Сварочный инвертор — резонансный мост с частотным регулированием на МК

Аппарат дуговой сварки должен обеспечивать падающую вольтамперную характеристику в нагрузке (дуге). В мостовых инверторах, как правило, падающая характеристика обеспе­чивается достаточно сложной электроникой с обязательной обратной связью по току. С точки зрения простоты управле­ния, на мой взгляд, наиболее привлекателен именно резо­нансный мост. В нем падающая характеристика источника сварочного тока обеспечивается параметрическими свойст­вами резонансной цепочки в первичной цепи инвертора.

Особенностью инвертора, который представлен в этой статье, является не только использование полного резонанс­ного моста, но и управление им с помощью микроконтрол­лера PIC16F628-20I/P.

Сразу заметим, что максимальный сварочный ток ин­вертора зависит от настройки. Его значение целиком опре­деляется шириной немагнитного зазора в магнитопроводе ре­зонансного дросселя. Для используемых в инверторе сило­вых элементов, при условии соблюдения их тепловых режи­мов, сварочный ток может достигать 200 А.

Принципиальная схема инвертора разделена на две час­ти. На рис.1 показана силовая часть, а на рис.2 — схема бло­ка питания с блоком управления. Классический мостовой сва­рочный инвертор состоит из выпрямителя сетевого напряже­ния с фильтрующими конденсаторами. Постоянное напряже­ние 300 В с помощью 4 ключей преобразуется в переменное более высокой частоты, которое с помощью сварочного транс­форматора понижается, а затем выпрямляется.

Рис. 1

Силовая часть

В резонансных преобразователях последовательно с пер­вичной обмоткой сварочного трансформатора Т1 включены ре­зонансный дроссель L1 и резонансный конденсатор С1-С10 (см. рис.1 на котором силовые цепи выделены жирными ли­ниями). Индуктивность последовательного контура состоит из индуктивности резонансного дросселя L1 и индуктивности пер­вичной обмотки трансформатора Т1. Вторичная обмотка Т1 на­гружена сварочной дугой. Если емкость С1-С10 и индуктив­ность L1 величины постоянные, то индуктивность первичной обмотки Т1 зависит от сопротивления нагрузки во вторичной обмотке, т.е. от сварочного тока. Максимальной индуктивнос­ти первичной обмотки Т1 соответствует режим «холостого хо­да» инвертора, а минимальной — режим короткого замыкания. Сопротивление нагрузки определяет также добротность конту­ра. Таким образом, резонансная частота контура минимальна в режиме «холостого хода» (при максимальной индуктивности первичной обмотки Т1) и максимальна в режиме короткого замыкания (при минимальной индуктивности первичной обмот­ки Т1). Когда нагрузкой инвертора служит сварочная дуга, ре­зонансная частота контура зависит от тока в дуге.

Из всего сказанного выше, очевидно, что частота инвер­тора при работе на максимальную мощность в дуге должна быть ниже собственной частоты резонансного контура инвер­тора в режиме короткого замыкания и выше ее в режиме «холостого хода». Оптимально, чтобы резонанс наступал на собственной частоте контура, при которой в дуге развивает­ся максимальная мощность (f_{МАКС. МОЩН.}). Именно это яв­ляется основным критерием правильной настройки инверто­ра. Если в этом случае увеличивать частоту инвертора от­носительно f_{МАКС. МОЩН.}, ток в дуге уменьшается за счет увеличения индуктивного сопротивления резонансного дрос­селя L1. Так осуществляется частотное регулирование тока в сварочной дуге.

Резонанс в контуре инвертора при коротком замыкании и неправильной настройке инвертора возможен и на часто­те выше, чем f_{МАКС. МОЩН.}.

Заметим также, что резонанс недопустим в режиме ко­роткого замыкания для транзисторных ключей инвертора по причине возникновения сверхтока в первичной цепи. По­скольку режим короткого замыкания является штатным ре­жимом для сварочного аппарата, необходимо не допускать работу инвертора на частотах выше f_{МАКС. МОЩН.} при корот­ком замыкании в сварочной цепи.

Для этого в данном инверторе микроконтроллером непре­рывно отслеживается факт короткого замыкания сварочных проводов с помощью специального детектора. При возникно­вении короткого замыкания микроконтроллер автоматически уменьшает частоту инвертора до ранее заданного значения f_{МАКС. МОЩН.} — на этой частоте резонанс в коротком замыка­нии невозможен, что предотвращает протекание чрезмерного тока в первичной цепи и, соответственно, через ключи.

В силовой части (рис.1) R13 — пусковой резистор. Он ограничивает зарядный ток оксидных конденсаторов С16, С17 при включении аппарата. Диодный мост VD14-VD21 предназ­начен для выпрямления сетевого напряжения 220 В / 50 Гц, которое сглаживается конденсаторами С15-С17 и подается на выходной мост схемы, состоящий из 4 ключей на IGBT- транзисторах VT1-VT4.

Супрессоры VD3, VD9 и VD22 защищают ключи от вы­бросов напряжения. Резисторы R5, R6 разряжают резо­нансный конденсатор при выключении инвертора. Стабилитроны VD1, VD2, VD4, VD5 не допускают превышения на­пряжения на затворах клю­чей выше 18 В. Резисторы R1, R3, R7 и R9 ограничи­вают выходной ток драйве­ров в моменты заряда-раз­ряда затворных емкостей ключей. Резисторы R2, R4, R8, R10 обеспечивают на­дежное закрытие ключей в моменты, когда отсутствует питание драйверов.

Сварочный трансформа­тор Т1 с коэффициентом трансформации 6 понижает напряжение и обеспечивает гальваническую развязку вы­хода относительно сетевой части инвертора. Переменное напряжение с вторичной обмот­ки сварочного трансформатора выпрямляет­ся диодами VD6, VD7 и поступает через сва­рочные провода на электрод и сваривае­мые поверхности. Цепочки R11C13 и R12C14 служат для поглощения энергии выбросов об­ратного напряжения выходного выпрямите­ля. Для устойчивого горения дуги при малых токах, а также для облегчения ее зажига­ния предусмотрен удвоитель напряжения, со­бранный на элементах С11, С12, VD10-VD13, С19, С20 и L2. Резистор R14 служит нагруз­кой удвоителя. Супрессор VD8 защищает ди­оды выходного выпрямителя от выбросов об­ратного напряжения.

Блок питания

Построен по схеме обратноходового преобразователя на основе специализированной микросхемы DA6 TNY264 по типовой схеме (рис.2). Он обеспечивает питание драйве­ров, реле и микроконтроллерного блока управления. Элект­ропитание драйверов верхних ключей гальванически изоли­ровано от канала питания реле 24 В и канала питания ниж­них драйверов. Для питания микроконтроллера DD1 (5 В) при­менен параметрический стабилизатор DA7. Драйвера DA1-DA4 типа HCPL3120 предназначены для управления ключами VT1-VT4 и обеспечивают крутые фронты управляющих им­пульсов на затворах этих транзисторов.

Рис. 2

Детектор короткого замыкания собран на элементах R25, R27, R28, DA8, VD32, VD33, С38. При напряжении на сва­рочных проводах ниже 9 В (короткое замыкание) на входе RB4 контроллера DD1 появляется высокий логический уро­вень, а при напряжении более 9 В (короткого замыкания нет) на входе RB4 — низкий логический уровень.

В позиции DD1 использован широко распространенный микроконтроллер (МК) PIC16F628-20I/P в DIP-корпусе.

Работа инвертора

Как только запустится блок питания, начинает работать программа микроконтроллера. Спустя задержку примерно 5 с включится зуммер и начнет работать инвертор. Как только напряжение в сварочных проводах превысит 9 В, МК откро­ет ключ VT5, который включит реле К1, а контакты реле зашунтирует зарядный резистор R13. Зуммер также отключит­ся. С этого момента инвертор готов к работе. Частота рабо­ты инвертора будет определяться положением потенциомет­ра R18. Причем минимальной частоте (она же f_{МАКС. МОЩН.}) соответствует максимальный сварочный ток, а максимальной частоте — минимальный ток. Частота изменяется ступенчато (дискретно). Используется всего 17 позиций. При вращении потенциометра R18 изменение частоты сопровождается ко­ротким звуковым сигналом зуммера. Таким образом, мож­но по звуку зуммера изменить частоту сварочного тока на нужное число позиций.

При коротком замыкании в сварочных проводах инвер­тор автоматически начинает работать на частоте f_{МАКС. МОЩН.},- Работа инвертора в режиме короткого замыкания сопро­вождается звуковым сигналом зуммера. Если короткое за­мыкание длится более 1 с, то работа инвертора блокирует­ся и спустя 3 с вновь возобновляется. Так реализована функ­ция антизалипания электрода.

При отсутствии короткого замыкания на вход RB4 подается низкий логический уровень, и частота инверто­ра определяется положением потенциометра R18.

Для защиты выходных ключей от перегрева исполь­зуются в качестве датчиков два термостата TS1 и TS2. Если произошло отключение хотя бы одного из термо­статов, то работа инвертора блокируется. Зуммер изда­ет прерывистый частый звуковой сигнал до остывания ра­диатора, на котором установлен сработавший термостат.

Конструкция и детали Резонансный дроссель L1 намотан на магнитопроводе ETD59, материал №87 фирмы EPCOS и содержит 12 вит­ков медного провода диаметром 2 мм в лаковой изоляции. Провод наматыва­ется с обязательным зазором между витками. Для обеспечения зазора мож­но использовать толстую нить. Для фик­сации обмотки нужно промазать витки эпоксидным клеем. Половинки магнитопровода стыкуются с немагнитным за­зором 1…2 мм. Более точное значение немагнитного зазора подбирается при настройке резонансной частоты. Во вре­мя работы инвертора магнитопровод ре­зонансного дросселя может сильно на­греваться. Это связано с насыщением феррита при работе в резонансе. Для обеспечения надежной фик­сации зазора магнитопровода его половинки должны стягиваться металлическими шпильками. При этом необ­ходимо обеспечить расстоя­ние от зазора до шпилек не менее 5 мм. Иначе рядом с зазором шпильки могут расплавиться. По этой же причине недопустимо стяги­вать дроссель сплошным ме­таллическим кожухом.

Трансформатор Т1 намо­тан на магнитопроводе Е65, материал №87 фирмы EPCOS. Сначала в один ряд мотают первичную обмотку — 18 витков медного провода диамет­ром 2 мм в лаковой изоляции. Поверх первичной обмотки мотают обмотки II и III. Каждая из них занимает половину каркаса. Обмотки II и III содержат по 3 витка в четыре мед­ных провода диаметром 2 мм. Половинки магнитопровода трансформатора стыкуют без зазора и надежно фиксируют.

Дроссель L2 содержит 20 витков монтажного провода сечением 1,5 мм², намотанных на ферритовом кольце К28х16х9.

Трансформатор Т2 наматывают на феррите Ш5х5 с про­ницаемостью 2000 НМ. Половинки магнитопровода стыкуют с зазором 0,1…0,2 мм. Обмотка I содержит 180 витков про­вода ПЭВ-1 диаметром 0,2 мм. Обмотку II мотают в один ряд, содержит 47 витков такого же провода. Обмотки III, IV и V содержат по 33 витка провода ПЭВ-1 диаметром 0,25 мм. Между обмотками нужно проложить 2 слоя изоляции (на­пример, малярный скотч). Фазировка подключения обмоток указана на рис.2.

Резонансные конденсаторы С1-С10 допустимо применять только качественные, пленочные на напряжение не менее 1000 В. Предпочтительнее использовать конденсаторы типа К78-2. Такого же типа должен быть блокирующий конденса­тор С15.

Блок питания в настройке не нуждается и при исправ­ных деталях начинает работать сразу. Необходимо только проконтролировать величины напряжений для питания драй­веров 16…17 В. При проверке блока питания на его вход­ные клеммы GND и +300 В можно подать сетевое напряже­ние 220 В. Таким же образом следует запитывать блок пи­тания при настройке резонансной частоты.

Во время работы инвертора все его силовые элементы нагреваются. От того, как грамотно обдуваются эти элемен­ты, будет зависеть время непрерывной работы аппарата и его долговечность. Радиаторы с большой площадью нужно предусмотреть для входного выпрямителя VD14-VD21, тран­зисторов VT1-VT4 и выходного выпрямителя VD6, VD7. При­нудительное воздушное охлаждение необходимо также резо­нансному дросселю L1, сварочному трансформатору Т1 и ди­одам удвоителя VD10-VD13. Защитные термостаты TS1 и TS2 типа KSD250V устанавливают на радиаторы верхних ключей и выходных диодов. Все остальные элементы инвертора в обдуве и радиаторах не нуждаются.

Настройка резонансной частоты

Для настройки инвертора необходим ЛАТР и нагрузоч­ный реостат сопротивлением 0,15 Ом. Реостат должен вы­держивать кратковременное протекание тока до 200 А. За­зор магнитопровода резонансного дросселя выставляют при­мерно 1 мм. Между контактами 3 и 4 оптопары DA8 уста­навливают перемычку. Устанавливают «прошитый» микро­контроллер в блок управления.

Блок питания при настройке следует запитать отдельно. Для этого, не включая аппарат в сеть, на провода GND и +300 В блока питания нужно подать сетевое напряжение 220 В.

Силовая часть пока обесточена. После включения питания спустя 5 с должен включиться зуммер, затем звук должен прекратиться, и включиться реле. Нажимаем одновременно обе кнопки SB1 и SB2. Удерживаем кнопки до появления звукового сигнала зуммера. Отпускаем кнопки. Непрерыв­ный звук прекратится, и зуммер начнет издавать прерывис­тый сигнал с периодом примерно 2 с. Это соответствует ре­жиму настройки резонансной частоты.

Если все так, то с помощью осциллографа контролируем наличие двуполярных импульсов между затворами транзис­торов VT2 и VT4 частотой 30 кГц амплитудой не менее 15 В и ступенькой «мертвого времени» 2 мкс. Такой же сигнал должен быть между затворами VT1 и VT3. Если все так, запитываем силовую часть через ЛАТР и выставляем напря­жение 20…30 В.

К сварочным проводам можно включить лампочку на 12 В. Если лампочка светится, включаем в сварочные провода ре­остат сопротивлением 0,15 Ом и вольтметр постоянного то­ка. Выставляем на ЛАТРе напряжение 30…40 В и начинаем настройку. Кнопкам SB1 и SB2 уменьшаем или увеличиваем частоту инвертора. Пределы изменения частоты 30…42 кГц. Подстраивая частоту кнопками, добиваемся максимального напряжения на реостате. Если напряжение продолжает уве­личиваться при уменьшении частоты до 30 кГц, то необходи­мо увеличить зазор в магнитопроводе резонансного дроссе­ля и повторить настройку снова. Если при увеличении час­тоты до 42 кГц напряжение на реостате продолжает расти, необходимо уменьшить зазор в магнитопроводе резонансно­го дросселя и повторить настройку снова.

Нужно добиться резонанса, т.е. настроить схему так, что­бы увеличение или уменьшение частоты инвертора приводи­ло бы к уменьшению напряжения на реостате. При указан­ных на схеме элементах предпочтительней всего добиться такого зазора в резонансном дросселе, чтобы резонанс с на­грузкой 0,15 Ом возникал на частоте 33…37 кГц. Резонанс на большей частоте увеличит максимальный сварочный ток, но ключи и выходные диоды будут работать на пределе.

Как только резонансная частота настроена, нажимаем обе кнопки одновременно. После продолжительного звуко­вого сигнала произойдет запись значения резонансной час­тоты в энергонезависимую память микроконтроллера. Вра­щая потенциометр R18, проверяем работу частотного регу­лирования. Минимальная частота должна быть равна резо­нансной. При вращении потенциометра изменение частоты должно сопровождаться коротким звуковым сигналом (всего 17 ступеней).

Если все происходит именно так, собираем полностью схему инвертора. Удаляем перемычку между контактами 3 и 4 оптопары DA8. Включаем инвертор в сеть. Через 5 с про­звучит сигнал зуммера, затем включится реле, и звук пре­кратиться. Потенциометром R18 выставляем минимальную частоту (она же f_{МАКС. МОЩН.}), соответствующую максималь­ному току. Кратковременно нагружаем инвертор реостатом сопротивлением 0,15 Ом и измеряем напряжение в нагруз­ке. Если это напряжение превышает 23 В, то можно считать настройку завершенной. Если меньше, то следует увеличить зазор в магнитопроводе резонансного дросселя и повторить настройку сначала.

Автор: Руслан Липин, г. Хабаровск