|
СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 51-100
Сварочный аппарат на симисторе с фазоимпульсным управлением
А. АТАПКОВ, г. Санкт-Петербург
Журнал "Радио" в последние годы поместил ряд статей, посвященных вопросам ручной электродуговой сварки. Основное внимание авторы этих материалов уделяли электронному управлению сварочным током и формированию его "падающей" характеристики. В публикуемой ниже статье описан еще один вариант сварочного аппарата.
При проектировании этого аппарата была поставлена задача — создать предельно простой узел управления сварочным током, не содержащий дефицитных деталей и легко повторяемый в любительских условиях. В основу узла положен метод фазоимпульсного управления мощным симистором с подпиткой сварочной дуги [1].
Для пояснения этого метода рассмотрим идеализированную схему регулятора, показанную на рис. 1.
Идеализация состоит в условном отсутствии индуктивности рассеяния в сварочном трансформаторе Т1 и использовании для подпитки дуги резистора Rn. На рис. 2 изображены соответствующие диаграммы тока и напряжения.
На схеме изображен сварочный трансформатор Т1, первичная обмотка которого питается от сети напряжени
ем Uc через симистор VS1. Вторичная обмотка нагружена сварочной дугой, обозначенной как Rн.
В каждом полупериоде сетевого напряжения (180 град.) симистор открывается на определенный отрезок времени Q (фи) (в угловом выражении). При изменении угла Q (фи) изменяются напряжение и ток во вторичной цепи.Эту зависимость принято называть регулировочной характеристикой. При отсутствии цепи подпитки она выглядит так, как показано на рис. 3. Здесь по вертикальной оси отложены отношения текущих значений тока к максимальному.
Как видно из диаграммы 2 на рис. 2, при импульсном методе управления симистором в течение начальной части полупериода а = 180-Q(фи) ток через нагрузку отсутствует. Это приводит к неустойчивости горения сварочной дуги, ухудшению качества сварочного шва, а при малых значениях угла Q (фи) — к невозможности зажигания дуги.
Для того чтобы исключить указанные недостатки, в аппарат вводят резистор подпитки Rn. Форму тока в первичной цепи при наличии этого резистора иллюстрирует диаграмма 3 на рис. 2. Видно, что теперь в течение начальной части полупериода а(альфа) через обмотку протекает подпитывающий ток. Его устанавливают минимально необходимым для поддержания горения дуги (при ручной сварке штучным электродом достаточно тока 15 А [1]). Резистор подпитки позволяет обеспечить независимость напряжения холостого хода аппарата от угла Q (фи), что является условием надежного зажигания дуги.
На практике сварочный трансформатор выполняют так, чтобы его индуктивность рассеяния была большой, катушки с первичной и вторичной обмотками размещают на магнитопроводе раздельно. Это ограничивает ток замыкания выходной цепи трансформатора.
Говоря иначе, нагрузочная характеристика трансформатора имеет падающий характер [2].
Для исключения больших потерь мощности на резисторе подпитки его заменяют дросселем. При этом во вторичной обмотке между напряжением и током появляется фазовый сдвиг, также позитивно сказывающийся на режиме сварки. В моменты, когда сварочный ток проходит через "нуль", напряжение на дуге близко к максимальному, поэтому повторное зажигание дуги облегчается.
На рис. 4 показаны нагрузочные характеристики аппарата при различных значениях угла Q (фи) без дросселя (а) и с дросселем (б).
Вид кривых при Q (фи) = 180 град., когда дроссель не работает, поскольку оказывается шунтированным симистором, определяет индуктивность рассеяния трансформатора. Кривая А на рис. 4,б — нагрузочная характеристика цепи подпитки. Ее форму определяет индуктивность дросселя подпитки.
Разработанный мною сварочный аппарат с подпиткой дуги имеет следующие технические характеристики:
Напряжение питающей сети, В.................................220
Максимальный потребляемый от сети ток, А.............50
Пределы регулирования сварочного тока, А.............50...180
Ток подпитки при замыкании сварочной цепи, А .....30
Напряжение холостого хода сварочной цепи, В ........65
Продолжительность включения, %, при максимальном сварочном токе ......20
Род сварочного тока — переменный и постоянный.
Принципиальная схема аппарата представлена на рис. 5.
Аппарат состоит из сварочного трансформатора Т2, дросселя подпитки L1, узла фазового регулирования сварочного тока (DA1, Т1, VD1, VS1) и выпрямителя сварочного тока VD3—VD6 с дросселем фильтра L2.
Основными элементами узла фазового регулирования сварочного тока служат гибридный фазовый регулятор DA1 и управляемый им мощный симистор VS1. В аппарате использован симистор ТС 125, который может быть заменен более современным унифицированным ТС161-125. Как известно, способность симисторов к управлению, в зависимости от полярности коммутируемого напряжения и управляющих импульсов, принято характеризовать квадрантами декартовой системы координат, в которых может находиться рабочая точка приборов (рис. 6).
В описываемом аппарате симистор работает в квадрантах 1 и 2 (следует заметить, что некоторые справочники по мощным симисторам прошлых лет издания содержат ошибочную информацию об особенностях управления симисторами серий ТС125 и ТС161).
Для обеспечения этого условия применены согласующий трансформатор Т1 и мостовой выпрямитель VD1. Элементы R3, R4 формируют необходимую характеристику узла управления. Стабилитрон VD2 ограничивает амплитуду управляющих импульсов, вырабатываемых фазовым регулятором DA1.
В процессе разработки и изготовления аппарата были испытаны около двух десятков тринисторов указанных типов. Неспособных к работе в аппарате выявлено не было. Однако в некоторых случаях подборка симистора все же может потребоваться.
Узел управления аппарата сохранял управляемость и постоянство угла Q (фи) при снижении напряжения питания до 100 В. При отрицательной температуре окружающей среды испытания не проводились.
Схема включения фазового регулятора DA1 (PR1500s) [3] особенностей не имеет. Нагрузка регулятора — активная, ею служит лампа накаливания
мощностью 60 Вт. Импульсы управления, снимаемые с узла регулирования, точно синхронизированы с частотой сети и имеют длительность, пропорциональную углу Q (фи). Это обеспечивает надежное открывание симистора VS1, нагрузка которого представляет собой значительную индуктивность, особенно на холостом ходу [4].
Сварочный трансформатор рассчитан по методике [2]. Коэффициент трансформации — 3,4; максимальная плотность тока в обмотках — 8 А/мм2, что обеспечивает относительную продолжительность включения 20 % при сварочном токе 180 А. Магнитопровод ПЛ50х60х150 изготовлен из холоднокатаной стали. Расположение обмоток на нем схематически показано на рис. 7.
Первичные полуобмотки I.1 и I.2 намотаны медным проводом сечением 8 мм2 (4x2 мм) в стекловолоконной изоляции и включены последовательно согласно. Число витков каждой полуобмотки — 102. Вторичные полуобмотки II.1 и II.2 намотаны медным проводом прямоугольного сечения 7х 1,7 (12 мм2) в такой же изоляции; полуобмотки включены параллельно согласно. Число витков каждой вторичной полуобмотки — 60.
Параллельное включение вторичных полуобмоток удобно тем, что появляется возможность сварки от одной полуобмотки в тех случаях, когда не требуется сварочный ток более 90 А. Индуктивность рассеяния трансформатора в этом случае больше и, значит, позволяет использовать режимы с большими значениями угла Q (фи).
Однако параллельное включение полуобмоток требует высокой степени их идентичности во избежание появления уравнительного тока. В первую очередь одинаковыми должны быть число витков и длина провода полуобмоток; обе полуобмотки необходимо наматывать проводом с одной катушки.
В качестве межслойной изоляции я использовал кабельную бумагу. Все полуобмотки выполнены бескаркасными, поэтому снаружи обмотаны хлопчатобумажной лентой и пропитаны битумным лаком БТ-577.
Дроссель подпитки L1 намотан на магнитопроводе ПЛ25х50х100 от трансформатора ТС-330 старого цветного телевизора, от него же использованы и каркасы. Обмотки, включенные параллельно согласно, содержат по 500 витков провода ПЭЛШО 1,35 каждая. При сборке магнитопровода необходимо между его половинами обеспечить немагнитный зазор 6...12 мм.
Окончательно зазор устанавливают опытным путем. Для этого собирают дроссель с прокладками толщиной 6 мм между половинами магнитопровода, обмотки включают параллельно согласно и подключают к сети через амперметр на 20 А. Если амперметр показывает ток в цепи менее 10...12 А, дроссель разбирают и заменяют прокладки на более толстые. Немагнитные прокладки можно изготовить из электрокартона, гетинакса, текстолита.
Максимальная плотность тока в обмотках дросселя L1 достигает 3,3 А/мм2 при
зажигании дуги, а при сварке она не превышает 1,65 А/мм2.
Дроссель фильтра L2 изготовлен согласно рекомендациям в [5] и служит для сглаживания пульсаций сварочного тока. Магнитопровод дросселя такой же, как и у L1. Две обмотки по 30 витков включены последовательно согласно. Намотаны они без каркаса в два провода, каждый сечением 12 мм2 (таким же, как вторичная обмотка сварочного трансформатора). Половины магнитопровода собирают с немагнитным зазором 0,3...0,5 мм.
Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе УШ 16x32 (от кадрового трансформатора ТВК-70 старых телевизоров). Первичная обмотка (на 220 В) содержит 2000 витков провода ПЭВ-2 0,12, вторичная (на 20 В) — 200 витков провода ПЭВ-2 0,47.
Переменный резистор R1 (см. рис. 5) — СП-la — служит для регулирования сварочного тока (угла Q (фи)). Корпус резистора следует изолировать от корпуса аппарата. Ручка резистора должна быть пластмассовой. Ее надо снабдить стрелкой-указателем сварочного тока и шкалой в амперах, вид которой показан на рис. 8. С опытом значение сварочного тока удается с достаточной для практики точностью определять по яркости свечения лампы HL1.
Следует учитывать, что все элементы первичной цепи сварочного трансформатора находятся под сетевым напряжением. Это требует осторожности при эксплуатации, осмотре и при ремонте сварочного аппарата.
Выпрямитель сварочного тока VD3— VD6 особенностей не имеет. Диоды установлены на серийные теплоотводы (охладители) 0171-80. На таком же теплоотводе смонтирован и симистор VS1.
Описываемый сварочный аппарат потребляет от сети ток до 50 А. Часто задают вопрос: выдержит ли сеть такую нагрузку? Конечно же, для обеспечения высокого качества сварочных швов и удобства в работе сеть должна иметь сопротивление проводов, позволяющее нагружать ее необходимым током. На этот ток должны быть рассчитаны автоматы защиты, счетчик электроэнергии и контактные соединители. Необходимые консультации на этот счет необходимо получить в местном отделении организации, управляющей электросетями.
Следует понимать, что шкала регулятора сварочного тока любого сварочного аппарата истинна только при питающей электросети высокого качества. Только опытные сварщики могут определить требуемый сварочный ток "на глаз". Поэтому здесь ограничимся лишь общими рекомендациями.
В случае, если сварка не получается — ток мал даже при установке регулятора на максимум, — значит, сопротивление сети (петли "фаза-ноль") велико и сварка невозможна. Придется поискать другое место для подключения аппарата.
Оценить возможность подключения к сети мощной нагрузки можно следующим простым способом. Сначала измеряют напряжение сети Ucх без нагрузки. Затем подключают электроутюг мощностью 1000 Вт и еще раз измеряют напряжение сети Ucн. По разности дельта Uс = Ucх - Ucн можно определить сопротивление петли "фаза-ноль" и максимально возможный сварочный ток в этой сети, см. таблицу.
Проведенные испытания описанного сварочного аппарата показали, что по качеству сварки он превосходит все известные мне недорогие бытовые модели промышленного производства. При использовании универсальных электродов (для сварки на переменном и постоянном токе), таких как, например, ОЗС-12, АНО-21, МР-3, качество шва высокое.
Сварка электродами для постоянного тока также возможна, но менее комфортна, что объясняется значительными пульсациями выпрямленного сварочного тока. Получить постоянный сварочный ток высокого качества возможно только с дросселем фильтpa, по размерам, соизмеримым со сварочным трансформатором [1]. Основное преимущество однополярного сварочного тока — возможность сваривать тонкие детали током обратной полярности (плюс — на электроде). При этом изделие меньше нагревается и меньше становится вероятность прожогов.
Не стоит приобретать дорогие импортные электроды — отечественные позволяют выполнять все виды сварки
в быту с хорошим качеством. Необходимо только хранить их в сухом месте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Закс М. И., Каганский Б. А., Печении А. А. Трансформаторы для электродуговой сварки. — Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с. 136.
2. Володин В. Сварочный трансформатор: расчет и изготовление. — Радио, 2002, № 11, с. 35, 36; № 12, с. 38, 39.
3. Долгий А. Регуляторы мощности PR1500, PR1500i, PR1500S, PRP-500. — Радио, 2004, № 11, с. 47, 48.
4. Тиристоры (Технический справочник). Пер. с англ., под ред. Лабунцова В. А., Обухова С. Г., Свиридова А. Ф. Изд. 2-е, доп. — М.: Энергия, 1971.
5. Клабуков А., Бабинцев С. Доработка сварочного аппарата. — Радио, 2002, № 4, с. 42.
Редактор — Л. Ломакин, графика — Л. Ломакин
Радио №1 2007 г.
|
