Импульсный электродуговой сварочный аппарат

Идея создания небольшого, компактного, лёгкого, но в то же время достаточно "приличного" по параметрам сварочного аппарата родилась в нашем коллективе ещё в далёком 1994-м году. Однако, наша частичная безграмотность и неосведомлённость не позволила нам решить проблему ,так сказать, "с ходу". Единственное, что мы знали, что напряжение холостого хода у всех "обычных" аппаратов - около 60-ти вольт, а токи достигают 150-200 ампер. Но... но тут мы узнали, что идея наша не нова, и некоторые уже для себя её давным давно решили. На кафедре Электрооборудования Самолётов и Автомобилей в Московском Энергетическом Институте Андрианом Борисовичем Опаровым (был там такой мужик ) был изготовлен электродуговой сварочный аппарат, который при токе сварки от 30-ти до 80-ти ампер имел вес всего 7.5 кг и запросто умещался в дипломате. Некоторые скажут: "Маловато! маловато будет!". А что, для того, чтобы варить автомобиль вполне достаточно, да и забор на даче в случае чего подварить хватает... Главное, что этот аппарат можно было подключать в обычную бытовую розетку ~220 вольт! (КПД то больше 85%).
Из этических соображений схема А.Б.Опарова на данном сайте не публикуется.

Аппарат А.Б.Опарова послужил прообразом для воплощения нашей идеи. Естественно, что в первоначальную схему было внесено масса изменений.
Во-первых, возбуждение преобразователя было сделано от внешнего генератора (в схеме А.Б.Опарова преобразователь "самовозбуждающийся" с насыщающимся выходным трансформатором).
Во-вторых, добавлена схема "мягкого" запуска (для предотвращения перегорания диодов сетевого выпрямителя в момент включения в сеть).
В-третьих, для измерения тока первичной обмотки (а вместе с ним и во воторичной) был применён компаратор 554СА3 (в схеме А.Б.Опарова компаратор был собран на транзисторе КТ315 и тиристоре КУ112).
В-четвёртых, были разделены выходные обмотки и выходные выпрямители.

После всех доработок, изменений и расчётов в конвульсиях и мучениях нашим небольшим коллективом, а именно Начальником Штаба Революционных Матросов O и нашим ЗАМпоТЫЛом (то есть Максом) была рождена следующая схема, которую мы приводим ниже.
Не пугайтесь особо, что всё так мелко нарисовано. Схему с более крупным разрешением можно получить, если щелкнуть мышью маленькой схемке

Преобразователь. Силовая часть
сварочного аппарата

Здесь приведена так называемая "силовая" часть. Часть схемы "мягкого" запуска .
Для более детального просмотра кликните по схеме. Спецификации деталей будут указаны ниже.
Схема управления. 
 (задающий генератор, компаратор, схема запуска) Здесь приведена схема управления и часть схемы запуска. (другая часть показана на предыдущей схеме).
Для более детального просмотра кликните по схеме. Спецификации деталей будут указаны ниже.
Внимание!
Имеется чертеж печатной платы и схема размещения деталей для последней версии схемы.


Извините за низкое качество изображения.
 После фотографирования  пришлось немного 
 поработать ''Фотошопом'', для того, чтобы можно 
 было хоть что-то рассмотреть На картинке не показаны :
корпус устройства с дополнительными вентиляторами
элементы крепления к корпусу
плата управления (крепится на корпусе устройства и соединяется гибким жгутом к плате управления токовыми ключами)
разъём "сварочного тока"
сетевой фильтр и предохранительный автомат (крепятся на корпусе устройства)

Как известно, напряжение на дуге в режиме сварки обычно составляет около 20-24 вольт. В режиме разрезания металла напряжение может достигать и 30-36 вольт. Для поддержания дугового разряда достаточно не очень высокого ннапряжения пробоя, всего несколько вольт. Но для нормальной "поддержки" дугового разряда время деионизации молекул газа (воздуха, продуктов "горения") в зоне дуги должно быть значительно больше времени восстановления напряжения пробоя ионизированного газа. Для сухого воздуха со стандартным атмосферным давлением это время составляет около 50-ти миллисекунд. Для восстановления дуги при таких условиях необходимо напряжение пробоя выше 25-30ти вольт
"Обычный" сварочный аппарат (трансформаторный) работает от сети переменного тока частотой 50 герц, при этом время восстановления дуги не может превышать 20-25ти миллисекунд. По причине этого сварочные аппараты переменного тока обычно имеют напряжение холостого хода 60-80 вольт. Время восстановления в среднем составляет 25-35 миллисекунд. Для увеличения стабильности дуги желательно, чтобы источник (в данном случае трансформатор) имел достаточно большую индуктивность. Но, с другой стороны, увеличение индуктивности сварочного трансформатора ведёт к увеличению его реактивного сопротивления, а значит к уменьшению тока на дуге. Очень часто сердечник сварочного трансформатора выполняют ввиде незамкнутого магнитопровода с регулируемым зазором. По этим причинам сварочные аппараты переменного тока имеют достаточно узкий диапазон регулировки тока, большие габариты, вес и низкий КПД.
У аппаратов постоянного тока элементом стабилизации тока служит отдельный дроссель (иногда два дросселя). Время восстановления дуги у таких сварочных аппаратов может быть сокращено до 10-25 миллисекунд, за счёт этого напряжение холостого хода может быть понижено до 40-50 вольт. Казалось бы: теперь индуктивность стабилизируещего дросселя можно увеличивать и увеличивать, но... при слишком большой индуктивности дросселя становится достаточно трудно зажечь дугу, возникает так называемый "эффект прилипания электрода".
Чтобы добиться хорошей стабильности дугового разряда и хорошего "зажигания" желательно, чтобы индуктивность стабилизирующего дросселя была низкой (для быстрого увеличения тока в момент зажигания) и частота тока была как можно выше (чтобы уменьшить время восстановления дуги).
Как известно, в промышленной электросети напряжение переменного тока составляет 220 вольт, а частота - 50 герц, и с этим приходится мириться... Увеличить частоту переменного тока можно только используя выпрямитель и преобразователь напряжения.
Также, по причине того, что трансформатор сварочного аппарата кроме активного сопротивления имеет также и реактивное (без нагрузки трансформатор работает как индуктивность), то даже при отсутствии тока во вторичной обмотке, через первичную обмотку всё равно протекает достаточно большой ток. Хотя при "холостом ходе" сварочный аппарат потребляет не очень большое количество энергии, реактивная составляющая тока может быть достаточно велика. При работе аппарата вектора "реактивного" и "активного" токов складываются, и суммарный ток может достигать значительных величин. По этой причине обычный сварочный аппарат нельзя подключать к бытовой электрической розетке, так как электрические провода должны иметь достаточно большое сечение, и предохранительные "автоматы" должны быть расчитаны на большой ток (до 50-ти и более ампер).
Габариты и масса стандартных сварочных аппаратов также не позволяют использовать их в качестве переносных. При работе, для того, чтобы не переносить сам аппарат, сварщики просто используют длинные соединительные провода. Сечение таких проводов доходит до 20-ти и более кв.мм. Естественно, что и стоимость самих соединительных проводов (в денежном эквиваленте) может быть сопоставима со стоимостью самого сварочного аппарата.
Также любой сварочный аппарат имеет такой параметр, как КПВ, выраженный в процентах (отношение: время работы/время остывания + время работы). В редких случаях данный параметр превышает 80%, чаще всего встречаемый параметр КПВ=50% (тут имеются ввиду режимы максимальных токов). Многие производители указывают кроме КПВ также и продолжительность непрерывной работы, которая иногда не превышет дву-трёх минут.

Сварочный аппарат постоянного тока, собранный по схеме [ВЫПРЯМИТЕЛЬ->ВЧ.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ->ВЫПРЯМИТЕЛЬ+ДРОССЕЛЬ] лишён указанных недостатков.
В силу того, что отсутствуют реактивные токи в питающей сети, а при работе аппарата практически 85% энергии "идёт в дело", данный аппарат можно безболезненно подключать к обычной бытовой розетке, не беспокоясь о том, что проводка может перегореть (потребляемая аппаратом мощность при максимальных режимах работы немногим больше превышает мощность бытового электроутюга).
КПВ у такого аппарата, если и не 100%, то, во всяком случае, где-то рядом, да и продолжительность непрерывной работы намного больше, чем 20 минут.
Если учесть вес аппарата - не более 10-ти кг -, то отпадает необходимость в длинных соединительных проводах, гораздо проще просто поднести аппарат к месту работы. Сечение проводов также можно уменьшить. Для "сварочных" проводов достаточно сечения 12 кв.мм. (при длинне 2-3 метра), а в качестве "питающих" проводов вполне можно употреблять бытовые электроудлинители, важно только, чтобы максимальный ток для выбранного удлинителя был не менее 10-ти ампер.

Принципиальная схема сварочного аппарата представлена выше.
Принцип работы данного сварочного аппарата - стабилизация тока дуги методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Частота преобразователя составляет 18-25 килогерц (в зависимости от настроек). Напряжение "холостого хода" - 40-45 вольт, ток от 30 до 120 ампер. КПД - не менее 80% (!!!).
Сварочный аппарат состоит из нескольких основных узлов:

    1. Основной выпрямитель сетевого напряжения с фильтрами
    2. Схема "мягкого" включения
    3. Устройство питания схемы управления и запуска
    4. "Силовая" часть преобразователя
    5. Схема измерения тока и управления ШИМ
    6. Выходной выпрямитель с фильтрами

Немного подробнее о работе узлов здесь

Внимание!
В последнюю версию внесены небольшие значительные изменения,
о которых будет рассказано на другой странице проэкта.

Кстати, о птичках. Собирая как-то раз одну из действующих моделей, мы столкнулись
с некоторыми проблемами , о которых я попытаюсь немного рассказать.

Создано при помощи 
SNK VH Workshop