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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Elektronischer Schweißstromregler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Schweißgeräte Der Autor des vorgeschlagenen Artikels teilt seine Erfahrungen bei der Entwicklung eines elektronischen Schweißstromreglers (ERST) für das Elektroschweißen mit mehreren Stationen. Auf den Bereich Schweißgeräte spezialisierte Firmen stellen heute mehrere ERST-Modelle her. Ihre Kosten sind jedoch so hoch, dass manchmal die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes dieser Geräte in Frage gestellt wird. Beispielsweise kostet der ERST Multi-Weld 350 von Lincoln Electric über 3000 US-Dollar. Das vorgeschlagene Gerät ist deutlich günstiger als Analoggeräte und amortisiert sich aufgrund seines Wirkungsgrades von nahezu 100 % auch im Einschichtbetrieb bereits innerhalb eines Jahres allein durch Energieeinsparungen. Die darin vorgesehene Möglichkeit, die optimale Belastungscharakteristik für die ausgeführte Arbeit auszuwählen, gewährleistet die beste Qualität der Schweißnaht und eliminiert praktisch Metallspritzer. Mit einem Abwärtstransformator und einem Gleichrichter ausreichender Leistung kann ERST auch zur Basis eines Schweißgeräts für die Heimwerkstatt werden. In Industriebetrieben, in denen das Elektroschweißen einen der Hauptplätze im Technologiekreislauf einnimmt (z. B. in Schiffbau- und Schiffsreparaturwerken), wird traditionell das Mehrstellenschweißen eingesetzt. Mehrere Schweißstellen (Stützpunkte) werden von einer leistungsstarken Gleich- oder Wechselstromquelle mit einer Spannung von 50 V gespeist ... Lastkennlinien und Regelung des Schweißstroms. Die Vorteile einer solchen Organisation der Schweißarbeiten sind Einfachheit, Sicherheit und Einsparungen bei Produktionsfläche und -ausrüstung. Leider liegt der Gesamtwirkungsgrad des Systems nicht über 80...30 %, da Rheostate einen erheblichen Teil der Energie in Form von Wärme abführen. Die Errungenschaften der modernen Elektronik ermöglichen die Herstellung eines ERST – eines funktionalen Analogons eines Ballast-Rheostaten mit verbesserter Leistung und einem Wirkungsgrad von nahezu 100 %. Dadurch wird nicht nur Energie gespart, sondern Sie können auch viel mehr Schweißstationen an einen Strom anschließen Quelle, ohne deren Belastbarkeit zu überschreiten. Der herkömmliche Schweißtransformator ist nur für bestimmte Schweißarten ausgelegt (manuell, halbautomatisch, automatisch, abschmelzende Elektrode, nicht abschmelzende Elektrode). Bis vor kurzem wurde die Schaffung einer Universalquelle dadurch behindert, dass ihre äußeren Eigenschaften hauptsächlich durch die Konstruktion des Transformators bestimmt wurden. Um eine starre Lastkennlinie zu erhalten, sind die Transformatorwicklungen zylindrisch und die fallende scheibenförmig. Eine gewisse Flexibilität konnte durch den Einsatz von Magnetverstärkern und Transformatoren spezieller Bauart (mit magnetischem Shunt) erreicht werden, dies musste jedoch durch eine deutliche Vergrößerung der Masse und Abmessungen der Quellen erkauft werden. In einer elektronischen Schweißquelle wird eine Lastkennlinie beliebiger Art nicht parametrisch, sondern durch Rückmeldung von Spannung und Strom der Last gebildet. Der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen ERST beträgt mindestens 92 %. Es arbeitet mit einer Primärquellenspannung von 50...80 V und ermöglicht kontinuierliches Schweißen mit einem Strom von 10...315 A. Eine kurzfristige Erhöhung des Schweißstroms auf bis zu 350 A ist zulässig. Betriebsmäßige Anpassung der Steigung von Es wird die Belastungskennlinie von steil abfallend bis hart angegeben. Dadurch eignet sich ERST sowohl für das manuelle als auch für das halbautomatische Schweißen. Das Gerät ist mit einem Schutz gegen Verpolung der Versorgungsspannung, übermäßigen Anstieg und Abfall, Überstrom und Überhitzung ausgestattet, was einen zuverlässigen Betrieb unter industriellen Bedingungen gewährleistet. Der Betrieb des ERST basiert auf der Umwandlung einer konstanten Eingangsspannung in einen Impuls mit einstellbarem Arbeitszyklus mithilfe eines Halbleiterunterbrechers, gefolgt von einer Filterung – der Auswahl der konstanten Komponente der Impulse. Aufgrund der Tatsache, dass die Feldeffekttransistoren des Unterbrechers im geöffneten Zustand einen sehr kleinen Widerstand und im geschlossenen Zustand einen sehr großen Widerstand aufweisen, ist die von ihnen abgegebene Verlustleistung relativ gering. Das ERST-Schema ist in Abb. dargestellt. 1. Klemme X1 ist mit dem Pluspol der Primärquelle verbunden. Sein Minus und die HZ-Klemme werden mit dem zu schweißenden Teil verbunden, das die Rolle eines gemeinsamen Drahtes spielt. Der Schweißelektrodenhalter wird an Klemme X2 angeschlossen.
Die Kondensatoren C1, C2 und C3-C22 eliminieren den Einfluss der Ausgangsimpedanz der Quelle und der Induktivität der Verbindungsdrähte auf den Betrieb des ERST. Unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung an den ERST beginnen diese Kondensatoren über den Begrenzungswiderstand R2 und die Diode im Lade- und Versorgungsspannungssteuergerät (A2) aufzuladen. Wenn die Kondensatoren vollständig geladen sind und die Spannung zwischen den Klemmen X1 und die den ERST-Schaltkreis mit Spannung versorgen. Um es einzuschalten, drücken Sie einfach die SB1-Taste „Start“. Ein ausgelöster KM1-Schütz überbrückt die Taste mit KM 1.1-Kontakten. Über die geschlossenen Leistungskontakte KM1.2 wird die Quellenspannung unter Umgehung des Ladekreises den Kondensatoren C1 - C22 zugeführt. Dank des Widerstands P1 bleibt das KM1-Schütz aktiviert (und das ERST eingeschaltet), bis die SB2-Taste „Stopp“ gedrückt wird. Wenn die Eingangsspannung während des Betriebs des ERST die zulässigen Grenzen überschreitet, wird dieser durch die offenen Kontakte des Relais von Block A2 abgeschaltet. Im mitgelieferten ERST funktioniert das Netzteil A1. Es dient der galvanisch getrennten Spannungsversorgung der A3- und A4-Geräte. Darüber hinaus erzeugt Block A1 eine dreiphasige Spannung von 220 V 50 Hz für M1- und M2-Lüfter, die Kühlkörper leistungsstarker Halbleiterbauelemente antreiben. Die Hauptfunktionseinheit des ERST – ein Abwärtsspannungswandler – besteht aus einem Schalttransistor (einer Batterie aus Feldeffekttransistoren VT1-VT20), einer Entladediode (parallel geschaltete VD9-VD48) und einem Glättungsfilter (Drossel). L1, Kondensatorbänke C27-C36). Wer die Funktionsweise des Konverters genauer verstehen möchte, dem sei die Literatur [1, 2] empfohlen. Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate haben einen positiven Temperaturkoeffizienten des offenen Kanalwiderstands. Dieser Umstand begünstigt eine gleichmäßige Verteilung der Strombelastung zwischen den Transistoren und ermöglicht so deren Parallelschaltung. Die Widerstände R3-P.22 unterdrücken parasitäre Schwingungen der Steuerspannung. Die Dioden KD213B, die die Entladediode des Wandlers bilden, zeichnen sich durch eine recht lange Erholzeit des Sperrwiderstandes aus. Manchmal haben sie beim Öffnen des Schalters keine Zeit, sich vollständig zu schließen. Um unerwünschte Folgen zu vermeiden, sind Transistoren und Dioden durch die Wicklung I des Transformators T1 getrennt, deren Induktivität (1,7 μH) die Anstiegsgeschwindigkeit des „Durchgangsstroms“ begrenzt und verhindert, dass dieser einen gefährlichen Wert erreicht. Nachdem die Entladediode vollständig geschlossen ist, kehrt die im Magnetfeld des Transformators angesammelte Energie zur Stromquelle zurück – der in der Transformatorwicklung II induzierte Impuls lädt die Kondensatoren C1 und C2 über die VD8-Diode auf. Und bei einem starken Lastabwurf sorgt die ERST-Batterie aus VD49-VD54-Dioden für die Rückgewinnung (Rückführung zur Quelle) der im Magnetfeld des Induktors L1 angesammelten Energie. Block A4 misst den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des ERST und erzeugt Steuerimpulse, die deren Arbeitszyklus so ändern, dass die Form der Lastcharakteristik des ERST bereitgestellt wird, die durch die Steuerelemente „Slope“ und „Level“ vorgegeben wird. Diese Impulse werden über den Block A3, der sie leistungsverstärkt, dem Gate des Schalttransistors (VT1-VT20) zugeführt. Darüber hinaus enthält Block A3 Schutzeinheiten, die das Öffnen des Schalttransistors bis zum Ende des Regenerationszyklus des Transformators T1 und im Falle einer Überhitzung verhindern. Dies wird durch die HL2-LED signalisiert. Die Kondensatoren C1 und C2 bestehen aus Oxid K50-18, der Rest aus Film K73-17. Widerstände R1, R2 - PEV-25, R3-R32 - MLT im Leistungsdiagramm angegeben. Der Widerstand R33 ist ein einheitlicher externer Shunt 75SHISV-500 für ein 500-A-Amperemeter. Shunts anderer Typen, die für den angegebenen Strom ausgelegt sind und einen Spannungsabfall bei einem Nennstrom von 75 mV aufweisen, sind ebenfalls geeignet. Im Schweißstromkreis sind leistungsstarke Nebenleitungen mit Bolzen mit großem Durchmesser enthalten. Die Drähte aller anderen Stromkreise werden mit Schrauben kleineren Durchmessers an die Messleitungen angeschlossen. Auf zwei Kühlkörpern sind die Transistoren VT1-VT20 und die Dioden VD9-VD48 verbaut, deren aktive Oberfläche jeweils 3400 cm2 beträgt. Lüfter M1 und M2 – 1,25EV-2,8-6-3270U4 mit einer Gesamtkapazität von 560 m3/h blasen Kühlkörper. Im von den Lüftern erzeugten Luftstrom gibt es auch Widerstände R23-R32, die erhebliche Verlustleistung verursachen. Der KM1-Schütz stammt vom KEMPPI LHF-500-Oszillator. Seine Wicklung ist auf eine Spannung von 50 V umgespult (das Original ist für 24 V ausgelegt). Sie können ein anderes Schütz (z. B. aus Elektroautos) verwenden, das einen Gleichstrom von mindestens 200 A schalten kann. Im Extremfall eignet sich ein einheitlicher elektromagnetischer Starter der vierten oder fünften Größe, alle Gruppen von Leistungskontakten davon sind parallel geschaltet. Nach der Auswahl eines Schützes muss die Gleichspannung Uc gemessen werden, mit der es arbeitet. Liegt sie deutlich unter 50 V oder über diesem Wert, muss die Schützwicklung neu gewickelt werden. Entfernen Sie die vorhandene Wicklung, zählen Sie die Anzahl ihrer Windungen w und messen Sie den Drahtdurchmesser d. Neue Werte werden nach den Formeln berechnet:
Der Transformator T1 ist auf einen U-förmigen Magnetkern aus M2000NM-Ferrit eines Zeilentransformators TVS110AM (TVS110LA) einer Röhrenfernseherserie UNT47/59 gewickelt. In jede Verbindungsstelle des Magnetkreises werden nichtmagnetische Abstandshalter mit einer Dicke von 3 mm eingelegt. Primärwicklung - zwei Windungen eines Bündels von 236 Lackdrähten mit einem Durchmesser von 0,55 mm. Sekundärwicklung – 16 Windungen eines Bündels von zehn gleichen Drähten. Um eine maximale Verbindung zwischen den Wicklungen zu gewährleisten, wird die Sekundärwicklung im Volumen der Primärwicklung platziert. Um Kurzschlüsse zwischen Windungen oder Wicklungen zu verhindern, muss der Kabelbaum der Sekundärwicklung vor dem Wickeln mit lackiertem Gewebeband oder Fluorkunststofffolie geschützt werden. Der Magnetkreis des Induktors L1 - Sh32x80 besteht aus Transformatorstahlblech mit einer Dicke von 0,35 mm. Die Wicklung der Drossel besteht aus acht Windungen eines Bündels von 330 Lackdrähten mit einem Durchmesser von 0,55 mm. Der Magnetkern ist durchgehend montiert. In seinen Spalt wird eine nichtmagnetische Dichtung mit einer Dicke von 1,6 ... 1,7 mm eingelegt. BLOCK A1 Das Blockschaltbild der ERST-Stromversorgung ist in Abb. dargestellt. 2. Die unstabilisierte Eingangsspannung durch die Schutzeinheit wird einem linearen Stabilisator zugeführt, der alle Einheiten mit geringer Leistung der Einheit mit 15 V versorgt, und einem Schaltregler, dessen Ausgang von einem Halbbrückenwechselrichter in a umgewandelt wird variable Frequenz von ca. 36 kHz. Der oben erwähnte Schutzknoten schaltet das Gerät ab, wenn aufgrund einer Fehlfunktion oder eines Ausfalls die Ausgangsspannung des Schaltreglers den zulässigen Wert überschreitet.
Die Versorgung eines Halbbrückenwechselrichters mit einer stabilisierten Spannung sorgt für eine Gruppenspannungsstabilisierung an den Sekundärwicklungen des Transformators T1. Die Gleichrichter 1 und 2 sind vom gemeinsamen ERST-Draht isoliert und versorgen die Blöcke A4 und A3 voneinander. Der dreiphasige Wechselrichter wandelt die Gleichspannung von 270 V vom Ausgang des Gleichrichters 3 in dreiphasigen Wechselstrom von 220 V, 50 Hz um, um die Lüfter anzutreiben, die die Kühlkörper der leistungsstarken Halbleiterbauelemente ERST anblasen. Der in [3] verwendete Knoten diente als Prototyp einer leistungsstarken Stufe eines Schaltspannungsstabilisators. Das vereinfachte Diagramm ist in Abb. dargestellt. 3. Steuerimpulse positiver Polarität werden der Basis des Transistors VT2 zugeführt. In den Pausen dazwischen ist dieser Transistor geschlossen und die Spannung des Kondensators C1, die während des der Pause vorangehenden Impulses aufgeladen wurde, wird in der Öffnungspolarität über den Widerstand R3 an den Gate-Source-Abschnitt des Transistors VT2 angelegt. Der Transistor VT1 ist offen und der ansteigende Strom, der durch seinen Kanal und die Induktivität L1 fließt, lädt den Kondensator eC3. Die vom Kondensator C2 gesammelte Energie wird teilweise zum Laden der Gate-Source-Kapazität des Transistors VT1 aufgewendet. Die Diode VD1 wird benötigt, um die Entladung des Kondensators C2 durch den Transistor VT1 zu verhindern.
Der mit einem Steuerimpuls geöffnete Transistor VT2 verbindet das Gate des Transistors VT1 mit einem gemeinsamen Draht. Letzterer schließt und der abnehmende Strom der Induktivität L1 fließt weiterhin durch die geöffnete Diode VD2. Die Spannung an der Source des Transistors VT1 und an der rechten (gemäß Diagramm) Platte des Kondensators C2 ist in diesem Zustand gleich dem direkten Spannungsabfall an der VD2-Diode, der relativ zum gemeinsamen Draht negativ ist. Der Kondensator C1 wird entlang der VD2R2-Schaltung aufgeladen. Es gibt viele Mikroschaltungen zur Steuerung von Feld- und Bipolartransistoren von Single-Ended- und Push-Pull-Wechselrichtern. Normalerweise sind ihre Ausgangssignale jedoch an das Potenzial der gemeinsamen Leitung „gebunden“, was den Einsatz solcher Mikroschaltungen in Brücken- und Halbbrückenwechselrichtern problematisch macht. Tatsache ist, dass die Steuerelektroden der „oberen“ Transistoren der Ausgangsstufen solcher Wechselrichter unter einer großen und in der Regel Wechselspannung gegenüber der gemeinsamen Leitung stehen. Chip-Treiber von Brücken- und Halbbrücken-Wechselrichtern [4] haben sich aufgrund der hohen Kosten bei Funkamateuren noch nicht durchgesetzt. Sie lösen dieses Problem lieber auf ihre eigene Art und Weise, indem sie in der Regel eine optische oder transformatorische Isolierung von Steuerkreisen verwenden [5, 6]. Eine solche Entkopplung ist jedoch keineswegs notwendig. Ein mögliches Schema eines Halbbrückenwechselrichters mit Steuerkreisen ohne diesen ist in Abb. dargestellt. 4. Die gegenphasigen Impulsfolgen Uy1 und Uy2 kommen vom SHI-Regler.
Der Hauptnachteil des nach diesem Schema aufgebauten Knotens besteht darin, dass er nur dann betriebsbereit ist, wenn die Versorgungsspannung Up1 die maximal zulässige Spannung zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors VT3 nicht überschreitet. Tatsache ist, dass infolge der Reaktion einer aktiv-induktiven oder aktiv-kapazitiven Last die Spannung an der Source des Transistors VT3 hinter dem Steuergate zurückbleiben oder diesem phasengleich voreilen kann, was zum Auftreten von Kurzschlüssen führt negative Gate-Source-Spannungsimpulse, deren Amplitude die Versorgungsspannung Up1 erreicht. Auf Abb. 5 zeigt zusätzliche Elemente, die den genannten Nachteil beheben. Die Diode VD2, die mit einer negativen Spannungspolarität zwischen Gate und Source des Transistors VT3 öffnet, begrenzt ihn auf einen sehr niedrigen Pegel, der dem direkten Spannungsabfall an der offenen Diode entspricht. Überspannung löscht den Widerstand R8.
Der Kondensator C1 wird in diesem Fall über die Diode VD1 direkt von der Stromquelle geladen. Der Widerstand R4 (siehe Abb. 4), der nutzlos viel Strom verbrauchte, wurde aus der neuen Version des Knotens entfernt. Literatur
Autor: V. Volodin, Odessa, Ukraine
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