинній обмотці 62 В
ПВ (5 хв.),% При мах струмі 30%
ПВ при струмі 100А 100% (наведений ПВ відноситься тільки до мого апарату, і повністю залежить від охолодження, чим потужніший буде вентилятор, тим більше ПВ) Максимальний споживаний
ток від мережі (виміряно за постоянка) 18 А
ККД 90%
Вага разом з кабелями 5 кг
Діаметр електрода 0,8 - 4 мм
Випрямляч призначений для ручного дугового зварювання та зварювання в захисному газі на постійному струмі. Висока якість виконання зварних швів забезпечується додатковими функціями, виконуваними в автоматичному режимі: при РДС
- Гарячий старт: з моменту запалювання дуги протягом 0,3 секунд зварювальний струм максимальний
- Стабілізація горіння дуги: в момент відриву краплі від електрода зварювальний струм автоматично збільшується;
- При короткому замиканні і залипання електрода автоматично включається захист від перевантаження, після відриву електрода всі параметри востанавливаются через 1с.
- При перегрів інвертора зварювальний струм плавно зменшується до 30А, і залишається таким до повного охолодження, потім автоматично повертається на встановлене значення.
Повна гальванічна розв'язка забезпечує 100% захист зварника від ураження електричним струмом.
3. Принципова схема резонансного зварювального інвертора
Силовий блок, блок розкачки, блок захисту.
Др.1 - резонансний дросель, 12 витків на 2хШ16х20, провід ПЕТВ-2, діаметр 2,24, зазор 0,6мм, L = 88mkH др.2 - вихідний дросель, 6,5 витків на 2хШ16х20, провід ПЕВ2, 4x2,24 , зазор Змм, L = 10mkH Тр. 1 - силовий трансформатор, первинна обмотка 14-15 витків ПЕТВ-2, діаметром 2,24, вторинна 4х (3 + 3) тим же проводом, 2хШ20Х28, 2000НМ, L = 3,5mH Тр.2 - струмовий трансформатор, 40 витків на феритових кільці К20х12х6,2000НМ, провід МГТФ - 0,3. Тр.З - задає трансформатор, 6x35 витків на феритових кільці К28х16х9,2000НМ, провід МГТФ - 0,3. Тр.4 - понижуючий трансформатор 220-15-1. T1-T4 на радіаторі, силові діоди на радіаторі, вхідний міст на 35А, на радіаторі. * Всі времязадающіе конденсатори плівкові з мінімальним TKE! 0,25хЗ, 2кВ набираються з Юштук 0,1x1,6кВ типу К73-16В послідовно-паралельно. При підключенні Тр.З звернути увагу на фази, транзистори T1-T4 працюють по діагоналі! Вихідні діоди 150EBU04, RC- ланцюжка паралельно диодам обов'язкові! При таких моткових даних діоди працюють з перевантаженням, краще їх ставити по два паралельно, центральний один марки 70CRU04.
4. Вибір силових транзисторів
Силові транзистори - це серце резонансного інвертора! Від правильного вибору силових транзисторів залежить надійність роботи всього апарату. Техни -ческій прогрес не стоїть на місці, на ринку з'являється безліч нових напівпровідникових приладів, і розібратися в цьому розмаїтті досить складно. Тому в цьому розділі я постараюся коротко викласти основні принципи вибору силових ключів, при побудові потужного резонансного інвертора. Перше, з чого потрібно починати, це приблизне визначення потужності буду -щего перетворювача. Я не буду давати абстрактних розрахунків, і відразу перейду до нашого зварювального инвертору. Якщо ми хочемо отримати в дузі 160 ампер при напрузі 24 вольта, то перемноживши ці величини ми отримаємо корисну потужність яку наш інвертор зобов'язаний віддати і при цьому не згоріти. 24 вольта це середня напруга горіння електричної дуги довжиною 6 - 7 мм, в действи -тельності довжина дуги весь час змінюється, і відповідно змінюється напруги ня на ній, змінюється також і струм. Але для нашого розрахунку це не дуже важливо! Так ось перемноживши ці величини отримуємо 3840 Вт, орієнтовно прикинувши ККД перетворювача 85%, можна отримати потужність яку повинні перекачувати через себе транзистори, це приблизно 4517 Вт. Знаючи загальну потужність можна підрахувати струм, який повинні будуть комутувати ці транзистори. Якщо ми робимо апарат для роботи від мережі 220 вольт, то просто розділивши загальну потужність на напругу мережі, можна отримати струм, який апарат буде споживати від мережі. Це приблизно 20 ампер! Мені надсилають багато листів із запитаннями, чи можна зробити зварювальний апарат, щоб він міг працювати від 12 вольта автомобільного акумулятора? Я думаю ці прості розрахунки допоможуть всім любителям їх задавати. Я передбачаю питання, чому я розділив загальну потужність на 220 вольт, а не на 310, які виходять після випрямлення і фільтрації напруги, все дуже просто, для того, щоб при струмі величиною 20 ампер підтримувати 310 вольт, нам знадобиться ємність фільтра величиною 20000 микрофарад! А ми ставимо не більше 1000 мкФ. З величиною струму ніби розібралися, але це не має бути максимальний струм обраних нами транзисторів! Зараз в довідкових даних багатьох фірм приво -діти два параметра максимального струму, перший при 20 градусах Цельсія, а другий при 100! Так ось при великих токах протікають через транзистор, на ньому виділяється тепло, але швидкість його відводу радіатором не достатньо висока і кристал може нагрітися до критичної температури, а чим сильніше він буде нагріватися, тим менше буде його максимально допустимий струм, і в кінцевому підсумку це може привести до руйнування силового ключа. Зазвичай таке руйнування виглядає як маленький вибух, на відміну від пробою по напряже -нію, коли транзистор просто тихо згорає. Звідси робимо висновок, для робочого струму величиною 20 ампер необхідно вибирати такі транзистори у яких робочий струм буде не нижче 20 ампер при 100 градусах Цельсія! Це відразу звужує район наших пошуків до кількох десятків силових транзисторів.
Природно визначившись зі струмом можна забувати і про робочій напрузі, в мостовій схемі на транзисторах напруга не перевищує напруга живлення, або простіше кажучи не може бути більше 310 вольт, при харчуванні від мережі 220 вольт. Виходячи з цього вибираємо транзистори з допустимою напругою не нижче 400 вольт. Багато хто може сказати, що ми поставимо відразу на 1200, це мовляв буде надійніше, але це не зовсім так, транзистори одного виду, але на різні напруги можуть дуже сильно відрізнятися! Наведу приклад: IGBT транзистори фірми IR типу IRG4PC50UD - 600В - 55А, а такі ж транзистори на 1200 вольт IRG4PH50UD - 1200В - 45А, і це ще не всі відмінності, при рівних токах на цих транзисторах різне падіння напруги, на першому 1,65В, а на другому 2,75В! А при токах в 20 ампер це зайві вати втрат, мало того, це потужність яка виділяється у вигляді тепла, її необхідно відвести, значить потрібно збільшувати радіатор майже в два рази! А це додаткового -тельний не тільки вагу, але і обсяг! І все це необхідно пам'ятати при виборі силових транзисторів, але і це ще тільки перший прикид! Наступний етап, це підбір транзисторів по робочій частоті, в нашому випадку параметри транзисторів повинні зберігатися як мінімум до частоти 100 кГц! Є один маленький секрет, що не всі фірми дають параметри граничної частоти для роботи в резонансному режимі, зазвичай тільки для силового перемикання, а це частоти, як мінімум в 4 - 5 разів нижче, ніж гранична частота при використанні цього ж самого транзистора в резонансному режимі. Це трохи розширює район наших пошуків, а й з такими параметрами є кілька десятків транзисторів різних фірм. Найдоступніші з них, і за ціною і за наявності в продажу це транзистори фірми IR. В основному це IGBT але є і хороші польові транзистори з допустимою напругою 500 вольт, вони добре працюють в подібних схемах, але не дуже зручні в кріпленні, немає отвору в корпусі. Я не буду розглядати параметри включення і вимкнути-ня цих транзисторів, хоча це теж дуже важливі параметри, коротко скажу, що для нормальної роботи IGBT транзисторів необхідна пауза між закриттям і відкриттям, щоб завершилися всі процеси всередині транзистора, не менше 1,2 мікросекунди! Для MOSFET транзисторів, цей час не може бути менше 0,5 мікросекунди! Ось власне всі вимоги до транзисторів, і якщо всі вони будуть виконані, то Ви отримаєте надійний зварювальний апарат! Виходячи з усього вище викладеного - кращий вибір це транзистори фірми IR типу IRG4PC50UD, IRG4PH50UD, польові транзистори IRFPS37N50A, IRFPS40N50, IRFPS43N50K. Ці транзистори були випробувані і показали свою надійність і довговічність при роботі в резонансному зварювальному инвертор. Для малопотужних перетворювачів, потужність яких не перевищує 2,5 кВт можна сміливо використовувати IRFP460.
Продовження у другій частині
Мені надсилають багато листів із запитаннями, чи можна зробити зварювальний апарат, щоб він міг працювати від 12 вольта автомобільного акумулятора?