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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Regolatore elettronico della corrente di saldatura. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / attrezzatura per saldatura L'autore di questo articolo condivide la sua esperienza nella creazione di un regolatore elettronico della corrente di saldatura (ERST) per la saldatura elettrica multistazione. Le aziende specializzate nel campo delle apparecchiature di saldatura oggi producono ERST di diversi modelli. Ma il loro costo è tale da mettere talvolta in discussione l’efficienza economica dell’utilizzo di questi dispositivi. Ad esempio, l'ERST Multi-Weld 350 di Lincoln Electric costa più di $ 3000. Il dispositivo proposto è molto più economico dei suoi analoghi e, grazie alla sua efficienza prossima al 100%, anche con il funzionamento a turno singolo, si ripagherà entro un anno solo grazie al risparmio energetico. La possibilità di selezionare la caratteristica di carico ottimale per il lavoro da eseguire garantisce la migliore qualità del cordone di saldatura ed elimina virtualmente gli spruzzi di metallo. Se si dispone di un trasformatore step-down e di un raddrizzatore di potenza sufficiente, l'ERST può diventare la base di una saldatrice per un'officina domestica. In quelle imprese industriali in cui la saldatura elettrica occupa uno dei posti principali nel ciclo tecnologico (ad esempio, negli impianti di costruzione navale e di riparazione navale), viene tradizionalmente utilizzata la saldatura multistazione. Diverse postazioni di saldatura (pali) sono alimentate da una potente fonte di corrente continua o alternata con una tensione di 50...80 V. La relativa indipendenza del lavoro dei posti è ottenuta dal fatto che ciascuno di essi è collegato al sorgente attraverso un reostato di zavorra individuale, che serve ad ottenere la pendenza necessaria per le caratteristiche del carico di saldatura e la regolazione della corrente di saldatura. I vantaggi di una tale organizzazione dei lavori di saldatura sono la semplicità, la sicurezza, il risparmio di spazio e attrezzature di produzione. Purtroppo il rendimento complessivo del sistema non supera il 30...50%, perché i reostati dissipano una parte significativa dell'energia sotto forma di calore. I progressi nell'elettronica moderna consentono di produrre un ERST, un analogo funzionale di un reostato di zavorra con caratteristiche prestazionali migliorate e un'efficienza vicina al 100%. Ciò non solo consente di risparmiare energia, ma consente anche di collegare significativamente più stazioni di saldatura a una corrente sorgente senza superare la sua capacità di carico. Un trasformatore di saldatura convenzionale è destinato solo alla saldatura di un certo tipo (manuale, semiautomatica, automatica, con elettrodo consumabile, con elettrodo non consumabile). Fino a poco tempo fa, la creazione di una fonte universale era ostacolata dal fatto che le sue caratteristiche esterne erano determinate principalmente dalla progettazione del trasformatore. Per ottenere una caratteristica di carico rigido, gli avvolgimenti del trasformatore sono realizzati cilindrici e gli avvolgimenti incidenti sono realizzati a disco. Una certa flessibilità è stata ottenuta utilizzando amplificatori magnetici e trasformatori di un design speciale (con shunt magnetico), ma ciò ha dovuto essere pagato con un aumento significativo della massa e delle dimensioni delle sorgenti. In una sorgente di saldatura elettronica, la caratteristica di carico di qualsiasi tipo richiesto si forma non in modo parametrico, ma a causa del feedback sulla tensione e corrente di carico. L'efficienza dell'ERST proposto non è inferiore al 92%. Funziona con una tensione della sorgente primaria di 50...80 V e consente la saldatura continua con una corrente di 10...315 A. È consentito un aumento a breve termine della corrente di saldatura fino a 350 A. Regolazione rapida del carico è prevista una pendenza caratteristica da ripida a dura. Ciò rende ERST adatto sia alla saldatura manuale che semiautomatica. Il dispositivo è dotato di protezione contro l'errata polarità della tensione di alimentazione, il suo aumento e diminuzione eccessivi, contro la sovracorrente e il surriscaldamento, che garantisce un funzionamento affidabile in condizioni industriali. Il funzionamento dell'ERST si basa sulla conversione di una tensione di ingresso costante in una tensione pulsata con ciclo di lavoro regolabile utilizzando un chopper a semiconduttore, seguita dal filtraggio, isolando la componente costante degli impulsi. Dato che i transistor ad effetto di campo del chopper hanno una resistenza molto bassa nello stato aperto e una resistenza molto elevata nello stato chiuso, la potenza da essi dissipata è relativamente piccola. Il diagramma ERST è mostrato in Fig. 1. Il morsetto X1 è collegato al positivo della fonte primaria. Il suo meno e il morsetto HZ sono collegati alla parte da saldare, che svolge il ruolo di filo comune. Il portaelettrodo di saldatura è collegato al terminale X2.
I condensatori C1, C2 e C3-C22 eliminano l'influenza della resistenza di uscita della sorgente e dell'induttanza dei cavi di collegamento sul funzionamento dell'ERST. Immediatamente dopo aver applicato tensione all'ERST, questi condensatori iniziano a caricarsi attraverso la resistenza di limitazione R2 e il diodo situato nell'unità di controllo della tensione di carica e alimentazione (A2). Quando i condensatori sono completamente carichi e purché la tensione tra i terminali X1 e XZ sia normale (50...80 V), si accende il LED HL1 “Ready” e all'interno del blocco A2 si attiva un relè che chiude i contatti che alimentano tensione al circuito di commutazione ERST. Per accenderlo basta premere il pulsante “Start” di SB1. Il contattore attivato KM1 bypasserà il pulsante con contatti KM 1.1. Attraverso i contatti di potenza chiusi KM1.2, la tensione sorgente viene fornita ai condensatori C1 - C22, bypassando il circuito di carica. Grazie alla resistenza P1, il contattore KM1 rimarrà attivato (e l'ERST sarà acceso) finché non verrà premuto il pulsante SB2 “Stop”. Se la tensione di ingresso esce dai limiti consentiti durante il funzionamento dell'ERST, verrà disattivato dai contatti del relè aperti del blocco A2. Quando l'ERST è acceso, l'alimentatore A1 funzionerà. Serve per ottenere le tensioni galvanicamente isolate necessarie ad alimentare i blocchi A3 e A4. Inoltre, il blocco A1 genera una tensione trifase di 220 V 50 Hz per i ventilatori M1 e M2, che soffiano sui dissipatori di calore di potenti dispositivi a semiconduttore. L'unità funzionale principale dell'ERST - un convertitore di tensione step-down - è costituita da un transistor di commutazione (batteria di transistor ad effetto di campo VT1-VT20), un diodo di scarica (VD9-VD48, collegato in parallelo) e un filtro livellatore (induttore L1, batteria di condensatori C27-C36). A coloro che desiderano comprendere il funzionamento del convertitore in modo più dettagliato si può consigliare di utilizzare la letteratura [1, 2]. I transistor ad effetto di campo con gate isolato hanno un coefficiente di temperatura positivo della resistenza a canale aperto. Questa circostanza favorisce una distribuzione uniforme del carico di corrente tra i transistor, consentendone il collegamento in parallelo. I resistori R3-P.22 sopprimono le fluttuazioni parassite nella tensione di controllo. I diodi KD213B che costituiscono il diodo di scarica del convertitore sono caratterizzati da un tempo di recupero della resistenza inversa piuttosto lungo. A volte, quando l'interruttore viene aperto, non hanno il tempo di chiudersi completamente. Per evitare conseguenze indesiderate, transistor e diodi sono separati dall'avvolgimento I del trasformatore T1, la cui induttanza (1,7 μH) limita la velocità di aumento della corrente “passante”, impedendole di raggiungere un valore pericoloso. Dopo che il diodo di scarica è completamente chiuso, l'energia accumulata nel campo magnetico del trasformatore tornerà alla fonte di alimentazione: l'impulso indotto nell'avvolgimento II del trasformatore ricaricherà i condensatori C1 e C2 attraverso il diodo VD8. E in caso di un forte calo del carico ERST, la batteria di diodi VD49-VD54 fornirà il recupero (ritorno alla sorgente) dell'energia accumulata nel campo magnetico dell'induttore L1. Il blocco A4 misura la corrente e la tensione di uscita dell'ERST e genera impulsi di controllo, modificandone il ciclo di lavoro in modo tale da garantire la forma della caratteristica di carico dell'ERST specificata dai controlli “Pendenza” e “Livello”. Tali impulsi, attraverso il blocco A3, che li amplifica in potenza, vengono forniti al gate del transistor di commutazione (VT1-VT20). Inoltre, il blocco A3 contiene unità di protezione che vietano l'apertura del transistor di commutazione fino alla fine del ciclo di rigenerazione del trasformatore T1 e in caso di surriscaldamento. Ciò è indicato dal LED HL2. I condensatori C1 e C2 sono ossido K50-18, il resto sono condensatori a film K73-17. Resistori R1, R2 - PEV-25, R3-R32 - MLT della potenza indicata nello schema. Il resistore R33 è uno shunt esterno unificato 75SHISV-500 per un amperometro da 500 A. Sono adatti anche altri tipi di shunt progettati per la corrente specificata, con una caduta di tensione a una corrente nominale di 75 mV. Nel circuito del flusso della corrente di saldatura sono inclusi potenti terminali di derivazione dotati di bulloni di grande diametro. I fili di tutti gli altri circuiti sono collegati ai puntali con bulloni di diametro inferiore. I transistor VT1-VT20 e i diodi VD9-VD48 sono installati su due dissipatori di calore, la superficie attiva di ciascuno dei quali è di 3400 cm2. I ventilatori M1 e M2 - 1,25EV-2,8-6-3270U4 con una capacità totale di 560 m3/h soffiano i dissipatori di calore. Il flusso d'aria creato dalle ventole contiene anche resistori R23-R32, che dissipano una potenza significativa. Il contattore KM1 è preso dall'oscillatore LHF-500 di KEMPPI. Il suo avvolgimento viene riavvolto ad una tensione di 50 V (l'originale è progettato per 24 V). È possibile utilizzare un altro contattore (ad esempio, tra quelli utilizzati nelle auto elettriche), in grado di commutare una corrente continua di almeno 200 A. In casi estremi, un avviatore elettromagnetico unificato di quarta o quinta grandezza, tutti i gruppi di contatti di potenza di collegati in parallelo è adatto. Dopo aver selezionato un contattore è necessario misurare la tensione continua Uc alla quale opera. Se è notevolmente inferiore a 50 V o superiore a questo valore, l'avvolgimento del contattore dovrà essere riavvolto. Rimuovendo l'avvolgimento esistente, contare il numero delle sue spire w e misurare il diametro del filo d. I nuovi valori vengono calcolati utilizzando le formule:
Il trasformatore T1 è avvolto su un nucleo magnetico a forma di U in ferrite M2000NM da un trasformatore di linea TVS110AM (TVS110LA) di un televisore a tubo della serie UNT47/59. In ciascuno dei giunti del circuito magnetico sono inserite guarnizioni amagnetiche dello spessore di 3 mm. L'avvolgimento primario è costituito da due spire di un fascio di 236 fili smaltati con un diametro di 0,55 mm. L'avvolgimento secondario è costituito da 16 spire di un fascio di dieci fili uguali. Per garantire il massimo accoppiamento tra gli avvolgimenti, il secondario è situato all'interno del volume del primario. Per evitare cortocircuiti tra le spire o tra gli avvolgimenti, il cablaggio dell'avvolgimento secondario deve essere protetto con nastro laccato o pellicola fluoroplastica prima dell'avvolgimento. Nucleo magnetico dell'induttore L1 - Ш32х80 realizzato in lamiera di acciaio per trasformatori di spessore 0,35 mm. L'avvolgimento dell'induttore è costituito da otto spire di un fascio di 330 fili smaltati con un diametro di 0,55 mm. Il nucleo magnetico è assemblato end-to-end. Nella sua fessura viene inserita una guarnizione non magnetica con uno spessore di 1,6...1,7 mm. BLOCCO A1 Lo schema a blocchi dell'alimentatore ERST è mostrato in Fig. 2. La tensione di ingresso non stabilizzata viene fornita attraverso l'unità di protezione a uno stabilizzatore lineare, che fornisce 15 V a tutte le unità a bassa potenza dell'unità, e a uno stabilizzatore di impulsi, la cui uscita viene convertita in una tensione alternata di circa 36 kHz da un inverter a mezzo ponte. L'unità di protezione sopra menzionata spegnerà l'unità se, a causa di un malfunzionamento o di un guasto, la tensione di uscita dello stabilizzatore di impulsi supera il valore consentito."
Alimentando l'inverter a semiponte con tensione stabilizzata si garantisce la stabilizzazione della tensione di gruppo sugli avvolgimenti secondari del trasformatore T1. I raddrizzatori 1 e 2, isolati dal filo comune ERST e tra loro, alimentano i blocchi A4 e A3. Un inverter trifase converte una tensione continua di 270 V dall'uscita del raddrizzatore 3 in una tensione alternata trifase di 220 V, 50 Hz per alimentare le ventole che soffiano i dissipatori di calore di potenti dispositivi a semiconduttore ERST. Il prototipo di un potente stadio di uno stabilizzatore di tensione a impulsi era l'unità utilizzata in [3]. Il suo schema semplificato è mostrato in Fig. 3. Gli impulsi di controllo di polarità positiva arrivano alla base del transistor VT2. Durante le pause tra di loro, questo transistor è chiuso e la tensione del condensatore C1, caricato durante l'impulso precedente la pausa, viene applicata alla sezione gate-source del transistor VT3 attraverso il resistore R2 nella polarità di apertura. Il transistor VT1 è aperto e la corrente crescente che scorre attraverso il suo canale e l'induttore L1 carica il condensatore еC3. L'energia accumulata dal condensatore C2 viene parzialmente spesa per caricare la capacità gate-source del transistor VT1. Il diodo VD1 è necessario per impedire che il condensatore C2 si scarichi attraverso il transistor VT1.
Il transistor VT2, aperto da un impulso di controllo, collega il gate del transistor VT1 al filo comune. Quest'ultimo si chiude e la corrente dell'induttore L1, diminuendo, continua a fluire attraverso il diodo aperto VD2. La tensione alla sorgente del transistor VT1 e sulla piastra destra (secondo lo schema) del condensatore C2 in questo stato è uguale alla caduta di tensione diretta sul diodo VD2, negativo rispetto al filo comune. Attraverso il circuito VD1R2, il condensatore C2 viene caricato. Sono disponibili molti microcircuiti per controllare i transistor ad effetto di campo e bipolari degli inverter a ciclo singolo e push-pull. Ma di solito i loro segnali di uscita sono "legati" al potenziale del filo comune, il che rende problematico l'uso di tali microcircuiti negli inverter a ponte e semiponte. Il fatto è che gli elettrodi di controllo dei transistor "superiori" degli stadi di uscita di tali inverter sono sottoposti a una tensione elevata e, di regola, variabile rispetto al filo comune. I chip driver per inverter a ponte e mezzo ponte [4], a causa del loro costo elevato, non si sono ancora diffusi tra i radioamatori. Preferiscono risolvere questo problema a modo loro, utilizzando, di norma, l'isolamento ottico o del trasformatore dei circuiti di controllo [5, 6]. Tuttavia, tale disaccoppiamento non è affatto necessario. Un possibile circuito di un inverter a mezzo ponte con circuiti di controllo senza di esso è mostrato in Fig. 4. Le sequenze di impulsi antifase Uy1 e Uy2 provengono dal controller PHI.
Lo svantaggio principale dell'unità assemblata secondo questo circuito è che funziona solo con una tensione di alimentazione Up1 che non supera la tensione massima consentita tra il gate e la sorgente del transistor ad effetto di campo VT3. Il fatto è che come risultato della reazione di un carico attivo-induttivo o attivo-capacitivo, la tensione alla sorgente del transistor VT3 può restare indietro o avanzare in fase rispetto alla tensione di controllo al gate, il che porta alla comparsa di impulsi di tensione gate-source negativi a breve termine, la cui ampiezza raggiunge la tensione di alimentazione Up1. Nella fig. La Figura 5 mostra ulteriori elementi che correggono l'inconveniente segnalato. Il diodo VD2, aprendosi quando la polarità della tensione è negativa tra il gate e la sorgente del transistor VT3, lo limita a un livello molto basso, pari alla caduta di tensione diretta a livello del diodo aperto. La tensione in eccesso viene estinta dal resistore R8.
In questo caso, il condensatore C1 viene caricato tramite il diodo VD1 direttamente dalla fonte di alimentazione. Dalla nuova versione dell'unità è stata esclusa la resistenza R4 (vedi Fig. 4), che dissipava inutilmente una notevole quantità di potenza. Letteratura
Autore: V.Volodin, Odessa, Ucraina
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