Разное 0 comments

Сварочный инвертор резонансный своими руками: Силовая электроника своими руками

Posted on By alexxlab

Содержание

Силовая электроника своими руками

Силовая электроника своими руками Автор: Липин Руслан Владимирович [email protected]

Переход на главную страницу

Силовая часть с драйверами.

 


    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.
 

    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.

    Ключи желательно припаять к медной подложке. О том как это сделать написано здесь.

Микроконтроллерный блок управления с блоком питания.

Прошивка микроконтроллера PIC16F628-20I/P

    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. 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.   

Работа программы и настройка резонансной частоты.

    Целью настройки резонансного моста является настройка резонансной частоты. Здесь и далее резонансной частотой буду называть ту частоту инвертора, при которой в дуге максимальная мощность.

 

Рабочий режим.

    При включении устройства в сеть светодиод потушен и звучит сигнал. Затем, если контакты термостатов замкнуты, запускается инвертор на резонансной частоте. Значение резонансной частоты считывается из нулевой ячейки EEPROM. При первом включении резонансная частота будет 30 кГц. Как только напряжение в сварочной цепи превысит 12 В (короткого замыкания нет) на проводе UOut возникнет низкий логический уровень и инвертор перейдёт в рабочий режим.

    В рабочем режиме горит светодиод, звуковой сигнал выключен. Проверяется положение потенциометра. Вращение движка потенциометра приведёт к изменению рабочей частоты инвертора. Рабочая частота меняется ступенями (всего 17 положений) от резонансной (минимальной) до максимальной. Изменение рабочей частоты сопровождается коротким звуковым сигналом.

При этом максимальному сварочному току соответствует минимальная частота (она же резонансная). Увеличение частоты приводит к уменьшению тока в дуге. Таким образом, вращая потенциометр можно регулировать ток в дуге.

    При коротком замыкании в сварочной цепи и работе инвертора на частоте выше резонансной существует опасность “словить” резонанс в коротком замыкании. Вероятность, конечно мала, но стоит перестраховаться, поскольку резонанс в коротком замыкании – это верная смерть ключей инвертора! С целью защиты “от смерти” в рабочем режиме периодически проверяется логический уровень на выводе UOut детектора короткого замыкания в сварочной цепи. Если таковое имеется, то на входе UOut появится высокий логический уровень и инвертор начнёт работать на резонансной частоте независимо от положения движка потенциометра. При этом светодиод потушен.

Если в течение 1 секунды не произойдёт повышения напряжения в сварочной цепи, то работа инвертора блокируется, и программа начнёт выполняться сначала. Так выполняется функция антизалипания электрода.

    Если во время работы произойдёт аварийное отключение одного из термостатов TS1 или TS2, то работа инвертора блокируется, включается прерывистый звуковой сигнал и начинает мигать светодиод. Как только температура понизится, и оба термостата будут включены, работа инвертора возобновиться.

 

Настройка резонансной частоты.

    Перед подачей силового питания на ключи запускаем блок управления. Временно устанавливаем перемычку между проводом UOut и минусом. Осциллографом проверяем управляющие импульсы на затворах ключей. Там должны быть прямоугольные импульсы частотой 30 кГц. Если всё так и есть, включаем в сварочные провода мощный реостат сопротивлением 0,15 Ом (для токов 170-200 А) и шунтируем контакты реле. Подаём питание на блок управления. Силовое питание запитываем через ЛАТР. Поднимая напряжение на ЛАТРе, следим за увеличением напряжения на реостате. Если всё нормально, устанавливаем на ЛАТРе 80-120В и начинаем настройку.

    Чтобы войти в режим изменения резонансной частоты необходимо нажать и удерживать обе кнопки до включения звукового сигнала. После отпускания кнопок, звуковой сигнал выключается, и светодиод начинает часто мигать, что свидетельствует о переходе в режим редактирования резонансной частоты. При этом инвертор начинает работать на резонансной частоте. Кликая кнопками изменяем частоту инвертора и добиваемся максимального напряжения на реостате. Если резонансная частота находится ниже 30 кГц, то увеличиваем немагнитный зазор в дросселе. Если резонансная частота выше 42 кГц, то зазор в дросселе следует уменьшить.  Как только резонансная частота подстроена на максимальную мощность, можно произвести запись значения резонансной частоты в EEPROM. Для этого кликаем одновременно на обе кнопки. После продолжительного звукового сигнала произойдёт запись.

    Восстанавливаем схему инвертора, удаляем перемычку с провода UOut, отключаем реостат. Включаем инвертор в сеть. Должно включиться реле и загореться светодиод. Потенциометром выставляем минимальную частоту (она же резонансная). Кратковременно нагружаем инвертор реостатом 0,15 Ом и замеряем на нём напряжение. Если это напряжение составляет 22-30 В, то можно Вас поздравить с успешной настройкой! Держак в руки и вперёд!

    Если напряжение меньше 22 В, то нужно увеличить зазор в дросселе и повторить настройку сначала.

Вес аппарата со сварочными проводами 8 кг.

Переход на главную страницу

Сварочный инвертор своими руками и как его сделать максимально дешево

Намотка трансформатора медной жестью

Берем медную полоску жести 40 мм, толщиной 0.3 мм, начинаем делать намотку. В качестве термопрослойки подойдет обычная бумага с кассового аппарата, можно использовать и ксероксную бумагу, но она имеет немного хуже механические характеристики. Нужно чтобы она была прочная и не рвалась при намотке, более того, ее длина большая и работать будет удобнее.

Наматывать толстым проводом, как делают некоторые народные умельцы, нельзя, так как данное изобретение будет работать на высокочастотных токах, они не задействуют сердцевину в толстом проводнике. В итоге у нас получится сильный перегрев трансформатора, он не проработает даже несколько минут. Это называют «Skin эффектом» в высокочастотных приборах.

Убрать этот эффект несложно, достаточно просто использовать медную ленту, причем очень тонкую, она будет иметь большую площадь, за счет чего проводить ток и не нагреваться. Вторичную обмотку лучше будет скомпоновать из 3 полос меди, которые будут отделяться друг от друга фторопластовой прослойкой. Обмотка бумагой с кассового аппарата снова осуществляется как при первичной обмотке. Единственный недостаток такого материала – он будет темнеть при нагреве, хотя его физико-механические свойства не пропадают, поэтому пусть себе темнеет на здоровье.

Как альтернативный вариант обмотки можно использовать обычный провод ПЭВ до 0.7 мм сечением. Его основное преимущество – большое количество жил, но данный вариант не является лучше, чем медные полосы, поскольку провода имеют большие воздушные зазоры между собой. То есть, площадь сечения будет примерно на 30% меньше, чем в случае с медью. Трансформатор нужно оборудовать вентилятором, поскольку будет нагреваться обмотка в любом случае. Можно взять обычный кулер из компьютерного системного блока на 220 В и на 0.15 ампер, можно немного больше.

Создаем «инфраструктуру» нашего блока

https://www.youtube.com/watch?v=jM8nvVddFNw

Первым делом стоит позаботиться о вентиляционной системе, которая будет предохранять инвертор от перегрева. Лучше всего подойдут вентиляторы из системного блока компьютера, желательно взять из Athlon 64, Pentium 4. Сейчас их можно будет купить примерно по 3-4 доллара на разборках. Достаточно  поставить 6 вентиляторов, 3 из которых нужно направить непосредственно на обмотку двигателя. Нельзя забывать о заборщиках воздуха, нужно их сделать напротив вентиляторов, чтобы не препятствовать забору.

Далее устанавливаем силовой косой мост,  на двух радиаторах, верхняя часть находится на одном конце, нижнюю часть прикрутить через слюдяную прокладку на другой мост. Выводы диодов должны размещаться навстречу транзисторам. На плату припаиваются конденсаторы в количестве до 14 штук по 0.15 мк и 630 В – они уменьшат резонансные выбросы, раздавая их на всю цепь питания.

Чтобы выбросы резонировали, а потери IGBT были минимальными, нужно установить в цепочку снабберы, которые будут содержать конденсаторы С15, С16. Ставить нужно только высококачественные устройства даже на самый простой сварочный инвертор, дешевые и непроверенные модели лучше не устанавливать. Идеально подойдут для этого дела модели СВВ81 или К78-2. Дело в том, что IGBT открываются намного быстрее, а вот обратный процесс занимает много времени. В это время емкость С16 и С15 будут заряжаться через установленный диод. Другими словами, снаббер возьмет всю мощь на себя, уменьшая количество тепла примерно в 4-5 раз.

Настраиваем аппарат и подгоняем под стандарт

https://www.youtube.com/watch?v=pNwIP1Jaq_0

Самодельный сварочный инвертор своими руками изготовить несложно, самый важный и относительно сложный этап – настройка данного устройства. Для начала нужно подать питание на ШИМ, не меньше и не больше чем 15 В, параллельно подаем еще разряд на кулер, чтобы было охлаждение, проверяем синхронность.

Нужно проверить срабатывания реле замыкания резистора через 2-8 секунд запитывания нашей платы ШИМ. Вместе с тем проверяем саму плату, нужно идентифицировать наличие прямоугольных импульсов после срабатывания реле (к оптронам). Далее подаем питание на мост, таким образом можно будет убедиться в его исправности, проверять лучше при силе тока не более 100 мА, ход выставить холостой.

Устройство и схема сварочного инвертора могут быть разными, но в любом случае следует удостоверится в правильности  установки фаз трансформатора. Сделать это можно 2-лучевым осциллографом. Первый луч кидаем на первички, другой на вторичку. Нужно проследить, чтобы напряжение не прыгало выше 330 В на нижнем эмиттере, посмотреть на форму сигнала. Для определения рабочей частоты нашего устройства нужно проделать следующее: понижаем частоту ШИМ до тех пор, пока на нижнем IGBT не будет видно загиб. Это значение отмечаем, записываем, потом делим число на 2, приплюсовываем частоту перенасыщения. Например, при ЧП 30 это будет 30+15=45. Получаем рабочую частоту в 45 кГц.

Если вы сделали инверторный сварочный аппарат своими руками, тогда нужно будет проверить еще наличие шума на фазах трансформатора. Их быть не должно, в ином случае нужно будет еще проверить полярность, так как легко можно ошибиться. Подавать проверочное питание на мост можно через любой бытовой прибор, желательно 2200 Ватт. Идеально подойдет электрический чайник.

Важно: мосты драйвера нужно располагать под радиатором над IGBT, но, ни в коем случае, не ставить их ближе, чем на 3 сантиметра к резисторам. Проводники, которые соединяют оптроны и ШИМ, нельзя располагать неподалеку от источника помех, они должны быть очень короткими.

Теперь инверторная сварка своими руками сделана, далее уже надо будет проводить полевые испытания и согласно полученному результату подкорректировать настройки.

  • Автор: Янис