Принципиальная схема сварочного инвертора: разбираемся в деталях. Как сделать сварочный инвертор на тиристорах своими руками? Сварочный инвертор липина схема

Сварочный инвертор – это достаточно популярный аппарат, который является необходимым и в домашнем хозяйстве, и на промышленном предприятии. Это не удивительно, ведь те источники питания, которыми пользовались раньше (преобразователи, трансформаторы, выпрямители), обладали многими недостатками. Среди них можно назвать массу и габариты, большую энергоемкость, но маленький диапазон регулирования режима сварки и низкую частоту преобразования. Сделав своими руками сварочный инвертор на тиристорах, вы получите мощный блок питания для необходимых работ. Также это поможет существенно сэкономить вам средства, хотя все равно потребует определенных трудовых и материальных затрат.

Сварочный инвертор: особенности и функции аппарата

Работа инвертора заключается в том, чтобы преобразовывать переменный сетевой ток в его постоянный высокочастотный аналог.

Это происходит в несколько этапов. К выпрямительному блоку из сети идет ток. Там, после трансформации, напряжение из переменного становится постоянным. А инвертор производит обратное преобразование, то есть поступающее постоянное напряжение снова становится переменным, но с уже более высокой частотой. После этого напряжение понижается трансформатором, через выходной выпрямитель происходит модификация этого параметра в высокочастотное постоянное напряжение.

Конструкция сварочного инвертора и его особенности

Благодаря тому что в конструкции аппарата отсутствуют тяжелые детали, он является очень компактным и легким. В нее входят следующие составляющие:

Устройство простого инвертора с перекрестными связями.

• инвертор;
• сетевой и выходной выпрямители;
• дроссель;
• высокочастотный трансформатор.

Даже начинающие сварщики могут работать с такими аппаратами. Их применяют как в быту, так и в строительной сфере или в автосервисах. Благодаря тому что присутствует регулировка рабочих режимов, варить можно и тонкие, и толстые металлы. А повышенные условия горения дуги и формирования сварного шва дают вам возможность варить сварочными инверторами любые сплавы, черные и цветные металлы, используя все возможные технологии их сварки.

Преимущества использования инвертора

В области сварного оборудования такие аппараты пользуются особым спросом из-за множества своих преимуществ и достоинств. Сделав инвертор своими руками, вы получите:

• возможность варить сложные цветные металлы и конструкционные стали;
• защиту от перегревов, колебаний сетевого напряжения, перегрузов по току;
• высокую стабильность сварного тока даже при том, что напряжение может колебаться в сети;
• качественно сформированный шов;
• при сварке практически не будет разбрызгивания;
• горение дуги будет стабилизированным в заданном ключе, даже если наблюдается внешнее неблагоприятное воздействие;
• многие другие полезные в работе функции.

Схемы инвертора своими руками

Взяв за основу то, как строится схема и как управляется сам процесс инверторного преобразования, выделяют несколько видов аппаратов, которые являются самыми распространенными в использовании. Варианты полного моста и полумоста относятся к двум двухтактным схемам, а «косой» мост – к однотактной. Схема полного моста, которую называют двухтактной, работает с двухполярными импульсами. Они подаются на ключевые транзисторы (которые являются парными), а те запирают и открывают электрическую цепь.

Схема инвертора “косой” мост.

Полумостовая схема будет отличаться от предыдущего варианта тем, что потребление тока у нее повышенное. Как ключи выступают транзисторы, работающие по той же двухтактной модели. На каждый из них подается половина входного напряжения сети. Мощность инвертора, в сравнении по току с полным мостом, составляет половину значения. Подобная схема имеет свои преимущества в маломощных устройствах. К тому же можно использовать группу транзисторов, а не один очень мощный.

Последний вариант – «косой» мост. Это инверторы, которые работают по однотактному принципу. Тут вы будете иметь дело с однополярными импульсами. Одновременное открытие транзисторных ключей исключит возможность короткого замыкания. Но среди недостатков этой схемы выделяют подмагничивание магнитопровода трансформатора.

Посмотрите на одну из стандартных схем инвертора. Это конструкция по проекту Ю.Негуляева. Чтобы собрать такой аппарат в домашних условиях, потребуется ваше желание, готовность к работе и необходимая элементная база, которую вы сможете либо найти на радиорынке, либо выпаять из старой бытовой техники.

Инструкция по сборке аппарата

Стандартная схема инвертора по проекту Ю.Негуляева

Возьмите 6-миллиметровую плиту из дюралюминия. Присоедините к ней все отдающие тепло проводники и провода. Учтите, что здесь провод не нужно опоясывать термоизолирующим материалом. Используя старую схему (к примеру, компьютера), вам не придется отдельно искать транзисторы и тиристоры.

Далее подготовьте специальный высокомощный вентилятор (вы можете воспользоваться даже автомобильным радиатором). Он будет обдувать все, включая резонансный дроссель. Не забудьте прижать последний к вашей основе с помощью прокладочного уплотнителя.

Для изготовления самого дроссельного прибора возьмите шесть медных сердечников. Их можно найти на рынке или сделать самому из деталей ненужного старого телевизора. Прижмите диоды к основанию схемы, а потом присоедините к ним стабилизаторы напряжения и изоляционные уплотнители.

Ставя трансформатор, заизолируйте проводниковые пучки с помощью изоленты или фторопластовой полосы. Разведите проводники в разные стороны, чтобы они не контачили и не вызывали сбоев в работе. На полевом транзисторе понадобится провести монтаж силового поля, чтобы продлить работоспособность вашего инвертора. Для этого возьмите медный провод 2-миллиметрового сечения. Залужив его, обмотайте в несколько слоев обычной ниткой. Так вы защитите ваш проводник от разных повреждений и при пайке, и при сварке. Чтобы закрепить монтаж, используйте изолирующие пяточки. Так вы еще и перенесете на них нагрузку с транзисторов.

Недавно собирал сварочный инвертор от Бармалея, на максимальный ток 160 ампер, одноплатный вариант. Названа эта схема в честь её автора - Barmaley. Вот электрическая схема и файл с печатной платой .

Схема инвертора для сварки

Работа инвертора : питание от однофазной сети 220 Вольт выпрямляется, сглаживается конденсаторами и подаётся на транзисторные ключи, которые из постоянного напряжения делают высокочастотное переменное, подаваемое на ферритовый трансформатор. Благодаря высокой частоте мы имеем уменьшение габаритов силового транса и как следствие, применяем не железо, а феррит. Дальше понижающий трансформатор, за ним выпрямитель и дроссель.

Осциллограмы управление полевыми транзисторами. Замерял на стабилитроне кс213б без силовых ключей, коэфициент заполнения 43 и частота 33.

В своём варианте силовые ключи IRG4PC50U заменил на более современные IRGP4063DPBF . Стабилитрон кс213б заменил на два 15 вольтовых мощностью 1.3 ватта встречно включенных, так как в прошлом аппарате кс213б немного грелись. После замены проблема сразу исчезла. Остальное все остается как в схеме.

Это осциллограмма коллектор-эмиттер нижнего ключа (по схеме). При подаче питания 310 вольт через лампу 150 ватт. Осциллограф стоит 5 вольт деление и 5 мкс дел. через делитель умноженное на 10.

Силовой трансформатор намотан на сердечнике B66371-G-X187, N87, E70/33/32 EPCOS Моточные данные: сначала пол первички, вторичка, и снова остатки первички. Провод что на первичке, что на вторичке - диаметром 0.6 мм. Первичка - 10 проводов 0.6 скрученных вместе 18 витков (всего). В первый ряд как раз влазит 9 витков. Далее остатки первички в сторону, мотаем 6 витков проводом 0.6 сложенного в 50 штук так же скрученного. И далее снова остатки первички, то есть 9 витков. Не забываем межслойную изоляцию (использовал несколько слоев кассовой бумаги, 5 или 6, больше не усердствуем, иначе обмотка не влезет в окно). Каждый слой пропитывал эпоксидкой.

Затем все собираем, между половинками Е70 феррита нужен зазор 0.1 мм, по крайним кернам ложим прокладку из обычного кассового чека. Все стягиваем, склеиваем.

Я покрасил из баллончика черной матовой краской, затем лаком. Да, чуть не забыл, каждую обмотку, когда скрутили, обматываем малярным скочем - изолируем, так сказать. Не забываем помечать начало и концы обмоток, пригодится для дальнейшей фазировки и сборки. При неправильной фазировке трансформатора аппарат будет варить в пол-силы.

При включении инвертера в сеть, начинается зарядка выходных конденсаторов. Первоначальный ток их зарядки очень велик, сравним с КЗ, и может привести к выгоранию диодного моста. Не говоря уже о том, что для кондёров это тоже чревато выходом из строя. Чтобы избежать такого резкого скачка тока в момент включения, ставят ограничители заряда конденсаторов. В схеме Бармалея это 2 резистора по 30 Ом, мощностью по 5 ватт, итого 15 Ом х 10 Ватт. Резистор ограничивает ток зарядки конденсаторов и после их зарядки можно уже подавать питание напрямую, минуя эти резисторы, что и делает реле.

В сварочном аппарате по схеме Бармалея применена реле WJ115-1A-12VDC-S. Питание катушки реле - 12 вольт DC, коммутируемая нагрузка 20 Ампер, 220 Вольт AC. В самоделках очень распространено применение автомобильных реле на 12 Вольт, 30 Ампер. Однако они не предназначены для коммутации тока до 20 Ампер сетевого напряжения, но, тем не менее, дёшевы, доступны и вполне справляются со своей задачей.

Токоограничивающий резистор лучше ставить обычный проволочный, он выдержит любые перегрузки и более дёшев, чем импортные. Например С5-37 В 10 (20 Ом, 10 Ватт, проволочный). Вместо резисторов можно поставить токоограничивающие конденсаторы, последовательно в цепь переменного напряжения. Например К73-17, 400 Вольт, суммарной ёмкостью 5-10 мкФ. Конденсаторы 3 мкФ, заряжают ёмкость 2000 мкФ, примерно за 5 секунд. Расчёт тока зарядки конденсаторов такой: 1 мкФ ограничивает ток на уровне 70 миллиампер. Получается 3 мкФ на уровне 70х3=210 миллиампер.

Наконец собрал все в едино запустил. Ток по ограничению выставил 165 ампер, теперь оформим сварочный инвертор в хороший корпус. Себестоимость самодельного инвертора примерно 2500 рублей - детали заказывал в интернете.

Провод в перемоточном цехе брал. Еще можно провод снять с телевизоров с размагничивающего контура с кинескопа (это практически готовая вторичка). Дроссель изготовил из E65 , медной полосой шириной 5 мм и толщиной 2 мм - 18 витков. Индуктивность подобрал 84 мкГн путем увеличивания зазора между половинками, он составил 4 мм. Можно и не полосой мотать, а так-же 0.6 мм проволокой, но ее труднее будет уложить. Первичку на трансформаторе можно мотать проводом 1.2 мм, набором из 5 штук 18 витков, но можно и 0.4 мм так же посчитать количество проводов под нужное вам сечение, то есть к примеру 15 штук 0.4 мм 18 витков.

После монтажа и настройки схемы на плате, собрал все воедино. Испытания Бармалей прошел успешно: тройку и четверку электрода тянет спокойно. Ток по ограничению поставил 165 Ампер. Собрал и испытал устройство: Арси .

Обсудить статью СВАРОЧНЫЙ ИНВЕРТОР БАРМАЛЕЙ

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Наиболее часто при построении сварочных инверторов применяют три основных типа высокочастотных преобразователей: полумост, ассиметричный мост (или "косой мост") и полный мост. Под видом полумоста и полного моста, являются резонансные преобразователи. В зависимости от системы управления выходными параметрами, преобразователи бывают с ШИМ (широтно-импульсная), с ЧИМ (частотная регулировка), с фазовой регулировкой, и комбинациями из этих трёх. Все эти типы преобразователей имеют свои достоинства и свои недостатки. Начнем с полумоста с ШИМ. Блок схема такого преобразователя показана на Рис.3.

Это самый простой преобразователь из семейства двухтактников, но от этого не менее надёжный. Недостатком этой схемы является то, что "раскачка" напряжения на первичной обмотке силового трансформатора, равна половине напряжения питания. Но с другой стороны, этот факт является плюсом, можно применить сердечник меньшего размера, без опасения захода в режим насыщения.

Для инверторов небольшой мощности (2-ЗкВт), такой преобразователь весьма перспективен. Но ШИМ управление требует особой тщательности при монтаже силовых цепей, для управления силовыми транзисторами необходимо ставить драйверы. Транзисторы такого полумоста работают в режиме жёсткого переключения, поэтому к управляющим сигналам предъявляются повышенные требования.

Обязательно наличие "мёртвого времени" между двумя противофазными импульсами, отсутствие паузы, или недостаточная её длительность, всегда приводит к возникновению сквозного тока через силовые транзисторы.

Последствия легко предсказуемы - выход транзисторов из строя. Весьма перспективным видом полумостового преобразователя, является резонансный полумост. Блок схема такого полумоста приведена на Рис.4.

Ток протекающий через силовые цепи имеет форму синусоиды, а это снимает нагрузку с фильтрующих конденсаторов.

При таком построении силовые ключи не нуждаются в драйверах! Достаточно обыкновенного импульсного трансформатора, чтобы переключить силовые транзисторы. Качество управляющих импульсов не столь существенно, как в схеме с ШИМ, хотя пауза ("мёртвое время") должна быть.

Ещё один плюс, эта схема позволяет обойтись без токовой защиты и форма ВАХ (вольт - амперная характеристика) имеет сразу падающий вид и не нуждается в параметрическом формировании.

Выходной ток ограничен только индуктивностью намагничивания трансформатора и может достигать значительных величин при КЗ, это необходимо учитывать при выборе выходных диодов, но это свойство положительно влияет на поджиг и горение дуги!

Обычно выходные параметры регулируются изменением частоты, однако применение фазовой регулировки дает гораздо больше плюсов и является наиболее перспективной для сварочного инвертора, так как позволяет обойти такое неприятное явление, как совпадение резонанса с режимом КЗ, да и диапазон регулировки выходных параметров намного шире. Фазовая регулировка позволяет менять выходной ток практически от 0 до Imax.

Следующая схема - ассиметричный мост, или "косой мост". Блок схема такого преобразователя показана на Рис.5.

Ассиметричный мост - однотактный, прямоходовой преобразователь.

Преобразователь такой конфигурации очень популярен, как у производителей сварочных инверторов, так и у радиолюбителей. Первые сварочные инверторы были построены именно, как "косой мост". Простота и надёжность, широкие возможности для регулировки выходного тока, помехозащищённость - всё это привлекает разработчиков сварочных инверторов до сих пор.

И хотя недостатки такого преобразователя довольно существенны, это большие токи через транзисторы, высокие требования к форме управляющих импульсов, что подразумевает использование мощных драйверов для управления силовыми ключами, высокие требования к монтажу силовых цепей, большие импульсные токи предъявляют высокие требования к конденсаторам входного фильтра, электролитические конденсаторы очень не любят большие импульсные токи. Для удержания транзисторов в ОДЗ (области допустимых значений) требуются RCD цепочки (снабберы).

Но, несмотря на все эти недостатки и малый КПД, "косой мост" до наших дней применяется в сварочных инверторах. Транзисторы Т1 и Т2 работают синфазно, вместе открываются и вместе закрываются. Энергия накапливается не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности дросселя. Рабочий цикл не превышает 50%, именно поэтому для получения одинаковой мощности с мостовым преобразователем, требуется двойной ток через транзисторы. Более детально работа такого преобразователя будет рассмотрена на примере реального сварочного инвертора.

Следующий тип преобразователя - полный мост с ШИМ. Классический двухтактный преобразователь! Блок схема полного моста приведена на Рис.6.

Мостовая схема даёт возможность получить мощность в 2 раза больше, чем полумост, и в 2 раза больше чем "косой мост", при тех же величинах токов и потерь на переключение. Это объясняется тем, что "раскачка" напряжения первичной обмотки силового трансформатора, равна напряжению питания.

Соответственно для получения одинаковой мощности, например с полумостом (в котором напряжение раскачки равно 0,5U пит.), потребуется ток через транзисторы в 2 раза меньше! Транзисторы полного моста работают по диагонали, когда Т1 - ТЗ открыты, Т2 - Т4 закрыты, и наоборот. Трансформатор тока отслеживает амплитудное значение тока, протекающего через включенную диагональ. Регулировать выходной ток такого преобразователя можно двумя способами:

1) изменять длительность управляющего импульса, оставляя неизменным напряжение отсечки;

2) изменять уровень напряжения отсечки приходящего с токового трансформатора, оставляя неизменным длительность управляющих импульсов.

Оба этих способа позволяют изменять выходной ток в достаточно широких пределах. Недостатки и требования у полного моста с ШИМ, точно такие, как и у полумоста с ШИМ. (См. выше). И наконец, рассмотрим наиболее перспективную схему ВЧ преобразователя, для сварочного инвертора - резонансный мост. Блок схема представлена на Рис.7.

Как может показаться на первый взгляд, схема резонансного моста не сильно отличается от моста с ШИМ, и это действительно так. Практически дополнительно введена только LC резонансная цепочка, включенная последовательно с силовым трансформатором. Однако введение этой цепочки полностью меняет процессы перекачки мощности. Уменьшаются потери, увеличивается КПД, на порядки снижается уровень электромагнитных помех, понижается нагрузка на входные электролиты. Как видите можно полностью убрать защиту по току, драйверы силовых транзисторов могут понадобиться лишь в том случае, если применяются MOSFET транзисторы с ёмкостью затвора больше 5000pF. Для IGBT транзисторов достаточно одного импульсного трансформатора.

Управлять выходным током резонансного преобразователя можно двумя способами, это частотным и фазовым. Оба они упоминались раньше, в описании резонансного полумоста. И последний тип ВЧ преобразователя - полный мост с дросселем рассеяния. Его схема практически ничем не отличается от схемы резонансного моста (полумоста), точно так включена LC цепочка последовательно с трансформатором, только она не является резонансной. С =22мкфх63В работает как симметрирующий конденсатор, a L дросселя, как реактивное сопротивление, величина которого линейно зависит от частоты. Управление такого преобразователя - частотное. С увеличением частоты - сопротивление L, увеличивается. Ток через силовой трансформатор уменьшается. Просто и надёжно. Большинство промышленных инверторов построены на таком принципе регулировки и ограничения выходного тока.

Трансформатор является необходимым элементом любого сварочного источника. Он понижает напряжение сети до уровня напряжения дуги, а также осуществляет гальваническую развязку сети и сварочной цепи. Известно, что размеры трансформатора определяются его рабочей частотой, а также качеством магнитного материала сердечника.

Примечание.

При понижении частоты габариты трансформатора возрастают, а при повышении – уменьшаются.

Трансформаторы классических источников работают на относительно низкой частоте сети. Поэтому вес и габариты этих источников в основном определялись массой и объемом сварочного трансформатора.

В последнее время были разработаны различные высококачественные магнитные материалы, позволяющие несколько улучшить массогабаритные параметры трансформаторов и сварочных источников. Однако существенного улучшение этих параметров можно добиться только за счет увеличения рабочей частоты трансформаторов. Так как частота сетевого напряжения является стандартом и не может быть изменена, то повысить рабочую частоту трансформатора можно, используя специальный электронный преобразователь.

Блок-схема инверторного сварочного источника

Упрощенная блок-схема инверторного сварочного источника (ИСИ) изображена на рис. 1 . Рассмотрим схему. Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается, а затем подается на электронный преобразователь. Он преобразует постоянное напряжение в переменное высокой частоты. Переменное напряжение высокой частоты трансформируется при помощи малогабаритного высокочастотного трансформатора, затем выпрямляется и подается в сварочную цепь.

Типы трансформаторов

Работа электронного преобразователя тесно связана с циклами перемагничивания трансформатора. Так как ферромагнитный материал сердечника трансформатора обладает нелинейностью и насыщается, то индукция в сердечнике трансформатора может расти лишь до какого-то максимального значения Вm.

После достижения этого значения сердечник необходимо размагнитить до нуля или перемагнитить в обратном направлении до значения – Вm. Энергия может передаваться через трансформатор:

• в цикле намагничивания;
• в цикле перемагничивания;
• в обоих циклах.

Определение.

Преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в одном цикле перемагничивания трансформатора, называются однотактными .

Соответственно, преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в обоих циклах перемагничивания трансформатора, называются двухтактными .

Однотактный прямоходовый преобразователь

Преимущества однотактных преобразователей. Однотактные преобразователи получили наибольшее распространение в дешевых и маломощных инверторных сварочных источниках, рассчитанных на работу от однофазной сети. В условиях резко переменной нагрузки, каковой является сварочная дуга, однотактные преобразователи выгодно отличаются от различных двухтактных преобразователей:

• они не требуют симметрирования;
• они не подвержены такой болезни, как сквозные токи.

Следовательно, для управления этим преобразователем, требуется более простая схема управления, по сравнению с той, которая потребуется для двухтактного преобразователя.

Классификация однотактных преобразователей. По способу передачи энергии в нагрузку, однотактные преобразователи делятся на две группы: прямоходовые и обратноходовые (рис. 2 ). В прямоходовых преобразователях энергия в нагрузку передается в момент замкнутого состояния, а в обратноходовых преобразователях - в момент разомкнутого состояния ключевого транзистора VT. При этом в обратноходовом преобразователе, энергия запасается в индуктивности трансформатора Т во время замкнутого состояния ключа и ток ключа имеет форму треугольника с нарастающим фронтом и крутым срезом.

Примечание.

При выборе типа преобразователя ИСИ между прямоходовым и обратноходовым, предпочтение отдается прямоходовому однотактному преобразователю.

Ведь не смотря на его большую сложность, прямоходовой преобразователь, в отличие от обратноходового, имеет большую удельную мощность . Это объясняется тем, что в обратноходовом преобразователе через ключевой транзистор протекает ток треугольной формы, а в прямоходовом - прямоугольной. Следовательно, при одном и том же максимальном токе ключа, среднее значение тока у прямоходового преобразователя получается в два раза выше.

Основными достоинствами обратноходового преобразователя является:

• отсутствие дросселя в выпрямителе;
• возможность групповой стабилизации нескольких напряжений.

Эти достоинства обеспечивают преимущество обратноходовым преобразователям в различных маломощных применениях, каковыми являются источники питания различной бытовой теле- и радиоаппаратуры; а также служебные источники питания цепей управления самих сварочных источников.

Трансформатор однотранзисторного прямоходового преобразователя (ОПП) , изображенного на рис. 2, б , имеет специальную размагничивающую обмотку III. Эта обмотка служит для размагничивания сердечника трансформатора Т, который намагничивается во время замкнутого состояния транзистора VT.

В это время напряжение на обмотке III прикладывается к диоду VD3 в запирающей полярности. Благодаря этому размагничивающая обмотка не оказывает никакого влияния на процесс намагничивания.

После закрытия транзистора VT :

• напряжение на обмотке III меняет свою полярность;
• диод VD3 отпирается;
• энергия, накопленная в трансформаторе Т, возвращается в первичный источник питания Uп.

Примечание.

Однако на практике, из-за недостаточной связи между обмотками трансформатора, часть энергии намагничивания не возвращается в первичный источник. Эта энергия обычно рассеивается в транзисторе VT и демпфирующих цепочках (на рис. 2 не показаны), ухудшая общую эффективность и надежность преобразователя.

Косой мост. Указанный недостаток отсутствует в двухтранзисторном прямоходовом преобразователе (ДПП) , который зачастую называют «косой мост» (рис. 3, а ). В этом преобразователе (благодаря введению дополнительного транзистора и диода) в качестве размагничивающей обмотки используется первичная обмотка трансформатора. Так как эта обмотка сама с собою полностью связана, то проблемы не полного возврата энергии намагничивания полностью исключаются.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.

Общей особенностью всех однотактных преобразователей является то, что их трансформаторы работают в условиях с односторонним намагничивантем.

Магнитная индукция В (в трансформаторе с односторонним намагничиванием) может изменяется только в пределах от максимальной Вm до остаточной Вr, описывая частную петлю гистерезиса.

Когда транзисторы VT1, VT2 преобразователя открыты, энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в прямом направлении (участок а-b на рис. 3 , б).

Когда транзисторы VT1, VT2 заперты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD0. В этот момент под действием ЭДС обмотки І, открываются диоды VD1, VD2, и через них протекает ток размагничивания сердечника трансформатора в обратном направлении (участок b-а на рис. 3, б ).

Изменение индукции ∆В в сердечнике происходит практически от Вm до Вr и значительно меньше значения ∆В= 2·Вm, возможного для двухтактного преобразователя. Некоторый прирост ∆В можно получить с помощью введения немагнитного зазора в сердечник. Если сердечник имеет немагнитный зазор δ, то остаточная индукция становится меньше, чем Вr . В случае наличия немагнитного зазора в сердечнике, новое значение остаточной индукции можно найти в точке пересечения прямой, проведенной из начала координат под углом Ѳ, к кривой перемагничивания (точка В1 на рис. 3, б ):

tgѲ= µ 0 ·l c /δ,

где µ 0 – магнитная проницаемость;

l c – длина средней силовой магнитной линии магнитного сердечника, м;

δ – длина немагнитного зазора, м.

Определение.

Магнитная проницаемость – это отношение индукции В к напряженности Н для вакуума (также справедливо и для немагнитного воздушного зазора) и является физической постоянной, численно равной µ 0 =4π·10 -7 Гн/м.

Величину tgѲ можно рассматривать как проводимость немагнитного зазора , приведенную к длине сердечника. Таким образом, введение немагнитного зазора эквивалентно введению отрицательной напряженности магнитного поля:

Н1 = -В1/ tgѲ.

Двухтактный мостовой преобразователь

Достоинства двухтактных преобразователей. Двухтактные преобразователи содержат большее количество элементов и требуют более сложных алгоритмов управления. Однако эти преобразователи обеспечивают меньшую пульсацию входного тока, а также позволяют получить большую выходную мощность и эффективность, при одинаковой мощности дискретных ключевых компонентов.

Схема двухтактного мостового преобразователя. На рис. 4, а изображена схема двухтактного мостового преобразователя. Если сравнивать этот преобразователь с однотактными, то он ближе всего к двухтранзисторному прямоходовому преобразователю (рис. 3 ) . Двухтактный преобразователь легко в него преобразуется, если убрать пару транзисторов и пару диодов, расположенных по диагонали (VT1, VT4, VD2,VD3 или VT2, VT3, VD1, VD4).

Таким образом, двухтактный мостовой преобразователь является комбинацией двух однотактных преобразователей, работающих поочерёдно. При этом энергия в нагрузку передается в течение всего периода работы преобразователя, а индукция в сердечнике трансформатора может меняться от -Вm до +Вm.

Как и в ДПП, диоды VD1-VD4 служат для возврата энергии, накопленной в индуктивности рассеяния Ls трансформатора Т, в первичный источник питания Uп. В качестве этих диодов могут быть использованы внутренние диоды MOSFET.

Принцип действия. Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.

Примечание.

Общей особенностью двухтактных преобразователей является то, что их трансформаторы работают в условиях с симметричным перемагничиванием.

Магнитная индукция В, в сердечнике трансформатора с симметричным перемагничиванием, может изменяется в пределах от отрицательно -Вm до положительной +Вm максимальной индукции.

В каждом полупериоде работы ДМП открыты два ключа, расположенные по диагонали. В паузе все транзисторы преобразователя обычно закрыты, хотя существуют режимы управления, когда некоторые транзисторы преобразователя остаются открытыми и в паузе.

Сосредоточимся на режиме управления, согласно которого в паузе все транзисторы ДМП закрыты.

Когда транзисторы VT1, VT4 преобразователя открыты, энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном обратном направлении (участок b-а на рис. 4, б ).

В паузе, когда транзисторы VT1, VT4 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент одна из вторичных обмоток (IIа или IIb) трансформатора Т замкнута накоротко через открытый диод VD7 и один из выпрямительных диодов (VD5 или VD6). В результате этого индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется.

После завершения паузы открываются транзисторы VT2, VT3 преобразователя, и энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку.

При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном прямом направлении (участок а-b на рис. 4 ). В паузе, когда транзисторы VT2, VT3 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется и фиксируется на достигнутом положительном уровне.

Примечание.

Из-за фиксации индукций в паузах, сердечник трансформатора Т способен перемагничиваться только в моменты открытого состояния диагонально расположенных транзисторов.

Чтобы в этих условиях избежать одностороннего насыщения необходимо обеспечить равное время открытого состояния транзисторов, а также симметричность силовой схемы преобразователя.

Схемасиловой части с блоком питания и драйверами.

………. Представленный на схеме сварочный инверторпостроен по схеме однотактного прямохода. На первичную обмоткусварочного трансформатора с помощью двух ключей подаются однополярныеимпульсы выпрямленного сетевого напряжения с заполнением не более 42%. Магнитопровод трансформатора испытывает одностороннееподмагничивание. В паузах между импульсами магнитопроводразмагничивается по так называемой частной петле. Размагничивающий токблагодаря обратно включенным диодам возвращает магнитную энергию,запасённую в сердечнике трансформатора обратно в источник, подзаряжаяконденсаторы (2 x 1000 мкф x 400 В) накопителя.

………. На прямом ходу энергия передаётся внагрузку через сварочный трансформатор и прямо включенные диодывыпрямителя (2x150EBU04). В паузе между импульсами ток в нагрузкеподдерживается благодаря энергии, накопленной в дросселе. Электрическаяцепь в этом случае замыкается через обратные диоды (2x150EBU04). Хорошоизвестно, что на эти диоды приходится бОльшая нагрузка, чем на прямые.Причина – ток в паузе течёт дольше чем в импульсе.

………. Конденсатор 1200 мкф x 250 В включенный всварочные провода через резистор 4,3 Ом обеспечивает чёткое зажиганиедуги. Пожалуй, это одно из удачных схемных решений для поджига в косоммосте.

………. Ключи косого моста работают в режимежёсткого переключения. Причём режим включения заведомо облегчен всегдаприсутствующей индуктивностью рассеивания сварочного трансформатора. И,поскольку к моменту включения ключей считается, что магнитопровод трансформатора полностью размагничен, то по причине отсутствия тока впервичной обмотке, потерями на включение можно пренебречь. Потерина выключение – очень существенные. Для их снижения параллельнокаждому ключу установлены RCD-снабберы.

………. Для обеспечения чёткой работы ключей, вмоменты между включениями на их затворы подаётся отрицательноенапряжение благодаря специальной схеме включения драйверов. Каждыйдрайвер питается от гальванически изолированного источника (около 25 В)блока питания. Напряжение питания «верхнего” драйвераиспользуется для включения реле К1, контакты которого шунтируютпусковой резистор.

………. Блок питания (классический маломощныйфлайбэк) имеет 3 гальванически изолированных выхода. При исправныхдеталях начинает работать сразу. Напряжение для драйверов –23-25В. Напряжение 12 В используется для питания блока управления.

………. Существенные радиаторы нужно предусмотретьдля входного выпрямителя, ключей и выходного выпрямителя. От размеровэтих радиаторов и интенсивности их обдува будет зависетьпостоянная времени работы аппарата. Поскольку аппарат обеспечиваетсущественный сварочный ток (до 180 А), ключи нужно обязательно припаятьк медным пластинам толщиной 4 мм, затем эти «бутерброды”прикрутить к радиаторам через теплопроводную пасту. О том как этосделать написано Вместе крепления ключей посадочное место радиатора должно быть идеальноплоским без сколов и раковин. Желательно чтобы в месте крепления ключейрадиатор имел сплошное тело толщиной не менее 10 мм. Как показалапрактика для лучшего отвода тепла не нужно изолировать ключи отрадиатора. Лучше изолировать радиатор от корпуса аппарата. Вобдув нужно поставить также трансформатор, дроссель и обязательно всерезисторы мощностью 25 и 30 Вт. Остальные элементы схемы в радиаторах иобдуве не нуждаются.

Блок управления

Схема блока управления полномостовымсварочным инвертором

………. Блок управления построен на основераспространённого ШИМ-контроллера TL494 с задействованием одного каналарегулирования. Этот канал стабилизирует ток в дуге. Задание токаформирует микроконтроллер с помощью модуля CCP1 в режиме ШИМ на частотепримерно 75 кГц. Заполнение ШИМ будет определять напряжение наконденсаторе C1. Величина этого напряжения определяет величинусварочного тока.

………. С помощью микроконтроллера выполняется также блокировка инвертора. Если на вход DT(4) TL494 будет подан высокийлогический уровень, то импульсы на выходе Out исчезнут и инверторостановится. Появление логического нуля на выходе RA4 микроконтроллераприведёт к плавному старту инвертора, то есть к постепенному увеличениюзаполнения импульсов на выходе Out до максимального. Блокировкаинвертора используется в момент включения и при превышении температурырадиаторов.

Вот что получилосьв железе. Блокпитания, драйвера и блок управления на одной плате.


. В моём аппарате индикатор и клавиатураподключены к блоку управления через компьютерный шлейф. Шлейф проходитв непосредственной близости от радиаторов ключей и трансформатора. Вчистом виде такой конструктив приводил к ложному нажатию на клавиши.Пришлось применить следующие спец. меры. На шлейфодето ферритовое кольцо К28x16x9. Шлейф скручен (насколько позволялаего длина). Для клавиатуры и термостатов использованыдополнительные подтягивающие резисторы 1,8К, зашунтированныекерамическими конденсаторами 100 пкф. Такое схемное решениеобеспечило помехоустойчивость клавиатуры, полностью исключеныложные нажатия клавиш.

………. Хотя, моё мнение – нужно недопускать помехи в блок управления. Для этого блок управления долженбыть отделён от силовой части сплошным металлическим листом.

Настройка инвертора

………. Силовая часть пока обесточена.Предварительно проверенный блок питания подключаем к блоку управления ивключаем его в сеть. На индикаторе загорятся все восьмёрки, затемвключится реле и, если контакты термостатов замкнуты, то индикаторпокажет задание тока 20 А. Осциллографом проверяем напряжение назатворах ключей. Там должны быть прямоугольные импульсы с фронтами неболее 200 нс, частотой 40-50 кГц напряжением 13-15В в положительнойобласти и 10 В – в отрицательной. Причём в отрицательной областиимпульс должен быть заметно длиннее.

………. Если всё так, собираем полностью схемуинвертора и включаем его в сеть. На индикацию сначала будут выведенывосьмёрки, затем должно включиться реле и индикатор покажет 20 А.Кликая кнопками, пробуем изменять задание тока. Изменение задания токадолжно пропорционально изменять напряжение на конденсаторе C1. Если изменив задание тока не нажимать на кнопки более 1 минуты, топроизойдёт запись задания в энергонезависимую память. На индикаторекратковременно появится сообщение «ЗАПС”. При последующемвключении инвертора величина задания тока будет равна значению, котороезаписалось.

………. Если всё так, устанавливаем задание 20 А ивключаем в сварочные провода нагрузочный реостат сопротивлением 0,5 Ом.Реостат должен выдерживать протекание тока не менее 60 А. К выводамшунта подключаем вольтметр магнитоэлектрической системы со шкалой на 75мВ, например прибор Ц 4380. На нагруженном инверторе пытаемся изменятьзадание тока, и по показаниям вольтметра контролируем ток. В этомрежиме реостат может издавать звук, напоминающий звон. Его не стоитбоятся – это работает токоограничение. Ток должен менятьсяпропорционально заданию. Выставляем задание тока 50 А. Если показаниявольтметра не соответствуют 50 А, то на выключенном инверторе впаиваемсопротивление R1 другого номинала. Подбирая сопротивление R1 добиваемсясоответствие задания тока измеренному.

………. Проверяем работу термозащиты. Для этогообрываем цепь термостатов. На индикаторе высветиться надпись»EroC”. Импульсы на затворах ключей должны исчезнутьВосстанавливаем цепь термостатов. Индикатор должен показатьустановленный ток. На затворах ключей должны появиться импульсы. Ихдлительность должна плавно увеличится до максимальной.

………. Если всё так, можно попытаться варить.После 2-3-х минут сварки током 120-150 А выключаем инвертор из сети иищем 2 самых горячих радиатора. На них нужно установить защитныетермостаты. По возможности термостаты устанавливаются вне зоны обдува.