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焊接电流逆变源。 无线电电子电气工程百科全书
焊接、铸造、镀锌等工作需要强大的专用电压或电流源（有时具有特殊形状）。 在分析这些源的结构时，我们注意到它们的功能方案实际上是一致的。 本文提供了基于通用微控制器控制模块的桥式电压转换器的实现示例。 该转换器不仅适用于逆变焊接电源，还适用于感应加热系统、电子设备不间断电源、电镀电源、变频器、超声波发生器电源。 拟议的焊接电流逆变源由 170...240 V 交流电压供电，设计用于在 150% 的工作时间内负载电流高达 70 A。 该源与经典源的主要区别在于没有单独的存储电容充电单元，以及能够在不改变控制单元电路的情况下，而仅通过更换单片机程序来适应解决各种问题。 从功能上来说，焊接电源由其组件电源、三极管控制整流器、带有光隔离控制单元的高频IGBT桥逆变器和外部焊接单元组成。 列出的块的示意图如图 1 所示。 2、整流器和逆变器由单片机控制管理单元控制和控制，其电路如图XNUMX所示。 XNUMX. 这些图中的元素编号是连续的。
当断路器SA1的触头闭合时，交流市电电压供给由二极管VD1、VD5和主电源整流器VD11、VD12的二极管组成的二极管桥。 整流电流将电容器 C4 充电至电源电压的幅度。 热敏电阻 RK1 JNR10S470L 限制充电电流。 电容C1的电压通过电阻R2、R5、R6、R4进入电压转换控制器DA1 TOR233R的电源电路。 从启动时刻到电容C10上的电压上升到5V，DA1微电路工作在自振荡模式。 当达到该电压时，并联集成稳压器DA2 TL431ALP的输出电路打开，导致电流流过电阻器R9和光耦合器U1的发光二极管。 该光耦合器打开的光电晶体管关闭DA1微电路的控制电路，确保其输出键关闭，并停止脉冲变压器T1磁路中的能量积累。 只要关闭此键，积聚的能量就会通过变压器的次级绕组进入其负载。 所有次级绕组彼此之间以及与电源电压都是电隔离的。 有关 TOPSwitch-FX 系列灵活设计、EcoSmart®、集成离线切换器操作的更多信息，请参阅 pdf.datasheetbank.com/pdf/Power-Integrations/233 232.pdf。 控制和监测单元由 DD1 ATmega48-20AU 微控制器制成。 C34R59 电路延迟微控制器的启动，直到建立稳定的电源电压电平。 在该电路生成的脉冲结束时，微控制器的内部时钟 RC 发生器开始以 8 MHz 的频率工作。 该频率是在对微控制器配置进行编程时设置的。 通过电阻器 R34 和 R35 向 VD24 二极管桥提供电源正弦电压。 整流后的脉动电流流经光耦合器U7的发射二极管，并被电阻器R38分流。 在市电电压瞬时值过零附近，流经发光二极管的电流暂时停止，光耦合器U7的输出晶体管关闭，从而向输入端提供高逻辑电平时钟信号微控制器DD2的PD1。 处理该事件时，微控制器在其 PB3 输出处设置一个具有指定延迟的低电平信号。 这使得电流流过由光耦合器U2的发光二极管和电阻器R14组成的电路。 光耦合器U2的光电晶体管打开，来自电阻R15的信号打开p沟道场效应晶体管VT1。 来自VD16二极管上的整流器的+17V电压通过断开的晶体管和电阻R12和R6进入三极管Vs 1 和VS2 的控制极电路。 三极管打开。 交流电源电压还提供给由二极管VD11和VD12以及三极管VS1和VS2形成的功率桥式整流器。 从它们打开的那一刻起，直到阳极-阴极电压极性反转，导致 SCR 关闭，存储电容器 C17 就会充电。 随着电源电压每次转变为零，微控制器都会减少打开延迟，因此充电会顺利进行。 其持续时间（在所考虑的变体中约为 5 秒）是编程的。 在紧急情况下，微控制器不会在 PB3 输出处生成允许三极管打开的信号，因此它们保持关闭状态。 电路R18C15和R20C16排除了干扰影响下三极管误开路的情况。 完成对存储电容C17的平滑充电后，程序开始在微控制器的输出PB1和PB2处产生用于控制桥式逆变器按键的脉冲，其频率为20kHz（由软件设置）。 脉冲的占空比由可变电阻器 R33 调节在 0,1 ... 0,9 范围内。 从这些输出，相互延迟半个 20 kHz 频率周期的控制信号进入由光耦合器 U3-U6 构成的 IGBT VT2-VT5 控制单元。 由于这些节点是相同的，在图中。 图 1 仅详细显示了其中一个，基于 U3 光耦合器构建。 它由电压为 1V 的整流二极管 VD9 从变压器 T25 的绕组 IV 供电。解释其操作的时序图如图 3 所示。 5、该节点控制的IGBT VT3的发射极连接到集成负电压调节器DA18的输出。 因此，根据光耦合器的状态，IGBT 的栅极-发射极电压从 IGBT 完全打开的 +7V 变为 -XNUMXV（IGBT 安全关闭）。
来自微控制器PB2输出的脉冲通过电阻器R60被馈送到光耦合器U3和U4的串联发光二极管，其分别控制IGBT VT5和VT2。 因此，这些 IGBT 同时打开。 此时 IGBT VT3 和 VT4 保持关闭状态，因为 PB1 输出处没有脉冲。 电流流经电容器C17的电路正极、开路IGBT VT2、电流互感器T4、变压器T5的绕组I（从末端到开始的方向）、开路IGBT VT5、电流互感器T3、电容器C17的负极。 这会在变压器 T5 的次级绕组上产生感应电压，正电压施加到 VD21 二极管的阳极，负电压施加到 VD22 二极管的阳极。 焊接电流流经变压器T5的绕组II、开路二极管VD21、电感L2并流经焊接电路。 在逆变器的下一个半周期，程序在微控制器PB1的输出端产生一个脉冲，从而打开IGBT VT3和VT4。 PB2输出无脉冲，故IGBT VT2、VT5截止。 电流流经电路正极电容C17、开路IGBT VT4、变压器T5绕组I（从头到尾）、电流互感器T4、开路IGBT VT3、电流互感器T2、负极电容C17。 这会在变压器 T5 的次级绕组上产生感应电压，正电压施加到 VD22 二极管的阳极，负电压施加到 VD21 二极管的阳极。 焊接电流流经变压器T5的绕组III、开路二极管VD22、电感L2和焊接电路。 通过安装在逆变器前面板上的可变电阻器 R33 调节焊接电流。 根据该可变电阻器滑块的位置，通过积分电路 R2C46 向微控制器的 ADC30 输入提供电压。 电阻器 R41、R42、R45、R47 用于消除在可变电阻器 R2 开路的情况下损坏微控制器 ADC33 输入的可能性。 微控制器的 ADC 将施加到 ADC2 输入的电压转换为代码，程序对其进行处理，并根据结果更改输出 PB1 和 PB2 处脉冲的占空比。 电流互感器 T2 和 T3 用作 IGBT 负载故障和过流保护传感器。 在紧急情况下，这些变压器的次级绕组上的电压会增加。 经过VD25或VD26二极管组件整流后，通过电阻分压器R48R49（电容C29抑制干扰）馈送到DA7.1比较器的同相输入端。 其反相输入处的示例性电压与干扰抑制电容器C54形成电阻分压器R55R32（它也应用于DA7.2比较器的非反相输入）。 当输入5处接收到的信号超过示例性电压时（当超过2A流经变压器T3或T30的初级绕组时发生这种情况），在比较器DA7.1的输出处形成高电平脉冲。 通过避免误报的R58C35积分电路，进入DA7.2比较器的反相输入。 如果紧急脉冲的持续时间超过5 ms，则比较器DA3的输出将向微控制器的输入PD7.2发送信号，这将禁止程序在输出PB1和PB2处产生控制脉冲。 电流互感器T4用作变压器T5的绕组I中的工作电流的传感器。 变压器T23次级绕组的电压经积分电路R27C4经VD52和VD31组件的二极管电桥整流后送至微控制器的ADC1输入端。 它将通过软件进行测量和处理。 当测量的电流超过 25 A 时，程序将校正 IGBT 控制脉冲的占空比。 过热保护由热敏电阻 RK2 KTY81/210 实现。 其电阻和微控制器 ADC0 输入端的信号电平取决于温度。 如果超过允许的温度，程序会减少输出 PB1 和 PB2 处的脉冲占空比，或者完全停止它们的形成，直到热敏电阻冷却下来。 给微控制器供电并启动其内部时钟发生器后，程序等待信号到达市电电压瞬时值通过零电平的转变的PD2输入。 收到这样的信号后，它会启动两个内部定时器。 其中之一的计数寄存器的内容用于控制电容器C17的充电速率。 第二个定时器用于保护逆变器。 它会在 10 毫秒内没有零电压信号的情况下重新启动微控制器，从而使程序再次启动。 收到过零信号后 9,95 ms 后，程序发送信号打开三极管，在微控制器的 PB3 输出处设置高电平。 当收到下一个这样的信号时，PB3 的输出电平变低。 下一个打开 SCR 的信号将在 9,9 毫秒内发出，因此它们将保持打开状态多 0,5 毫秒。 由于三极管开通状态的持续时间逐渐增加，电容器C17顺利充电。 大约5秒后，单片机将发出信号以连续打开三极管。 仅在供电网络断电或“事故”情况下才会将其移除。 在电容器C17充满电之前，程序不会产生IGBT控制信号。 充电完成后，微控制器的输出 PB1 和 PB2 处出现脉冲序列，随后周期为 50 μs，相互偏移半个周期 (25 μs)。 脉冲的持续时间取决于提供给微控制器 ADC2 输入的电压。 其最小值为 2,5 µs，最大值为 22,5 µs（半周期的剩余 2,5 µs 是确保先前打开的 IGBT 关闭所需的最小暂停时间）。 紧急保护的动作是基于在“事故”、“事故2”和“过热2”情况下终止IgBt控制信号的形成。 当微控制器 ADC1 输入端的电压上升时，就会出现“紧急”情况。 该电压被转换成二进制代码。 根据其值，IGBT 控制信号的持续时间首先逐渐减少，如果这不起作用，则脉冲的形成完全停止。 当高逻辑电平信号到达PD3输入时，“警报2”情况立即发生。 发生“过热 2”情况的条件是微控制器 ADC0 输入处的电压升高。 它还被转换为二进制代码，其分析结果是控制脉冲的持续时间减少或完全关闭。 排除紧急原因后，逆变电源自动恢复运行。 文章附有weld.hex微控制器程序的下载文件。 微控制器配置必须设置如下：扩展字节 - 0xFF、高字节 - 0xDD、低字节 - 0xE2。 编程器连接到 XP9 连接器。 从结构上看，焊接电源的主要部件放置在尺寸为140x92,5mm的印刷电路板上，其印刷导体图如图4所示。 XNUMX.
印刷电路板的底部（图5）有表面贴装元件，以及二极管VD11和VD12、三极管VS1和VS2、IGBT VT2-VT5。 上侧（图 6）- 其余元件。 电源电路由横截面至少为 2,5 毫米的悬挂线制成2。 尺寸为K2x3x4的电流互感器T20、T12、T6的磁芯由2000NM1铁氧体制成，次级绕组包含200匝直径为2mm的PEV-0,25导线。
变压器 T1 安装在 PCB 的顶部。 其磁路是由坡莫合金MP24制成的尺寸为K13x7,5x140的环，并用一层漆布绝缘。 绕组数据在表中给出。 1、绕组的绕制顺序与图中的编号相对应。 绕组匝数 I、VI 和 VII 均匀分布在磁路的整个周边上。 其他每个绕组都缠绕在其自己的磁路段上并且不重叠。 所有绕组均采用漆布绝缘。 表1
扼流圈 L1 - EC24。 电容器 C17 固定在板顶面上方 20 mm 高的支架上。 他们将安装花瓣压到其端子上，并用焊接到其上的电线连接到电容器的端子。 为了将电源线与IGBT VT2-VT5端子、VS1和VS2三极管、VD11和VD12二极管连接，印刷电路板上设有带孔的接触垫。 这些元件通过绝缘垫片压在散热器块上，如图 7 所示。 XNUMX.
输出变压器T5、电感L2、整流二极管VD21、VD22位于单独的散热器单元上。 变压器T5的绕组数据如表所示。 2、磁芯为Gammamet GM414级。 2 个标准尺寸 OL64x40x30。 初级绕组通过双层清漆织物与磁路和次级绕组隔离。 表2
L2电感绕组绕在由20毫米厚的电工钢制成的ShLM32x0,08磁路上，由五片0,1毫米厚的软铜带包裹，宽度略小于磁路窗口的高度。 包裹用漆布绝缘，绕了七圈。 磁路由1,8毫米长的非磁隙组装而成。 在散热器之间有两个 80x80 mm 风扇，它们来自连接到 XP1 和 XP2 连接器的计算机电源。 一个风扇在变压器 T5、电感器 L2 和电容器 C17 周围吹动。 其气流被引导至 T5 变压器。 第二个风扇位于散热器之间。 其气流被引导至 VD21 和 VD22 二极管。 网线 PVA 2x2,5 毫米2 连接到断路器 SA1 的端子 3 和 1（上部）。 两根横截面为 2 mm 的电线连接至该开关的端子 4 和 1,5（下部）2。 端子 2 的一根导线连接到 VS2 三极管的正极，另一根导线连接到 VD12 二极管的负极（它们之间没有通过印刷导线连接）。 端子 4 的其中一根导线连接到 VS1 三极管的正极，第二根导线连接到 VD11 二极管的负极。 它们之间也没有通过印刷导体连接。 外壳前面板上安装有可变电流调节电阻R33，用三线束连接到XP8连接器。 热敏电阻RK2用夹紧支架固定在散热器上。 微控制器程序可以从 ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/03/weld.zip 下载。 作者：A.扎尔科夫
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