Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Europejski lider sprzedaży techniki i elektroniki.
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości

Stiepanowna 15 Lut 2012 10:30 23632 15
  • Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości

    Od tłumacza: w tekście zmieniono oryginalne oznaczenia: VT na T (tranzystor) i T na TR (transformator).


    Część mocy ze sterownikami

    Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości

    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.

    Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości

    Jednostka sterująca i blok zasilania mikrokontrolera

    Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości

    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.

    Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości

    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).

    Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości Spawarka inwertorowa (200A) - mostek rezonansowy z regulacją częstotliwości

    Źródło: http://ruslanlipin.narod.ru/otvod_tepla.html


    Fajne!
  • #2 15 Lut 2012 21:26
    satanistik
    Poziom 27  

    Drobna literówka -nie potencjometru 0,15Ω lecz rezystora ;-). Ogólnie ciekawa konstrukcja chociaż z lutowaniem kluczy do radiatora się nie spotkałem;-).
    Mogłaby koleżanka przetłumaczyć również opis wykonania dławika i transformatora.

    (przepraszam moderatora za błąd - za dużo wypiłem ;-) z koleżanką rozmawiałem pisząc posta ;-))

  • #3 16 Lut 2012 11:14
    Stiepanowna
    Poziom 12  

    satanistik napisał:
    Drobna literówka - nie potencjometru 0,15Ω lecz rezystora ;-). Ogólnie ciekawa konstrukcja chociaż z lutowaniem kluczy do radiatora się nie spotkałem;-).
    Mógł by kolega przetłumaczyć również opis wykonania dławika i transformatora.


    Koleżanka:) błąd już poprawiony. Dorzuciłam też zdjęcia dotyczące sposobu lutowania tranzystorów mocy. Z dławikiem i transformatorem będzie problem, bo autor na swojej stronie niestety nie zamieścił opisu:/

  • #4 17 Lut 2012 23:00
    bartek 8118
    Poziom 17  

    Bardzo ciekawa konstrukcja.
    Może ktoś wie jakim drutem trzeba nawinąć transformator i na jakim rdzeniu żeby to działało. Chyba kiedyś się skuszę i taką sobie zrobię tylko na trzy fazy.


    To co wywnioskowałem z innych projektów tego autora to chyba transformator na pierwotnym 18 zwojów d=2 mm wtórne to dwa razy 3 zwoje czterema drutami d=2 mm na karkasie E 65 N° 87 - może ktoś wie coś o takim karkasie jego parametry odpowiedniki?

  • #5 24 Lut 2012 19:34
    FoxTech
    Poziom 20  

    Czy budowa takiej spawarki się opłaca? Oczywiście pomijam aspekt edukacyjny, chodzi mi wyłącznie o kwestię ekonomiczną, w sytuacji kiedy najtańsza spawarka 200A tego typu kosztuje 600zł co stanowi prawdopodobnie równowartość elementów niezbędnych do budowy?

  • #6 24 Lut 2012 20:20
    RitterX
    Poziom 35  

    Przetwornice o zmiennej częstotliwości mają trzy zalety nad PWM. Po pierwsze o wiele lepsze warunki komutacji kluczy. Jak widać nie ma na wyjściu kluczy układów odciążających a same klucze pracują w dużo bardziej komfortowych warunkach.
    Z pierwszą wiąże się druga zaleta czyli generacja niewielkich zakłóceń i harmonicznych.
    Trzecia to bardzo dobra dynamika odpowiedzi na zmiany obciążenia i trzymanie parametrów sabilizowanych sprzężeniem zwrotnym.
    Ale w przypadku spawarki ten trzeci czynnik jest mało istotny.
    Względem F2T ma jeszcze cztery zalety. Transformator pracuje na obu połówkach histerezy czyli do przeniesienia tej samej mocy nie potrzeba dużego rdzenia, dławik wyjściowy nie musi gromadzić energii na czas wyłączenia kluczy, obie diody prostownika wyjściowego są obciążone taką samą wartością prądu, tranzystory falownika nie muszą być tak wysokoprądowe jak w F2T.
    Reasumując. Dla dużych prądów wyjściowych zapewne będzie to lepsze rozwiązanie jak F2T.

  • #7 24 Lut 2012 22:13
    bartek 8118
    Poziom 17  

    Na pewno się opłaca jeżeli koś ma czas na budowę i chce trochę oszczędzić pieniędzy.
    Tranzystory IRGP 4PC50UD za komplet to około 90 zł
    Sterowniki IR 2110 - 20zł komplet
    Diody HFA 30PA60 to około 90zł - chyba w zasilaczach komputerowych podobne są używane muszę popatrzeć.
    Procesor to około 8zł
    Diody mocy - nie znalazłem takich nigdzie w sklepie ale może znajdę gdzieś podobne polskie o tr 60ns
    Jeszcze diody przepięciowe 1,5KE400CA nie wiem ile kosztują.
    Jeżeli koś by budował z nowych elementów to koszt około 300zł, najdroższe to te podwójne diody i tranzystory. Ale według mnie to się opłaca i może kiedyś taką zrobię.

  • #8 25 Lut 2012 14:29
    lechoo
    Poziom 39  

    Zaskoczony jestem, że w układzie nie ma żadnego przekładnika prądowego albo bocznika dostarczającego do sterownika informacji zwrotnej o prądzie płynącym w obwodzie wyjściowym - czyżby w układach rezonansowych jest to zbędne? W jaki sposób stabilizowany jest prąd podczas spawania?

  • #9 26 Lut 2012 01:08
    RitterX
    Poziom 35  

    W przetwornicy rezonansowej regulacja wydajności jest odmienna w stosunku do PWM. Skoro przetwornica pracuje cały czas z wypełnieniem ~50% to aby zmienić wydajność wyjściową falownika trzeba użyć innego sposobu. Jest nim regulacja częstotliwości, która powoduje zmianę punktu charakterystyki dobroci obwodu rezonansowego. Tak na marginesie to przetwornica rezonansowa nie działa z częstotliwością rezonansową tylko z częstotliwościami nad lub pod względem częstotliwości rezonansowej. Mając znany obwód rezonansowy o określonych wartościach elementów składowych można wyznaczyć dobroć obwodu wzorem:

    Q=1/R*√(L/C)

    Zmieniając R czyli w naszym przypadku obciążenie zmieniamy dobroć obwodu. Znając zakres przewidywanej dobroci obwodu LC możemy wyznaczyć w jakich granicach zmienia się prąd w funkcji częstotliwości. Wynika to z charakterystyki Q=I(f), która nie jest, jak wynika z powyższego wzoru, linią prostą.
    A praktycznie jak policzysz obwód rezonansowy i znasz R wynikające z wartości obciążenia to będziesz mógł określić częstotliwość, której nie można przekraczać by nie przekroczyć dopuszczalnej wartości prądu. Wpiszesz dopuszczalne parametry częstotliwości do pamięci procesora jako ograniczenia a wartości pośrednie jako nastawy i masz co chciałeś.
    W przypadku tej spawarki na wyjściu jest sprzężenie zwrotne od napięcia. Skoro masz napięcie wyjściowe i częstotliwość po pierwotnej stronie falownika wyliczysz jaki prąd płynie po wtórnej.

  • #10 26 Lut 2012 12:57
    lechoo
    Poziom 39  

    Wszystko ślicznie pięknie, ale w tym układzie nie ma sprzężenia zwrotnego od napięcia wyjściowego, jest tylko prosta 2-stanowa detekcja spadku napięcia w razie wystąpienia zwarcia elektrody do spawanego materiału. Widać ze schematu, że urządzenie prawdopodobnie miało zbyt niskie napięcie wyjściowe w stanie jałowym i autor ratował się poprzez dodanie podwajacza napięcia - to mało eleganckie rozwiązanie. Mam poważne wątpliwości jeśli chodzi o kulturę pracy tego urządzenia w porównaniu do np. F2T, chociażby ze względu na brak dławika w obwodzie prądowym.

    Edit: Do tej pory nikt nie zwrócił uwagi na krytyczny element jakim jest kondensator rezonansowy 0,22uF/2kV (C17) - musi on wytrzymać ciągły przepływ prądu w.cz. o wartości kilkadziesiąt A, a taki kondensator może być kosztowny...

  • #11 26 Lut 2012 18:03
    RitterX
    Poziom 35  

    Jak policzysz nawet w przybliżeniu trafo to napięcie wyjściowe jakie uzyskasz będzie oscylowało w okolicach 20V a to trochę za mało bez jonizatora by to i owo skutecznie rozpalić vide TIG. Podejrzewam, że nader optymistycznie podszedł do sprawy możliwej dobroci obwodu rezonansowego. A niestety nie można pracować zbyt blisko częstotliwości rezonansowej gdyż dławik przestaje być coraz bardziej dławikiem a kondensator kondensatorem i jedyne ograniczenie wprowadza rezystor. Nie muszę chyba tłumaczyć co to oznacza dla kluczy falownika. W tej topologii dławik wyjściowy nie jest potrzebny to go nie ma. Jak ustalisz graniczną częstotliwość to będziesz miał charakterystykę wyjściową podobną jak w zwykłej spawarce czyli prąd będzie niewiększy jak ustawiony nawet w zwarciu.
    Z punktu widzenia obwodu wyjściowego można potraktować całość jak obwód bez transformatora a łuk elektryczny jak rezystor w szeregowym obwodzie rezonansowym. Czyli tutaj za dławik ograniczający robi dławik przed a nie za transformatorem. Inną własnością tej spawarki jest to, że cały czas pracuje z prądem krytycznym. Czyli na wyjściu prąd będzie w każdym cyklu spadał do zera. Znowu można się spierać czy to źle czy dobrze?
    Kondensator C17 to zapewne kilka połączonych równolegle kondensatorów o mniejszych pojemnościach. Podobnie robi się w piecach indukcyjnych. Chyba, że jest tam kondensator energetyczny wyciągnięty np. z dużego lampowego nadajnika lub radaru a przynajmniej kuchenki mikrofalowej.

  • #12 26 Lut 2012 18:19
    bartek 8118
    Poziom 17  

    Witam.
    Widzę że dyskusja trwa. Trochę poszukałem i znalazłem chyba dobry tani rdzeń do tego. Transformator sieciowy od jowisza 04 tam jest EE65 i chyba powinien pasować.
    Mam pytanie w sprawie diod HFA30PA60 czy nie można by zamontować pojedynczych diod lub o mniejszym prądzie. Znalazłem w zasilaczu UF1002 i może bym jeszcze takie znalazł tylko czy się nadają?

  • #13 26 Lut 2012 20:24
    RitterX
    Poziom 35  

    Nie chcę cię zniechęcać ale to nienajlepszy pomysł rozpoczynać przygodę ze spawarkami od budowy w wersji przetwornicy rezonansowej. Z jakiego materiału jest EE65 z Jowisz04? EE65 to trochę za mało jak na 200A przy 30kHz.

  • #14 26 Lut 2012 21:30
    bartek 8118
    Poziom 17  

    Cytując książkę jowisz odbiornik telewizji kolorowej:
    "Transformator 3Tr102 pracuje na rdzeniu EE65 wykonanym z materiału F803. Dodatkowo w celu zmniejszenia indukcyjności zastosowano szczelinę powietrzną"
    Spawarkę to głównie chce wykonać tata, który jest elektronikiem ponad dwadzieścia lat a ja mam na razie zebrać informacje o niej i odpowiednikach elementów.

  • #15 26 Lut 2012 22:02
    lechoo
    Poziom 39  

    @bartek 8118
    Na dobry początek proponuję zacznij od powielenia konstrukcji którą znajdziesz w wątku o tytule "Spawarka inwerter 140A z anti stick", jest ona bardzo dobrze udokumentowana. Tam transformator wykonany jest na nieco większym rdzeniu E71, ale z powodzeniem można też użyć bardzo tanich rdzeni E85A (feryster). Natomiast rdzeń E65 z "Jowisza" możesz wtedy wykorzystać na dławik. Powodzenia :)

TME logo Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
TME Logo