電子溶接電流レギュレータ。スキーム、説明

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電子溶接電流調整器。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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提案された記事の著者は、マルチステーション電気溶接用の電子溶接電流コントローラ (ERST) を作成した経験を共有しています。現在、溶接装置の分野を専門とする企業は、ERST のいくつかのモデルを製造しています。しかし、そのコストが非常に高いため、これらのデバイスの使用の経済効率が疑問視されることがあります。たとえば、リンカーンエレクトリックの ERST Multi-Weld 350 の価格は 3000 ドル以上です。提案されたデバイスはアナログよりもはるかに安価で、100% に近い効率のため、XNUMX シフト操作であっても、エネルギー節約だけで XNUMX 年以内に元が取れます。実行される作業に最適な負荷特性を選択できるため、最高の溶接品質が確保され、金属スパッタが実質的に排除されます。降圧変圧器と十分な電力の整流器を備えた ERST は、家庭作業場用の溶接機の基礎としても使用できます。

電気溶接が技術サイクルの主要な位置の 50 つを占める企業 (造船所や船舶修理工場など) では、伝統的にマルチステーション溶接が使用されています。いくつかの溶接ジョブ (ポスト) は、電圧 80 の 30 つの強力な直流または交流電源から供給されます。 ... 負荷特性と溶接電流の調整。このような溶接作業の組織化の利点は、単純さ、安全性、および生産スペースと設備の節約です。残念ながら、加減抵抗器はエネルギーのかなりの部分を熱の形で放散するため、システム全体の効率は 50 ～ XNUMX% を超えません。

最新のエレクトロニクスの進歩により、性能が向上し 100% に近い効率を備えたバラストレオスタットの機能的類似物である ERST の製造が可能になりました。これにより、エネルギーが節約されるだけでなく、XNUMX つの電源にさらに多くの溶接ステーションを接続できるようになります。負荷容量を超えずに電源を供給します。

従来の溶接トランスは、特定の種類の溶接（手動、半自動、自動、消耗電極、非消耗電極）専用に設計されています。最近まで、ユニバーサル電源の開発は、その外部特性が主にトランスの設計によって決定されるという事実によって妨げられていました。剛性の高い負荷特性を得るために、トランスの巻線は円筒形、立ち下がりの部分は円板形とされています。特別な設計の磁気アンプと変圧器 (磁気シャントを備えた) を使用することである程度の柔軟性を実現できますが、これはソースの質量と寸法の大幅な増加によって代償を払う必要がありました。電子溶接電源では、必要なタイプの負荷特性はパラメトリックではなく、負荷の電圧と電流のフィードバックによって形成されます。

提案された ERST の効率は少なくとも 92% です。 50 ～ 80 V の一次電源電圧で動作し、10 ～ 315 A の電流で連続溶接が可能です。溶接電流の短期間の増加は 350 A まで許容されます。急降下からハードまでの負荷特性を備えています。このため、ERST は手動溶接と半自動溶接の両方に適しています。このデバイスには、供給電圧の誤った極性、過度の増減、過電流および過熱に対する保護機能が装備されており、生産条件での信頼性の高い動作を保証します。

ERST の動作は、半導体遮断器を使用して一定の入力電圧を調整可能なデューティサイクルのパルスに変換し、その後フィルタリング、つまりパルスの一定成分を選択することに基づいています。インタラプタの電界効果トランジスタは、開状態では非常に小さな抵抗を持ち、閉状態では非常に大きな抵抗を有するため、それらによって消費される電力は比較的小さくなります。

ERST スキームを図に示します。 1. 端子 X1 は一次電源のプラスに接続されます。そのマイナスとHZクランプは溶接する部分に接続されており、コモンワイヤーの役割を果たします。溶接電極ホルダーは端子 X2 に接続されます。

（クリックして拡大）

コンデンサ C1、C2、および C3 ～ C22 は、ERST の動作に対する電源の出力インピーダンスと接続ワイヤのインダクタンスの影響を排除します。 ERST に電圧を印加した直後、これらのコンデンサは、充電および供給電圧制御ユニット (A2) にある制限抵抗 R2 とダイオードを介して充電を開始します。コンデンサが完全に充電され、X1 端子と XZ 端子間の電圧が正常 (50 ～ 80 V) であれば、HL1 の「準備完了」LED が点灯し、A2 ブロック内でリレーが作動して接点が閉じます。 ERST スイッチング回路に電圧を供給します。

電源を入れるには、SB1 の「スタート」ボタンを押すだけです。トリガーされた KM1 コンタクタは、KM 1.1 接点のボタンをバイパスします。閉じた電源接点 KM1.2 を介して、電源電圧が充電回路をバイパスしてコンデンサ C1 ～ C22 に供給されます。抵抗器 P1 のおかげで、SB1 の「停止」ボタンが押されるまで、KM2 コンタクタはトリガーされた状態 (および ERST がオン) を維持します。 ERST の動作中に入力電圧が許容限界を超えると、ブロック A2 のリレーの接点が開いてオフになります。

付属のERSTでは電源ユニットA1が動作します。これは、A3 および A4 ユニットに電力を供給するために必要な電気的に絶縁された電圧を取得するのに役立ちます。さらに、ブロック A1 は、強力な半導体デバイスのヒートシンクを吹き飛ばす M220 および M50 ファン用に 1 V 2 Hz の三相電圧を生成します。

ERST の主な機能ユニットである降圧電圧コンバータは、スイッチングトランジスタ (電界効果トランジスタ VT1 ～ VT20 のバッテリー)、放電ダイオード (並列接続された VD9 ～ VD48)、および平滑フィルタ (チョーク) で構成されています。 L1、コンデンサバンク C27-C36)。コンバータの動作をより詳細に理解したい場合は、文献 [1、2] を参照することをお勧めします。

絶縁ゲート電界効果トランジスタは、オープンチャネル抵抗の正の温度係数を持っています。この状況により、トランジスタ間の電流負荷が均一に分散され、トランジスタを並列接続することが可能になります。抵抗 R3 ～ P.22 は制御電圧の寄生発振を抑制します。

コンバータの放電ダイオードを形成するダイオード KD213B は、逆抵抗の回復時間がかなり長いという特徴があります。場合によっては、スイッチが開くまでに完全に閉じる時間がない場合があります。望ましくない結果を避けるために、トランジスタとダイオードはトランス T1 の巻線 I によって分離されており、そのインダクタンス (1,7 μH) が「貫通」電流の上昇速度を制限し、危険な値に達するのを防ぎます。放電ダイオードが完全に閉じた後、変圧器の磁場に蓄積されたエネルギーは電源に戻ります。変圧器巻線 II に誘導されたパルスは、VD1 ダイオードを介してコンデンサ C2 と C8 を再充電します。また、急激な負荷遮断により、VD49 ～ VD54 ダイオードの ERST バッテリーが、インダクタ L1 の磁場に蓄積されたエネルギーを回収 (ソースに戻す) します。

ブロック A4 は、ERST の出力電流と出力電圧を測定し、制御パルスを生成し、制御「スロープ」と「レベル」で指定された ERST の負荷特性の形式を提供するようにデューティサイクルを変更します。これらのパルスは、電力増幅されるブロック A3 を介して、スイッチングトランジスタ (VT1 ～ VT20) のゲートに供給されます。さらに、ブロック A3 には、変圧器 T1 の回生サイクルが終了するまで、および過熱の場合にスイッチングトランジスタの開放を禁止する保護ユニットが含まれています。これは HL2 LED によって通知されます。

コンデンサ C1 と C2 は酸化物 K50-18、残りはフィルム K73-17 です。抵抗 R1、R2 - PEV-25、R3 ～ R32 - MLT は電力図に示されています。抵抗 R33 は、75 A 電流計への統合外部シャント 500SHISV-500 です。指定された電流で定格され、定格電流 75 mV での電圧降下を備えた他のタイプのシャントも適しています。溶接通電回路には大径ボルトを装備した強力なシャントリードが組み込まれています。他のすべての回路のワイヤは、より小さい直径のボルトを使用してテストリードに接続されます。

トランジスタ VT1 ～ VT20 とダイオード VD9 ～ VD48 は 3400 つのヒートシンクに取り付けられており、それぞれの有効表面積は 2 cm1 です。ファン M2 および M1,25 - 合計容量 2,8 m6/h の 3270EV-4-560-3U23 がヒートシンクを吹き飛ばします。ファンによって生成される空気の流れには、かなりの電力を消費する抵抗器 R32 ～ RXNUMX も含まれます。

KM1 コンタクタは KEMPPI LHF-500 発振器から取られています。その巻線は 50 V の電圧に巻き戻されます (元の巻線の定格は 24 V)。少なくとも 200 A の直流を切り替えることができる別のコンタクタ (たとえば、電気自動車で使用されているコンタクタ) を使用できます。極端な場合には、電力接点のすべてのグループに対応する XNUMX または XNUMX の大きさの統合電磁スタータが適しています。それらは並列に接続されています。

コンタクタを選択したら、それが動作する DC 電圧 Uc を測定する必要があります。 50 V を大幅に下回るか、この値を超える場合は、コンタクタの巻線を巻き直す必要があります。既存の巻線を取り外し、巻数 w を数え、線径 d を測定します。新しい値は次の式で計算されます。

トランスT1は真空管TVシリーズUNT2000/110のライントランスTVS110AM(TVS47LA)のM59NMフェライト製U字磁心に巻かれています。磁気回路の各接合部には厚さ3mmの非磁性スペーサーを挿入しています。一次巻線 - 直径 236 mm の 0,55 本のエナメル線の束を 16 回巻きます。二次巻線 - 同じワイヤを XNUMX 本束ねて XNUMX 回巻きます。巻線間の接続を最大限に確保するために、二次巻線は一次巻線のボリューム内に配置されます。巻線間や巻線間の短絡を防ぐため、二次巻線ワイヤーハーネスをワニス布テープやフッ素樹脂フィルムで保護してから巻いてください。

インダクタ L1 - Sh32x80 の磁気回路は、厚さ 0,35 mm の変圧器鋼板でできています。スロットルの巻線は、直径 330 mm のエナメル線を 0,55 本束ねて 1,6 回巻いています。磁気コアはエンドツーエンドで組み立てられます。厚さ 1,7 ～ XNUMX mm の非磁性ガスケットがそのギャップに挿入されます。

ブロック A1

ERST 電源のブロック図を図に示します。 2. 保護ユニットを介した不安定な入力電圧は、ブロック内のすべての低電力ユニットに 15 V を供給する線形安定器と、出力が半分の 36 V DC 電圧であるスイッチングレギュレータに供給されます。ブリッジインバーターは約 12,5 kHz の交流周波数に変換します。誤動作または故障の結果、スイッチングレギュレータの出力電圧が許容値を超えた場合、上記の保護ノードがユニットをシャットダウンします。

電子溶接電流コントローラー

安定化された電圧を備えたハーフブリッジインバータの供給により、変圧器 T1 の二次巻線のグループ電圧が安定化されます。整流器 1 と 2 は、共通の ERST ワイヤおよび互いの給電ブロック A4 と A3 から絶縁されています。三相インバータは、整流器 270 の出力からの DC 電圧 3 V を AC 三相 220 V、50 Hz に変換し、強力な半導体デバイス ERST のヒートシンクに送風するファンに電力を供給します。

[3] で使用されたノードは、スイッチング電圧スタビライザーの強力なステージのプロトタイプとして機能しました。その簡略図を図に示します。 3. 正極性の制御パルスがトランジスタ VT2 のベースに供給されます。それらの間の休止では、このトランジスタは閉じられ、休止に先立つパルス中に充電されたコンデンサ C1 の電圧が、抵抗 R3 を介してトランジスタ VT2 のゲート-ソース部に開放極性で印加されます。トランジスタ VT1 は開いており、そのチャネルとインダクタ L1 を流れる上昇電流がコンデンサ eC3 を充電します。コンデンサ C2 によって蓄積されたエネルギーの一部は、トランジスタ VT1 のゲート-ソース間容量の充電に費やされます。ダイオード VD1 は、トランジスタ VT2 を介したコンデンサ C1 の放電を防ぐために必要です。

電子溶接電流コントローラー

トランジスタＶＴ２は、制御パルスにより開き、トランジスタＶＴ１のゲートを共通ワイヤに接続する。後者が閉じ、インダクタ L2 の電流は減少し、開いたダイオード VD1 を流れ続けます。この状態でのトランジスタ VT1 のソースとコンデンサ C2 の右側 (図によると) プレートの電圧は、VD1 ダイオードの直流電圧降下に等しく、共通ワイヤに対して負になります。コンデンサ C2 は VD2R1 回路に沿って充電されます。

シングルエンドおよびプッシュプルインバータのフィールドトランジスタおよびバイポーラトランジスタを制御するためのマイクロ回路が多数あります。しかし、通常、それらの出力信号は共通線の電位に「結合」されているため、ブリッジおよびハーフブリッジインバータでそのような超小型回路を使用することは問題になります。事実は、そのようなインバータの出力段の「上部」トランジスタの制御電極には、共通線に対して大きな、そして通常は交流電圧がかかっているということである。

ブリッジおよびハーフブリッジインバータのチップドライバ [4] は、コストが高いため、アマチュア無線家の間ではまだ普及していません。彼らは、原則として制御回路の光学絶縁または変圧器絶縁を使用して、この問題を独自の方法で解決することを好みます [5、6]。

ただし、そのような分離は決して必要ではありません。それを持たない制御回路を備えたハーフブリッジインバーターの可能なスキームを図に示します。 4. 逆位相パルスシーケンス Uy1 と Uy2 は SHI コントローラーから来ます。

電子溶接電流コントローラー

この方式に従って組み立てられたノードの主な欠点は、電源電圧 Up1 が電界効果トランジスタ VT3 のゲートとソース間の最大許容電圧を超えない場合にのみ動作することです。実際には、能動誘導性負荷または能動容量性負荷の反応の結果として、トランジスタ VT3 のソースの電圧が制御ゲートの位相より遅れたり、進んだりする可能性があり、これにより短期間の電圧降下が発生します。負のゲート・ソース間電圧パルス。その振幅は電源電圧 Up1 に達します。

図上。図５は、上記の欠点を修正する追加の要素を示している。ダイオード VD5 は、トランジスタ VT2 のゲートとソース間の負の電圧極性で開き、開いたダイオードの両端の直流電圧降下に等しい非常に低いレベルに制限します。過剰な電圧が発生すると、抵抗器 R3 が消滅します。

電子溶接電流コントローラー

この場合のコンデンサ C1 は、ダイオード VD1 を介して電源から直接充電されます。かなり多くの電力を無駄に消費する抵抗器 R4 (図 4 を参照) は、ノードの新しいバージョンから除外されました。

文学

Nyvelt G. et al. REA 用の電源。ディレクトリ。 - M.: ラジオと通信、1986 年、p. 306-328。
Semenov B. アマチュアおよびプロフェッショナル向けのパワーエレクトロニクス。モスクワ: Solon-R、2001、126-140 ページ。
Rを数える。電子回路。 1300例。 - M.: ミール、1989 年、p。 424。
International Rectifier の短編カタログ、50 周年記念版。 1997 年 136 月、p. 139-XNUMX。
Dubrovsky A. 三相非同期モーターの回転周波数のレギュレーター。 - ラジオ、2001 年、第 4 号、42、43 ページ。
分野 I. 家庭用機器に電力を供給するコンバータ。 - ラジオ、2003 年、No. 1、p. 29-32。

著者: V.Volodin、オデッサ、ウクライナ

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