Дополнение к книге
"Силовая электроника для любителей и профессионалов"
М.СОЛОН-Р 2001 г.
Несколько месяцев назад у меня возникла идея сделать импульсный сварочный аппарат, хотя потребность в нем существует уже давно. Купить готовый - слишком дорого. Хороший аппарат стоит порядка полутысячи долларов и выше. Проще всего мне было бы взять за основу фирменную схему, но таковой я нигде не нашел. В интернете есть несколько любительских схем:
а) Тиристорная, с выходным током до 125 А, частота преобразования 4 кГц, копия промышленного "Электрон-125". Схема простая, но сам автор ее не делал. Ток, конечно, близок к желаемому (150-170 А), но не устраивает частота - обязательно будет слышен писк.
б) Самовозбуждающийся полумост на транзисторах КТ812, описанный в журнале "Радиолюбитель", автор А.Петров. Схема не слишком сложная и производящая впечатление работоспособной, но ток (60 А), мягко говоря, слишком мал.
в) Пушпульный каскад и полумост на КТ878, с управлением, выполненным на цифровых микросхемах ТТЛ серии 155. Ток - 120 А. Находится в интернете по адресу: http://www.ats.mpei.ac.ru/VsVs. На странице много советов, впечатляющее описание.
г) Прямоходовый, на IRF740, по 4 штуки в параллель. Контроллер построен на микросхеме UC3844. Ток - 80 А. Описание находится по адресу: http://sg-sg.chat.ru/central.html.
Теперь о том, что пишут в книгах о сварочных аппаратах. По теории аппарат должен иметь падающую ВАХ при напряжении зажигания дуги 40…50 В. По мере увеличения тока это напряжение на ней падает до 20…25 Вольт и стабилизируется на этом уровне. Как реализуется падающая характеристика?
Что должен представлять собой "сварочник", если у него рабочие режимы - холостой ход (когда не варит) и почти КЗ (когда варит)? На какое выходное напряжение нужно рассчитывать трансформатор? Можно ли мотать трансформатор на ферритовых кольцах, а не Ш-образных сердечниках? Каким оптимальным соотношением должны обладать площадь сечения и площадь окна?
Склоняюсь к мысли, что сварочный аппарат лучше собирать по схеме полного моста на полевых транзисторах. Каким значением тока первичной обмотки руководствоваться? Амплитудным или действующим? Какое значение плотности тока в обмотках выбирать? В разных книгах это значение колеблется от 3 до 10 А на "квадрат".
Больной вопрос - выбор схемы управления ключами и построение этих ключей. Большие токи, частота преобразования тоже не маленькая - 40…50 кГц. Хотя фирменные работают на 80…90 кГц. Интересно, как они этого добились? Велик соблазн использовать IGBT, хотя MOSFET-ы, включенные в параллель, мне кажется, обойдутся дешевле. На чем лучше остановиться?
Ключи требуют гальванической развязки. Опять дилемма: оптопары или трансформаторы? Или есть еще какой-либо способ?
Во входной цепи после моста во всех схемах стоит емкость порядка 1000 мкФ на напряжение порядка 400 В. Авторы ставят в параллель несколько штук меньшей емкости. Для чего? Можно ли уменьшить эту емкость за счет увеличения пульсаций на дуге? Не повлияет ли это на ключи?
Олег Романенко, г.Киев
В радиолюбительской среде ходит немало мифов. Основа их появления - недостаточное знакомство с предметом творчества, отсутствие или неполнота практического опыта, иногда - отсутствие необходимого образования, да и просто доверчивость. Один из таких прочных мифов - создание недорогого и надежного сварочного аппарата, основанного на принципах импульсной техники. Из общения с несколькими радиолюбителями, задумавшими такой аппарат сделать, я вынес несколько соображений, некоторый опыт, которым хочу откровенно поделиться с читателями. Большая просьба не воспринимать этот материал как камень в огород радиолюбителей, увлекшихся конструированием сварочных аппаратов. Уже одно то, что мысль работает в таком направлении - хорошо. Лично я никогда конкретно сварочными аппаратами не занимался, но опыт разработки мощных импульсных источников питания, преодоление определенных сложностей дают мне некоторое право говорить о том, каких ориентировочных затрат "навскидку" потребует создание "сварочника".
Во-первых, пришедшая в голову задумка создать сварочный аппарат поначалу кажется очень простой. Как правило, у радиолюбителя уже имеется предварительный удачный опыт изготовления сетевого импульсного стабилизатора на сотню-другую ватт, собранного по какой-либо типовой схеме (более или менее удачной). Естественно, успех придает сил и требует резко наращивать мощность. Однако первый запуск "сварочника" неизменно приносит запах сгоревших транзисторов, выбитый автомат в квартирном щитке, снопы искр из розетки. Могут происходить и более серьезные неприятности типа отключения света во всем подъезде или воспламенение квартирной проводки, рассчитанной на токи не более 10…15 А. Кого-то данная неприятность может остановить в экспериментировании, а кому-то - взяться за переработку схемы, покупку новых комплектующих и - вновь испытывать, испытывать, испытывать. Испытания могут продолжаться годами, поглощая все свое свободное время и деньги.
Во-вторых, отсутствие работоспособных радиолюбительских схем импульсных сварочных агрегатов (скорее всего работоспособная схема "гуляла" бы по интернету не только в виде собственно схемы, но также фотографий внешнего вида, монтажа, фото сварных швов) - говорит о чрезвычайной сложности этой проблемы даже для профессионалов (не говоря о радиолюбителях). Коммерческие фирмы, вложив в разработку немало финансовых и интеллектуальных способностей, не спешат раскрывать свои "ноу-хау", публиковать схемы даже для ремонтников.
В третьих, следует признать, что отечественных аппаратов в продаже практически нет, а импортные стоят довольно дорого. Кто-то может сказать, что дороговизна вызвана "накрутками" торговли, таможенными пошлинами, налогами и прочими расходами. Допустим, что "наценка" составляет $200, тогда собственно у производителя аппарат покупается за $300. Много это или мало? Оценимся по стоимости комплектующих электрорадиоэлементов 8-киловаттного сварочного аппарата (ток 150 А) в расчете на то, что собранный аппарат заработает сразу. Итак:
- транзисторы IGBT силового моста IRG4PF50WD (по 3 шт параллельно, итого 12 шт) - $9,9х12 = $120;
- транзисторы IGBT схемы запуска IRG4PC50F (4 шт параллельно, итого 4 шт) - $6,5х5 = $20;
- конденсаторы электролитические 100 мкФ, 450 В (с мощными выводами, не менее 10 шт) - $3,6х10 = $36;
- ферритовые кольца М2500НМС1 для трансформатора типа К100х60х15 (ориентировочное количество для частоты преобразования 40 кГц - 10 шт) - $3,9х10 = $39;
- датчики тока для формирования "падающей" характеристики и защиты моста от КЗ (на основе эффекта Холла) типа ДТХ-100 - $15х2 = $30;
- выпрямительные диоды для моста, устанавливаемого в первичную сеть, типа 40HF80 (4 шт) - $4,2х4 = $17;
- выпрямительные диоды Шоттки для вторичной цепи (ток не менее 150 А, для обеспечения запаса по 2 в параллель) типа 129NQ150 - $18х4 = $72.
Я не расписываю здесь расходы на радиаторы, вентилятор принудительного охлаждения, драйверу управления силовыми ключами, опторазвязки, электронные схемы управления и защиты, маломощный трансформатор питания схем управления, медные шины (или скрученные провода) для намотки силового трансформатора, монтажные шины (ток в 150 А - это очень большой ток), автомат защиты питающей сети, лампочки сигнализации и многое другое - по мелочи. Положим на эти расходы (с учетом того, что кое-что радиолюбитель достанет из своего "хлама") еще $150.
Суммируя все расходы, мы только-только выйдем на нашу цифру $500 - и это без учета работы по изготовлению, настройке и так далее. Впрочем, работы можно не учитывать - для радиолюбителя они оказываются как бы "бесплатными". Но сами комплектующие бесплатными быть уж никак не могут!
Читатель может задать встречный вопрос - почему сложнейшая техника, как тот же компьютер, мобильный телефон, видеомагнитофон - стоит намного дешевле в сборе, чем если купить все компоненты "врассыпную". Дело в том, что любая техника в массовом производстве не учитывает стоимости работ по изготовлению (стоимость оборудования, зарплаты работников) - ее стоимость приближается к стоимости комплектующих. Если предприятие закупает огромными партиями комплектацию, ему это обойдется гораздо дешевле, чем покупать поштучно. Еще дешевле производить основную комплектацию у себя, что многие фирмы и делают. Секрет - в массовости производства. Естественно, фирма тратит достаточно усилий на разработку и оптимизацию изделий, но если изделие хорошо продается, эти вложения окупаются.
Радиолюбитель не может вложить много средств в разработку, не может позволить себе большое количество ошибок (читайте - сгоревших транзисторов). Либо - наверняка и сразу, либо - никак. Но в любом случае конструкция окажется дороже, чем такая же, купленная в магазине. В приведенном расчете были использованы средние цены, взятые из прайс-листа петербургской "Мега-Электроники". Учитывая, что на отечественном рынке не так много комплектующих, из которых можно построить действительно работоспособный "сварочник", а цены не отличаются у поставщиков на порядки, можно выгадать из приведенной суммы порядка $50, может быть чуть-чуть больше.
Импульсный сварочный аппарат относится к устройствам повышенной сложности, где-то сравнивающейся с разработкой телевизора. При необходимости лучше купить его готовым, не тратя лишние деньги и силы, обеспечив электробезопасность. Остается лишь одна причина, которая переведев все предыдущие слова в разряд неубедительных и лишних - это интерес к творчеству. Пытать счастье в изготовлении самодельного "сварочника" будут многие, поэтому им - небольшие советы.
Начинать создание собственного аппарата нужно с изготовления импульсного стабилизатора на сотню-другую Ватт. Потом наращивать мощность, переходя к киловаттам. Ну а затем - если повезет и собранный "киловаттник" не пройдет "испытание на дым" - можно задуматься о сварке.
Сварочный аппарат - это по сути стабилизатор тока с ограничением выходного напряжения на уровне 40…50 В. Соответственно в составе его должны быть (место установки - вторичная цепь) датчик напряжения и датчик тока. При повышении напряжения между электродами должно включаться устройство ограничения напряжения, а при снижении - стабилизация тока. Для стабилизации тока нужен шунт типа 75ШСМ или 75 ШСУ, являющийся датчиком тока. Но лучше использовать датчик тока на основе эффекта Холла (есть отечественный типа ДТХ-100, есть швейцарский LEM http://www.lem.com, есть датчики других фирм) - тогда схема обратной связи станет проще (не потребуются гальванические развязки сигнальных и силовых цепей). Цепь обратной связи должна быть быстродействующей.
Советы относительно проектирования силового трансформатора, организации схемы управления ключами, выбора нагрузок проводников и силовых элементов даны в книге. Ничего нового здесь сказать нельзя, поэтому я не повторяюсь.
Для "сварочника", по моему мнению, лучше подходят транзисторы IGBT, так как включаемые "в параллель" MOSFETы на такие напряжения окажутся дороже - придется больше параллелить. Проблемы возникают из-за значения сопротивления "сток-исток".
Распараллеливать конденсаторы фильтра приходится из-за того, что в моменты пауз ток в нагрузке поддерживается только из запасенного в конденсаторах заряда. Параллельное включение конденсаторов уменьшает токовую нагрузку на выводы, снижает нагрев. Снижение пульсаций на конденсаторах возможно только до предельно допустимых значений, указанных в технических условиях на элементы.
В заключение еще раз обращаю внимание на то, что прежде чем заняться практическим изготовлением "сварочника", нужно прикинуть свои финансовые возможности.
Литература
[1] "Мега-Электроника". Импортные электронные компоненты. Каталог 37. Спб, 2002 г.
Отклики читателей
Спасибо за информацию по импульсному сварочнику (инвертору). У меня многие спрашивают о том как сделать самому. Ваша статья немного охладит их пыл. Все не так просто. Сварочным оборудованием занимаюсь профессионально, веду страницу.
С уважением, Анатолий
