Spawarka inwertorowa (180A) - asymetryczny półmostek sterowany mikrokontrolerem

Prezentuję schemat spawarki inwertorowej, opartej na topologii jednotaktowej przetwornicy. Na pierwotne uzwojenie transformatora spawarki są podawane jednobiegunowe impulsy wyprostowanego napięcia sieciowego z wypełnieniem nie większym niż 42% za pomocą dwóch tranzystorów. Rdzeń magnetyczny transformatora jest podmagnesowany z jednej strony. W przerwach pomiędzy impulsami rdzeń magnetyczny rozmagnesowuje się. Dzięki odwrotnie włączonym diodom, prąd rozmagnesowania zwraca energię magnetyczną, przechowywaną w rdzeniu transformatora z powrotem do źródła, podładowując kondensatory (2x1000µF x 400V).

W czasie taktu przetwornicy energia z kondensatorów poprzez transformator spawarki i podłączone w kierunku przewodzenia diody prostownika (2x150EBU04) jest przekazywana do obciążenia. W przerwach pomiędzy impulsami prąd na obciążeniu jest podtrzymywany dzięki energii, nagromadzonej w dławiku. W tym wypadku obwód elektryczny jest zamykany za pomocą odwrotnie podłączonych diod prostownika (2x150EBU04). Jak wiadomo, te diody są bardziej obciążone od tych w kierunku przewodzenia. Jest to wynik tego, że prąd w przerwie płynie dłużej niż w impulsie.

Kondensator 1200µF/250V podłączony do przewodów spawalniczych za pomocą rezystora 4,3Ω zapewnia stabilne świecenie łuku. To chyba jedno z bardziej udanych rozwiązań dotyczących zapłonu w półmostku.

Tranzystory w półmostku w czasie włączania są zawsze odciążane dzięki obecnej indukcyjności rozproszenia transformatora spawarki. Przyjmuje się, że do momentu włączenia kluczy, rdzeń magnetyczny transformatora całkowicie się rozmagnesowuje z powodu braku prądu w uzwojeniu pierwotnym i można pominąć straty przy włączeniu. Natomiast straty występujące przy wyłączaniu są już dość istotne. Aby je zmniejszyć, do każdego klucza podłącza się równolegle snubbery aktywne RCD.

W celu zapewnienia sprawnej pracy tranzystorów, pomiędzy poszczególnymi włączeniami na ich bramki podaje się ujemne napięcie dzięki specjalnej konfiguracji włączenia ich sterowników. Każdy sterownik jest zasilany za pomocą napięcia ok. 25V, izolowanego galwanicznie. Napięcie zasilania „górnego” sterownika jest też wykorzystywane do włączenia przekaźnika K1, którego kontakty bocznikują rezystor rozruchowy.

Zasilacz pomocniczy (klasyczna przetwornica typu flyback małej mocy) posiada trzy wyjścia izolowane galwanicznie. Powinna od razu pracować jeśli wszystkie elementy są sprawne. Napięcie dla sterowników wynosi 23-25V. Napięcie 12V jest wykorzystywane do zasilania jednostki sterującej.

Istotne jest przygotowanie radiatorów dla prostownika wejściowego, kluczy i prostownika wyjściowego. Od rozmiarów tych radiatorów i intensywności przepływu powietrza będzie zależeć nieprzerwany czas pracy urządzenia. Ponieważ urządzenie zapewnia prąd inwertorowy do wartości 180A, klucze obowiązkowo należy przylutować do miedzianych płytek o grubości 4mm, a następnie tak powstałe „kanapki” przykręcić do radiatorów przy użyciu dobrej pasty termoprzewodzącej. W miejscu przyłączenia powierzchnia radiatora powinna być idealnie płaska, bez żadnych rys. Dobrze by było, aby w miejscu lutowania kluczy radiator posiadał jedną zwartą bryłę o grubość nie większej niż 10mm. Z praktyki wiem, że lepiej nie izolować kluczy od radiatora w celu ulepszenia odprowadzania ciepła. Lepiej dać izolację pomiędzy radiatorem a obudową urządzenia. W miejscu przepływu powietrza koniecznie trzeba jeszcze zamontować transformator, dławik i wszystkie rezystory o mocy 25 i 30W. Pozostałe elementy schematu nie potrzebują radiatorów i wymuszonego przepływu powietrza.


Część mocy z zasilaczem i sterownikami




Jednostka sterująca



Jednostka sterująca jest zbudowana na bazie kontrolera PWM TL494, wykorzystującego jeden kanał regulacji. Ten kanał stabilizuje prąd w łuku. Mikrokontroler ustala wartość prądu poprzez PWM o częstotliwości 75kHz. Wypełnienie PWM będzie określać napięcie na kondensatorze C1. Od wielkości tego napięcia zależy wartość prądu inwertorowego.

Również za pomocą mikrokontrolera dochodzi do blokady falownika. Jeśli na wejście DT (pin 4) TL494 zostanie podany wysoki poziom logiczny, to znikną impulsy na wyjściu Out i falownik przestanie pracować. Wystąpienie zera logicznego na wyjściu RA4 mikrokontrolera doprowadzi do płynnego włączenia się falownika, tzn. stopniowego zwiększania ilości impulsów na wyjściu Out do maksymalnej wartości. Do blokady falownika dochodzi w momencie włączenia oraz po przekroczeniu temperatury radiatorów.

Oto co nam wyszło. Zasilacz, sterowniki i jednostka sterująca na jednej płytce.



W moim urządzeniu wskaźnik i klawiatura są podłączone do jednostki sterującej za pomocą przewodu taśmowego. Taśma przechodzi blisko radiatorów, kluczy i transformatora. W czystej postaci taka konstrukcja prowadziła do błędnej interpretacji sygnału z podłączonych klawiszy. Dlatego trzeba było przedsięwziąć odpowiednie środki. Nałożyłem na taśmę pierścień ferrytowy. Taśmę trzeba skręcić (o ile pozwala na to jej długość). W przypadku klawiatury i termostatów wykorzystano dodatkowe rezystory podciągające 1,8kΩ, bocznikowane za pomocą kondensatorów ceramicznych 100pF. Takie rozwiązanie usunęło problem niewłaściwego naciskania klawiszy i zapewniło odporność na zakłócenia.
Chociaż, moim zdaniem, nie powinno się dopuszczać jakichkolwiek zakłóceń w układzie sterowania. Dlatego jednostka sterująca powinna być oddzielona od części mocy jedną metalową płytką.

Ustawienie falownika

Na razie nie podłączamy do prądu części mocy. Zawczasu sprawdzony zasilacz podłączamy do jednostki sterującej i włączamy go do sieci. Na wskaźniku zaświecają się wszystkie ósemki, następnie włącza się przekaźnik i, jeśli kontakty termostatów są zamknięte, wskaźnik pokazuje wartość prądu 20A. Za pomocą oscyloskopu sprawdzamy napięcie na bramkach rezystorów. Powinny tam wystąpić impulsy prostokątne o zboczach nie dłuższych niż 200ns, o częstotliwości 40-50kHz i napięciu 13-15V w obszarze dodatnim i 10V w ujemnym. Przy czym w biegunie ujemnym impuls powinien być widocznie dłuższy.
Jeśli się wszystko zgadza, podłączamy falownik i włączamy go do sieci. Na wskaźniku najpierw pojawią się ósemki, potem włączy się przekaźnik i wskaźnik pokaże 20A. Naciskając przyciski, zmieniamy wartość prądu. Zmiana wartości prądu powinna proporcjonalnie zmieniać napięcie na kondensatorze C1. Jeśli po zmianie wartości prądu nie będziemy wciskać przycisków przez więcej niż minutę, wartość zostanie zapisana w pamięci EEPROM. Na wskaźniku na chwilę wyświetli się komunikat „ЗАПС” [„zapamiętano”, przyp. tłum.]. Przy kolejnym włączeniu falownika wartość prądu będzie równa wartości zapisanej.

Następnie ustawiamy wartość prądu 20A i podłączamy do przewodów spawalniczych rezystor 0,5Ω. Rezystor powinien wytrzymać przepływ prądu o wartości nie mniejszej niż 60A. Do wyjść bocznika podłączamy woltomierz elektromagnetyczny ze skalą o zakresie 75mV. Na podłączonym falowniku staramy się zmieniać wartość prądu i zgodnie ze wskazaniami woltomierza kontrolujemy wartość prądu. W takim trybie rezystor może wydawać dźwięk przypominający dzwonienie. To nie powinno niepokoić – świadczy to o pracy ograniczenia przepływu prądu. Prąd powinien się zmieniać proporcjonalnie do wartości. Ustawiamy wartość prądu na 50A. Jeśli woltomierz nie pokazuje 50A, to na wyłączonym falowniku przylutowujemy rezystor R1 o innej wartości. Dobierając rezystor R1 staramy się uzyskać wartość prądu odpowiadającą tej wcześniej zmierzonej.

Sprawdzamy pracę elementów odpowiedzialnych za ograniczenie temperatury. W tym celu przerywamy obwód termostatów. Na wskaźniku wyświetli się komunikat „EroC”. Impulsy na bramkach tranzystorów powinny zniknąć. Ponownie uruchamiamy obwód termostatów. Wskaźnik powinien pokazać ustawioną wartość prądu. Na bramkach rezystorów powinny pojawić się impulsy. Ich długość powinna płynnie zwiększać się do maksymalnej.

Jeśli wszystko działa, próbujemy spawać. Po 2-3 minutach spawania prądem 120-150A, wyłączamy falownik z sieci i szukamy dwóch najbardziej rozgrzanych radiatorów. Montujemy do nich zabezpieczające termostaty. Jeśli jest taka możliwość, termostaty montujemy wewnątrz strefy przepływu powietrza.



Waga urządzenia wraz z przewodami spawalniczymi wynosi 11,5kg.


Link z wsadem do mikrokontrolera w załączniku
Źródło: http://ruslanlipin.narod.ru/svarka_kosoy.html