Сварочный аппарат

Особенность представленного в статье трансформаторного сварочного аппарата постоянного тока — электронная регули­ровка сварочного тока с помощью управляемого тринисторного выпрямителя. При соответствующей мощности питающей электросети аппарат пригоден для сварки покрытыми электро­дами диаметром до 4 мм.

Аппарат для сварки изделий из чёрных металлов весьма полезен в домашней мастерской. В продаже име­ется много таких аппаратов, но они до­вольно дороги. Дешёвые же обеспечи­вают только переменный сварочный ток, что ухудшает качество сварки. Ре­гулируют сварочный ток таких аппара­тов перемещением обмоток трансфор­матора или переключением их секций, а это снижает срок службы аппарата и оперативность работы с ним. Предла­гаемый сварочный аппарат лишён этих недостатков.

Основные технические характеристики

• Напряжение питания, В……..230
• Потребляемый ток, А……..24
• Пределы регулирования сварочного тока, А……..40 — 160
• Напряжение холостого хода, В……..80
• Продолжительность нагруз­ки, %……..60

Схема силовой части аппарата пред­ставлена на рис. 1. Его основой служит трансформатор Т1, имеющий две вто­ричные обмотки. Четыре секции обмот­ки III и тринисторы VS1 и VS2 образуют управляемый двухполупериодный вы­прямитель. По сравнению с мостовым он обладает более высоким КПД, требует меньшего сечения провода вторич­ной обмотки и содержит меньше выпря­мительных элементов (тринисторов).

Регулируют и стабилизируют сва­рочный ток изменением угла задержки включения тринисторов. На выходе вы­прямителя имеется дроссель L2, обес­печивающий устойчивое горение дуги и облегчающий её зажигание [1].

На диодном мосте VD1 собран вы­прямитель для подпитки дуги. Его выходное напряжение — около 80 В. Не­обходимость в нём вызвана следующи­ми причинами: во-первых, при больших углах задержки открывания тринисто­ров основного выпрямителя дуга горит очень неустойчиво, а во-вторых, для облегчения её зажигания к электродам необходимо подвести максимально воз­можное напряжение. Однако, согласно требованиям [2], оно не должно превы­шать 80 В. На выходе вспомогательно­го выпрямителя также имеется дрос­сель L1. Резистор R2 ограничивает ток этого выпрямителя примерно до 7 А (при горящей дуге). В случае «залипания» электрода ток увеличивается до 12 А.

Охлаждение аппарата — принуди­тельное, посредством вентилятора М1. Как показывает практика, тринисторы нагреваются не очень сильно и без вен­тилятора, но его применение позволяет увеличить относительную продолжи­тельность работы под нагрузкой (ПН) и облегчить тепловой режим аппарата, что благоприятно ска­зывается на его на­дёжности.

Блок управления А1 формирует сигна­лы управления тринисторами и обес­печивает стабили­зацию сварочного тока, датчиком кото­рого служит транс­форматор тока ТЗ. По сути, блок пред­ставляет собой фа­зоимпульсный регу­лятор с обратной связью по току на­грузки. К его дос­тоинствам можно отнести отсутствие гальванической свя­зи с тринисторами выпрямителя, а так­же то, что формиру­емые им импульсы поступают на управ­ляющий электрод каждого тринистора только при положительном относительно катода напря­жении на его аноде. Следует оговорить­ся, что последнее свойство блока уп­равления использовано лишь частично из-за наличия дополнительного выпря­мителя подпитки дуги. Питается блок управления от трансформатора Т2.

Схема блока А1 представлена на рис. 2. На транзисторах A1.VT1 и A1. VT2 выполнен узел синхронизации с сетевым переменным напряжением, причём каждый из транзисторов откры­вается только в «своём» полупериоде. Импульсы с коллекторов транзисторов управляют генератором пилообразного напряжения на логических элементах A1.DD2.1 и A1.DD2.2, включённых па­раллельно для увеличения нагрузочной способности. На границе полуперио- дов, когда мгновенное значение напря­жения в сети близко к нулю, оба транзис­тора закрыты, а напряжение на выходах элементов A1.DD2.1 и A1.DD2.2 имеет низкий логический уровень. Конденса­тор А1.С7 разряжается через открыв­шийся диод А1 .VD11. С началом очеред­ного полупериода открывается транзис­тор А1 VT1 (или A1 .VT2) и начинается за­рядка конденсатора А1.С7 током, теку­щим через резисторы A1.R12 и A1.R13.

Полученное пилообразное напряже­ние подано на неинвертирующий вход ОУ A1.DA1, служащего компаратором напряжения. На его инвертирующий вход поступает образцовое напряжение Uобр с подстроенного резистора A1 R15. В каждом полупериоде, как только на­пряжение на неинвертирующем входе ОУ A1 DA1 превысит Uобр, на его выходе появляется импульс высокого логиче­ского уровня. Запаздывание нараста­ющего перепада этого импульса отно­сительно начала полупериода зависит от напряжения Uобр, а спадающий пере­пад привязан к моменту перехода на­пряжения сети через ноль. Изменяя об­разцовое напряжение, можно регулиро­вать длительность открытого состояния тринисторов, а следовательно, и мощ­ность в нагрузке.

Пропорциональное сварочному току напряжение обратной связи на резис­торе R1 выпрямляет диодный мост A1.VD5-A1.VD8. Выпрямленное напря­жение поступает на переменный ре­зистор R3, служащий регулятором этого тока. Подстроечным резистором A1 .R15 устанавливают минимальное значение напряжения срабатывания компарато­ра, когда движок переменного резис­тора R3 находится в положении, соот­ветствующем максимальному свароч­ному току.

Пока сварочный аппарат работает в режиме холостого хода, напряжение на переменном резисторе R3 равно нулю. Образцовое напряжение на инверти­рующем входе ОУ A1 DA1 минимально, а на его выходе установлен высокий логи­ческий уровень. Длительность открыто­го состояния тринисторов в этом режи­ме максимальна, и они работают как обычные диоды.

При зажигании дуги напряжение на инвертирующем входе ОУ A1.DA1 уве­личивается. На его выходе появляются импульсы высокого уровня, длитель­ность которых тем меньше, чем больше сварочный ток. Это ведёт к уменьше­нию длительности открытого состояния тринисторов и среднего сварочного тока. Нетрудно заметить, что когда сва­рочный ток установлен максимальным (движок резистора R3 в крайнем пра­вом по схеме положении), обратная связь на работу регулятора не влияет. В этом режиме, как и при холостом ходе, тринисторы работают как диоды, а мак­симальный сварочный ток зависит лишь от параметров трансформатора Т1.

С выхода ОУ A1 DA1 сигнал поступа­ет на узел контроля дуги, построенный на логическом элементе A1.DD2.3. На­значение этого узла — блокировка ра­боты регулятора при «залипании” сва­рочного электрода. Для аппарата это практически режим короткого замыка­ния. На вывод 12 элемента A1.DD2.3 подано напряжение с делителя A1 R18, A1.R19, которое стабилитрон A1.VD14 ограничивает до безопасного для мик­росхемы значения (около 9 В). Пока на­грузка аппарата — сварочная дуга, напряжение на выводе 12 элемента A1 DD2.3 соответствует высокому логи­ческому уровню, поэтому уровень на­пряжения на выходе этого элемента ин­вертирован относительно установлен­ного на выходе ОУ A1 DA1. Когда на вы­ходе ОУ высокий уровень, низкий уро­вень с выхода элемента A1.DD2.3 раз­решает работу генератора импульсов частотой около 5 кГц на элементах A1 DD1.3 и A1 DD1.4.

При «залипании» электрода напря­жение на выходе аппарата резко пада­ет. На выходе элемента A1.DD2.3 уро­вень становится высоким, запрещая работу генератора. Подача открываю­щих импульсов на тринисторы прекра­щается. В таком состоянии аппарат будет находиться до тех пор, пока не будет устранено короткое замыкание Подстроечным резистором A1.R19 ус­танавливают напряжение срабатывания узла контроля дуги.

Этот узел можно использовать и для управления сварочным аппаратом с по­мощью кнопки (1). Чтобы реализовать эту возможность, следует разорвать цепь вывода 11 блока управления в точке А (см. рис. 1) и установить в разрыв кнопку с нормально разомкнутыми контактами Тогда управляемый выпрямитель станет работать только при удержании этой кнопки нажатой, а блокировка аппарата при «залипании» электрода сохранится.

Пачки импульсов с выхода генерато­ра, а также импульсы с коллекторов транзисторов A1.VT1 и A1.VT2 поступа­ют на логические элементы ИЛИ-НЕ A1.DD1.1 и A1.DD1.2. Высокий уровень появляется на выходе того элемента, на обоих входах которого уровень низкий.

На рис. 3 представлены эпюры напря­жения в различных точках схемы блока управления, а также на выходе аппара­та (под нагрузкой).

Выходные сигналы элементов А1.DD1.1 и А1.DD1.2 усиливают транзи­сторы A1.VT3 и A1.VT4, нагруженные первичными обмотками разделитель­ных трансформаторов А1.Т1 и А1.Т2. Для защиты транзисторов от ЭДС само­индукции первичные обмотки транс­форматоров зашунтированы диодно­резистивными цепями A1 R10, A1.VD10 и A1.R21, A1.VD13.

Блок управления собран на печатной плате, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита в соответствии с чертежом на рис. 4. В нём применены постоянные резисторы МЯТ и подстро­енные резисторы СП3-38г. Конденсато­ры — К73-17, оксидные — любого типа на соответствующее напряжение, на­пример К50-35. Транзисторы КТ315Г можно заменить любыми маломощны­ми кремниевыми транзисторами струк­туры n-p-n, а КТ829А — КТ972А, КТ972Б. Диоды 1N4007 заменяются на КД105В, КД247А — на КД226А. Вместо диодного моста МВ5010 допускается установить четыре отдельных диода на ток не ме­нее 25 А, например, серии Д132. Тринисторы Т160 могут быть заменены другими, рассчитанными на ток 160 А и более, например, Т171-200, Т123-200. При замене следует учитывать конструк­тивные особенности тринисторов и их охлаждения.

Микросхемы серии К561 можно за­менить их функциональными аналогами из серий К176 или КР1561, а микросхе­му КР544УД1А — любым ОУ с высоким входным сопротивлением.

Двигатель вентилятора — трёхфаз­ный АВ-042-2МУЗ мощностью 40 Вт. Можно использовать вентиляторы и с другими двигателями.

Трансформатор Т1 изготовлен в со­ответствии с рекомендациями, изло­женными в [3]. Его магнитопровод на­бран из П-образных пластин электро­технической горячекатаной стали тол­щиной 0,5 мм, собранных вперекрышку. Его размеры, форма и расположение секций обмоток показаны на рис. 5. Обмотки трансформатора — дисковые [3]. Ширина зазора между обмотками II и III значения не имеет.

Обмотка I состоит из двух секций по 100 витков медного провода диамет­ром 3 мм. Обмотка II имеет две секции по 38 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,8 мм. Обмотка III разделена на четыре секции по 20 витков медной шины 2×9 мм В качестве изоляции использо­вана лента шириной 20 мм из хлопчато­бумажной ткани.

Секции каждой обмотки расположе­ны на разных кернах магнитопровода (секции обмотки III — попарно). Их номера имеются на рис. 5. Все они бес­каркасные, намотаны на деревянных оправках. Чтобы витки не располза­лись, их фиксируют тканевой лентой с обязательной последующей пропиткой лаком.

Трансформатор Т2 использован го­товый с напряжением на обмотке II 10…12В при токе нагрузки не менее 150 мА. Трансформатор тока ТЗ намо­тан на половине магнитопровода ШЛ 16×20, стянутой хомутом из жести толщиной 0,2 мм. Чтобы не делать лиш­них соединений, в качестве его первич­ных обмоток (по одному витку каждая) использованы выводы обмотки III трансформатора Т1. Вторичная обмот­ка трансформатора ТЗ имеет 300 вит­ков провода ПЭВ-2 диаметром 0.4 мм

Трансформаторы Т1 и Т2 блока А1 намотаны на магнитопроводах Б26 из феррита 2000НМ без немагнитного за­зора. Обмотка I содержит 150 витков, а обмотка 11—100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм.

Обмотка дросселя L1 намотана на магнитопроводе от трансформатора ТС-180 с немагнитным зазором 1 мм проводом ПЭВ-2 диаметром 1,8 мм до заполнения окна. Дроссель L2 намотан на магнитопроводе ШЛ32х40 с немаг­нитным зазором 1 мм. Его обмотка со­держит 60 витков той же шины, что и об­мотка III трансформатора Т1. В качестве материала немагнитных прокладок в магнитопроводы дросселей использо­ван текстолит толщиной 0,5 мм.

Резистор R1 — импортный прово­лочный. Можно применить отечествен­ные С5-35 (ПЭВ) или С5-37 мощностью 10 Вт либо соединить параллельно пять резисторов МЛТ-2 номиналом 110 Ом.

Резистор R2 изготовлен из нихромового провода диаметром 1 мм и длиной 1,7 м, намотанного на керамические трубки от диодных столбов КЦ109А, как показано на рис. 6. Был испытан вари­ант параллельного соединения шести резисторов ПЭВ-30 по 18 Ом. При «за­липании» электродов они сильно пере­греваются, но поскольку это режим кратковременный, такой перегрев мож­но считать допустимым. В любом слу­чае рекомендуется поместить резистор R2 для лучшего охлаждения в поток воз­духа от вентилятора.

Если бесполезное рассеива­ние мощности на резисторе R2 нежелательно, его можно уда­лить из аппарата, ограничив ток вспомогательного выпрямителя согласно рекомендациям [1], с помощью батареи соединённых параллельно конденсаторов. Её включают последовательно с обмоткой II трансформатора Т1 и диодным мостом VD1. Для та­кой батареи пригодны конден­саторы МБГП суммарной ём­костью 240 мкФ. Переменный резистор R3 — СП-I группы А.

Тринисторы должны быть ус­тановлены на стандартные ох­ладители (теплоотводы). Диод­ный мост МВ5010 снабжают от­дельным теплоотводом с эффек­тивной охлаждающей поверхно­стью около 300 см². Транзисто­ры КТ829А в теплоотводах не нуждаются.

Корпус аппарата может быть любым. В авторском варианте все детали аппа­рата размещены на раме из уголков, согнутых из листовой стали толщиной [1] мм. Кожух аппарата изготовлен из стального листа толщиной 0,8 мм. Пе­редняя и задняя стенки кожуха выпол­нены из сварной проволочной сетки с ячейками размерами 10×10 мм. Метал­лический корпус необходимо заземлить.

Для налаживания аппарата требуют­ся осциллограф и регулируемый источ­ник постоянного напряжения 0…12 В, а также мультиметр. Налаживание следу­ет начинать с тщательной проверки правильности монтажа. Убедившись в отсутствии ошибок, подайте на выводы

[1] и 4 блока А1 напряжение с обмотки II трансформатора Т2 при отключённых трансформаторе Т1 и вентиляторе. С по­мощью осциллографа убедитесь в на­личии аналогичных изображённым на рис. 3 импульсов на коллекторах транзи­сторов VT1 и VT2, а также пилообразного напряжения на конденсаторе A1.С7.

Далее установите движок подстро­енного резистора A1.R15 в верхнее по схеме положение, а движок переменно­го резистора R3 — в правое по схеме положение. При этом на выходе ОУ А1. DA1 должен быть постоянный низкий уровень или наблюдаться короткие им­пульсы высокого уровня. Затем, плавно перемещая движок подстроенного ре­зистора A1 R15 вниз (по схеме), добей­тесь уменьшения пауз между им пульсами вплоть до их пол­ного исчезновения и посто­янного присутствия на вы­ходе ОУ высокого уровня.

Установите движок под­строенного резистора А1. R19 в верхнее по схеме положе­ние. Затем подайте на вывод 11 блока А1 напряжение +8 В от дополнительного источ­ника и, перемещая движок резистора A1.R15 вниз (по схеме), добейтесь появления на выходе элемента A1 DD2.3 низкого уровня. Пачки им­пульсов на выходах элемен­тов DD1.1 и DD1.2 должны соответствовать рис. 3. Если нужно изменить частоту им­пульсов, следует подобрать резистор A1 R23. При умень­шении напряжения на выво­де 11 блока А1 ниже 8 В ге­нератор импульсов должен

выключаться. Далее проверьте наличие импульсов между выводами 5, 6 и между выводами 7, 8 блока А1 при под­ключённых управляющих цепях трини­сторов VS1 и VS2.

Следующий этап налаживания — проверка работы цепей обратной связи. Движок подстроенного резистора A1.R7 переведите в левое по схеме положе­ние, на вывод 11 блока А1 временно по­дайте напряжение +9 В, а на конденса­тор А1.С4 — постоянное напряжение 0… 10 В от дополнительного источника. При изменении этого напряжения, а также при вращении движка перемен­ного резистора R3 на выходе ОУ A1 DA1 должны появляться импульсы и изме­няться их скважность.

Установите движок резистора R3 в крайнее правое (по схеме) положение. К выходу аппарата подключите лампу накаливания на 36 В мощностью не менее 20 Вт. Временно отключите дрос­сель L1 и соедините первичную обмотку трансформатора Т1 с сетью. При этом лампа должна загореться. В противном случае следует поменять местами вы­воды 3 и 4 блока А1. Подавая на конден­сатор А1.С4 напряжение от дополни­тельного источника, проверьте работу регулятора тока. При увеличении напря­жения на этом конденсаторе яркость свечения лампы должна уменьшаться.

Проверьте, в нужную ли сторону вра­щается вентилятор. Чтобы изменить на­правление его вращения, необходимо поменять местами любые два из трёх его выводов. Ток двигателя не должен превы­шать максимально допустимого значения.

Далее отключите дополнительный источник напряжения, подключите со­гласно схеме дроссель L1 и вывод 11 блока А1. К выходным зажимам аппара­та подключите через амперметр на 200 А сварочные кабели, установите движок переменного резистора R3 в положение минимального тока и включите аппарат. Зажгите дугу и подстроечным резистором A1 R7 установите в сварочной цепи ток около 40 А. Затем, контролируя ток по амперметру, проградуируйте шкалу переменного резистора R3.

ЛИТЕРАТУРА

1. Богданов А. Электронное управление сва­рочным током — Радио, 2006, № 4, с. 36—38.
2. ГОСТ 95-77. Трансформаторы однофаз­ные однопостовые для ручной дуговой сварки. Общие технические условия. — URL: http://tiles.stroyinf.ru/Data1/10/10478/(24 06 15)
3. Володин В. Сварочный трансформа­тор: расчет и изготовление — Радио, 2002. № 11, с. 35, 36; № 12, с. 38, 39.

Автор: Е. ГЕРАСИМОВ, станица Выселки Краснодарского края

Источник: журнал Радио №10, 2015