Od tłumacza: w tekście zmieniono oryginalne oznaczenia: VT na T (tranzystor) i T na TR (transformator).
Część mocy ze sterownikami
Mostek rezonansowy to jeden z rodzajów dwutaktowych przetwornic inwertorowych. W czasie pierwszego taktu otwierają się tranzystory (nazwane dalej "kluczami") T1 i T2, a w czasie drugiego - T4 i T5. Takty różnią się biegunowością podawanego wysokiego napięcia (około 300V) na obwód rezonansowy, składający się z kondensatora C17, transformatora spawarki TR1 i cewki L1. Aby zapewnić bezpieczną pracę kluczy falownika, pomiędzy taktami potrzebny jest czas martwy (DeadTime). W spawarce inwertorowej częstotliwość przetwornicy powinna być taka, żeby pojemność C17, indukcyjność L1+ indukcyjność zwartego łukiem transformatora tworzyły obwód, w którym na tej częstotliwości będzie występował rezonans napięć. Przy tym moc poddana obciążeniu powinna być najwyższa. Ten rezonans znika przy krótkotrwałym zamykaniu obwodu spawarki, jakby ograniczał przepływ prądu. Zwiększając częstotliwość falownika, można otrzymać maksymalną moc na łuku. Wraz ze wzrostem częstotliwości, prąd w obwodzie jest ograniczany przez opór bierny cewki L1 i prąd w łuku również się zmniejsza. W ten sposób, jeśli raz ustawimy częstotliwość rezonansową (tj. częstotliwość, przy której w obwodzie z transformatorem, zamykanym za pomocą łuku, moc łuku ma maksymalną wartość), można zmieniać wartość prądu inwertorowego, zwiększając częstotliwość falownika względem częstotliwości rezonansowej.
W momencie podłączenia falownika do sieci przez rezystor rozruchowy R1 i prostownik D6-D13 ładują się kondensatory C3 i C4. Jak tylko osiągną napięcie 200-250V, włączy się przekaźnik K1 i poprzez swoje kontakty zewrze rezystor R1. Pojemności doładowują się do napięcia o wartości ok. 300V. Od tego momentu część falownika o dużym napięciu jest gotowa do pracy.
W moim projekcie spawarki inwertorowej wykorzystałem specjalistyczne sterowniki firmy IR do sterowania tranzystorami IGBT. Sterowniki tranzystorów „górnych” (high-side) są sprzężone przez pojemności C5 i C8. Te kondensatory okresowo są zasilane przez diody D14 i D19 w momencie otwarcia tranzystorów „dolnych” (low-side). Górne to te tranzystory, których kolektory są połączone z dodatnim biegunem zasilania o napięciu 300V. W przypadku zaś kluczy dolnych ich emitery są połączone z ujemnym biegunem zasilania o napięciu 300V.
W celu dopasowania poziomów TTL mikrokontrolera z poziomami wejść sterowników LIN i HIN (nie mniejszych niż 9V) posłużą elementy R2, R9, T3, T6. Rezystory R8 i R14 zapewniają nieaktywny tryb pracy sterowników w czasie startu mikrokontrolera.
Podwajacz napięcia jest zbudowany z elementów D23, D26, D27, С15, C16, С11 i ułatwia zapłon łuku. Program mikrokontrolera nieustannie śledzi stan wyjścia spawarki inwertorowej. W momencie krótkiego spięcia na wyjściu, dioda transoptora U1 gaśnie, a na wyjściu UOut jest wysoki poziom logiczny. W celu ochrony elementów schematu odpowiadających za zasilanie przed wyładowaniami elektrycznymi stosuje się tzw. snubbery i diody półprzewodnikowe D17, D18, D22, D28, С13, C14, R19, R21 oraz ogranicznik przepięć R20.
Tranzystory najlepiej przylutować do podłoża z miedzi.
Jednostka sterująca i blok zasilania mikrokontrolera
Aby móc korzystać z jakiegokolwiek modelu spawarki łukowej, należy mieć dostęp do odpowiednio mocnej sieci zasilania. Ten warunek nie zawsze jest spełniany, gdy korzystamy ze sprzętu np. w garażu. Stąd też wyższe wymagania względem zasilania. Aby zasilić najważniejsze elementy, zasilanie powinno dostarczać stabilne napięcie przy zmianie napięcia sieciowego do 150V, a najlepiej - jeszcze mniej. W tym wypadku najlepszy będzie zasilacz impulsowy, zbudowany wg schematu przetwornicy typu flyback. Zasilacz, przedstawiony na schemacie, zapewnia stabilne napięcie na wyjściu przy zmianie napięcia sieciowego do 50V! Natomiast powyżej 80V włącza się z szarpnięciem. W ten sposób brakuje pośredniego trybu pracy, kiedy napięcie na wyjściu już jest, ale nie osiągnęło 12,5V. W przypadku falowników to dość istotne, ponieważ tranzystory nie mogą pracować w trybie liniowym. W moim falowniku wykorzystałem sterowniki firmy IR, żeby klucze właśnie w ten sposób nie pracowały.
Nawijając transformator, należy zadbać o izolację pomiędzy poszczególnymi zwojami. W moim projekcie korzystałem z drutu miedzianego, izolowanego warstwą lakieru o średnicy 0,2mm. Przy podłączaniu transformatora należy zwrócić uwagę na początki uzwojenia, ponieważ w przypadku błędu przetwornica nie będzie działać. Poprzez dobór rezystora R1, otrzymamy napięcie na wyjściu o wartości 12,5V. To napięcie wykorzystamy do zasilania sterowników. Mikrokontroler jest zasilany za pomocą stabilizatora parametrycznego LM7805.
Praca programu i ustawienie częstotliwości rezonansowej
Aby odpowiednio wyregulować mostek rezonansowy, należy ustalić częstotliwość rezonansową. Pod pojęciem częstotliwości rezonansowej rozumiemy tę częstotliwość falownika, przy której moc łuku ma najwyższą wartość.
Tryb pracy
W momencie podłączenie urządzenia do sieci, gaśnie dioda i słychać sygnał dźwiękowy. Następnie, jeśli kontakty termostatów są zamknięte, następuje uruchomienie falownika przy częstotliwości rezonansowej. Wartość częstotliwości rezonansowej odczytujemy z komórki EEPROM o wartości zero. W momencie pierwszego włączenia częstotliwość rezonansowa wyniesie 30kHz. Jak tylko napięcie w obwodzie spawarki przekroczy 12V (bez krótkiego spięcia), na przewodzie UOut wystąpi niski poziom logiczny i falownik przełączy się w tryb pracy.
W trybie pracy dioda się świeci, nie ma zaś sygnału dźwiękowego. Sprawdzamy położenie potencjometru. Przesunięcie suwaka potencjometru spowoduje zmianę częstotliwości pracy falownika. Częstotliwość pracy zmienia się stopniowo (ogółem 17 wartości położenia) od rezonansowej (minimalnej) do maksymalnej. Zmianie częstotliwości pracy towarzyszy krótki sygnał dźwiękowy. W tym wypadku najwyższej wartości prądu inwertorowego odpowiada minimalna częstotliwość (właśnie rezonansowa). Zwiększenie częstotliwości skutkuje zmniejszeniem prądu w łuku. W ten sposób, przesuwając potencjometr, można regulować prąd w łuku.
W momencie krótkiego spięcia obwodu spawalniczego i pracy falownika na częstotliwości wyższej niż rezonansowa, występuje zagrożenie „złapania” rezonansu w czasie krótkiego spięcia. Oczywiście, prawdopodobieństwo jest dość małe, ale lepiej się zabezpieczyć, gdyż rezonans w czasie krótkiego spięcia uszkodzi klucze falownika. Dlatego też w czasie pracy okresowo sprawdzamy poziom logiczny na wyjściu UOut detektora krótkiego spięcia w obwodzie spawarki. Jeśli taki istnieje, na wejściu UOut pojawi się wysoki poziom logiczny i falownik zacznie pracować na częstotliwości rezonansowej niezależnie od położenia suwaka potencjometru. Wtedy dioda będzie zgaszona. Jeśli w czasie 1s nie nastąpi wzrost napięcia w obwodzie spawania, dojdzie do blokady falownika i program zacznie pracę od początku. Tak działa funkcja przeciwko sklejaniu elektrody.
Jeśli w czasie pracy dojdzie do awaryjnego wyłączenia jednego z termostatów TS1 lub TS2, następuje blokada falownika, włącza się przerywany sygnał dźwiękowy i zaczyna migać dioda. Jak tylko temperatura spadnie i oba termostaty będą zwarte, falownik znów zacznie pracować.
Ustawienie częstotliwości rezonansowej
Zanim podamy zasilanie na klucze, włączamy układ sterujący. Tymczasowo montujemy przełącznik między przewodem UOut, a minusem. Za pomocą oscyloskopu sprawdzamy impulsy kontrolne na bramkach tranzystorów. Powinny tam się pojawić impulsy prostokątne o częstotliwości 30kHz. Jeśli są, podłączamy do obwodów spawania rezystor 0,15Ω (dla prądów 170-200A) i bocznikujemy styki przekaźnika. Podajemy zasilanie na układ sterujący. Zasilanie sieciowe podajemy za pomocą autotransformatora. Zwiększając napięcie na autotransformatorze, zwracamy uwagę na wzrost napięcia na rezystorze obciążenia. Jeśli wszystko się zgadza, ustawiamy wartość napięcia na autotransformatorze na 80-120V i przechodzimy do konfiguracji.
Aby wejść w tryb zmiany częstotliwości rezonansowej, należy wcisnąć i przytrzymać oba przyciski do momentu włączenia sygnału dźwiękowego. Kiedy puścimy przyciski, sygnał dźwiękowy się wyłączy, a dioda zacznie migać, co świadczy o przejściu w tryb edycji częstotliwości rezonansowej. W tym czasie falownik zacznie pracować na częstotliwości rezonansowej. Poprzez klikanie w przyciski, możemy zmieniać częstotliwość falownika i osiągnąć najwyższe napięcie na potencjometrze. Jeśli wartość częstotliwości rezonansowej jest niższa niż 30kHz, zwiększamy szczelinę cewki. Jeśli zaś częstotliwość rezonansowa jest większa niż 42kHz, to szczelinę zmniejszamy. Kiedy ustawimy częstotliwość rezonansową na najwyższą moc, można zapisać jej wartość w pamięci EEPROM. W tym celu wciskamy jednocześnie oba przyciski. Po dłuższym sygnale dźwiękowym wartości zostaną zapisane.
Przywracamy obwód falownika do pierwotnego stanu, usuwamy przełącznik z przewodu UOut, odłączamy potencjometr. Podłączamy falownik do sieci. Powinien się włączyć przekaźnik elektryczny i zaświecić dioda. Ustawiamy za pomocą potencjometru częstotliwość minimalną (też rezonansową). Przez krótką chwilę obciążamy falownik za pomocą rezystora 0,15Ω i mierzymy na nim napięcie. Jeśli wynosi ono 22-30V, gratuluję dobrego uruchomienia urządzenia! Uchwyt w dłoń i do pracy!
Jeśli napięcie będzie mniejsze niż 22V, należy zwiększyć szczelinę cewki i powtórzyć uruchamianie.
Całe urządzenie wraz z przewodami spawalniczymi waży 8kg.
Źródło: http://ruslanlipin.narod.ru/svarka_resonans.html
Od tłumacza: Zdjęcia dla osób zainteresowanych metodą lutowania tranzystorów mocy do radiatora (również przygotowane przez autora powyższego projektu).
Źródło: http://ruslanlipin.narod.ru/otvod_tepla.html
Cool? Ranking DIY
. Ogólnie ciekawa konstrukcja chociaż z lutowaniem kluczy do radiatora się nie spotkałem;-).
