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溶接電流のインバータ電源。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
溶接、鋳造、亜鉛メッキおよびその他の作業には、強力な特殊な電圧または電流源 (特殊な形状の場合もあります) が必要です。 このような情報源の構造を分析すると、それらの機能スキームが実質的に一致していることがわかりました。 この記事では、ユニバーサル マイクロコントローラー制御モジュールに基づくブリッジ型電圧コンバーターの実装例を示します。 このコンバータは、インバータ溶接電流源だけでなく、誘導加熱システム、電子機器用の無停電電源装置、電気めっき用電源、周波数変換器、超音波発生器用電源などにも適しています。 提案された溶接電流のインバータ電源は 170 ～ 240 V の AC 電圧で駆動され、稼働時間の 150% で最大 70 A の負荷電流に耐えるように設計されています。 この電源と古典的な電源の主な違いは、別個の蓄積コンデンサ充電ユニットがないこと、および制御ユニット回路を変更せずに、マイクロコントローラープログラムを置き換えるだけでさまざまな問題の解決に適応できることです。 機能的には、溶接電源は、コンポーネントの電源、トリニスタ制御整流器、光絶縁制御ユニットを備えた高周波 IGBT ブリッジ インバータ、および外部溶接ユニットで構成されます。 リストされたブロックの概略図を図に示します。 1. 整流器とインバーターは、マイクロコントローラー制御管理ユニットによって制御および制御されます。その回路は図に示されています。 2. これらの図の要素の番号は連続しています。
回路ブレーカー SA1 の接点が閉じると、AC 主電源電圧がダイオード VD1、VD5 と主電源整流器のダイオード VD11、VD12 で構成されるダイオード ブリッジに供給されます。 整流された電流は、コンデンサ C4 を主電源電圧の振幅まで充電します。 サーミスタ RK1 JNR10S470L は充電電流を制限します。 コンデンサ C1 からの電圧は、抵抗 R2、R5、R6、および R4 を介して、電圧コンバータ コントローラ DA1 TOR233R の電源回路に入ります。 開始の瞬間からコンデンサ C10 の電圧が 5 V に上昇するまで、DA1 マイクロ回路は自励発振モードで動作します。 この電圧に達すると、並列統合レギュレータ DA2 TL431ALP の出力回路が開き、抵抗 R9 とフォトカプラ U1 の発光ダイオードに電流が流れます。 このフォトカプラの開いたフォトトランジスタは DA1 マイクロ回路の制御回路を閉じ、その出力キーが確実に閉じられ、パルストランス T1 の磁気回路でのエネルギーの蓄積が停止します。 このキーが閉じている限り、変圧器の二次巻線を介して蓄積されたエネルギーが負荷に入ります。 すべての二次巻線は、互いに電気的に、また主電源からも電気的に分離されています。 TOPSwitch-FX ファミリ デザイン フレキシブル、EcoSmart®、統合オフライン スイッチャーの操作の詳細については、pdf.datasheetbank.com/pdf/Power-Integrations/233 232.pdf を参照してください。 制御および監視ユニットは、DD1 ATmega48-20AU マイクロコントローラーで作成されています。 C34R59 回路は、安定した電源電圧レベルが確立されるまでマイクロコントローラーの起動を遅らせます。 この回路によって生成されたパルスが終了すると、マイクロコントローラーの内部クロック RC ジェネレーターが 8 MHz の周波数で動作を開始します。 この周波数は、マイクロコントローラー構成をプログラミングするときに設定されます。 抵抗器 R34 および R35 を介した主電源正弦波電圧は、VD24 ダイオード ブリッジに供給されます。 整流された脈流は、抵抗器 R7 によって分路されたフォトカプラ U38 の発光ダイオードを通って流れます。 主電源電圧の瞬時値がゼロを通過する付近で、発光ダイオードを流れる電流がしばらく停止し、フォトカプラ U7 の出力トランジスタが閉じます。これにより、入力に論理レベルの高いクロック信号が供給されます。マイコンDD2のPD1。 このイベントを処理する際、マイクロコントローラーは、指定された遅延をもって PB3 出力にロー レベル信号を設定します。 これにより、フォトカプラ U2 の発光ダイオードと抵抗 R14 で構成される回路に電流が流れます。 フォトカプラ U2 のフォトトランジスタが開き、抵抗 R15 からの信号によって p チャネル電界効果トランジスタ VT1 が開きます。 開いたトランジスタと抵抗器 R16 および R17 を介して、VD12 ダイオードの整流器からの + 6 V 電圧がトリニスタ Vs1 および VS2 の制御電極の回路に入ります。 トリニスターズがオープン。 AC主電圧は、ダイオードVD11およびVD12とトリニスタVS1およびVS2によって形成されるパワーブリッジ整流器にも供給されます。 それらが開いた瞬間から、アノード - カソード電圧の極性が逆転して SCR が閉じるまで、蓄積コンデンサ C17 が充電されます。 電源電圧がゼロに遷移するたびに、マイクロコントローラーは開放遅延を短縮し、充電がスムーズに行われます。 その継続時間 (検討中のバリアントでは約 5 秒) はプログラムされています。 緊急事態が発生した場合、マイクロコントローラは PB3 出力でトリニスタの開放を許可する信号を生成しないため、トリニスタは閉じたままになります。 回路 R18C15 および R20C16 は、干渉の影響下でトリニスタが誤って開くのを防ぎます。 蓄積コンデンサ C17 のスムーズな充電が完了すると、プログラムは、マイクロコントローラの出力 PB1 および PB2 でブリッジ インバータ キーを制御するためのパルスを 20 kHz の周波数 (ソフトウェアによって設定されます) で生成し始めます。 パルスのデューティ サイクルは、可変抵抗器 R33 によって 0,1 ～ 0,9 の範囲で調整されます。 これらの出力から、20 kHz の周波数周期の半分だけ相互に遅延された制御信号が、フォトカプラ U3 ～ U6 で作られた IGBT VT2 ～ VT5 制御ユニットに入力されます。 これらのノードは同一であるため、図の図では次のようになります。 図 1 は、そのうちの 3 つだけを詳細に示しており、UXNUMX フォトカプラに基づいて構築されています。 電圧 1 V の整流ダイオード VD9 によって、変圧器 T25 の巻線 IV から電力が供給されます。その動作を説明するタイミング図を図 3 に示します。 5. このノードによって制御される IGBT VT3 のエミッタは、統合された負電圧レギュレータ DA18 の出力に接続されます。 このため、IGBT のゲート・エミッタ間電圧は、フォトカプラの状態に応じて、IGBT が全開となる +7 V から -XNUMX V (IGBT が確実に閉となる) まで変化します。
マイクロコントローラの PB2 出力から抵抗 R60 を介したパルスは、フォトカプラ U3 と U4 の直列接続された発光ダイオードに供給され、それぞれ IGBT VT5 と VT2 を制御します。 したがって、これらの IGBT は同時にオープンします。 PB3 出力にはパルスがないため、この時点では IGBT VT4 と VT1 は閉じたままになります。 電流は、コンデンサ C17 の回路の正極、オープン IGBT VT2、変流器 T4、変圧器 T5 の巻線 I (端から始まりの方向)、開 IGBT VT5、変流器 T3、コンデンサ C17 の負極を通って流れます。 これにより、変圧器 T5 の二次巻線に電圧が誘導され、VD21 ダイオードのアノードにプラス、VD22 ダイオードのアノードにマイナスが印加されます。 溶接電流は、変圧器 T5 の巻線 II、オープン ダイオード VD21、インダクタ L2、および溶接回路を流れます。 インバータの次の半サイクルで、プログラムはマイクロコントローラの PB1 の出力にパルスを生成し、IGBT VT3 と VT4 を開きます。 PB2 出力にはパルスがないため、IGBT VT2 と VT5 は閉じます。 電流は、回路の正のコンデンサ C17、オープン IGBT VT4、変圧器 T5 の巻線 I (最初から最後まで)、変流器 T4、オープン IGBT VT3、変流器 T2、負のコンデンサ C17 を流れます。 これにより、変圧器 T5 の二次巻線に電圧が誘導され、VD22 ダイオードのアノードにプラス、VD21 ダイオードのアノードにマイナスが印加されます。 溶接電流は、トランス T5 の巻線 III、オープン ダイオード VD22、インダクタ L2、および溶接回路を流れます。 溶接電流はインバータ前面の可変抵抗器R33で調整します。 この可変抵抗器のスライダーの位置に応じて、積分回路 R2C46 を介してマイコンの ADC30 入力に電圧が供給されます。 抵抗 R41、R42、R45、R47 は、可変抵抗 R2 の開回路が発生した場合にマイクロコントローラーの ADC33 入力が損傷する可能性を排除するために機能します。 マイクロコントローラーの ADC は、ADC2 入力に加えられた電圧をコードに変換し、プログラムがそれを処理し、結果に応じて出力 PB1 および PB2 のパルスのデューティ サイクルを変更します。 変流器 T2 および T3 は、IGBT 負荷故障および貫通電流保護センサーとして機能します。 緊急時には、これらの変圧器の二次巻線の電圧が増加します。 VD25 または VD26 ダイオード アセンブリによる整流後、抵抗分圧器 R48R49 (コンデンサ C29 が干渉を抑制) を介して DA7.1 コンパレータの非反転入力に供給されます。 反転入力の例示的な電圧は、干渉抑制コンデンサ C54 を備えた抵抗分圧器 R55R32 を形成します (DA7.2 コンパレータの非反転入力にも適用されます)。 入力 5 で受信した信号が例示的な電圧を超えると (これは、変圧器 T2 または T3 の一次巻線に 30 A 以上が流れるときに発生します)、コンパレータ DA7.1 の出力でハイレベルのパルスが形成されます。 誤検知を回避する R58C35 積分回路を介して、DA7.2 コンパレータの反転入力に入力されます。 緊急パルスの持続時間が 5 ms を超える場合、コンパレータ DA3 の出力からマイクロコントローラの入力 PD7.2 に信号が送信され、プログラムが出力 PB1 および PB2 で制御パルスを生成することが禁止されます。 変流器 T4 は、変圧器 T5 の巻線 I の動作電流のセンサーとして機能します。 トランス T23 の二次巻線の電圧は、VD27 および VD4 アセンブリのダイオードのブリッジによって整流され、積分回路 R52C31 を介してマイクロコントローラーの ADC1 入力に送られます。 ソフトウェアによって測定および処理されます。 測定された電流が 25 A を超えると、プログラムは IGBT 制御パルスのデューティ サイクルを補正します。 過熱保護はサーミスタ RK2 KTY81/210 で行われます。 その抵抗とマイクロコントローラーの ADC0 入力の信号レベルは温度に依存します。 許容温度を超えると、プログラムはサーミスタが冷えるまで出力 PB1 および PB2 のパルスのデューティ サイクルを減らすか、パルスの形成を完全に停止します。 マイクロコントローラに電源が供給され、その内部クロック発生器が起動した後、プログラムは、主電源電圧の瞬時値がゼロレベルに遷移する信号が PD2 入力に到着するのを待ちます。 このような信号を受信すると、17 つの内部タイマーが開始されます。 そのうちの XNUMX つのカウント レジスタの内容は、コンデンサ CXNUMX の充電速度を制御するために使用されます。 10 番目のタイマーはインバータの保護の役割を果たします。 ゼロ電圧信号が 9,95 ミリ秒間存在しない場合、マイクロコントローラーが再起動され、その結果、プログラムが再び開始されます。 ゼロクロス信号を受信した瞬間から 3 ミリ秒後、プログラムはトリニスタを開く信号を送信し、マイクロコントローラーの PB3 出力を High レベルに設定します。 次のそのような信号を受信すると、PB9,9 の出力レベルが Low になります。 SCR を開く次の信号は 0,5 ミリ秒以内に与えられるため、SCR は 17 ミリ秒長く開いたままになります。 トリニスタの開放状態の継続時間が徐々に増加するため、コンデンサ C5 はスムーズに充電されます。 約 XNUMX 秒後、マイクロコントローラーはトリニスタを継続的に開く信号を出します。 供給ネットワークで停電が発生した場合、または「事故」の場合にのみ削除されます。 コンデンサ C17 が完全に充電されるまで、プログラムは IGBT 制御信号を生成しません。 充電が完了すると、マイクロコントローラの出力 PB1 と PB2 に一連のパルスが現れ、50 μs の周期で相互に半周期 (25 μs) ずつシフトします。 パルスの持続時間は、マイクロコントローラーの ADC2 入力に供給される電圧によって異なります。 その最小値は 2,5 μs、最大値は 22,5 μs です (半サイクルの残りの 2,5 μs は、以前に開いた IGBT を確実に閉じるために必要な最小の一時停止です)。 緊急保護の動作は、「事故」、「事故 2」、および「過熱 2」の状況における IgBt 制御信号の形成の停止に基づいています。 「緊急」状況は、マイクロコントローラーの ADC1 入力の電圧が上昇すると発生します。 この電圧はバイナリコードに変換されます。 その値に応じて、最初は IGBT 制御信号の持続時間が徐々に減少し、これが機能しない場合は、パルスの形成が完全に停止します。 高論理レベルの信号が PD3 入力に到着すると、遅延なく「アラーム 2」状況が発生します。 「オーバーヒート 2」状況が発生する条件は、マイクロコントローラーの ADC0 入力の電圧が上昇することです。 これはバイナリコードにも変換され、その分析結果は制御パルスの持続時間の減少または制御パルスの完全なシャットダウンになります。 緊急事態の原因が解消されると、自動的にインバータ電源の運転が再開されます。 weld.hex マイクロコントローラー プログラムのダウンロード ファイルは記事に添付されています。 マイクロコントローラーの構成は次のように設定する必要があります: 拡張バイト - 0xFF、上位バイト - 0xDD、下位バイト - 0xE2。 プログラマは XP9 コネクタに接続されます。 構造的には、溶接源の詳細の主要部分は、140x92,5 mmの寸法のプリント基板上に配置されます。そのプリント導体の図は図に示されています。 4.
プリント基板の底面 (図 5) には、表面実装用の要素のほか、ダイオード VD11 と VD12、トリニスタ VS1 と VS2、IGBT VT2 ～ VT5 があります。 上側（図6） - 残りの要素。 電源回路は断面積2,5 mm以上の吊り下げワイヤで作られています2。 直径 2 mm の PEV-3 ワイヤを 4 回巻いた二次巻線を備えた 20NM12 フェライト製のサイズ K6x2000x1 の変流器 T200、T2、T0,25 の磁心は、これらのワイヤ上に配置されます。
トランス T1 は PCB の上面に取り付けられています。 その磁気回路は、パーマロイ MP24 で作られたサイズ K13x7,5x140 のリングで、ワニスを塗った布の層で絶縁されています。 巻線データを表に示します。 巻線の巻き順は図中の番号に対応している。 巻線 I、VI、VII は磁気回路の全周に均等に配置されています。 他の巻線はそれぞれ、磁気回路の独自のセグメントに巻かれており、重なり合いません。 すべての巻線はニスを塗った布で絶縁されています。 表1
チョーク L1 - EC24。 コンデンサ C17 は、高さ 20 mm のスタンド上の基板の上面の上に固定されています。 彼らは、コンデンサの端子に接続されたワイヤをはんだ付けして、花びらをその端子に押し付けます。 電源線を IGBT VT2 ～ VT5 端子、VS1 および VS2 トリニスタ、VD11 および VD12 ダイオードに接続するために、穴付きのコンタクト パッドがプリント基板上に設けられています。 これらの要素は、図に示すように、絶縁ガスケットを介してヒートシンク ブロックに押し付けられます。 7。
出力トランス T5、インダクタ L2、整流ダイオード VD21、VD22 は別個のヒートシンク ユニットに配置されています。 トランス T5 の巻線データを表に示します。 2. 磁気コアはガンマメット GM414 クラスです。 OL2x64x40の30つの標準サイズ。 一次巻線は、ワニスを塗った生地の二重層によって磁気回路および二次巻線から絶縁されています。 表2
L2 インダクタ巻線は、厚さ 20 mm で幅が磁気回路窓の高さよりわずかに小さい 32 つの軟銅テープのパッケージを使用して、厚さ 0,08 mm の電磁鋼板で作られた ShLM0,1x1,8 磁気回路上に巻かれます。 パッケージはニスを塗った布で断熱され、XNUMX回転しました。 磁気回路は長さXNUMXmmの非磁性ギャップを介して組み立てられています。 ヒートシンクの間には、XP80 コネクタと XP80 コネクタに接続されたコンピュータの電源からの 1 つの 2x5 mm ファンがあります。 2 つのファンがトランス T17、インダクタ L5、およびコンデンサ C21 の周囲を吹き飛ばします。 その空気の流れは変圧器 T22 に向けられます。 XNUMX 番目のファンはヒートシンク ブロックの間にあります。 その空気の流れは、VDXNUMX および VDXNUMX ダイオードに向けられます。 ネットワーク ケーブル PVA 2x2,5 mm2 サーキットブレーカー SA1 の端子 3 と端子 1 (上部) に接続されます。 このスイッチの端子 2 と端子 4 (下) には、断面積 1,5 mm の XNUMX 本のワイヤが接続されています2。 端子 2 からのワイヤの 2 つは VS12 トリニスタのアノードに接続され、もう 4 つは VD1 ダイオードのカソードに接続されます (印刷された導体を介してそれらの間に接続はありません)。 端子 11 からのワイヤの 33 つは VS8 トリニスタのアノードに接続され、2 番目のワイヤは VDXNUMX ダイオードのカソードに接続されます。 それらの間には印刷された導体を介した接続もありません。 可変電流調整抵抗器 RXNUMX はケースの前面パネルに取り付けられ、XNUMX 線式ハーネスで XPXNUMX コネクタに接続されます。 サーミスタ RKXNUMX はクランプ金具でヒートシンクに固定されています。 マイクロコントローラプログラムは、ftp：//ftp.radio.ru/pub/2017/03/weld.zipからダウンロードできます。 著者: A. ジャルコフ
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