电子焊接电流调节器。方案、说明

电子焊接电流调节器。无线电电子电气工程百科全书

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这篇文章的作者分享了他为多工位电焊创建电子焊接电流控制器（ERST）的经验。如今，专门从事焊接设备领域的公司生产多种型号的 ERST。但它们的成本很高，有时会让人质疑使用这些设备的经济效率。例如，Lincoln Electric 的 ERST Multi-Weld 350 成本超过 3000 美元。所提出的设备比类似设备便宜得多，并且由于其接近 100% 的效率，即使采用单班制操作，也只需通过节能，就能在一年内获得回报。它提供了为所执行的工作选择最佳负载特性的可能性，确保了焊接的最佳质量，实际上消除了金属飞溅。配备降压变压器和足够功率的整流器，ERT 还可以成为家庭车间焊机的基础。

在电焊占据技术周期主要地位之一的工业企业（例如造船厂和修船厂），传统上采用多工位焊接。多个焊接作业（岗位）由一个强大的直流或交流电源供电，电压为 50 ... 负载特性和焊接电流调节。这种焊接工作组织方式的优点是简单、安全、节省生产空间和设备。不幸的是，系统的整体效率不超过 80...30%，因为变阻器以热量的形式耗散了很大一部分能量。

现代电子学的成就使制造 ERST 成为可能 - 一种镇流器变阻器的功能模拟，具有改进的性能和接近 100% 的效率。这不仅节省能源，还允许您将更多焊接站连接到一个电源源不超过其负载能力。

传统的焊接变压器仅针对某些类型的焊接（手动、半自动、自动、自耗电极、非自耗电极）而设计。直到最近，通用源的创建仍受到阻碍，因为其外部特性主要由变压器的设计决定。为了获得刚性负载特性，变压器绕组制成圆柱形，下降绕组制成圆盘。通过使用特殊设计的磁放大器和变压器（带有磁分流器）可以实现一定的灵活性，但这必须通过显着增加源的质量和尺寸来实现。在电子焊接电源中，任何所需类型的负载特性不是通过参数形成的，而是通过负载电压和电流的反馈形成的。

所提出的 ERST 的效率至少为 92%。它在 50...80 V 的主电源电压下工作，允许以 10...315 A 的电流进行连续焊接。允许焊接电流短期增加至 350 A。可操作调整斜率提供从陡降到硬的负载特性。这使得 ERST 适用于手动和半自动焊接。装置设有电源电压极性错误、过度升降、过流、过热保护，保证了生产条件下的可靠运行。

ERST 的工作原理是借助半导体断流器将恒定输入电压转换为占空比可调的脉冲，然后进行滤波 - 选择脉冲的恒定分量。由于断续器的场效应晶体管在打开状态下的电阻很小，而在关闭状态下的电阻很大，所以它们消耗的功率相对较小。

ERST方案如图1所示。 1. 端子 X2 连接到主电源的正极。其负极与HZ线夹连接到待焊接的部位，起到普通导线的作用。焊接电极夹具连接至端子 XXNUMX。

（点击放大）

电容器C1、C2和C3-C22消除了源的输出阻抗和连接线的电感对ERST操作的影响。在向 ERST 施加电压后，这些电容器立即开始通过限流电阻器 R2 和位于充电和电源电压控制单元 (A2) 中的二极管充电。当电容器充满电并且 X1 和 XZ 端子之间的电压正常 (50 ... 80 V) 时，HL1“就绪”LED 亮起，并且 A2 块内的继电器被激活，闭合触点ERST 开关电路的电源电压。

要打开它，只需按 SB1“开始”按钮即可。触发的 KM1 接触器将绕过具有 KM 1.1 触点的按钮。通过闭合的电源触点KM1.2，电源电压将绕过充电电路提供给电容器C1-C22。由于电阻器 P1，KM1 接触器将保持触发状态（并且 ERST 开启），直到按下 SB2“停止”按钮。如果在 ERST 运行期间输入电压超出允许的限值，则 A2 块继电器的断开触点将关闭 ERST。

在包含的ERST中，电源单元A1将工作。它用于获得为 A3 和 A4 单元供电所需的电隔离电压。此外，模块 A1 生成 220 V 50 Hz 的三相电压，供 M1 和 M2 风扇吹动强大半导体器件的散热器。

ERST的主要功能单元——降压转换器——由开关晶体管（一组场效应晶体管VT1-VT20）、放电二极管（并联的VD9-VD48）和平滑滤波器（扼流圈）组成。 L1，电容器组 C27-C36)。那些希望更详细地了解转换器操作的人可以推荐使用文献[1, 2]。

绝缘栅场效应晶体管具有正的开沟道电阻温度系数。这种情况有利于晶体管之间电流负载的均匀分布，从而允许它们并联连接。电阻器R3-P.22抑制控制电压的寄生振荡。

二极管KD213B构成变换器的放电二极管，其特点是反向电阻恢复时间较长。有时，当开关打开时，它们没有时间完全关闭。为了避免不良后果，晶体管和二极管通过变压器 T1 的绕组 I 分开，其电感 (1,7 μH) 限制“通过”电流的上升速率，防止其达到危险值。放电二极管完全关闭后，变压器磁场中积累的能量将返回电源——变压器绕组II中感应的脉冲将通过VD1二极管对电容器C2和C8重新充电。当负载急剧下降时，VD49-VD54 二极管的 ERST 电池将恢复（返回源）电感器 L1 磁场中积累的能量。

模块 A4 测量 ERST 的输出电流和电压，并生成控制脉冲，改变其占空比，从而提供由控件“斜率”和“电平”指定的 ERST 负载特性形式。这些脉冲通过模块 A3，将其功率放大，然后馈送到开关晶体管 (VT1-VT20) 的栅极。此外，块A3包含保护单元，该保护单元禁止开关晶体管打开，直到变压器T1的再生周期结束并且在过热的情况下。它由 HL2 LED 发出信号。

电容器C1和C2为氧化物K50-18，其余为薄膜K73-17。功率图中所示的电阻器 R1、R2 - PEV-25、R3-R32 - MLT。电阻器 R33 是连接到 75 A 电流表的统一外部分流器 500SHISV-500。额定电流为额定电流且额定电流为 75 mV 时压降的其他类型的分流器也适用。焊接电流回路中包含配备大直径螺栓的强大分流引线。所有其他电路的电线都用较小直径的螺栓连接到测试引线。

晶体管VT1-VT20和二极管VD9-VD48安装在两个散热器上，每个散热器的有效表面积为3400cm2。风扇 M1 和 M2 - 1,25EV-2,8-6-3270U4，总容量为 560 m3/h，吹散热片。在风扇产生的气流中，还有电阻器 R23-R32，它们会消耗大量功率。

KM1 接触器取自 KEMPPI LHF-500 振荡器。其绕组重绕至 50 V 电压（原绕组额定电压为 24 V）。您可以使用另一个可以切换至少 200 A 直流电流的接触器（例如，电动汽车中使用的接触器）。在极端情况下，第四或第五级的统一电磁启动器是合适的，所有组电源触点其中并联连接。

选择接触器后，需要测量其工作时的直流电压 Uc。如果明显低于 50 V 或高于该值，则必须重绕接触器绕组。拆下现有绕组，数出其匝数w，并测量线径d。新值由以下公式计算：

变压器T1绕在由电子管TV系列UNT2000/110的线路变压器TVS110AM（TVS47LA）的M59NM铁氧体制成的U形磁芯上。将3毫米厚的非磁性垫片插入磁路的每个接头中。初级绕组——一束236根漆包线，直径为0,55毫米，绕两匝。次级绕组 - 一束 16 根相同电线的 XNUMX 匝。为了确保绕组之间的最大连接，次级绕组放置在初级绕组中。为防止匝间或绕组间短路，次级绕组线束在绕制前必须用漆布胶带或氟塑料薄膜进行保护。

电感器L1-Sh32x80的磁路由厚度为0,35mm的变压器钢片制成。油门绕组为一束330根直径为0,55毫米的漆包线八匝。磁芯端对端组装。将 1,6 ... 1,7 mm 厚的非磁性垫圈插入其间隙中。

A1块

ERST 电源框图如图 2 所示。 15. 通过保护单元的不稳定输入电压提供给线性稳定器，该线性稳定器为该块的所有低功率单元提供 36 V 电压，并提供给开关调节器，其输出是 12,5 V 直流电压，桥式逆变器转换成大约 XNUMX kHz 的交流频率。如果由于故障或失效而导致开关调节器的输出电压超过允许值，上述保护节点将关闭该装置。

电子焊接电流控制器

具有稳定电压的半桥逆变器的供电为变压器T1的次级绕组提供了组电压稳定。整流器 1 和 2 与公共 ERST 线隔离，并且彼此隔离给块 A4 和 A3。三相逆变器将来自整流器270的输出的DC电压3V转换为AC三相220V、50Hz，以向吹强大半导体器件ERT的散热器的风扇供电。

[3] 中使用的节点充当开关稳压器强大级的原型。其简化图如图所示。 3.将正极性控制脉冲馈送到晶体管VT2的基极。在它们之间的暂停期间，该晶体管闭合，并且在暂停之前的脉冲期间充电的电容器C1的电压通过电阻器R3以开路极性施加到晶体管VT2的栅极-源极部分。晶体管 VT1 开路，流过其沟道和电感器 L1 的上升电流对电容器 eC3 充电。电容器C2积累的能量部分用于对晶体管VT1的栅源电容充电。需要二极管VD1来防止电容器C2通过晶体管VT1放电。

电子焊接电流控制器

晶体管VT2通过控制脉冲打开，将晶体管VT1的栅极连接至公共线。后者关闭，电感器 L1 的电流减小，继续流过打开的二极管 VD2。此状态下晶体管VT1源极和电容器C2右极板（如图所示）的电压等于VD2二极管两端的直流压降，相对于公共线为负。电容器C1沿VD2R2电路充电。

有许多微电路用于控制单端和推挽逆变器的场晶体管和双极晶体管。但通常它们的输出信号“绑定”到公共线的电位，这使得在桥式和半桥逆变器中使用此类微电路存在问题。事实上，这种逆变器的输出级的“上”晶体管的控制电极处于相对于公共线的大的且通常是交变的电压之下。

由于成本高昂，桥式和半桥逆变器[4]的芯片驱动器尚未在无线电爱好者中普及。他们更喜欢以自己的方式解决这个问题，通常使用控制电路的光学或变压器隔离 [5, 6]。

然而，这种脱钩并不是必要的。一种可能的半桥逆变器的方案，其控制电路没有它，如图 4 所示。 1. 反相脉冲序列Uy2和UyXNUMX来自SHI控制器。

电子焊接电流控制器

根据该方案组装的组件的主要缺点在于，其仅当电源电压Up1不超过场效应晶体管VT3的栅极和源极之间的最大允许电压时才可操作。事实是，由于有源感性或有源容性负载的反应，晶体管VT3源极的电压可能滞后或超前于控制栅极的相位，从而导致出现短时电压。负栅源电压脉冲，其幅度达到电源电压Up1。

上图。图5示出了纠正所指出的缺陷的附加元件。二极管 VD2 在晶体管 VT3 的栅极和源极之间以负电压极性打开，将其限制在非常低的水平，等于开路二极管两端的直接电压降。过高的电压会熄灭电阻器 R8。

电子焊接电流控制器

在这种情况下，电容器C1通过二极管VD1直接从电源充电。电阻器 R4（见图 4）无用地消耗了大量功率，因此被排除在新版本的节点之外。

文学

Nyvelt G. 等人，REA 的电源。目录。 - M.：无线电和通信，1986 年，第 306 页。 328-XNUMX。
Semenov B. 面向业余爱好者和专业人士的电力电子技术。莫斯科：Solon-R，2001 年，第 126-140 页。
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国际整流器公司简短目录，50 周年纪念版。 1997 年 136 月，第 139 页。 XNUMX-XNUMX。
Dubrovsky A.三相异步电机旋转频率调节器。 - 广播，2001 年，第 4 期，第 42、43 页。
领域 I. 为家用设备供电的转换器。 - 广播，2003 年，第 1 期，第 29 页32-XNUMX。

作者：V.Volodin，乌克兰敖德萨

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