Нагрузка для сварочного инвертора своими руками

Ремонт и доработки сварочных инверторов своими руками

Характеристики большинства бюджетных инверторов нельзя назвать выдающимися, в то же время мало кто откажется от удовольствия использовать оборудование со значительным запасом надёжности. Между тем существует немало способов усовершенствовать недорогой сварочный инвертор.

Типовая схема и принцип работы инвертора

Чем дороже сварочный инвертор, тем больше в его схеме вспомогательных узлов, задействованных в реализации специальных функций. А вот сама схема силового преобразователя остаётся практически неизменной даже у дорогостоящего оборудования. Этапы превращения сетевого электрического тока в сварочный достаточно легко проследить — на каждом из основных узлов схемы происходит определённая часть общего процесса.

С сетевого кабеля через защитный выключатель напряжение подаётся на выпрямительный диодный мост, сопряжённый с фильтрами высокой ёмкости. На схеме этот участок легко заметить, здесь расположены внушительные по размеру «банки» электролитических конденсаторов. У выпрямителя задача одна — «развернуть» отрицательную часть синусоиды симметрично вверх, конденсаторы же сглаживают пульсации, приводя направление тока практически к чистой «постоянке».

Схема работы сварочного инвертора

Далее по схеме находится непосредственно инвертор.

С понижающего трансформатора напряжение снимает выходной выпрямитель, ведь мы хотим сварку именно на постоянном токе. Благодаря выходному фильтру природа тока меняется с высокочастотного пульсирующего до практически прямой линии. Естественно, в рассмотренной цепи преобразований есть множество промежуточных звеньев: датчиков, управляющих и контрольных цепей, но их рассмотрение выходит далеко за рамки любительской радиоэлектроники.

Конструкция сварочного инвертора: 1 — конденсаторы фильтра; 2 — выпрямитель (диодная сборка); 3 — IGBT-транзисторы; 4 — вентилятор; 5 — понижающий трансформатор; 6 — плата управления; 7 — радиаторы; 8 — дроссель

Узлы, пригодные к модернизации

Важнейший параметр любого сварочного аппарата — вольт-амперная характеристика (ВАХ), за счёт неё и обеспечивается стабильное горение дуги при разной её длине. Правильная ВАХ создаётся микропроцессорным управлением: маленький «мозг» инвертора на ходу меняет режим работы силовых ключей и мгновенно подстраивает параметры сварочного тока. К сожалению, каким либо образом перепрограммировать бюджетный инвертор нельзя — управляющие микросхемы в нём аналоговые, а замена на цифровую электронику требует незаурядных знаний схемотехники.

Однако «умений» управляющей схемы вполне достаточно, чтобы нивелировать «криворукость» начинающего сварщика, ещё не научившегося стабильно удерживать дугу. Гораздо правильнее сосредоточиться на устранении некоторых «детских» болезней, первая из которых — сильный перегрев электронных компонентов, ведущий к деградации и разрушению силовых ключей.

Вторая проблема — использование радиоэлементов сомнительной надёжности. Устранение этого недостатка сильно снижает вероятность возникновения поломок через 2–3 года эксплуатации аппарата. Наконец, даже начинающему радиотехнику будет вполне по силам реализовать индикацию фактического сварочного тока для возможности работы со специальными марками электродов, а также провести ряд других мелких доработок.

Улучшение теплоотвода

Первый недостаток, которым грешит подавляющее большинство недорогих инверторных аппаратов — плохая схема отвода тепла с силовых ключей и выпрямительных диодов. Начинать доработку в этом направлении лучше с увеличения интенсивности принудительного обдува. Как правило, в сварочных аппаратах устанавливают корпусные вентиляторы с питанием от служебных цепей напряжением 12 В. В «компактных» моделях принудительное воздушное охлаждение может вовсе отсутствовать, что для электротехники такого класса, безусловно, нонсенс.

Достаточно просто увеличить воздушный поток путём установки нескольких таких вентиляторов последовательно. Проблема в том, что «родной» кулер скорее всего придётся снять. Чтобы эффективно работать в последовательной сборке, вентиляторы должны иметь идентичную форму и число лопастей, а также скорость вращения. Собрать одинаковые кулеры в «стопку» крайне просто, достаточно стянуть их парой длинных болтов по диаметрально противоположным угловым отверстиям. Также не стоит беспокоиться о мощности источника служебного питания, как правило её достаточно для установки 3–4 вентиляторов.

Если внутри корпуса инвертора недостаточно места для установки вентиляторов, можно приладить снаружи один высокопроизводительный «канальник». Его установка проще по той причине, что не требуется подключение к внутренним цепям, питание снимается с клемм кнопки включения. Вентилятор, разумеется, должен устанавливаться напротив вентиляционных жалюзеек, часть которых можно вырезать, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление. Оптимальное направление потока воздуха — на вытяжку из корпуса.

Второй способ улучшить теплоотвод — замена штатных алюминиевых радиаторов на более производительные. Новый радиатор нужно выбирать с наибольшим количеством как можно более тонких рёбер, то есть с наибольшей площадью контакта с воздухом. Оптимально в этих целях использовать радиаторы охлаждения компьютерных ЦП. Процесс замены радиаторов довольно прост, достаточно соблюдать несколько простых правил:

1. Если штатный радиатор изолирован от фланцев радиоэлементов слюдой или резиновыми прокладками, их нужно сохранить при замене.
2. Для улучшения теплового контакта нужно использовать кремнийорганическую термопасту.
3. Если радиатор нужно подрезать, чтобы он поместился в корпус, обрезанные рёбра нужно тщательно обработать надфилем, чтобы снять все заусенцы, иначе на них будет обильно оседать пыль.
4. Радиатор должен быть плотно прижат к микросхемам, поэтому предварительно на нём нужно разметить и просверлить крепёжные отверстия, возможно, потребуется нарезать резьбу в теле алюминиевой подошвы.

Дополнительно отметим, что нет смысла менять штучные радиаторы отдельно стоящих ключей, замене подвергаются только теплоотводы интегральных схем или нескольких высокомощных транзисторов, установленных в ряд.

Индикация сварочного тока

Даже если на инверторе установлен цифровой индикатор установки тока, он показывает не реальное его значение, а некую служебную величину, масштабированную для наглядного отображения. Отклонение от фактической величины тока может составлять до 10%, что неприемлемо при использовании специальных марок электродов и работе с тонкими деталями. Получить реальное значение сварочного тока можно путём установки амперметра.

В пределах 1 тысячи рублей обойдётся цифровой амперметр типа SM3D, его даже можно аккуратно встроить в корпус инвертора. Основная проблема в том, что для измерения столь высоких токов требуется подключение через шунт. Его стоимость находится в пределах 500–700 рублей для токов в 200–300 А. Обратите внимание, что тип шунта должен соответствовать рекомендациям производителя амперметра, как правило, это вставки на 75 мВ с собственным сопротивлением порядка 250 мкОм для предела измерения в 300 А.

Установить шунт можно либо на плюсовую, либо на минусовую клемму изнутри корпуса. Обычно размеров соединительной шины достаточно для подключения вставки длиной около 12–14 см. Изгибать шунт нельзя, поэтому если длины соединительной шины недостаточно, её нужно заменить медной пластиной, косичкой из очищенного однопроволочного кабеля или отрезком сварочной жилы.

Амперметр подключается измерительными выходами к противоположным зажимам шунта. Также для работы цифрового прибора требуется подать напряжение питания в диапазоне 5–20 В. Его можно снять с проводов подключения вентиляторов или найти на плате точки с потенциалом для питания управляющих микросхем. Собственное потребление амперметра ничтожно.

Повышение продолжительности включения

Продолжительность включения в контексте сварочных инверторов более разумно называть продолжительностью нагрузки. Это та часть десятиминутного интервала, в которой инвертор непосредственно выполняет работу, оставшееся время он должен пребывать на холостом ходу и охлаждаться.

Для большинства недорогих инверторов реальная ПН составляет 40–45% при 20 °С. Замена радиаторов и устройство интенсивного обдува позволяют увеличить этот показатель до 50–60%, но это далеко не потолок. Добиться ПН порядка 70–75% можно путём замены некоторых радиоэлементов:

1. Конденсаторы обвязки ключей инвертора нужно поменять на элементы той же ёмкости и типа, но рассчитанные под более высокое напряжение (600–700 В);
2. Диоды и резисторы из обвязки ключей следует заменить на элементы с большей рассеиваемой мощностью.
3. Выпрямительные диоды (вентили), а также MOSFET или IGBT-транзисторы можно заменить на аналогичные, но более надёжные.

О замене самих силовых ключей стоит рассказать отдельно. Для начала следует переписать маркировку на корпусе элемента и найти подробный даташит на конкретный элемент. По паспортным данным выбрать элемент для замены достаточно просто, ключевыми параметрами служат пределы частотного диапазона, рабочее напряжение, наличие встроенного диода, тип корпуса и предельный ток при 100 °С. Последний лучше рассчитать собственноручно (для высоковольтной стороны с учётом потерь на трансформаторе) и приобрести радиоэлементы с запасом предельного тока около 20%. Из производителей такого рода электроники наиболее надёжными считаются International Rectifier (IR) или STMicroelectronics. Несмотря на довольно высокую цену, крайне рекомендуется приобретать детали именно этих брендов.

Намотка выходного дросселя

Одним из наиболее простых и в то же время самых полезных дополнений для сварочного инвертора будет намотка индуктивной катушки, сглаживающей пульсации постоянного тока, которые неизбежно остаются при работе импульсного трансформатора. Основная специфика такой затеи в том, что дроссель изготавливается индивидуально для каждого отдельного аппарата, а также может со временем корректироваться по мере деградации электронных компонентов или при изменении порога мощности.

Для изготовления дросселя понадобится всего ничего: изолированный медный проводник сечением до 20 мм 2 и сердечник, желательно из феррита. В качестве магнитопровода оптимально подойдёт либо ферритовое кольцо, либо сердечник броневого трансформатора. Если магнитопровод набран из листовой стали, его нужно просверлить в двух местах с отступом около 20–25 мм и стянуть заклёпками, чтобы иметь возможность беспроблемно прорезать зазор.

Дроссель начинает работать, начиная от одного полного витка, однако реальный результат виден, начиная с 4–5 витков. При испытаниях следует добавлять витки до тех пор, пока дуга не начнёт ощутимо сильно тянуться, мешая отрыву. Когда варить с отрывом станет затруднительно, нужно скинуть с катушки один виток и подключить параллельно дросселю лампу накаливания на 24 В.

Тонкая настройка дросселя выполняется с помощью сантехнического винтового хомута, которым можно уменьшить зазор в сердечнике, либо деревянного клина, которым этот зазор можно увеличить. Нужно добиваться, чтобы горение лампы при розжиге дуги было максимально ярким. Рекомендуется изготовить несколько дросселей для работы в диапазонах до 100 А, от 100 до 200 А и более 200 А.

Заключение

Все «навесные» дополнения, такие как дроссель или амперметр, лучше монтировать отдельной приставкой, которая включается в разрыв любой из сварочных жил посредством штекера типа байонет. Таким образом внутри корпуса инвертора сохранится достаточно пространства для вентиляции, а дополнительные устройства можно будет легко отключить за ненадобностью.

Нужно помнить, что кардинальной, глубокой модернизации провести не получится, иными словами, «РЕСАНТУ» в KEMPPI разумными силами и средствами не превратить. Однако изготовление приспособлений и мелкая доработка оборудования — отличный способ лучше изучить технологию дуговой сварки и проникнуться профессиональными тонкостями.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Источник

Расчет универсальной нагрузки для диагностики сварочных аппаратов

Появление малогабаритных сварочных аппаратов(СА)инверторного типа значительно расширило парк СА. Увеличилось и количество обращений в ремонтные мастерские, связанные с ремонтом сварочных аппаратов. После ремонта любой сварочный аппарат требует испытания на соответствие своим техническим параметрам, заявленным в паспорте. К таким параметрам, прежде всего, относятся:

— напряжение холостого хода;

— минимальный сварочный ток;

— максимальный сварочный ток;

— продолжительность нагрузки ПН%;

Для определения последних трех параметров требуется мощная универсальная нагрузка, позволяющая имитировать работу СА на электрическую дугу. В качестве такой нагрузки зачастую используется балластный реостат типа РБ-315 (1) или генератор статической нагрузки фирмы TEL-WIN (2). Как известно из теории и практики электродуговой сварки (3), напряжение дуги при ручной сварке покрытыми электродами определяется формулой:

где U_d — напряжение на дуге в Вольтах, I_d — ток дуги в Амперах;

В соответствии с этой формулой составляется таблица зависимости напряжений U_d от тока l_d. Ручкой регулировки тока на СА выставляют требуемую минимальную или максимальную величину тока. Диагностируемый СА нагружают на балластный реостат, который с помощью имеющихся у него переключателей позволяет задавать различные сопротивления нагрузки. С помощью переключателей балластного реостата подбирают такое сопротивление нагрузки, при котором измеряемое напряжение на выходе СА и измеряемый ток нагрузки соответствовали бы имеющимся табличным значениям сварочной дуги. Таким способом можно определить реальный ток на выходе испытуемого СА. Этот процесс измерения сварочного тока требует определенных трудозатрат, так как подобрать сразу необходимое сопротивление балластного реостата, как правило, не удается.

Для упрощения процесса измерения параметров СА автор предлагает следующий универсальный имитатор нагрузки для сварочных аппаратов (далее — ИНСА).

ИНСА представляет активную нагрузку, состоящую из проволочной спирали R сопротивлением 0,04 Ом, включенной последовательно со стабилизатором напряжения (J1 20 В.

Рис. 1 Эквивалентная схема ИНСА

Как видно из эквивалентной схемы (рис.1), напряжение U_d, приложенное к зажимам этой схемы, будет соответствовать вышеприведенной формуле при произвольных значениях тока l_d. Таким образом имитатор нагрузки СА будет являться эквивалентом сварочной дуги и с его помощью можно имитировать сварочный процесс без получения электродугового разряда с температурой 5000. 7000 °С и без необходимости использовать все сварочные аксессуары (защитная маска, электрод, электрододержатель).

Максимально допустимый ток стабилизатора напряжения U1 должен быть не менее максимального тока диагностируемых СА .

Рис.2. Функциональная схема ИНСА

На рис. 2 показана функциональная схема предлагаемогоимитатора нагрузки, рассчитанного на максимальный ток 300 А.

Выходные кабели испытуемого СА подключаются к зажимам IN1, IN2 имитатора нагрузки. Напряжение с выхода СА подается на диодный мост VD1 и на схему выделения напряжения А1. Диодный мост VD1, рассчитанный на максимальный ток диагностируемых сварочных аппаратов, необходим для того, чтобы имитатор нагрузки можно было использовать для испытаний СА постоянного и переменного токов. На выходе схемы выделения напряжения А1 вырабатывается напряжение 2U_vd, равное напряжению падения на двух диодах выпрямительного моста VD1. Это напряжение поступает на вход сумматора АЗ и вычитается из опорного напряжения 20 В, поступающего на второй вход сумматора. С выхода сумматора АЗ напряжение, равное (20-2U_vd), поступает на инверсный вход стабилизатора напряжения U1 (обведен пунктиром). Стабилизатор работает с последовательно включенным резистором R2. Принцип работы стабилизатора напряжения U1 аналогичен работе микросхемы TL431 — трехвыводного регулируемого параллельного стабилизатора [4]. На прямой вход стабилизатора поступает напряжение с преобразователя А2, который преобразует действующее (среднеквадратичное)значение напряжения, снимаемого с точки соединения проволочных резисторов R1 (0,04 Ом) и R2, в постоянное напряжение [5]. Посредством операционного усилителя DA1, силового транзистора VT1 и проволочного резистора R2 в точке соединения резисторов R1 и R2 поддерживается стабилизированное напряжение, равное величине (20-2U_vd) В. Номинал резистора R2 определяется максимальным значением тока l_{d_max} из выражения: l_{d_max}=(20-2U_vd)/(R2+R_sd), где R_sd — сопротивление открытого состояния силового MOSFET-транзистора VT1. Для l_{d_max}=300 А значение R2=0,05 Ом.

Резистор R0 используется в качестве шунта для измерения величины тока l_d. При токе величиной 300 А падение напряжения на нем равно 75 мВ. Напряжение с этого шунта подается на схему выделения действующего значения тока А4 и, далее, на регистратор тока А. Входное напряжение U_d на входе ИНСА определяется по формуле:

Поскольку величина падения напряжения на резисторе R0 не превышает 75 мВ, то последним слагаемым l_dxR0 можно пренебречь. Таким образом, получаем:

То есть, напряжение U_d на входе имитатора нагрузки будет соответствовать необходимому напряжению дуги при ручной сварке.

Кроме этих узлов функциональная схема имеет блок питания А5 (DC/DC-преобразователь), формирующий напряжение питания и опорное напряжение вышеперечисленных узлов, и вентилятор FEN для охлаждения диодного моста VD1 и транзистора VT1. Таким образом, вышеописанный ИНСА будет представлять из себя конструкцию, на передней панели которой размещаются амперметр (регистратор тока) и две клеммы для подключения кабелей от диагностируемого СА. Подключение к внешнему источнику питания ИНСА не требуется — все электронные узлы, включая вентилятор охлаждения, питаются от диагностируемого сварочного аппарата. Измерение выходного тока СА будет предельно просто — нужно подключить сварочные кабели к клеммам имитатора и снять показания регистратора тока.

Основной вопрос при разработке данного имитатора — это правильное определение теплового режима элементов конструкции. Для этого в первую очередь необходимо определить максимальную мощность, выделяемую на диодном мосте VD1 и силовом транзисторе VT1.

Мощность, выделяемая на диодном мосте VD1, вычисляется по формуле:

Максимальная мощность будет выделяться при максимальном токе I_{d_max.}

Для l_{d_mах}=300 А И U_vd= 1,5 В (падение напряжения на одном диоде) получим P_{vd_max}=900 Вт.

При условии, что ток, потребляемый блоком питания А5, много меньше тока l_d, мощность, выделяемая на силовом транзисторе VT1, равна

Максимальная мощность Р_{vt_max} будет выделяться при токе l_d=(20-2U_vd)/2R2=17/0,1 = 170 А и составит Р_{vt_mах}=170х(20-2х1,5 -170×0,05)= 1445 Вт. Исходя из этих значений мощностей: P_{vd_max}=900BT И P_{vt_max}=1445 Вт Необходимо рассчитывать эффективную площадь радиатора охлаждения, на котором будут устанавливаться диоды моста VD1 и силовой транзистор VT1.

Можно отказаться от диодного моста VD1 и заменить его вторым стабилизатором напряжения U2 противоположной полярности, включенным последовательно со стабилизатором U1, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема ИНСА без диодного моста

Когда напряжение, поступающее из сварочного аппарата, имеет полярность «плюс» на клемме IN1 и «минус» на клемме IN2, то работает стабилизатор U1. Второй стабилизатор блокируется диодом VD2, являющимся составной частью силового транзисторного модуля VT2. При противоположной полярности приложенного напряжения («плюс» на клемме IN2, а «минус» на клемме IN 1) работает второй (верхний на рис. 3) стабилизатор напряжения U2, а стабилизатор U1 блокируется диодом VD1. При такой функциональной схеме количество тепла, выделяемое на активных элементах схемы при l_{d_mах}=300 А, уменьшается, поскольку в каждый полу-период тепло выделяется только на одном диоде транзисторного модуля, а не на двух диодах моста, как имело место в первой функциональной схеме с диодным мостом. Однако, максимальная мощность P_{vt_max}, выделяемая на силовом MOSFET-транзисторе, будет больше, чем в схеме с диодным мостом.

Если же заменить линейный стабилизатор напряжения импульсным, то можно существенно снизить рассеиваемую мощность на силовом MOSFET-транзисторе, поскольку он будет работать в ключевом режиме.

В настоящее время автором отрабатывается схема конструкции вышеописанного универсального имитатора нагрузки сварочного аппарата.

1. В.Я. Володин. Как отремонтировать сварочные аппараты своими руками. Наука и Техника,Санкт-Петербург, 2011, стр. 33, 291-293.

2. http://valvolodin.narod.ru/schems/Tecnica_141-161.pdf. Инструкция по ремонту инверторного сварочного аппарата Tecnica 141-161, стр. 10 Static load generator

3. ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004, п. 11.2.1.

4. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. ДОДЭКА, изд. второе, 1998 г., стр. 219.

5. Пейтон, Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. БИНОМ, Москва,

Автор: Александр Бегиев ( г. Волжский, Волгоградская обл.)

Мнения читателей

Приветствую. Хочу внести и свои пять копеек, совсем недавно собрал нагрузку для сварочных аппаратов постоянного тока, ознакомиться с конструкцией можно тут https://hommad.ru/samodelnaya-nagruzka-dlya-svarochnogo-apparata.html

Kabayan / 28.06.2015 — 14:10

Super inoramftive writing; keep it up.

Avo / 10.08.2014 — 07:33

Всё уже давно умными людьми написано. Многократно печаталось и «сдиралось»перепечатав. Но как у многих руки росли из мест на чём сидят , так всё и продолжается. К сожалению. Может даже и хуже ! Настоящие специалисты как всегда «на вес золота » !

боря / 25.07.2014 — 22:00

хорошими руками и головой сварщику не до того, ему работы всегда сильно много. на игрушки в рабочее время его не хватает. причём люди они технически продвинутые , это я без трёпа постоянно общаюсь с ними в обычной жизни и по работе.

Сергей / 09.05.2014 — 06:35

Человек даже с небольшим опытом, сразу определит качество сварочного аппарата . Проблема в том, что все больше человеков у которых руки из места на котором сидят ростут .

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Источник