Инверторныйисточник сварочного тока COLT 1300
ИсточникиCOLT 1300, COLT и PUMA 150 предназначены для ручной сварки металлов (технологияММА) и имеют похожие схемы и компоновку. Поэтому достаточно рассмотреть один изних — COLT 1300, чтобы получить достаточное представление об устройстве других.
Всетри источника рассчитаны на работу от однофазной сети переменного токанапряжением 230 В ±10 % и частотой 50...60 Гц. Они имеют одинаковые габариты —110x200x300 мм, но различаются мощностью и массой. Более мощные источники COLT1300 и PUMA 150 массой 3,8 кг потребляют от сети мощность до 3,8 кВт ипозволяют производить сварку электродами диаметром 1,6...3,25 мм. При этом PUMA150 обеспечивает максимальный сварочный ток 130 А при относительнойпродолжительности включения (ПВ) 25 %, a COLT 1300 — 125 А при ПВ 15 %.Параметр ПВ показывает, какую часть времени рабочего (обычно десятиминутного)цикла сварку с помощью данного источника можно вести непрерывно, после чего дляего охлаждения необходим перерыв.
Менеемощный источник COLT имеет массу 2,9 кг, потребляет от сети мощность до 2,1 кВти позволяет производить сварку электродами диаметром 2,5 мм. COLT обеспечивает максимальный сварочный ток 75А при ПВ 30%
Силовая часть
Нарис.1 изображена схема силовой части инверторного источника сварочного токаCOLT 1300. Он подключается к сети переменного тока гибким шнуром стрехконтактной вилкой ХР1. Переменное сетевое напряжение через замкнутыйвыключатель SA1, фильтры помех L1C2C3, L2C1 и зарядный резистор R1 поступает навыпрямитель — диодный мост VD1 со сглаживающими конденсаторами С4 и С5.
Фильтрыобеспечивают подавление как синфазной, так и противофазной помехи. Для ихэффективной работы требуется заземление металлического корпуса источника черезконтакт РЕ вилки ХР1. Варистор RU1 защищает от кратковременных выбросовнапряжения в сети.
Привключении источника начальная зарядка конденсаторов С4 и С5 производится черезспециально предусмотренный резистор R1, что исключает перегрузку сети и диодовмоста VD1 их зарядным током. По истечении времени, достаточного для зарядкиконденсаторов, резистор R1 шунтирует контакты реле К1.1. Для определениямомента окончания зарядки служит пороговое устройство на микросхеме DA1 —параллельном стабилизаторе напряжения (по прямому назначению). Ток в цепи катод—анодэтой микросхемы начнет течь, когда конденсаторы С4 и С5 зарядятся до такойстепени, что напряжение на управляющем входе микросхемы (оно поступает с резистивногоделителя R3—R5) превысит внутреннее пороговое напряжение микросхемы (2,5 В).Начиная с этого момента, цепь питания обмотки реле К1 будет замкнута.
Напряжениенизкого уровня на катодном выводе микросхемы DA1 служит и сигналом готовностидля блока управления (БУ). Получив этот сигнал, БУ начинает формироватьимпульсы частотой приблизительно 57 кГц, которые через трансформатор Т1поступают на входы двух драйверов, управляющих транзисторами инвертора.Драйверы собраны по одинаковым схемам, поэтому рассмотрим работу только одногоиз них — верхнего по схеме.
Приоткрывании транзистора VT3 в БУ в обмотке II трансформатора Т1 индуцируетсянапряжение, полярность которого — открывающая для IGBT VT4, VT6 (плюс назатворе, минус на эмиттере). Через открытые диоды VD13 и VD15 и«антипаразитные» резисторы R28, R29 оно поступает на затворы IGBT. РезисторыR23 и R26 подавляют колебания в контуре, образованном индуктивностью и емкостьюобмотки трансформатора. Стабилитроны VD17 и VD18 ограничивают напряжениезатвор—эмиттер IGBT на безопасном уровне. Транзистор VT2 закрыт, поскольку егоучасток база—эмиттер зашунтирован открытым диодом VD15.
Призакрывании в БУ транзистора VT3 полярность напряжения на обмотке IIтрансформатора Т1 изменяется на противоположную. Диоды VD13 и VD15 закрываются,а к участку база—эмиттер транзистора VT2 прикладывается через резистор R23 воткрывающей этот транзистор полярности напряжение, до которого зарядилась напредыдущем этапе емкость затвор—эмиттер IGBT. Через открывшийся транзистор VT2она быстро разряжается, IGBT закрываются.
Инверторв COLT 1300 выполнен по распространенной в простых инверторных источникахсварочного тока схеме прямоходового одноактного полумостового преобразователя(«косого моста»). Каждый ключ инвертора состоит из двух соединенныхпараллельно IGBT VTA, VT6 и VT5, VT7. Рассмотренный в [1] сварочный источникRytmArc построен по аналогичной схеме.
ОбмоткиII и III трансформатора Т1 сфазированы таким образом, что оба ключа инвертора(все четыре IGBT) открываются одновременно. При этом энергия источника питаниячерез трансформатор ТЗ поступает в сварочную цепь, магнитопровод этоготрансформатора намагничивается. По закрывании IGBT энергия, накопленная в индуктивностирассеяния и магнитопроводе трансформатора ТЗ, возвращается в первичныйисточник, через диоды VD24 и VD25 происходит зарядка конденсаторов С4 и С5.Блокировочный конденсатор С19, установленный в непосредственной близости к IGBTи диодам инвертора, устраняет влияние на его работу индуктивности проводов,соединяющих инвертор с источником питания. Для контроля выходного токаинверторного источника служит трансформатор тока Т2, первичная обмотка которого— пропущенный через отверстие его кольцевого магнитопровода провод, идущий ктрансформатору ТЗ. В интервале прямого хода инвертора ток вторичной обмоткитрансформатора Т2 протекает через диод VD9 и резисторы R13, R15—R17, а такжечерез резисторы R4, R7 в БУ С помощью подстроечного резистора R15 регулируютобщее сопротивление нагрузки трансформатора тока. Пропорциональное сварочномутоку падение напряжения на этом сопротивлении используется в БУ дляформирования падающей нагрузочной характеристики источника, необходимой длясварки по технологии ММА, а также для защиты инвертора от перегрузки по току.
Вцикле обратного хода напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока меняетполярность. Диод VD9 закрывается. VD10 открывается и ток, размагничивающиймагнитопровод этого трансформатора, течет через стабилитрон VD8. Его напряжениестабилизации выбрано таким, что полное размагничивание магнитопровода за времяобратного хода инвертора гарантировано.
Импульсноенапряжение с обмотки III трансформатора ТЗ поступает в сварочную цепь черезоднополупериодный выпрямитель — диодную сборку VD21. Цепь R25C18 подавляетпаразитные высокочастотные колебания. Дроссель L5 сглаживает выпрямленный ток.В паузах между импульсами сварочный ток течет через диодные сборки VD22 и VD23.Резистор R32 — минимальная нагрузка, необходимая инвертору в режиме холостогохода. Конденсаторы С22 и С23 образуют с дросселем L5 фильтр, подавляющийвысокочастотные помехи, проникающие на выход сварочного источника. Ток сваркиустанавливают переменным резистором R14. Терморезистор RK1 с отрицательнымтемпературным коэффициентом сопротивления закреплен на теплоотводе IGBTVT4—VT7.
Дополнительнаяобмотка II трансформатора ТЗ и выпрямители на диодах VD11 и VD12 формируютсигналы, необходимые для реализации функций Anti-Stick (защита от залипаниясварочного электрода) и Arc Force (форсирование дуги). Первая из них уменьшаетвыходной ток источника при замыкании электрода со свариваемой деталью, длящемсяболее 0,8 с. Вторая функция в определенных условиях увеличивает на некотороевремя сварочный ток относительно заданного значения, что повышает стабильностьгорения дуги.
Постоянноестабилизированное напряжение +16 В для питания БУ формируется из выпрямленногосетевого напряжения с помощью понижающего преобразователя на специализированномконтроллере VIPer50 (DA2). Ранее на страницах журнала «Радио» [2]было подробно описано устройство на аналоге VIPer50 — контроллере VIPerlOO,рассчитанном на вдвое больший ток нагрузки.
КонтроллерDA2 устроен таким образом, что автоматически поддерживает между выводами SRC иVDD напряжение 13 В. Для того чтобы увеличить выходное напряжениепреобразователя до 16 В, в цепь стабилизирующей обратной связи добавленстабилитрон VD6 на 2,7 В. Фильтр L3L4C11C12 — сглаживающий. Через диод VD3замыкается выходной ток в паузах между формируемыми контроллером импульсами.Узел на транзисторе VT1 необходим для ограничения до 1А тока истока мощногополевого транзистора, встроенного в контроллер DA2.
СтабилитронVD4 защищает от опасного превышения напряжения питания контроллер DA2, астабилитрон VD7 — БУ. Вентилятор М1 служит для обдува тепловыделяющих элементовсварочного источника. Он работает непрерывно. Резисторы R10 и R11 гасят избытокнапряжения, питающего вентилятор.
Данныенамоточных узлов источника:
ДроссельL1 — 4 витка сдвоенного сетевого провода на ферритовом магнитопроводетипоразмера К32х 18x12.
ДроссельL2 — две обмотки по 8 витков медного провода диаметром 2 мм в эмалевой изоляции на ферритовом магнитопроводе того же типоразмера.
ДросселиL3, L4 — унифицированные на ток 1 А.
ДроссельL5 — 27 витков медного провода диаметром 4 мм в эмалевой изоляции, намотанных в два слоя без каркаса. Эскиз конструкции этого дросселя изображен на рис. 2.
ТрансформаторыТ1 и Т2 — соответственно TI-116626 и ТА314200 (1:200) итальянской фирмы UTKcomponent. Самостоятельно намотать трансформатор Т1 можно на кольце К20хЮх5 изферрита 2000НМ1. Обмотка 1 — 50 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,2 мм. Обмотки II и III должны быть надежно изолированы, например, лакотканью и содержать по 40витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,16 мм. Межобмоточную изоляцию желательнопроверить мегаомметром с испытательным напряжением 1000 В. Магнитопроводомтрансформатора тока Т2 может служить такое же кольцо. Его вторичная обмотка —200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм.
/>
Рис.1
/>
ТрансформаторТЗ имеет магнитопровод Е55/28/25 из феррита N97 [3]. Обмотка 1 — 16 витковпровода диаметром 2 мм. Обмотка II — пять витков в два провода диаметром 2,5 мм. Обмотка III — один виток провода диаметром 1 мм. Необычно в этом трансформаторе то, что,несмотря на высокую рабочую частоту, его обмотки намотаны одиночными меднымипроводами большого сечения. Данное решение имеет, видимо, определенныеоснования. Во-первых, трансформатор получается более технологичным, аво-вторых, обмотки из литцендрата имеют худший коэффициент заполнения окна магнитопровода,что не дает возможности существенно уменьшить габариты трансформатора.Плотность тока в обмотках трансформатора ТЗ достигает 14...15 А/мм2, из-за чегоПВ источника COLT 1300 и не превышает 15 %.
Сварочныйисточник имеет единственный подстроечный элемент — резистор R15, с помощьюкоторого устанавливают максимальный ток сварки, соответствующий крайнемуправому (по схеме) положению движка переменного резистора R14.
/>
Блок управления
СхемаБУ источника COLT1300 изображена на рис. 3. Он построен на ШИ контроллереSG3525A [4], назначение выводов которого приведено в таблице.
Навыводы 6 и 5 БУ (вход пикового детектора на транзисторе VT1) поступаетнапряжение, пропорциональное выходному току сварочного источника. Постояннаявремени цепи R10C3 значительно больше периода повторения импульсов тока, чтогарантирует относительную неизменность напряжения на выходе детектора в течениепериода повторения импульсов инвертора. Это напряжение поступает на ОУ DA1.3,где происходит его сравнение с напряжением, снимаемым с движка переменногорезистора R14 (см. рис. 1), поступающим на вывод 16 БУ. Через корректирующуюцепь R17R22C11 напряжение с выхода усилителя поступает на вход IN+ контроллераDA2. Коэффициент передачи встроенного в контроллер усилителя сигналарассогласования установлен равным единице за счет обратной связи с выхода СМРна вход IN-, к которому подключена корректирующая цепь R19C9C10.
Частотаимпульсов внутреннего тактового генератора контроллера задана элементами R23,R21, С8. От номинала резистора R23 зависит длительность зарядки конденсатора С8(8 мкс), а от номинала резистора В21 — длительность его разрядки (0,8 мкс).Импульсы на выходе 01)ТА контроллера следуют с частотой приблизительно 57 кГц(вдвое реже тактовых), а их коэффициент заполнения не может превышать 50 %, чтонеобходимо для правильной работы однотактного инвертора.
Поцепи П27Р28 эти импульсы поступают на затвор \/ТЗ — выходного транзистора БУ.Его стоковой нагрузкой служит обмотка I трансформатора Т1 (см. рис. 1). ДиодыVD7—VD9 обеспечивают размагничивание магнитопровода этого трансформатора впаузах между импульсами.
Вслучае превышения максимального сварочного тока напряжение с вывода 6 БУ черездиод VD4 и открывшийся стабилитрон VD5 поступит на вход выключения контроллера(SDN). В результате выход контроллера немедленно перейдет в отключенноесостояние, транзистор VT3, а с ним и IGBT инвертора закроются. Неоднократное занебольшой промежуток времени срабатывание токовой защиты приводит к разрядкеконденсатора «мягкого старта» С13 и довольно продолжительной паузе вработе контроллера, за которой последует «мягкий старт».
Свывода 20 БУ напряжение, пропорциональное выходному напряжению сварочного источника,поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1.1, на инвертирующий вход которогоподано образцовое напряжение 2,55 В (половина формируемого внутреннимстабилизатором контроллера DA2 на его выводе VRF напряжения 5,1 В). Поканагрузка источника — электрическая дуга, падение напряжения на которойпревышает 20 В, напряжение на выводе 20 БУ больше образцового и высокий уровеньна выходе ОУ DA1.1 удерживает диод VD2 закрытым. Залипание электрода приводит куменьшению напряжения в сварочной цепи, а приблизительно через 0,8 с,необходимых для разрядки конденсатора С16 (см. рис. 1), снижается напряжение ина входе ОУ DA1.1. Высокий уровень на его выходе сменяется низким, и диод VD2открывается. Это уменьшает задающее сварочный ток напряжение на неинвертирующемвходе ОУ DA1.3 по сравнению с заданным переменным резистором R14 (см. рис. 1).В результате ток в сварочной цепи снижается до минимума, что и необходимо дляреализации функции Anti-Stick.
Напряжениена выводе 18 БУ значительно быстрее, чем на выводе 20, следует за выходнымнапряжением сварочного источника благодаря значительно меньшей постояннойвремени цепи R22C17(cm. рис. 1) по сравнению с цепью R21С16 (там же). УсиленнаяОУ DA1.2 разность напряжения на выводе 18 БУ и образцового (2,55 В) поступаетна дифференцирующую цепь C4R12. При резком уменьшении напряжения в сварочнойцепи эта цепь формирует положительный импульс, поступающий через диод VD3 нанеинвертирующий вход ОУ DA1.3 и кратковременно увеличивающий сварочный ток -такреализуется функция Arc Force.