Каталог радиолюбительских схем

СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ

А.ПЕТРОВ

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Максимальный сварочный (зарядный) ток:
— при двух ключах регулятора, А ……………………. 40 (30);
— при трех ключах, А …………………………………. 60 (40);
Напряжение холостого хода, В ………………………... 36
Минимальный ток заряда, А …………………………… 1
Коэффициент полезного действия, не менее …………. 0,8

Какой домашний мастер, а тем более автолюбитель, не мечтает иметь в своем распоряжении малогабаритный сварочный аппарат постоянного тока да еще с функцией заряда аккумуляторных батарей. Рассмотрим основные требования к аппаратам подобного рода.

Источник напряжения сварочного аппарата должен обладать хорошими динамическими характеристиками. Рабочее напряжение на дуге должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги, обеспечивая ее устойчивое горение. Для постоянного тока достаточно напряжение зажигания 30 — 40 В, в то время как для переменного необходимо напряжение 40 — 60 В.

Время восстановления рабочего напряжения при коротком замыкании от 0 до 30 В не должно превышать 50 мс. Ток К.З. (короткого замыкания) не должен превышать рабочий более, чем на 25 — 100%.

При ручной дуговой сварке внешняя характеристика рис.1, источника тока должна быть падающей, т.е. напряжение должно уменьшаться с увеличением тока.

При крутой динамической характеристике источника питания динамические токи КЗ значительно меньше (они близки к статическим токам КЗ) и при удлинившейся дуге образуется стабильная рабочая точка. Вышеперечисленным требованиям в полной мере соответствует источник напряжения, выполненный по схеме генератора тока. Свойства такой конструкции в полной мере подходят и для зарядного устройства. Исходя из вышеизложенного и разработан сварочный аппарат, схема которого представлена на рис.2.

С целью уменьшения нагрузки на диоды моста сетевого выпрямителя при включении сети применено устройство заряда конденсатора, разработанное Б. Журавлевым и С. Эраносяном [1].

Отличительная особенность устройства состоит в том, что формирователь импульса запуска тиристора обеспечивает его срабатывание при минимальном напряжении на переходе анод-катод, т.е. синхронно с переходом сетевого напряжения через нуль.

Схема работает следующим образом. До запуска преобразователя напряжение на конденсаторе С 13 отсутствует, тиристор закрыт и заряд конденсатора фильтра С6 происходит через ограничительный резистор R6. Как только конденсатор С6 зарядится до напряжения запуска преобразователя, появиться напряжение на С 13 и первым же синхроимпульсом с VD6 через дифференциальную цепочку С9, R7 запустится одновибратор на транзисторах VT2, VT3. При этом на управляющий электрод VS1 поступит открывающее его напряжение с конденсатора С13 через элементы R19, VT3. Бросок тока зарядки конденсатора фильтра не превышает 15 А.

Элементы L2, VD5, С8, R4 служат для ограничения броска тока через силовые транзисторы преобразователя в моменты зажигания дуги. Величину резистора R4 рассчитывают из соотношения:

R4 = Un/0,8*Imax - Iн' = 300/0,8 х 24 - 5 = 22 Ом где Imax — максимальный допустимый импульсный ток коллектора силового транзистора;

Iн' — приведенный к входному напряжению Uн ток нагрузки преобразователя. Ток, потребляемый преобразователем, рассчитывают по формуле:

Iн' = Pн/Uпn = UнIн/Uпn = 20x60x/300x0,8 = 0,5A, где Рн — выходная мощность аппарата, n — КПД; Uн=20В напр. на дуге. Мощность, выделяющаяся на резисторе R4, определяется выражением:

PR4=IcR4j - где Ic=Iн — ток разряда конденсатора С8 [ 1 ];

y— коэффициент заполнения импульсов.

Преобразователь аппарата выполнен по полумостовой схеме с самовозбуждением и коммутирующим насыщающимся трансформатором. Пропорционально-токовое управление способствует повышению КПД устройства за счет повышения быстродействия коммутационных процессов.

За основу устройства в целом взята идея, заимствованная в [2]. Отличительная особенность заключается в том, что включение и выключение силовьк высоковольтных транзисторов преобразователя осуществляется в режиме разомкнутых ключей Kl, K2, (КЗ) регулятора, т.е. на холостом ходу во всем диапазоне нагрузок, что значительно повышает надежность устройства за счет исключения сквозных токов, повышает КПД и уменьшает импульсные помехи.

Регулировка тока нагрузки осуществляется длительностью импульсов с помощью схемы управления (СУ), выполненной на DD1, DD2. При этом силовые транзисторы регулятора используются в режиме насыщения с минимальными потерями мощности. На элементах DD1.1, R18, VD10, VD12 выполнен формирователь меандра, синхронного с частотой преобразования. Далее по фронту и по спаду сигнала с помощью дифцепочек СЗ, R2, С4, R8 и DD2.2 формируются короткие, около 2 мкс, отрицательные импульсы.

За работу схемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) отвечает одновибратор, выполненный на элементах DD1.2, DD1.3, длительность импульсов которого зависит от состояния транзистора VT1. Управляющее напряжение на базу этого транзистора поступает от преобразователя ток-напряжение (ПТН), выполненного на операционном усилителе DA1 и шунте R38 (75ШСМЗ-50-0,5; падение напряжения 75 мВ при токе нагрузки 50А).

Минимальный ток зависит от чувствительности ПТН и настраивается с помощью резистора R36.

Максимальный ток ограничивают подбором резистора R13.

Устройство пригодно для зарядки любых аккумуляторов напряжением от 6 до 24 В, так как является генератором тока.

Напряжения в характерных точках показаны на рис.3. Работа ключей регулятора описана в [3] и особенностей не имеет.

Для удобства пользования в устройстве предусмотрено два поддиапазона регулировки тока.

Катушка трансформатора Т1 выполнена бескаркасной. Обмотка I отделена от остальных тремя слоями лакоткани. Обмотку II мотают в два провода, как показано на рис.4. Таким образом, получают четыре обомотки, после чего их "вызванивают" и принадлежащие к одной полуобмотке соединяют параллельно. Отвод получают соединением конца одной полуобмотки с началом другой.

Действующее (эффективное) значение тока вторичной обмотки со средней точкой

Принимаем плотность тока J-6A/мм2

Тогда сечение провода S=Iэ/j=43/6=7мм2

С целью уменьшения эффекта вытеснения тока, а также получения достаточной гибкости разбиваем проводник на 16 проводов.

S=S/16-17/6=0,43мм2,

откуда диаметр провода Д-0,74 мм (принимаем Д-0,8 мм). Моточные данные трансформаторов сведены в табл.1.

Трансформатор Т1 и диоды VD16 — VD20 закреплены на общем теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности около 1000см.кв , служащем задней стенкой аппарата.

Транзисторы VT4 — VT7 закреплены на отдельных ребристых радиаторах с площадьюохлаждающей поверхности около 200 см. Причем коллекторы и базы спаренных транзисторов объединены, а в эмиттерах включены токовыравнивающие резисторы по 0,1 Ом типа С5-16МВ мощностью 2 Вт.

Ключи К1, К2 регулятора выполнены в виде отдельных модулей и могут наращиваться до трех. Транзистор VT11 снабжен радиатором с площадью охлаждающей поверхности около 150см кв. Транзистор VT9 закрепляют на том же радиаторе через слюдяную прокладку или на небольшом отдельном радиаторе.

При использовании аппарата с током нагрузки до 40 А дроссель L2 можно заменить на Д59. Конденсатор С6 типа К50-35-350В-330мкФ можно заменить на два конденсатора типа К50-27-350В-220мкФ. В качестве конденсаторов С 11, С 12 применены конденсаторы типа К73-16-250В-3,3 мкф. Конденсатор С8 — типа К50-29-350В-22мкФ, конденсатор С23 — типа К50-29-63В-1000мкф, остальные — типа К50-35 и К73-17. Резистор R4 — типа С5-35В мощностью 15 Вт. Дроссели типа Д13 по АГО.475.007ТУ, типа Д69 (Д59) по 0Ю0.475.000ТУ. Микросхему ДА1 типа К140УД7 можно заменить на К140УД6. При правильной фазировке трансформаторов преобразователь запускается сразу и, как правило, в налаживании не нуждается.

Регулятор тока налаживают следующим образом. Установите 2 в положение 1 — 10 А, движок резистора R36 — в среднее положение, R16 — в крайнее правое. С помощью подстроечного резистора R36 установите ток короткого замыкания 1А по амперметру в качестве нагрузки. (При измерении сначала замыкают выходные клеммы, затем к ним подключают амперметр. Для измерений клеммы размыкают. Переключение диапазонов измерений также производить при закороченных клеммах). Встроенный прибор калибруют с помощью подстроечного резистора R41. Затем переведите резистор R16 в крайнее левое по схеме положение. Подбором резистора R13 добейтесь тока короткого замыкания около 10А.

При желании, в устройство можно ввести функцию запуска двигателя. Для этого достаточно сделать пороговое устройство, которое бы переключало аппарат при просадке напряжения в нагрузке (на аккумуляторе) ниже 10 В с тока заряда около 5А в режим отдачи максимального тока и обратно.

Литература:

1. С.А.Эраносян. Сетевые блоки питания с высокочастотным преобразованием. —Л.:Энергоатомиздат, 1991.
2. А. С. 1317420 СССР, МКИ 05 1/569 Источник питания с бестрансформаторным входом. В.Г.Простаков. Открытия, изобретения. 1987.N22.
3. А.Петров. Эффективный импульсный стабилизатор напряжения. Радиолюбитель. N1, 1993, с. 29

Радиолюбитель №5, 1993