Сварочныйй
инвертор
Projekty AVT AVTрочныйй
MMA и TIG
В настоящее время доступность элементов
для конструкции систем большой мощности практически безпроблемная, а цены на них постоянно снижаются, таким образом это позволило мне реализовать инверторный сварочник с хорошими параметрами, в то же время дешевой и настолько простой что строят её любители даже с поверхностными познаниями в электронике. Выходной ток аппарата 140А чего в условиях дома или небольшой мастерской вполне достаточно. Изготовлено уже несколько таких аппаратов и все работают без проблем. Условием же является конечно тщательность монтажа ибо же поиск ошибок потом довольно затруднителен. Первый аппарат я построил только для сварки покрытыми электродами – ММА, этот же проект представляет сварочник в версии MMA и TIG – сварка неплавящимся электродом в среде инертного газа (аргона). Przepiкcia powstaj№ gіуwnie przy wі№czaniu
oraz wyі№czaniu tranzystorуw, gdy te prze-
Описание аппарата. staj№ przewodziж, a diody odprowadzaj№ce
Преобразователь. Основной преобразова-тель сварочника построен по схеме двухтранзиторного прямоходового пре-образователя (two transistor forward inverter) - рисунок 1. В момент подключения тран-зисторов ток начинает протекать через первичную цепь что приводит к нарастанию магнитного поля в сердечнике трансформатора, что приводит к появлению ЭДС во вторичной цепи. После подключения нагрузки выхода начинает протекать ток выпрямленный диодом D3. Протекающий ток приводит к накоплению энергии магнитного поля дросселя Dі. После выключения транзисторов, неис-пользованная энергия накопленная в магнитном поле трансформатора отдается через диоды Dl и D2 к конденсаторам питания, что приводит к размагничиванию сердечника. Энергия накопленная в магнитном поле дросселя передается в нагрузку через диод D4, поддерживая при этом напряжение на выходе (фильтрация).
Прямоходовые двухтранзисторные преобразователи применяются при мощностях более 300W, где более высокая цена полупроводников уравно-вешивается более низкой ценой трансформатора.
На_рисунке 2 представлена схема аппа-рата MMA. Силовые транзисторы IRG40PC50W управляются микросхемой UC3842 через два оптически изолирова-нных элемента - TLP250. Эти микросхемы питаются дополнительным преобразова-телем выдающим напряжения +15V и -5V. Эти напряжения необходимы для быстрого включения и выключения силовых транзисторов. Ток затворов IGBT ограни-чен резисторами 10Ω. В цепях коллекторов транзисторов находятся элементы защищающие их от перенапряжений. Пере-напряжения возникают в основном при включении и выключении транзисторов когда они уже перестают проводить ток, а диоды отводящие энергию еще не про-пускают ток.
Преобразователь запитывается непо-средственно от сети через диодный мост.
В фильтре питания применяются конденсаторы 3 x 470мF. Ток зарядки этих конденсаторов настолько большой что его необходимо ограничивать. Для этой цели служит включенный последовательно ре-зистор 75Щ. После начальной зарядки конденсаторов резисторы закорачиваются с помощью реле, управляемого схемой задержки времени. Параллельно электроли-тическим конденсаторам подключено два полипропиленовых конденсатора 470nF, уменьшающие сопротивление схемы питания для высоких частот(важно!).
Рис.1 Двухтранзисторный прямоходовый силовой преобразователь.
Без этих конденсаторов возникают некон-тролируемые возбуждения приводящие к выходу из строя транзисторов.
Схема управления и регулировка выходного тока.
За сигнал управления транзисторами отвечает микросхема UC3845, которая подает прямоугольные импульсы с шириной зависящей от напряжения приложенного к ножке 1(COMP). Одно-временно к ножке 3 (I SEN) подводится сигнал с трансформатора тока. Сравнение уровней импульсов тока с приложенным напряжением устанавливает необходимую ширину импульса, и тем самым выходной ток. Рабочая частота (50kHz) задается эле-ментами C11, R27 и R28. За трансформа-тором тока размещаются элементы формирующие токовые импульсы.
Напряжение приложенное к ножке 1 получаем из выхода интегратора US2/1. Этот элемент определяет характеристику аппарата. Регулировка тока производится потенциометром, где с ползунка напряже-ние регулировки подается на вход интегратора.
Схема anti-stick и термоограни-чение.
Очень часто у неопытных сварщиков случается так, что электрод приклеивается к материалу и сразу же разогревается до красна, что бы этого избежать – применена схема которая в случае замыкания выхода на время более 0,4 с уменьшает выходной ток до нескольких ампер. Это реализовано таким способом что в случае падения напряжения на выходе до около 7V ток диода оптрона TO (CNY17) падает, что приводит к понижению напряжения на выходе операционного усилителя US2/2 и изменению его состояния на высокий. На выходе операционного усилителя размеще-на схема задержки состоящая из элементов R20 и C9, а дальше сигнал подается на базу Т1, коротя вход интегратора на массу и понижая максимальный выходной ток. На базу этого же транзистора подается также сигнал с термодатчиков приводя к ограни-чению тока в случае перегрева какого либо из контролируемых элементов. Более всего
Рис.2 Схема аппарата ММА
греется трансформатор, значит там и должен быть помещен термодатчик. Не выявлено излишнего нагрева радиаторов полупроводниковых элементов, поэтому нет необходимости устанавливать на них термодатчики.
Изготовление аппарата
Выходной трансформатор
Постройку устройства лучше начать с изготовления трансформатора, а потом будет уже намного проще. Необходимые материалы:
- сердечник E71/33/32 из магнитного материала 3C90 или 3F3 фирмы Ferroxcube либо 867 фирмы Neosid,
-обмоточный провод DNE 0,5мм 80 метров
- медная лента 0,5x37мм длинной 1,2 м,
- пояски изоляционной полиэстеровой фольги или же подобной,
- кембрики изоляционные стекло-силико-новые.
Обмоточный провод, изоляционные пояс-ки, кембрики можно найти в мастерских по перемотке электродвигателей
Частота работы преобразователя 50kHz, при такой частоте начинает серьезно проявляться скин-эффект, глубина проникания тока составляет около 0,3мм, в этом случае нам необходимо использовать литц, т. е. скрутку из множества изолированих проводов с диаметром не превышающим 0,6мм. Отдельные провода скручиваем в шнур который будет состоять из 25 проводов длинной 3,2м. Провод
растягиваем на двух гвоздях забитых в длинную доску, а после снятии с одного, легко его скручиваем (несколько оборотов на метр, излишнее скручивание приводит к росту сечения и риску, что нам не помес-тится). После скручивания накладываем на начало и конец шнура отрезки стекло-силиконового кембрика, и дополнительно на средину шнура 20см отрезок кембрика. Обмотку в 21 виток наматываем в двух слоях, между слоями прокладываем тонкую изоляционную пленку, а кембрик надетый на средину отрезка находится на другом конце обмотки, изолируя её от сердечника.
Для этих сердечников нет корпусов на рынке, поэтому нам необходимо пригото-вить брусок из твердого дерева с размерами 32,5x22,5, края бруска должны быть острыми - такие имеет сердечник – при скруглении не получится натянуть обмотку на сердечник, либо же будет повреждена изоляция.
Брусок обматываем двумя слоями поли-этиленовой пленки (упрощает это позд-нейшее снятие обмотки с бруска), на это несколько слоев упаковочной бумаги тщательно пропитанной эпоксидной смо-лой. После затвердевания смолы наматы-ваем изоляционную пленку, а уже на это обмотку. Перед наматыванием на получившейся катушке укладываем про-дольно отрезки крепкой нити, которой потом свяжем обмотку. Надеваем обмотку на сердечник, проверяя, насколько легко он надевается и выдержаны ли необходимые
расстояния от сердечника. Если есть чем – меряем индуктивность. Должна быть 5mH.
Перед намоткой вторичной обмотки, к одному из концов ленты припаиваем под прямым углом отрезок 15см ленты шириной 15мм. Наматываем изоляционную плёнку а на неё медную ленту 7 витков, исползуя пленку как межвитковую изоля-цию. Ленты изоляционной пленки должны иметь ширину 44мм. Для упрощения наматывания медной ленты, в начале и вконце обмотки можем наклеить кусочки двустороннего скотча. Можем также использовать например два слоя медной ленты толщиной 0,25мм, упрощает это намотки т. к. становится более эластичной. После сборки сердечника (соблюдать чистоту что бы не возникло наименьшей щели) заливаем капельно либо погруже-нием в электроизоляционном лаке или в лаке для дерева Uretolux (не применять лаков содержащих агрессивные раствори-тели, которые могут повредить изоляцию). Сушим и получаем готовый трансформа-тор.
При изготовлении трансформатора обра-щаем особое внимание на изоляцию и расстояние между первичной и вторичной обмоткой а также сердечником, поскольку это вопрос безопасности использования.
Вид готового трансформатора представ-лен на фотографии 1.
Фото 1. Выходной трансформатор
Трансформатор преобразователя и трансформатор тока.
Изготовляем их исходя из рисунка 3 обращая внимание на изоляцию между первичной и вторичной обмоткой. Исходя из документации, где применен подобный корпус, можно выдержать необходимые рас-стояния между вы-водами а также не-обходимые габарит-ные расстояния меж-ду выводами обмот-ки.
Выходной дроссель
Требуемая индук-тивность дросселя 10мH. Здесь имеем множество возможнос-тей, самое дорогое ре-шение это сердечник Е65 из материала 3C90 либо же 867 со щелью 4мм
между всеми стержнями, 8 витков намотанных мед-ной лентой 0,5x7 до 40мм.
Можно дроссель изгото-вить на сердечнике из трансформаторного железа (только кусочки I) сече-нием >8см; использовать здесь можно элементы старых пускателей или трансформаторов. Не обя-зательно наматывать дро-ссель шиной или литцом; это могут быть толстые провода общим сечением 16мм, число витков 10.
Главная плата и плата выпрямителя
Платы (рисунки 4 и 5) выполнены на односто-роннем стеклотексто-лите толщиной 2мм с фольгой 70мм, т. е. двой-ной толщины. Монтаж необходимо провести в со-ответствии с документа-цией. Вдоль дорожек проводящих большие токи нужно припаять отрезки медного провода ц1,5mm, а на плате выпрямителя при-паять к дорожкам полоски
медной ленты 1x15мм – будут использо-ваться также как выводы. Полоски жести на соединители можно изготовить из раз-резанных и выпрямленных медных водо-проводных труб. В случае полипропиле-новых конденсаторов не заменять их на MKT. Если строим только сварочник ММА, не монтируем Т10 а также резисто-ров R50 и R58. Резистор R36 монтируем после начального запуска сварочного аппарата.
Применяемые радиаторы изображены на прикрепленном рисунке 6; можно применять похожие, но нужно помнить что бы ребра были размещены вдоль прохождения потока воздуха.
Запуск сварочного аппарата
После тщательного монтажа главной платы подключаем диоды LED, потенциометр и питание 220В к трансформатору TS (не подключаем
питание ШИМ! ). Прверяем напряже-ние 12В и подключаем осцилограф с измерительным точкам РР2. Мы должны получить прямоугольный сигнал с частотой 50кГц и заполнением менее 50%, частоту устанавливаем с помощью R28. В начале не устанавли-ваем оптронов а вместо них между „+” и „–” резисторы 1kЩ и проверяем выходные напряжения с преобразователя – должно быть +15V и –5V. Рабочая частота преобразователя около 150кГц. Устанав-ливаем с помощью R2 напряжение на верху потенциометра – должно составлять 2В. Замыканием на +12В проверяем работу схемы anti-stick и схемы термической защиты – после замыкания с задержкой должны засвечиваться диоды схемы anti-stick. Также проверяем, работает ли схема задержки, ограничитель удара – меряем омметром замыкание резис-торов R42, R43 контактами реле.
если все работает, отключаем сеть, монтируем оптроны и подключаем транс-форматор, выпрямитель и дроссель (при первом пуске это лучше сделать когда элементы разложены на столе). При
под-ключении трансформатора необходимо обратить особое внимание на правильность подключений начал и концов обмоток. Если первичные и вторичные обмотки намотаны в одном направлении, то конец первички подключаем к трансф. тока в точке 17 платы, а начало к коллектору Т9 – точка 16 платы, конец вторичной обмотки подключаем к точке 103 платы выпрямите-ля а начало к точке 104 платы выпрями-теля.
В начале для питания ШИМ нужно использовать трансформатор с напряже-нием 50В (это могут быть два последовательно соединенных трансформа-тора на 24В), и мощностью min. 2А. Резистор R36 не должен быть установлен, а схема anti-stick должен быть закорочен – точки 9 и 10. Если не установлен термодат-чик, то закорачиваем точки 4 и5. Подклю-ем на выход резистор 0,5Щ и осциллограф к точке РР1 – на выходе аппарата должно появится напряжение 2-3В, не должно быть слышно никаких шумов или писков со сто-роны трансформатора. Измерение напряже-ния на выходе проводим магнитоэлектри-ческим прибором без усилителей, цифро-вые или с электроникой – сходят с ума. На осцолографе мы должны увидеть форму токовых импульсов, а регулировка потен-циометром должна вызывать изменение их ширины. Отключаем сетевое питание, уста-навливаем резистор R36, пока не подклю-
чаем нагрузки, только вольтметр. Убираем закоротку anti-stick. Подключаем сеть питания ШИМ (не подключаем питания платы), проверяем напряжение на электролитах – должно сос-тавлять около 300В.
Внимание! Между радиатора-ми и на плате присутствует опасное напряжение сети а также очень опасное посто-янное напряжение 300В. Необ-ходимо соблюдать особое вни-мание, а разные манипуляции проводить при отключенной сети!!!
Теперь подключаем питание платы, на выходе появится посто-янное напряжение 62-65В. Подключаем нагрузку, начнем от 100Щ, все должно работать правильно. Подключим нагрузку 0,2Щ, аппарат должен работать без шумов и писков со стороны трансформатора а ток должен регулироваться – на выходе напряжение должно изменяться от 24В до нескольких – может срабатывать anti-stick.
Резистор 0,2Щ выполнен навивкой спирали из 2м кислото-
стойкого провода ц3мм –
фотография 4 . Внимание: такой
резистор разогревается до красна.
R2 устанавливаем так, что бы потенциометр R1 не имел мертвой зоны регулировки. Максимальный выходной ток
аппарата можем ре-гулировать измене-нием резистора R35. Неплохо запастись измерительным ре-зистором (шунтом) 1mЩ для измерения выходного тока, также его можно изготовить самому, припаивая к латун-ным или медным брускам 4 отрезка провода из кислото-
стойкой стали ц3мм
длинной 40мм. На входе аппарата со сто-роны сети размещен помехоподавляющий фильтр, который состоит из симметричного дросселя (взаимопо-давляется магнитное поле, сердечник не насыщается) 2x12 витков провода сече-нием >2mm2 на ко-льцевом феррито-вом сердечнике с высокой проницае-мостью. В состав фильтра входят также конденсато-ры 10nF – это кон-денсаторы имеющие знак В (безопас-ности) на 275V~. Сетевой провод обяза-тельно трехжильный сечением min.1,5mm2.
В качестве сетевого выключателя лучше всего подходит автоматический выключатель S16, характеристика В. Вентилятор DP201A фирмы Sunon, типовые вентиляторы от компью-терных блоков питания имеют слиш-ком малую производительность.
Корпус
Проще всего использовать корпус ста-рого компьютера, можем его подрезать для наших нужд. На передней стенке размещаются диоды LED, регуляторы и гнезда для сварочных клемников. Гнездо, выход TIG нужно закрепить на дополнительной дистанционной втул-ке (обычно пробивает). В случае пост-ройки только ММА, можно отказатся от сварочных клемников и вмонти-ровать провода на постоянно. Свароч-ные провода должны иметь сечение min.16 mm2. Зажимы „массы” и электрода покупаем в хозмагазине. Оставляем место на ионизатор (осцилятор) и плату управления TIG.
Когда все уже смонтировано, приступаем к свариванию покрытым электродом. Во время сварки не должны возникать никакие непокоящие звуки. Нужно обратить внима-ние на качество электродов, сварка нека-чественными электродами очень изнуря-ющая.
Выше были рассмотрены основные элементы аппарата MMA и TIG, далее будут рассмотрены элементы входящие только в TIG, так что в случае построения устройства для сварки только покрытыми электродами нет необходимости их применения.
TIG
Ионизатор.
Схема ионизатора и уп-равления электроклапа-ном представлена на рисунке 7, печатная плата ионизатора на рисунке 8 а управления электроклапа-ном на рисунке 9.
При сварке неплавящим-ся электродом (сплавы вольфрама) зажигание ду-ги можно производить трением электрода о сва-раваемый материал, но итогом этого является за-грязнение электрода, а иногда даже его приклеи-вание и поломка, а это значит необходимость его острения. Также можно зажечь дугу дотрагиваясь к кусочку угольного элек-трода приложеного к материалу и перенос дуги на свариваемый элемент, однако это непрактично, так как необходимо этот уголек придерживать а
свободной руки всегда нехватает. В насто-ящее время применяется дополнитель-ный источник высокого напряжения включеный последовательно с выхо-дом. При приближении электрода к свариваемому материалу, наступает проскок искры и немедленное зажига-ние дуги.
Вторичная обмотка трансформатора высокого напряжения должна иметь соответствующее сечение, т. к. через нее протекает сварочный ток и также нужно выдержать необходимые рас-стояния что приводит к тому, что при напряжении в несколько кВ транс-форматор имеет большие размеры.
Трансформатор сделан на сердечнике U80/49/20 F887. Вторичная обмотка – 12 витков медной шины 0,5x35мм изолирован-ной между витками хорошей изоляционной пленкой толщиной 0,2мм и шириной 57мм. Порядок действий подобен как для главного трансформатора. Первичная об-мотка это 1 виток провода Ш1мм в очень хорошей изоляции, а сердечник в месте установки обмотки дополнительно изоли-рован изоляционной пленкой. Если сердеч-ник в этом месте имеет острые края, то нужно их сошлифовать с помошью шлиф-бруска. Сердечник должен быть заземлен на корпус аппарата с помощью хорошо контактирующей пружины. Можно также использовать решения пана Станислава Красицкого из „Elektroniki Praktycznej”
10/2006.
От сети питается удвоитель напряжения, состоящий из диодов и конденсаторов, конденсаторы заряжаются до напряжения около 500В, после чего разряжаются через тиристор в первичную обмотку трансфор-матора давая через него импульс высокого напряжения на выходе. Тиристор подклюю-чается через импульсный трансформатор, управляемый из аналога однопереходного транзистора (можно также использовать однопереходный транзистор). Частота от-крытия тиристора установлена на несколь-ко Гц.
Помня, что сеть находится близко, необ-ходимо позаботится о хорошей изоляции обмоток на управляющем трансформаторе, а также очень хорошей изоляции первич-ной обмотки трансформатора WN.
Трансформатор TR202 выполнен на кольцевом сердечнике Ш12Ч7Ч5 из материа-ла 3C90 или похожего – не применять порошкового сердечника. Сердечник дол-жен быть изолирован. Намотано два раза по 3 витка провода Ш0,5мм в хорошей изоляции.
После монтажа платы ионизатора крепим ее к трансформатору. Подключаем первич-ную обмотку и приступаем к проверке.
После подачи сети на точки 1 и 2
платы ионизатора а также на-пряжения 12В на точки 6 и 7, ионизатор должен работать, а искра около 4мм в воздухе. Замы-кая точку 5 на +12В, проверяем ра-боту электроклапана.
Управление газовым клапаном.
В случае сварки в среде инерт-ного газа (аргона), где необхо-дима его подача к горелке, воз-можно использование горелки имеющей вентиль, который можно открутить и закрутить вручную (есть в продаже). Бо-лее удобен в использовании вен-тиль, управляемый электромаг-нитом, включаемый в момент подачи напряжения на горелку с одновременным включением ионизатора и выходного напря-жения. Электроклапан необходимо ку-пить, его цена не высока. Включение клапана наступает в момент нажатия кнопки на горелке, подключается UC3845 посредством подачи напряжения на базу Т10 и его отпирания а так же подключается ионизатор. Через резисторы R303-R305 заряжается конденсатор С305. После выключения на конденсаторе С305 удерживается напряжение на время завися-щее от установки потенциометра R308. Это поддерживает выход газа на время необхо-димое для охлаждения электрода и шва. В продаже доступны электроклапана на 230В~, поэтому для непосредственного включения вентиля использован симистор ТС а также управляющая им и отделяющая его от сети оптопара US201.
Горелка. Возможно применение готовой горелки, либо же изготовление ее самому(рисунок 10). Единственной проблемой является изготовление втулки, где вкручиваются зажимные
элементы фольф-рамовых электро-дов. Винт испол-зуемый в этих втулках имеет 3/8 дюйма с шагом 32витка/1дюйм.
В изготовленную втулку впаяна твердым припоем медная трубка Ш8Ч1 длинной 200мм. К этой трубке припа-иваем сварочный провод и нако-нечник для газовой трубочки. В качестве газовой трубочки исполь-зована трубка из пластика с внутренним диаметром 6мм, исполь-зуемая как бензиновый трубопровод в мотороллерах. Медная трубка обмо-тана тремя слоями самоклеющейся полиэстеровой пленки, а щечки ру-коятки изготовлены из дерева, хорошо высушеного и старательно про-лакированого. Щечки заполняем силиконом а после скручивания их шурупами обрезаем излишек силикона. Кразным силиконом заполняем также место между втулками из тефлона и оклеиваем отрезок медной трубки между щечками и латунной трубкой. Используемый выключатель, это обычный микровыключатель посаже-ный в пластиковую втулку, а провод подводящийся к микровыключателю должен быть экранированым. Эле-менты удерживающие электроды т. е. зажимная втулка, зажим, керамическая втулка от горелки Abitig 17 фирмы Benzel или заменители, необходимо докупить.
В качестве гнезда провода управления применен BNC, но лучше будет типичный микрофонный штекер и гнездо (разбор-ные).
Неплавящиеся электроды. Самыми являются электроды обозначеные красным цветом, это электроды с добавками тория. К сожалению эти электроды выделяют небольшое коли-чество излучения б и поэтому при их шлифовании и сварке необходимо работать под вытяжкой. В настоящее время доступны электроды с добавка-ми лантана – безвредные, обозначеные в зависимости от содержания лантана золотым, серым или черным цветом. Электроды, обозначенные зеленым цветом состоят из чистого вольфрама и предназначены для сварки переменным током. Диаметр электродов подбираем в зависимости от необходимого тока сварки.
Во время всяких попыток со сваркой необходимо предохранять глаза от облучения, применяя соответствую-щую сварочную маску или же в настоящее время в продаже имеются очень удобные самозатемняющиеся маски дающие свободную руку. Стоит также беречь тело от облучения ультрафиолетом – долгий рукав, рука-вицы и не забывать о декольтэ.
Дополнительные монтажные рисунки плат и осциллограммы можно загру-зить с Elportalu.
Автор: Mirosіaw Wroblewski
*****@***com
Перевод с польского *****@***ru
