Электронный регулятор сварочного тока. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Сварочное оборудование

 Комментарии к статье

Автор предлагаемой статьи делится опытом создания электронного регулятора сварочного тока (ЭРСТ) для многопостовой электросварки. Фирмы, специализирующиеся в области сварочного оборудования, выпускают сегодня ЭРСТ нескольких моделей. Но стоимость их такова, что порой ставит под сомнение экономическую эффективность применения этих устройств. Например, ЭРСТ Multi-Weld 350 фирмы Lincoln Electric стоит более 3000 долл. США. Предлагаемый прибор значительно дешевле аналогов, а благодаря близкому к 100 % КПД он даже при односменной работе окупится в течение года только за счет экономии электроэнергии. Предусмотренная в нем возможность подбирать оптимальную для выполняемой работы нагрузочную характеристику обеспечивает наилучшее качество сварочного шва, практически устраняет разбрызгивание металла. При наличии понижающего трансформатора и выпрямителя достаточной мощности ЭРСТ может стать и основой сварочного аппарата для домашней мастерской.

На тех промышленных предприятиях, где электросварка занимает в технологическом цикле одно из главных мест (например, на судостроительных и судоремонтных заводах), традиционно используют многопостовую сварку. Несколько сварочных рабочих мест (постов) питают от одного мощного источника постоянного или переменного тока напряжением 50...80 В. Относительной независимости работы постов достигают тем, что каждый из них подключен к источнику через индивидуальный балластный реостат, служащий для получения необходимой для сварки крутопадающей нагрузочной характеристики и регулирования сварочного тока. Достоинства такой организации сварочных работ - простота, безопасность, экономия производственной площади и оборудования. К сожалению, общий КПД системы не превышает 30...50 %, потому что значительную часть энергии реостаты рассеивают в виде тепла.

Достижения современной электроники позволяют изготовить ЭРСТ - функциональный аналог балластного реостата с улучшенными эксплуатационными характеристиками и КПД, близким к 100 %, Это не только экономит электроэнергию, но и позволяет подключать к одному источнику тока значительно больше сварочных постов, не превышая его нагрузочной способности.

Обычный сварочный трансформатор предназначен только для сварки определенного вида (ручной, полуавтоматической, автоматической, с плавящимся электродом, с неплавящимся электродом). Созданию универсального источника до недавнего времени препятствовало то, что его внешнюю характеристику определяла в основном конструкция трансформатора. Чтобы получить жесткую нагрузочную характеристику, обмотки трансформатора делают цилиндрическими, а падающую - дисковыми. Некоторой гибкости удавалось достичь, применяя магнитные усилители и трансформаторы специальной конструкции (с магнитным шунтом), но за это приходилось платить значительным увеличением массы и габаритов источников. В электронном сварочном источнике нагрузочную характеристику любого требуемого вида формируют не параметрически, а за счет обратной связи по напряжению и току нагрузки.

КПД предлагаемого ЭРСТ - не менее 92 %. Он работает при напряжении первичного источника 50...80 В и позволяет вести непрерывную сварку током 10...315 А. Допускается кратковременное увеличение сварочного тока до 350 А. Предусмотрена оперативная регулировка наклона нагрузочной характеристики от крутопадающей до жесткой. Это делает ЭРСТ пригодным как для ручной, так и для полуавтоматической сварки. Прибор снабжен защитой от неправильной полярности питающего напряжения, его чрезмерного повышения и понижения, от перегрузки по току и от перегрева, что гарантирует надежную работу в производственных условиях.

Работа ЭРСТ основана на преобразовании с помощью полупроводникового прерывателя постоянного входного напряжения в импульсное регулируемой скважности с последующей фильтрацией - выделением постоянной составляющей импульсов. Благодаря тому что полевые транзисторы прерывателя в открытом состоянии имеют очень малое, а в закрытом - очень большое сопротивление, рассеиваемая на них мощность сравнительно невелика.

Схема ЭРСТ изображена на рис. 1. Зажим Х1 соединяют с плюсом первичного источника. Его минус и зажим ХЗ соединяют со свариваемой деталью, играющей роль общего провода. Держатель сварочного электрода подключают к зажиму Х2.

(нажмите для увеличения)

Конденсаторы С1, С2 и C3-С22 устраняют влияние на работу ЭРСТ выходного сопротивления источника и индуктивности соединительных проводов. Сразу после подачи на ЭРСТ напряжения эти конденсаторы начинают заряжаться через ограничительный резистор R2 и находящийся в блоке зарядки и контроля напряжения питания (А2) диод. Когда конденсаторы заряжены полностью и при условии, что напряжение между зажимами Х1 и ХЗ в норме (50...80 В), зажигается светодиод HL1 "Готов", а внутри блока А2 срабатывает реле, замыкая контакты, подающие напряжение в цепь включения ЭРСТ.

Для включения достаточно нажать на кнопку SB1 "Пуск". Сработавший контактор КМ1 зашунтирует кнопку контактами КМ 1.1. Через замкнувшиеся силовые контакты KM1.2 напряжение источника поступит на конденсаторы С1 - С22, минуя зарядную цепь. Благодаря резистору Р1 контактор KM1 останется сработавшим (а ЭРСТ включенным) до нажатия на кнопку SB2 "Стоп". Если входное напряжение выйдет за допустимые пределы в процессе работы ЭРСТ, он будет выключен разомкнувшимися контактами реле блока А2.

Во включенном ЭРСТ заработает блок питания А1. Он служит для получения гальванически развязанных напряжений, необходимых для питания блоков A3 и А4. Кроме того, блок А1 формирует трехфазное напряжение 220 В 50 Гц для вентиляторов М1 и М2, обдувающих теплоотводы мощных полупроводниковых приборов.

Главный функциональный узел ЭРСТ - понижающий преобразователь напряжения - состоит из коммутирующего транзистора (батареи полевых транзисторов VT1- VT20), разрядного диода (VD9-VD48, соединенных параллельно) и сглаживающего фильтра (дросселя L1, батареи конденсаторов С27-C36). Тем, кто желает подробнее разобраться в работе преобразователя, можно порекомендовать воспользоваться литературой [1, 2].

Полевые транзисторы с изолированным затвором обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления открытого канала. Это обстоятельство благоприятствует равномерному распределению токовой нагрузки между транзисторами, позволяя соединять их параллельно. Резисторы R3-Р.22 подавляют паразитные колебания управляющего напряжения.

Для диодов КД213Б, образующих разрядный диод преобразователя, характерно довольно большое время восстановления обратного сопротивления. Иногда к моменту открывания коммутатора они не успевают полностью закрыться. Во избежание нежелательных последствий транзисторы и диоды разделены обмоткой I трансформатора Т1, индуктивность которой (1,7 мкГн) ограничивает скорость нарастания "сквозного" тока, не позволяя ему достичь опасного значения. После полного закрывания разрядного диода энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, возвратится в источник питания - импульс, наведенный в обмотке II трансформатора, подзарядит конденсаторы С1 и С2 через диод VD8. А при резком сбросе нагрузки ЭРСТ батарея диодов VD49-VD54 обеспечит рекуперацию (возврат в источник) энергии, накопленной в магнитном поле дросселя L1.

Блок А4 измеряет выходные ток и напряжение ЭРСТ и генерирует управляющие импульсы, изменяя их скважность таким образом, чтобы обеспечить заданную органами управления "Наклон" и "Уровень" форму нагрузочной характеристики ЭРСТ. Эти импульсы через блок A3, усиливающий их по мощности, поступают на затвор коммутирующего транзистора (VT1-VT20). Кроме того, блок A3 содержит узлы защиты, запрещающие открывание коммутирующего транзистора до окончания цикла рекуперации трансформатора Т1 и в случае перегрева. О нем сигнализирует светодиод HL2.

Конденсаторы С1 и С2 - оксидные K50-18, остальные - пленочные K73-17. Резисторы R1, R2 - ПЭВ-25, R3-R32 - МЛТ указанной на схеме мощности. Резистор R33 - унифицированный внешний шунт 75ШИСВ-500 к амперметру на 500 А. Подойдут и шунты других типов, рассчитанные на указанный ток, с падением напряжения при номинальном токе - 75 мВ. В цепь протекания сварочного тока включают мощные выводы шунта, снабженные болтами большого диаметра. Провода всех других цепей подключают к измерительным выводам с болтами меньшего диаметра.

Транзисторы VT1-VT20 и диоды VD9-VD48 установлены на двух теплоотводах, площадь активной поверхности каждого из которых - 3400 см2. Вентиляторы М1 и М2 - 1,25ЭВ-2,8-6-3270У4 суммарной производительностью 560 м3/ч обдувают теплоотводы. В воздушном потоке, создаваемом вентиляторами, находятся и резисторы R23-R32, рассеивающие значительную мощность.

Контактор KM1 взят из осциллятора LHF-500 фирмы KEMPPI. Его обмотка перемотана на напряжение 50 В (оригинальная рассчитана на 24 В). Можно использовать другой контактор (например, из числа используемых в электрокарах), способный коммутировать постоянный ток не менее 200 А. В крайнем случае подойдет унифицированный электромагнитный пускатель четвертой или пятой величины, все группы силовых контактов которого соединяют параллельно.

Выбрав контактор, необходимо измерить напряжение постоянного тока Uc, при котором он срабатывает. Если оно значительно ниже 50 В или больше этого значения, обмотку контактора придется перемотать. Удаляя имеющуюся обмотку, подсчитывают число ее витков w, и измеряют диаметр провода d. Новые значения вычисляют по формулам:

Трансформатор Т1 намотан на П-образном магнитопроводе из феррита М2000НМ от строчного трансформатора ТВС110АМ (ТВС110ЛА) лампового телевизора серии УНТ47/59. В каждый из стыков магнитопровода вставлены немагнитные прокладки толщиной 3 мм. Первичная обмотка - два витка жгута из 236-ти эмалированных проводов диаметром 0,55 мм. Вторичная обмотка - 16 витков жгута из десяти таких же проводов. Чтобы обеспечить максимальную связь между обмотками, вторичную располагают в объеме первичной. Для предотвращения межвитковых или межобмоточных замыканий жгут проводов вторичной обмотки перед намоткой нужно защитить лентой из лакоткани или фторопластовой пленкой.

Магнитопровод дросселя L1 - Ш32х80 из листовой трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. Обмотка дросселя - восемь витков жгута из 330 эмалированных проводов диаметром 0,55 мм. Магнитопровод собирают встык. В его зазор вставляют немагнитную прокладку толщиной 1,6... 1,7 мм.

БЛОК А1

Структурная схема блока питания ЭРСТ показана на рис. 2. Нестабилизированное входное напряжение через узел защиты поступает на линейный стабилизатор, питающий напряжением 15 В все маломощные узлы блока, и на импульсный стабилизатор, постоянное напряжение 36 В с выхода которого полумостовой инвертор преобразует в переменное частотой приблизительно 12,5 кГц. Упомянутый выше узел защиты отключит блок, если в результате неисправности или сбоя выходное напряжение импульсного стабилизатора превысит допустимое значение."

Питание полумостового инвертора стабилизированным напряжением обеспечивает групповую стабилизацию напряжения на вторичных обмотках трансформатора Т1. Изолированные от общего провода ЭРСТ и друг от друга выпрямители 1 и 2 питают блоки А4 и A3. Трехфазный инвертор преобразует постоянное напряжение 270 В с выхода выпрямителя 3 в переменное трехфазное 220 В, 50 Гц для питания вентиляторов, обдувающих теплоотводы мощных полупроводниковых приборов ЭРСТ.

Прототипом мощной ступени импульсного стабилизатора напряжения послужил узел, примененный в [3]. Его упрощенная схема показана на рис. 3. Управляющие импульсы положительной полярности поступают на базу транзистора VT2. В паузах между ними этот транзистор закрыт и к участку затвор-исток транзистора VT1 через резистор R3 приложено в открывающей полярности напряжение конденсатора С2, заряженного во время предшествующего паузе импульса. Транзистор VT1 открыт, и текущий через его канал и дроссель L1 нарастающий ток заряжает конденсатор ёC3. Накопленная конденсатором С2 энергия частично расходуется на зарядку емкости затвор-исток транзистора VT1. Диод VD1 нужен для предотвращения разрядки конденсатора С2 через транзистор VT1.

Открытый управляющим импульсом транзистор VT2 соединяет с общим проводом затвор транзистора VT1. Последний закрывается, а ток дросселя L1, спадая, продолжает течь через открывшийся диод VD2. Напряжение на истоке транзистора VT1 и на правой (по схеме) обкладке конденсатора С2 в этом состоянии равно прямому падению напряжения на диоде VD2, отрицательному относительно общего провода. По цепи VD1R2 конденсатор С2 заряжается.

Для управления полевыми и биполярными транзисторами однотактных и двухтактных инверторов имеется множество микросхем. Но обычно их выходные сигналы "привязаны" к потенциалу общего провода, что делает проблематичным применение таких микросхем в мостовых и полумостовых инверторах. Дело в том, что управляющие электроды "верхних" транзисторов выходных ступеней подобных инверторов находятся под большим и, как правило, переменным напряжением относительно общего провода.

Микросхемы-драйверы мостовых и полумостовых инверторов [4] из-за большой стоимости пока не получили широкого распространения среди радиолюбителей. Они предпочитают решать эту проблему по-своему, применяя, как правило, оптическую или трансформаторную развязку цепей управления [5, 6].

Однако такая развязка вовсе не обязательна. Возможная схема полумостового инвертора с цепями управления без нее показана на рис. 4. Противофазные импульсные последовательности Uy1 и Uy2 поступают от ШИ-контроллера.

Основной недостаток узла, собранного по этой схеме, состоит в том, что он работоспособен лишь при напряжении питания Uп1, не превышающем максимально допустимого напряжения между затвором и истоком полевого транзистора VT3. Дело в том, что в результате реакции активно-индуктивной или активно-емкостной нагрузки напряжение на истоке транзистора VT3 может отставать по фазе от управляющего на затворе или опережать его, что приводит к появлению кратковременных отрицательных импульсов напряжения затвор-исток, амплитуда которых достигает напряжения питания Uп1.

На рис. 5 показаны дополнительные элементы, исправляющие отмеченный недостаток. Диод VD2, открываясь при отрицательной полярности напряжения между затвором и истоком транзистора VT3, ограничивает его на очень низком, равном прямому падению напряжения на открытом диоде уровне. Избыток напряжения гасит резистор R8.

Конденсатор С1 в данном случае заряжается через диод VD1 непосредственно от источника питания. Резистор R4 (см. рис. 4), бесполезно рассеивавший довольно значительную мощность, из нового варианта узла исключен.

Литература

1. Найвельт Г. и др. Источники электропитания РЭА. Справочник. - М.: Радио и связь, 1986, с. 306-328.
2. Семенов Б. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон-Р, 2001, с 126-140.
3. Граф Р. Электронные схемы. 1300 примеров. - М.: Мир, 1989, с. 424.
4. International Rectifier's Shortform Catalog, 50th Anniversary Edition. March 1997, p. 136-139.
5. Дубровский А. Регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. - Радио, 2001, № 4, с 42, 43.
6. Полей И. Преобразователь для питания бытовой аппаратуры. - Радио, 2003, № 1, с. 29-32.

Автор: В.Володин, г.Одесса, Украина

Смотрите другие статьи раздела Сварочное оборудование.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Рыжий ген и ускоренная эволюция 30.04.2026

Вопрос о том, как и насколько быстро меняется человеческий вид, давно занимает биологов и генетиков. Долгое время считалось, что эволюционные процессы происходят крайне медленно, однако новые данные заставляют пересматривать эти представления. Особенно интересные результаты связаны с изменением частоты редких генетических признаков, включая рыжий цвет волос. Рыжеволосость сегодня остается редкой чертой: ее носители составляют менее 2 процентов мирового населения. Однако анализ древней и современной ДНК показывает, что ген, связанный с этим признаком, за последние примерно 10 тысяч лет стал заметно более распространенным, особенно среди популяций Европы. Более того, вместе с ним исследователи фиксируют и другие изменения в генетическом профиле человека, затрагивающие внешность и физиологические особенности. Среди сопутствующих тенденций, выявленных в генетических данных, отмечается увеличение частоты светлой кожи, снижение вероятности мужского облысения, а также некоторые физиолог ...>>

Нейтринный лазер 30.04.2026

Нейтринный лазер - это гипотетическое устройство, способное управлять потоками одних из самых трудноуловимых частиц во Вселенной. Такая разработка открывает новые горизонты в изучении фундаментальных законов природы и может изменить представления о космосе. Идею нового типа излучателя представили физики из Massachusetts Institute of Technology, предложив лазер, который вместо света генерирует поток нейтрино. Эти частицы, почти не взаимодействующие с материей, настолько слабо проявляют себя, что их часто называют "частицами-призраками". Тем не менее они пронизывают все вокруг: по оценкам, триллионы нейтрино ежесекундно проходят через человеческое тело, не оставляя следа. Несмотря на их колоссальную распространенность во Вселенной, нейтрино остаются одними из наименее изученных частиц. Их крайне сложно регистрировать, а еще сложнее контролировать, поэтому традиционно их получают в крупных установках вроде ядерных реакторов или ускорителей частиц. Такие комплексы требуют огромных за ...>>

Мороженое не такое вредное, как принято считать 29.04.2026

В питании часто встречаются продукты, которые одновременно вызывают удовольствие и сомнения с точки зрения здоровья. К таким относится и мороженое: оно воспринимается как типичный десерт с высоким содержанием сахара и жиров, однако современные научные данные постепенно усложняют это привычное представление. Долгое время считалось, что мороженое не может быть частью рационального питания, однако исследования последних лет показывают более неоднозначную картину. Ученые подчеркивают, что влияние этого продукта на организм зависит не только от его сладости или калорийности, но и от состава, качества ингредиентов и общего образа жизни человека. Одни из наиболее масштабных данных были получены в рамках долгосрочных наблюдений в США, включавших проекты Nurses Health Study, Nurses Health Study II и Health Professionals Follow-Up Study. В этих исследованиях на протяжении 20-40 лет наблюдали примерно 190 тысяч взрослых участников, регулярно собирая данные об их питании, физической активнос ...>>

Случайная новость из Архива Одноразовая посуда GaeaStar разложится на пыль 10.01.2024 Компания GaeaStar из Сан-Франциско и Берлина представляет свою инновационную глиняную посуду, ставшую экологической альтернативой одноразовому пластику. Основанные на принципах геонейтральности, эти тонкие и прочные контейнеры расцветают в сфере пищевой промышленности, предоставляя удобство и эффективность. Глина, вода и соль - всего три компонента составляют эту уникальную посуду, созданную с использованием передовой 3D-печати. Идея геонейтральности заключается в том, что она не только безвредна для окружающей среды, но и разлагается до состояния пыли после использования, минимизируя след человека на планете. Санджив Манкотия, основатель GaeaStar, вдохновился древней индийской культурой, где биоразлагаемые чаши были обычным элементом. Он видит свою глиняную посуду как уникальное сочетание экологичности и одноразового удобства. Процесс производства стал инновационным, с первой микрофабрикой в Берлине, которая была запущена в 2022 году, и строительством новой фабрики в США благодаря финансированию в размере $6,5 млн. Экологическая осознанность и практичность объединяются в этой глиняной посуде, создавая путь к более устойчивому будущему. Предстоящие тысячи и миллионы чашек GaeaStar обещают стать знаковым шагом в направлении бережного отношения к природе.

Другие интересные новости:

▪ Нейроны оценивают выгоду от привычки

▪ Эффективный солнечный элемент из обычного кремния

▪ Холодильник Sharp JH-DT55B

▪ Очистка воды от маслянистых примесей

▪ Моторный вагон электропоезда Alstom Multilevel III

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД). Подборка статей

▪ статья Особенности поведения в авиационном транспорте. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Какая река самая полноводная? Подробный ответ

▪ статья Применение локальных нормативных актов, содержащих нормы трудового права

▪ статья Электрические характеристики проводов и кабелей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Комбинированный регулятор мощности на микросхеме К145АП2. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026