Полумостовой сварочный инвертор схема

Обновлено: 26.06.2024

Блоки питания радиоэлектронной аппаратуры строятся по схемам импульсного инвертирования (преобразования) сетевого напряжения в постоянное напряжение на нагрузке. В классическом трансформаторном варианте требуется мощное стабилизирующее устройство с применением габаритного трансформатора и охлаждающих радиаторов для диодных мостов и транзисторов стабилизатора выходного напряжения. Нескольких степеней защиты нагрузки от превышения выходного напряжения и тока, при пробое мощного регулирующего элемента, не всегда защищают от повреждения. Повышенное сетевое напряжение приводит к перегреву силового трансформатора и росту потерь мощности на регулируемых элементах стабилизатора.
Разработка импульсных питающих устройств - инверторов, позволило создать недорогие устройства с небольшим весом и габаритами.

Инверторы позволяют с низкими потерями передать энергию электросети в нагрузку с преобразованием её в любое желаемое напряжение и ток, защита элементов преобразователя от перегрузок не представляет собой сложных и мощных систем, и занимает минимальное место на плате преобразователя (1).
Напряжение питающей сети может отличаться от принятого в данном районе стандарта и позволять использовать прибор в районах с пониженным сетевым питанием.

Силовой ключ инвертора гальванически связан с электросетью через выпрямитель и фильтры сетевых помех.
Для преобразования высокого постоянного напряжения сети в низкое напряжение нагрузки служит высокочастотный преобразователь.
Назначение такого устройства заключается в передаче энергии в нагрузку без потерь с применением высокочастотного преобразования тока.
Для гальванического разделения напряжения сети от напряжения нагрузки служит высокочастотный трансформатор на сердечнике из феррита - прессованных окислов железа с повышенными магнитными свойствами.
В практике также используются инверторы без применения переходного трансформатора, единственным условием применения таких устройств является соблюдение техники безопасности при эксплуатации из-за присутствия высокого напряжения электросети.
В схеме инвертора происходит тройное преобразование тока: выпрямление напряжения сети в постоянное напряжение, преобразование постоянного высокого напряжения в импульсное высокочастотное, преобразование высоковольтного высокочастотного напряжения в низковольтное с последующим выпрямлением и стабилизацией.

Стабилизация выходного напряжения выполнена введением отрицательной обратной связи с выхода инвертора на вход широтно-импульсного генератора преобразователя с элементом гальванической развязки оптопарой.
Изменение скважности импульсов генератора позволяет в ручном и автоматическом режиме поддерживать заданное выходное напряжение.
Полумостовой преобразователь напряжения выполняется на биполярных или полевых транзисторных ключах, по схеме полумостового двухтактного усилителя.

Характеристика устройства:
Напряжение сети 160-240 Вольт.
Мощность 150ватт
Вторичное напряжение 13,8 Вольт
Ток нагрузки средний 10 Ампер
Вес устройства 370 грамм.
Частота преобразователя 27кГц.
КПД 91%

В схему инвертора входят:
1. Сетевой высоковольтный выпрямитель с фильтрами помех преобразования.
2.Элементы ограничения тока заряда конденсаторов сетевого фильтра.
3. Элементы защиты от импульсных помех высокого уровня.
4. Цепи преобразования вторичного напряжения.
5. Элементы индикации преобразования.
6. Элементы цепи обратной связи с оптоэлектронным усилителем ошибки и гальваническим разделением цепей.
7. Транзисторный инвертор напряжения с переходным высокочастотным трансформатором.
8. Генератор прямоугольных импульсов на аналоговом таймере.
9. Параметрический стабилизатор напряжения питания генератора.
10. Широтно-импульсный модулятор на транзисторе.
11. Широтно- импульсный регулятор выходного напряжения.

По сравнению с однотактными преобразователями напряжения, в схеме двухтактного преобразователя снижены требования к характеристикам ключевых транзисторов – понижено в два раза допустимое напряжение, снижены требования к утилизации обратных токов обмоток трансформатора, отсутствует постоянный ток подмагничивания обмоток - что позволяет увеличить выходную мощность устройства вдвое, без существенных дополнительных затрат.

Описание работы элементов схемы

Генератор прямоугольных импульсов выполнен на аналоговом интегральном таймере DA1(Рис.1). В схеме устройства полумостового инвертора желательно использовать таймер с пониженным энергопотреблением (2). Микросхема DA1 соответствует конструктивным требованиям и обладает стабильной работой в широком диапазоне питающих напряжений, имеет мощный выход и малое потребление тока. Внутренняя структура состоит из функциональных узлов: двух операционных усилителей, работающих в качестве компараторов (вход2 и 6); RS - триггера; выходного усилителя для повышения нагрузочной способности; ключевого транзистора с открытым коллектором (вывод 7); вывод сброса в нулевое состояние (4); вывод прямого доступа к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания - модификации схемы (5).

Выводы схемы таймера DA1 обозначены в процессе описания устройства, исходя из их использования в работе принципиальной схемы.

Таблица 1. Параметры аналогов таймера:

U-питания

I-потр.мА

U-вых макс.

F-мГц

Примечание

С понижением напряжения источника питания ток потребления микросхемой падает, частота преобразователя меняется незначительно - не более 1%.
При снижении напряжения на выводе 5DA1 - модификации таймера, длительность выходного импульса сокращается, что приведёт к уменьшению среднего тока зарядки аккумулятора.
Применение интегрального таймера позволяет довольно просто выполнить генератор импульсов. Процесс заряд - разряда внешнего конденсатора C1 происходит циклически. Регулятор скважности импульсов R1 позволяет изменять выходное напряжение на нагрузке ХТ1-ХТ2.

Заряд конденсатора С1 происходит через диод VD1 и резисторы R1,R2, разряд через диод R1,R2,VD2, R4.Частота генератора при этом не меняется. Регулируется только ширина импульсов.
При необходимости частоту следования импульсов можно модифицировать изменением ёмкости конденсатора C1.
Для работы микросхемы в режиме автогенератора входы 2DA1 и 6DA1, внутренних компараторов соединены вместе. Заряд внешнего конденсатора С1 сопровождается повышением напряжения на нём до уровня 2/3 напряжения питания, а высокий уровень напряжения на выходе 3DA1 переключается на низкий. При падении напряжения на конденсаторе С1 до уровня 1/3 напряжения питания (за счёт разряда через внутренний транзистор микросхемы - вывод 7DA1), через цепь R1,R2,VD2,R4 внутренний триггер вновь переключит выход 3 DA1 на высокий уровень, с последующим зарядом конденсатора С1.

Индикатор HL1 визуально указывает на наличие высокого уровня на выходе 3DA1.
Отношение интервала высокого уровня к полному периоду называется скважностью или рабочим циклом и зависит от значения сопротивления цепей заряда и разряда конденсатора С1.

Инвертор напряжения:
Импульс положительной полярности с выхода 3DA1 через ограничительный резистор R4 поступает на базу биполярного транзистора VT1 широтно-импульсного усилителя.
Транзистор VT1 открывается и переключает транзисторы VT2,VT3 в противоположные состояния проводимости.
Смена высокого уровня вывода 3DA1 на нулевой сопровождается закрытием проводимости транзистора VT2 и открытием транзистора VT3. В точке соединения VT2,VT3, VD5,VD6,R16,1T1 формируется прямоугольный импульс.
Резисторы R11,R12 и конденсаторы C4,C5 в базовых цепях транзисторов VT2,VT3 снижают уровень сквозного тока, выводят транзисторы из насыщения в момент переключения транзисторов, что также снижает потери в цепях управления и нагрев транзисторов.

Дополнительные условия переключения создаются подключением разрядного транзистора таймера ( вывод 7DA1 ) к базе транзистора VT1, открытие транзистора происходит с некоторой задержкой созданной резистор R4, а выключение с меньшим временем, что положительно сказывается на переключение выходных транзисторов преобразователя напряжения. Применение пропорционально - токового управления транзисторными ключами в сочетании с насыщающимся коммутирующим трансформатором позволяет в момент переключения автоматически выводить транзисторы из насыщения.
Демпфирующие диоды VD5,VD6 подключены параллельно транзисторам VD2,VD3 и защищают от импульсов обратного напряжения, в некоторых транзисторах они установлены в корпусе, но в паспортных данных это не всегда отражено.

Таблица 2. Замена транзисторов:

Uк- напряжение

Ток коллектора

Pk
мощность

h21
усиление

T вкл.мск

Корпус

Транзисторы Т2,Т3 необходимо установить на радиатор через прокладки и изолированные шпильки. Высокочастотный трансформатор T1 применён без переделки от компьютерного блока питания типа ТХ.
Разделительный конденсатор C8 устраняет протекание через первичную обмотку 1Т1 постоянной составляющей при возможно разных характеристиках выходных транзисторов VT2,VT3 и конденсаторов фильтра С9,С10.
Конденсатор С7 с резистором R16 создают цепь, снижающую помехи преобразования, устраняют выбросы обратного напряжения, созданные в момент переключения тока обмотки трансформатора 1Т1.

Питание цепей инвертора:
Конденсаторы фильтра C9,C10 с разрядными резисторами R18,R19 создают искусственную среднюю точку высокого напряжения для трансформатора инвертора, Питание генератора импульсов выполнено через ограничительный резистор R6, R10, ввиду малого потребления генератором импульсов на таймере DA1 тока питания. Напряжение питания генератора стабилизировано стабилитроном VD3.
Сетевое напряжение, прежде чем попасть на диодный мост VD9 проходит ограничение от импульсных токов заряда конденсаторов фильтра C9,C10. Ограничение тока выполнено на резисторе RT1, его высокое сопротивление в «холодном» состоянии переходит в низкое по мере разогрева токами заряда конденсаторов фильтра.
Резистор RU1 шунтирует выбросы напряжения реверсивно поступающие при работе преобразователя в сети. Назначение трансформатора Т2 позволяет устранить проникновение импульсных помех преобразования в сеть и удлинить время запуска инвертора, на период зарядки конденсаторов С9,С10 сглаживающего фильтра.

Цепи питания нагрузки:
Высокочастотные мощные выпрямительные диоды VD7,VD8 позволяют передать мощность преобразователя в нагрузку в виде автомобильного аккумулятора, с контролем напряжения посредством светодиода HL2 и гальванического индикатора тока РА1 с внутренним шунтом на 10 ампер. Защита инвертора от перегрузки выполнена на предохранителе FU1. Аккумулятор подключается к клеммам ХТ1 и ХТ2, в соответствующей полярности, многожильным проводом в виниловой изоляции сечением 2-4мм.
Ток заряда аккумулятора устанавливается, согласно инструкций, завода изготовителя и рекомендаций по восстановлению аккумуляторов.
Конденсатор С6 снижает уровень помех в цепях зарядного тока аккумулятора.

Цепь стабилизации выходного напряжения:
Для поддержания определённого уровня напряжения и тока на нагрузке в схему введена цепь отрицательной обратной связи со вторичных цепей нагрузки на вход 5DA1 таймера генератора импульсов. Выходное напряжение инвертора с конденсатора C6 через мост на резисторах R13 R14R15 поступает на светодиод оптопары DA2..Гальваническое разделение первичных и вторичных цепей устраняет электротравмы.

Усиление, создаваемое оптопарой DA2 позволяет обойтись без дополнительного усилителя в цепи ошибки. Усиленный внутренним фототранзистором оптопары сигнал ошибки увеличивает ток в цепи открытого транзистора оптопары, вход 5DA1 шунтируется оптопарой на общий провод, напряжение на входе верхнего компаратора (6DA1 ) падает, он переключает внутренний триггер при меньшем напряжении на конденсаторе С1, среднее значение тока в нагрузке снижается. Температурную зависимость устройства можно дополнительно выполнить при установке вместо резистора R15 - терморезистор, укреплением его, через прокладку на радиатор транзисторов. Снижение напряжения нагрузки устраняет шунтирование входа верхнего компаратора по входу 5DA1, ток в нагрузке возрастёт до исходной величины.

Радиокомпоненты:
Радиодетали в схеме зарядного устройства установлены заводского исполнения, многие радиокомпоненты взяты от списанных мониторов и компьютеров, покупных деталей в устройстве практически нет. Выполнить трансформатор инвертора можно по рекомендациям в журналах ( 4), но сложно, проще взять трансформатор от монитора или блока питания компьютера.

Порядок сборки:
Печатные платы с радиокомпонентами инвертора и сетевого выпрямителя с цепями защиты монтируют в корпус на стойки, амперметр закрепляют в предварительно вырезанное отверстие, рядом в отверстия крепят клеем индикаторы HL1,HL2 - состояния схемы и регулятор R1 тока (скважности).
Выключатель SA1 и предохранители FU1, FU2 крепят в отверстиях корпуса.

Регулировка схемы:
Чтобы избежать неприятности, перед включением вместо предохранителя подпаивается лампочка от холодильника 220Вольт 15 ватт (3). Вместо нагрузки подключается лампочка от автомобиля 12Вольт 50свечей. Слабый накал лампочки холодильника указывает на рабочее состояние схемы. Через несколько секунд работы, после отключения от сети проверяются на нагрев транзисторы, если температура повышенная, выясняются причины возможного повреждения элементов и их замена на исправные. Резистором R14, при среднем положении движка резистора R1, устанавливается выходное напряжение 13,8 Вольт под нагрузкой. При повороте движка резистора R1 яркость лампочки нагрузки должна изменяться. При недостаточном охлаждении установленных на радиаторы транзисторов и диодов выпрямителя вторичного напряжения, на корпус зарядного устройства дополнительно устанавливается вентилятор, лучше для этого использовать корпус от устаревшего блока питания компьютера. Порядок зарядки и восстановления кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов описан в методическом пособии автора (5).

Использованная литература:
1. В.Сорокоумов. Импульсное зарядное устройство. Радио№8,2004 стр.46.
2. И.П.Шелестов. Радиолюбителям полезные схемы. книга 5.стр108. Солон-Пресс.2003г.
3. Б.Соколов. Усовершенствование электронного балласта. Радио №6, 2006 стр27.
4. А.Петров. Импульсный блок питания. Радиомир. №7/2002 стр.12.
5. Владимир Коновалов. «Автомобили и аккумуляторы». Методическое пособие Центра ДТТ. г.Иркутск 2009г. 70 стр.

Инвертор на сварочный полуавтомат 250А

Купил я как то свой полуавтомат трансформаторный. Ну думал мне его хватит на долго, так как я планировал его для сварки и ремонта кузовов автомобиля. В итоге я был разочарован тем, что тонкий металл он просто сжигал в момент касания сварочной проволоки о свариваемую поверхность. А толстый металл примерно 4 мм толщины он просто не проваривал как следует.

В результате этого мне хотелось просто выкинуть его. Обратно в магазин его не понесешь, так как прошло много времени, да и работа у меня не одна. Вот и было решено собрать инвертор для моего девайса чтобы избавиться от трансформатора который работал не понятно как.

На рисунке собственно сама схема. Эта схема была взята с основы сварочного инвертора на 250 ампера, который разработал Евгений Родиков. За что ему спасибо.

Правда пришлось мне изрядно повозиться с этой схемой, чтобы обычный сварочный инвертор у которого мягкая ВАХ (вольтамперная характеристика) стала жесткой и чтобы была обратная связь по напряжению и можно было регулировать с 7 вольтах до 25 вольт. Так как на полуавтомате не нужно регулировать ток ему надо менять напряжение. Что мною и было выполнено.

Для начала нам надо собрать блок питания который будет питать шим генератор и драйвера ключей.

Вот собственно и схема блока питания, она не сложная и думаю не буду вдаваться в подробности и так все понятно.

Принцип работы инвертора

Работа инвертора заключается в следующем. Из сети 220 вольт поступает на диодный мост и выпрямляется потом происходит зарядка конденсаторов большой емкости через токоограничивающий резистор R11.Если бы не резистор то произошел бы сильный бах из за чего выйдет из строя диодный мост. Когда конденсаторы зарядились, таймер на VT1,C6,R9,VD7 включает реле К1 тем самым шунтирует токоограничительный резистор R11 и напряжение в это время на конденсаторах нарастает до 310 вольта. и в это же время включается реле К2 который размыкает цепь резистора R10, который блокирует работу ШИМ генератора собранного на микросхеме UC3845. Сигнал с 6 ноги ШИМ генератора поступает на оптроны через резисторы R12,R13. Далее проходя через оптроны HCPL3120 на драйвера управления силовыми IGBT транзисторами которые запускают силовой трансформатор. после трансформатора выходит большой ток высокой частоты и поступает на диоды тем самым выпрямляется. Контроль напряжения и тока выполнены на оптроне PC817 и токовом датчике построенный на ферритовом кольце через который пропущен провод силового трансформатора.

Начало сборки работы инвертора

Саму сборку можно начинать как угодно. Я лично начинал собирать с самого блока питания,который должен питать шим генератор и драйвера ключей. Проверив работоспособность блока питания она у меня заработала без каких либо доработок и настроек. Следующим этапом я собирал таймер который должен блокировать шим генератор и шунтировать токоограничительный резистор R11, убедившись в его работе, он должен включать реле К1 и К2 в течении времени от 5 секунд до 15 секунд. Если таймер срабатывает быстрее чем нужно то надо увеличить емкость конденсатора С6. После чего я начал сборку шим генератора и драйвера силовых ключей в шим генераторе есть один недочет с резисторами R7 он должен иметь сопротивление 680 Ома R8 1,8ома и конденсатор C5 510p C3 2200p также убедившийся в правильной сборке выставил первоначальную частоту в 50 кГц с помощью резистора R1. При этом сигнал формированный шим генератором должен быть строго прямоугольным 50/50 и ни каких всплесков и выбросов из краев прямоугольников показанные на осциллограмме осциллографа. После я собрал силовые ключи и подав напряжение минус 310 вольт на нижние силовые ключи. плюс верхних силовых ключей я подал питание плюс 310 вольт через лампочку 220 вольт 200 ватт на самой схеме не показано, но надо в питание силовых ключей плюс и минус 310 вольта добавить конденсаторы 0,15мкФ х 1000 вольт 14 штук. это нужно для того чтобы выбросы который будет создавать трансформатор уходили в цепь питания силовых ключей ликвидируя помехи в сети 220 вольта. После чего я начал собирать силовой трансформатор а начиналось у меня все так. Я не знаю какой материал феррита намотал пробную обмотку например 12 витков из медной проволоки 0,7 мм диаметром покрытый лаком включил его между плечами силовых ключей и запустил схему убедившийся что лампочка горит в пол накала чуть чуть подождав примерно 5 или 10 минут выключил схему из розетки дав разрядиться фильтрующим конденсаторам чтобы током не стукнуло проверил сам сердечник силового транса он не должен нагреваться. Если он нагрелся я увеличил число обмоток и таким образом я дошел до 18 витков. И так я намотал трансформатор с расчетом сечений которые написаны на схеме.

Настройка и первый запуск инвертора

Перед настройкой и первым пуском еще раз проверяем в правильной сборке. Убеждаемся в правильной фазировке силового трансформатора и датчика тока на маленьком кольце. Датчик тока обычно подбирается количество витков провода чем больше витков тем больше выходной ток, но не стоит пренебрегать из за того, что можно перегрузить силовые ключи и они запросто могут выйти из строя. В этом случае если не знать материал феррита лучше всего начать с 67 витков и постепенно увеличивать количество витков до достаточной жесткости дуги при сварке. Например у меня вышло 80 витков, при этом у меня не грузится сеть, не греются силовые ключи и естественно нет шума от силового трансформатора и дросселя на выходе.

Кнопку пуска полуавтомата который находится на рукаве горелки нужно сделать в разрыв термодатчика перегрева.И еще чуть не забыл на выходе силового трансформатора когда настраиваете всю систему без оптрона обратной связи конденсатор 220мкФ тоже должен быть временно снят, чтобы не превысить выходное напряжение и при этом на выходе при таком раскладе напряжение должно быть не больше 55 вольта если оно достигает 100 вольта или больше желательно уменьшить количество витков например отмотать 2 витка, чтобы получить нужное нам напряжение после того можно ставить конденсатор и оптрон обратной связи. Резистор R55 - это регулятор напряжения R56 резистор ограничения максимального напряжения его лучше припаивать в плате рядом где оптрон чтобы избежать скачка при обрыве регулятора и подбирать его в сторону увеличения сопротивления до нужного максимального тока я например сделал до 27 вольта. Резистор R57 подстроечный под отвертку для подстройки минимального напряжения например 7 вольт.

Полумостовой двухтактный инвертор с ШИМ, с дросселем рассеяния, резонансный

Полумостовые преобразователи применяются в сварочных инверторах достаточно часто. Особенно их любят китайские производители.

И хотя, для получения приличной мощности, они требуют двойных токов, современные IGBT модули позволяют строить сварочные аппараты с достойными характеристиками, именно на основе полумоста. Простота и минимум деталей, надёжность и высокий КПД. Всё это привлекает разработчиков сварочной техники. В этой главе объединены описания трёх типов полумостовых преобразователей, схемы их очень похожи, различия только в принципах управления выходным током, ограничения тока силовых ключей и передачи энергии в нагрузку. Полная принципиальная схема полумостового сварочного инвертора с ШИМ показана на Рис.12.

Сварочник построенный по такой схеме способен отдать в дугу до 130А, частота преобразования 30-40кГц, определяется применяемыми транзисторами. Моточные данные приведены ниже.

Тр.1 Е65, №87 , ЭПКОС

1-9-10 витков, ПЭТВ-2, диаметр 2,5мм;

II - 3+3 витка (6 с отводом от середины), ПЭТВ-2, диметр 2,24 в четыре провода.

Тр.2 Б-22, 2000НМ1

I - 60 витков, ПЭВ-2, диаметр 0,3 мм;

Тр. 2хК20х12х6, 2000НМ1 одна обмотка 50 витков, ПЭВ-2, диаметр 0,3;

Др.1 К28х16х9, 2000НМ1, 15 витков монтажного провода, 1мм кв.

Тр.З К28x16x9, 2000НМ1

Все 4 обмотки одинаковые, мотаются одновременно, 30-35 витков, МГТФ-0,12.
Фазировка указана точками. Переходим к электрической схеме.
Задающий генератор собран на микросхеме UC3825, это один из лучших двухтактных драйверов, в нём есть всё, защита по току, по напряжению, по входу, по выходу. При нормальной работе его практически нельзя сжечь! Как видно из схемы ЗГ это классический двухтактный преобразователь, трансформатор которого управляет выходным каскадом. Настраивается ЗГ так, подаём питание и частотозадающим резистором настраиваем частоту 30-40к Гц, нагружаем выходную обмотку трансформатора Тр3 резистором 20-30 Ом и смотрим форму сигнала, она должна быть такой как на рис.13.

Мёртвое время или ступенька для IGBT транзисторов должно быть не менее 1,2мкс, если применяются MOSFET транзисторы, то ступенька может быть меньше, примерно 0,5мкс. Собственно ступеньку формирует частотозадающая емкость драйвера, и при деталях указанных на схеме, это около 2мкс. Подключаем к трансформатору Тр.З драйверы силовых ключей и естественно сами ключи. На затворах должны быть сигналы похожие на Рис.14, только в противофазе. При вращении резистора регулировки величины тока (на 8 ноге), длительность затворных импульсов должна меняться от 0 до тах 50%(- dead time).

При подаче положительного напряжения на 9 ногу, в пределах 0-1,5В, происходит примерно тоже самое, но более резко. В нашей схеме ограничение максимального тока ключей происходит через 9 ногу, а плавная регулировка выходного тока через 8 ногу UC3825N. Методика настройки предельно проста, подаём напряжение на блок управления, а к силовому блоку подключаем ЛАТР. Вместо силового трансформатора подключаем лампочку на 200Wх110V, и проверив наличие в затворах управляющих импульсов, начинаем постепенно поднимать напряжение приложенное к силовому блоку. Периодически останавливаясь и проверяя осциллографом, что у нас на лампочке. Если лампочка горит ровно и на экране осциллографа наблюдается картинка, похожая на Рис.13, пробуем регулировать ток. При этом лампочка должна плавно реагировать на поворот резистора, свечение должно меняться от 0 и до мах! Если этого не происходит - разобраться почему. Возможно прийдётся подобрать резисторы вокруг регулятора, ведь именно от них зависит диапазон регулировки выходного тока! На 8 ноге напряжение должно изменяться от +3В до +4В, в это время происходит изменение длительности выходных импульсов от 0 до 50%. Следующим нашим действием, будет отключение лампочки, и подключение на её место силового трансформатора, вторичная обмотка должна быть нагружена лампочкой 100Wх36V. Всё повторяем с самого начала, постепенно ЛАТРом поднимаем напряжение до 220V. Всё должно работать аналогично. Если так и есть, смело подключаем силовые диоды, отключаем ЛАТР, он нам уже не поможет. Включаем напрямую в сеть 220V, без нагрузки, через секунду должно сработать запускающее реле, замкнуть запускающую RC цепочку и подать силовое напряжение на ключи. Реле одновременно является и защитой от длительного режима К3.. Если в момент включения аппарата его выход будет замкнут, реле не включится, и мощность потребляемая аппаратом не превысит 50Вт. И так будет до того момента, пока на выходе сохраняется режим К3.

Запускающая RC -цепочка ограничивает ток потребляемый от сети, на уровне 250мА в режиме полного КЗ. Примерно тоже происходит при залипании электрода, конденсатор включенный параллельно реле, определяет время задержки на отключение. Переходим к следующему этапу настройки, для этого нужно запастись реостатом на 5кW сопротивлением 1,0 Ом. Устанавливаем регулятор тока на мах и подключаем балластник (реостат) на выход. Измеряем на нём напряжение, оно должно быть примерно 35-40В, медленно вращаем ручку регулятора тока в сторону уменьшения. Напряжение должно плавно уменьшаться. Следующее наше действие самое ответственное - настройка отсечки максимального тока ключей (защиты). Ставим подстроечный резистор "защита" в среднее положение и уменьшая сопротивление балластного реостата пытаемся найти точку срабатывания, в этот момент возможно появление попискивания в силовом трансформаторе. Делать наоборот, тоесть подстроечником находить положение срабатывания нельзя категорически. Не соблюдение этого обчно приводит к выгоранию ключей! Подстройку резистора защиты можно делать только при отключенной нагрузке! Ну, вот собственно и всё. Если на нагрузке 0,25 Ом удастся получить 26-28В, а на 0,15 Омах будет срабатывать защита, то аппарат будет чудесно варить, но только с удвоителем, или дросселем на выходе. Следующая схема -резонансный полумостовой сварочный инвертор с фазовой регулировкой выходного тока. Полная схема представлена на Рис.15. Такая схема позволяет получать в дуге ток, от 5 до 120А, этого вполне достаточно для нормальной работы электродами диаметром 1,6 - 3,0 мм, при напряжении в сети 210 - 240В.

Ниже представлены данные на трансформаторы и дроссели.

I-9-10 витков, ПЭТВ-2, диаметр 2,5мм;

II - .3+3 витка (6 с отводом от середины), ПЭТВ-2, диаметр 2,24 в четыре провода.

Др.1 Ш20х28, 2000НМ 12 витков, ПЭТВ-2, диаметр 2,5 мм, зазор от 0,3 до 0,9мм, подбирается экспериментально.

Др.2 К28х16х9, 2000НМ1, 15 витков монтажного провода, 1мм кв.

Тр.З К28х16х9, 2000НМ1 Все 4 обмотки одинаковые, мотаются одновременно, 30-35 витков, МГТФ-0,12.

Фазировка указана точками. Как видите схема очень похожа на предыдущую, но конструкция силовой части значительно проще! Это объясняется тем, что вся схема работает в резонансе и для переключения транзисторов нужно значительно меньше энергии, чем в схеме с силовым переключением.

Переключить ключ в нуле напряжения или тока значительно легче, именно этим объясняется тот факт, что на схеме Вы не увидите драйверов для силовых ключей, нет необходимости и в КСО цепочках (снабберах) защиты, нет защиты от перегрузки по току, функцию ограничения тока выполняет резонансный дроссель и собственная индуктивность рассеяния силового трансформатора.

Процесс настройки тоже немного отличается от настройки инвертора с ШИМ, хотя начало совершенно одинаково, до момента подачи управляющих импульсов в затворы силовых транзисторов.

Поскольку драйверов нет, то и осциллограмма напряжения в затворах будет выглядеть несколько иначе, смотри Рис.16. Как видим, задний фронт имеет довольно плавный спад, это разряжается затвор ключа. Для предыдущей схемы такая форма разряда затворов, была бы смертерльна на 100%! Резонансному преобразователю на это наплевать! Поэтому проверкой формы управляющих импульсов в затворах и ограничимся. Регулятором тока выставим максимальную длительность управляющих импульсов, если этого не сделать, дальнейшая настройка ничего не даст. Настроим задающий генератор на частоту 45кГц, вместо силового трансформатора, последовательно с резонансной КС цепочкой включим лампочку на 100Wх36V.

Вместо силовой сети подключаем ЛАТР, блок управления запитываем от отдельного источника, и начинаем медленно повышать напряжение на силовом блоке. Примерно при 40-50В если лампочка не горит, или горит не очень ярко, делаем остановку и изменяя частоту задающего генератора добиваемся максимальной яркости лампочки. Немагнитный зазор в резонансном дросселе должен быть при этом 0,4-0,5 мм, это примерно 4-6 слоев бумажного малярного скотча. Если всё прошло гладко, меняем лампочку на 100Wх110V и продолжаем повышать напряжение до 220В, периодически подкручивая частоту, если резонанс будет уходить. Это была предварительная настройка.

Отключаем лампочку и подключаем силовой трансформатор нагруженный лампочкой 100Wх 36V. Весь процесс повторяем сначала, постепенно ЛАТРом поднимая напряжение, а частотой подстраивая резонанс, до точки наиболее яркого горения лампы. Всё это необходимо проделать для выявления ляпов и ошибок монтажа, иначе, если подать сразу 220V, и что-то сгорит, никогда не поймёшь почему. Следующий этап, отключаем лампу и подключаем силовые диоды. ЛАТР тоже можно убрать, включаем напрямик в сеть. Через секунду должно сработать запускающее реле и на выходе появится напряжение 46-50В. Для начала надо подключить лампочку 100Wх36V и убедиться, что всё работает устойчиво, посторонних звуков нет. Свечение лампы ровное и регулятором тока плавно меняется от max до min.

Если всё именно так, меняем лампу на балластный реостат 1,0 Ом на 5 КW и продолжаем настройку. Кратковременно подключая нагрузку (1,0Ом) подстраиваем частоту до того момента, когда вольтметр покажет тах напряжение на балластнике, и при вращении частотозадающего резистора в любую сторону, напряжение будет уменьшаться. Примерно это может быть 30-З6кГц, при этом максимальное напряжение будет около 38В. Далее уменьшаем сопротивление нагрузки до 0,5 Ом, и повышая частоту находим максимум напряжения, затем всё повторяем для нагрузки, 0,25 Ом.

Все операции по настройке резонанса производить только при максимальной длительности управляющих импульсов! Конечным результатом настройки должно получиться 26-28В на нагрузке 0,25 Ом, и при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки напряжение должно понижаться. Таким образом, если резонанс будет настроен на нагрузке 0,2 - 0,25 Ом, то именно в этом месте и будет максимум мощности! Максимальный выходной ток полностью зависит от резонансного дросселя, вернее от немагнитного зазора в сердечнике. Чем толще зазор, тем больше ток и выше частота. Это следует помнить, и при монтаже закрепить резонансный дроссель так, чтобы его можно было снять, разобрать и подкорректировать в случае необходимости толщину зазора.

Рабочая толщина зазора может достигать 1 - 1,5мм, но начинать настройку лучше с 0,3- 0,5 мм. Такой зазор сразу ограничит максимальные токи через ключи, и в случае возникновения аварийной ситуации, не даст им сгореть.

Дальнейшее увеличение нагрузки, при неизменной частоте вызовет падение напряжения и снижение мощности. При К3 ток может превышать мах ток дуги в 1,2 -1,5 раза, но напряжение на выходе упадёт до 2-ЗВ, и соответственно мощность не будет выделяться.

Это неоспоримый плюс резонансного инвертора, естественное ограничение мощности. При такой настройке, аппарат не боится режимов КЗ, скорость ограничения тока на порядок выше, чем при самой быстрой параметрической защите. А применение удвоителя напряжения на выходе позволяет зажигать и поддерживать дугу при самых неблагоприятных условиях! На Рис. 17-19 показаны осциллограммы напряжения в затворах ключей при изменении выходного тока в сторону уменьшения, при фазовой регулировке. И ещё один способ настройки резонанса, для продвинутых радиолюбителей.

В разрыв первичной цепи включается токовый трансформатор. Например 50 витков на колечке К28, 2000НМ. Нагружаем аппарат на предельную нагрузку, например 25В и 150А, это примерно 0,17 Ом. Ширину импульса ставим на максимум, частоту заведомо выше резонансной, в нашем случае это примерно 45-50кГц. Подключаем через ЛАТР не более 40-60В. Естественно блок управления питается отдельно, осциллограф подключаем к токовому трансформатору. Картинка выглядит, как разорванная синусоида. Потихоньку опускаем частоту до того момента, когда синусоида склеится в непрерывную линию. Вот и всё! Практически тоже самое можно наблюдать подключившись осциллографом к резонансному конденсатору, или включив последовательно в первичную цепь резистор 0,1 Ом, и подключив осциллограф параллельно ему.

Третий тип полумоста с дросселем рассеяния, представляет собой гибрид между преобразователем с ШИМ и резонансным с частотным или фазовым регулированием.

Его схема ничем не отличается от схемы с ШИМ преобразователем, введена только RC цепочка последовательно с силовым трансформатором, как в резонансном. Но это не резонансная цепочка, а просто цепь ограничения максимального тока.

Конденсатор в этой цепочке является просто симметрирующим и его ёмкость равняется 22мкФх63В, тип К73-16В. Дроссель можно поставить точно такой, как в резонансном преобразователе, от величины его индуктивности зависит максимальная мощность преобразователя.

Косой мост принцип работы

Для построения сварочного инвертора применяют три типа высокочастотных преобразователей, а именно преобразователи включенные по схемам: асимметричный или косой мост, полумост, а также полный мост. Резонансные преобразователи являются подвидами схем полумоста и полного моста.

По системе управления данные устройства можно поделить на:

- ШИМ (широтно-импульсной модуляцией);

- ЧИМ (регулирование частоты);

Могут существовать комбинации всех трех систем.

Типы высокочастотных преобразователей:

Система полумост с ШИМ
Резонансный полумост
Ассиметричный или «косой» мост
Полный мост с ШИМ
Резонансный мост
Полный мост с дросселем рассеивания

Система полумост с ШИМ

Блок схема показана ниже:

Один из самых простых и надежных преобразователей семейства двухтактных.

«Раскачка» напряжения первичной обмотки трансформатора силового будет равна половине напряжения питания – это недостаток данной схемы. Но плюсом является то, что можно применить трансформатор с меньшим сердечником, не опасаясь захода в зону насыщения. Для сварочных инверторов имеющих мощность порядка 2-3 кВт такой силовой модуль вполне перспективен.

Для нормальной работы силовых транзисторов необходимо ставить драйверы. Это связано с тем, что при работе в режиме жёсткого переключения транзисторам необходим высококачественный управляющий сигнал. Также обязательно наличие безтоковой паузы, чтоб не допустить одновременное открытие транзисторов, иначе они выйдут из строя.

Резонансный полумост

Довольно перспективный вид полумостового преобразователя, его схема показана ниже:

Простота резонансного полумоста в сравнении с полумостом с ШИМ обусловлена тем, что здесь присутствует индуктивности резонансной. Она ограничивает максимальный ток транзисторов, а коммутация транзисторов происходит в нуле тока или напряжения.

Протекающий по силовой цепи ток будет иметь форму синусоиды. Это снимет нагрузку с конденсаторных фильтров. В этом случае драйверы необязательны. Переключение можно выполнить импульсным трансформатором. Качество управляющих импульсов не существенно. Но должна присутствовать бестоковая пауза.

Здесь можно обойтись без токовой защиты, а форма вольт-амперной характеристики ВАХ будет иметь падающий вид, что не требует ее параметрического формирования.

Выходной ток будет ограничиваться только индуктивностью намагничивания трансформатора и сможет достигать значительных величин, если возникнет короткое замыкание КЗ. Это свойство положительно влияет на поджиг и горение дуги, но его необходимо учитывать при подборе выходных диодов.

Выходные параметры регулируются изменением частоты. Но фазное регулирование является более перспективным для сварочных инверторов. Благодаря ему можно избежать неприятного явления в виде совпадения режима короткого замыкания с резонансом. Кроме этого, он увеличивает диапазон регулирования выходных параметров. Применение фазовой регулировки может позволить изменять выходной ток в диапазоне от 0 до Imax.

Ассиметричный, или «косой» мост

Это однотактный, прямоходовой преобразователь, блок-схема которого приведена ниже:

Он популярен у радиолюбителей и у производителей сварочных инверторов. Первые сварочные инверторы строились по таким схемам – асимметричный или «косой» мост. Их качества - помехозащищенность, широкий диапазон регулирования выходного тока, надежность и простота.

- довольно высокие токи, проходящие через транзисторы;

- повышенное требование к качеству управляющего импульса. Возникает необходимость использовать мощные драйвера для управления транзисторами;

- высокие требования к выполнению монтажных работ;

- наличие больших импульсных токов, что повышает требования к конденсаторным фильтрам.

Для поддерживания нормальной работы транзисторов необходимо добавление RCD цепочек – снабберов.

Несмотря на указанные недостатки и низкий КПД устройства по схеме, асимметричный или «косой» мост до сих пор применяется в сварочных инверторах.

Полный мост с ШИМ

Представляет собой классический двухтактный преобразователь, блок-схема которого показана ниже:

По этой схеме можно получать мощность в 2 раза больше, чем при включении типа полумост, и в 2 раза больше, чем при включении типа «косой» мост, при этом величины токов и соответственно потери во всех трех случаях будут равны. Это можно объяснить тем, что напряжение питания будет равным напряжению «раскачки» первичной обмотки трансформатора силового.

Для того, чтоб получить одинаковые мощности с полумостом (напряжение раскачки 0,5Uпит.) необходим ток в 2 раза! меньше чем для случая полумоста. В схеме полного моста с ШИМ транзисторы будут работать поочередно – Т1, Т3 включены, а Т2, Т4 выключены и соответственно наоборот при изменении полярности. Через трансформатор тока отслеживают и контролируют значения амплитудное тока протекающего через эту диагональ. Для его регулирования есть два наиболее часто применяемые способы:

Оставить неизменным напряжение отсечки, а изменять только длину импульса управления;
Проводить изменения уровня отсекающего напряжения по данным с трансформатора тока при этом оставляя неизменным длительность импульса управления;

Оба способа могут позволить проводить изменения выходного тока в довольно больших пределах. У полного моста с ШИМ недостатки и требования такие же, как и у полумоста с ШИМ.

Резонансный мост

Является наиболее перспективной схемой высокочастотного преобразователя для сварочного инвертора, блок-схема которого показана ниже:

Резонансный мост не сильно отличается от полного моста с ШИМ. Разница в том, что при резонансном подключении последовательно с обмоткой трансформатора подключают резонансную LC цепочку. Но ее появление полностью меняет процесс перекачки мощности. Уменьшатся потери, увеличится КПД, снизится нагрузка на входные электролиты и электромагнитные помехи уменьшатся. Драйверы нужно применять только тогда, когда используются MOSFET транзисторы, имеющие емкость затвора более 5000 pF. IGBT могут обойтись лишь наличием импульсного трансформатора.

Управление выходным током может производится двумя способами – частотным и фазовым.

Полный мост с дросселем рассеивания

Схема идентична схеме резонансного моста или полумоста, только вместо резонансной цепи LC последовательно с трансформатором включают не резонансную LC цепь. Емкость С, примерно С≈22мкф х 63В, работает как симметрирующий конденсатор, а индуктивное сопротивление дросселя L как реактивное сопротивление, величина которого будет линейно изменятся в зависимости от изменения частоты. Преобразователь управляется частотным способом. При увеличении частоты напряжения сопротивление индуктивности возрастет. А это уменьшит ток в силовом трансформаторе. Поэтому довольно большое количество промышленных инверторов строят по такому принципу ограничения выходных параметров.

Читайте также: