ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА Т2.

Извлекаем из шести старых телевизоров, марки 3УСЦТ строчные трансформаторы - ТВС110ПЦ15.У каждого из шести трансформаторов откручиваем две гайки, и извлекаем крепёжные скобки (скобки не выбрасываем). Распиливаем катушку трансформатора, и снимаем её с магнитопровода. Зажимаем магнитопровод в тиски через тряпочку, и лёгким ударом черенка молотка разделяем магнитопровод на две части. Зачищаем каждый магнитопровод от остатков эпоксидной смолы.

В результате получаем 12 одинаковых составляющих для нашего магнитопровода.

Затем изготавливаем каркас для сварочного трансформатора (все детали в двух экземплярах):

В итоге собираем вот такую конструкцию:

 

Расчёт трансформатора.

Параметры материала М3000НМС1:

магнитная индукция - Bs=0.45Тл (при Н=800А/м), Bm=0.33Тл (при Н=100А/м и t=60C);

остаточная магнитная индукция - Br=0.1Тл;

коэрцитивная сила - Нс= -12А/м.

После сборки получим один Ш-образный магнитопровод, с параметрами:

сечение магнитопровода - Sм=11.7см2;

площадь окна – So = 6.2см2;

Средняя длина магнитной линии - lср = 182мм.

 

В однотактных схемах принято (если преобразователь работает в режиме неразрывных токов, то не обязательно) делать немагнитный зазор в магнитопроводе трансформатора, для того чтобы уменьшить остаточную магнитную индукцию, например с Br = 0.1 до Br2 = 0.03. Определим толщину немагнитного зазора:

σ = μ0 * lср * Hc / (sqrt(2) * Br2) = (4*pi*10**-7) * 182 * 12 / (sqrt(2) * 0.03) = 0.065,

Толщина немагнитных прокладок по краям и в середине сердечника должна быть в два раза меньше ~0.032 мм.

Определим необходимое количество витков для разных частот работы преобразователя по формулам:

W1 = Uвх / (2 * 10**-4* Sм * ΔB * f) = 300 / (2 * 10**-4 * 11.7 * 0.3 * f) = 427350 / f;            W2 = W1 / K.

Рассмотрим только целые значения W2:

F [кГц]

27

33

43

W1

16

13

10

K

3.2

3.25

3.333

W2

5

4

3

 

Расчёт плотности тока.

Коэффициент заполнения окна выбираем ko =  0.225, с учётом того, что нужно сэкономить место для дополнительной обмотки W3. Если бы обмотки W3 не было, то ko можно было бы выбрать равным 0.25.

Теперь определим, какая будет плотность тока в обмотках при выходном токе 160А для трёх вариантов трансформатора:

J = W * i / 50 * So * ko = W * i / 50 * 6.2 * 0.225 = W * i / 70

J2 = W2 * i2 / 70 = W2 * 160 / 70 = W2 * 2.286.

J1 = J2.

F [кГц]

27

32

42

W2 / J2

5 / 11.43

4 / 9.1

3 / 6.9

В моей предыдущей конструкции  (без обмотки W3) плотность тока составляет 9 А/мм2, трансформатор греется сильно, но из строя не выходит уже три года. Разумеется, осуществлено его воздушное охлаждение – обдув вентилятором, таким образом, разумно выбрать вариант c частотой – 32 кГц, W1 = 13, W2 = 4.

 

В любом случае, при регулировке необходимо подобрать частоту работы преобразователя, так чтобы сердечник трансформатора не уходил в насыщение, но в то же время, работал на максимально возможной петле гистерезиса. Для этого лучше временно надеть трансформатор тока Т2 на вывод, соединяющий вывод трансформатора Т1 с коллекторами силовых транзисторов. Трансформатор тока следует нагрузить сопротивлением 1..2 Ом, и при разорванной обратной связи по напряжению (без оптопары), то есть при максимальной - 50% длительности импульсов смотреть осциллограмму на этом резисторе. Ток должен нарастать линейно (пилообразно), если на вершине импульсов появляется задир, значит, сердечник трансформатора уходит в насыщение, то есть частота мала.

 

ОБЩИЙ РАСЧЁТ.

При расчёте прямоходового преобразователя сварного тока следует исходить из того, что он состоит из четырёх последовательно включенных четырёхполюсников: выпрямителя с фильтром, ключевого транзистора с первичной обмоткой трансформатора, вторичной обмотки трансформатора и выпрямителя с выходным дросселем. Каждый, из четырёхполюсников имеет определённые потери  мощности, а токи и напряжения на входах и выходах четырёхполюсников связаны определёнными отношениями.

Задан максимальный выходной сварочный ток: iсв.макс = 160А, напряжение на выходе при таком сварочном токе: 24V, следовательно мощность на выходе Pout.св.макс = 160 * 24 = 3840W. У таких сварочных аппаратов КПД обычно составляет около 0.85, и аппарат из сети потребляет 3840 / 0.85 = 4520W, или 20.5А при нормальном напряжении в сети. На выходных диодах, падает напряжение 1.3V, ещё немного на дросселе и сварочных проводах. Следовательно, действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора составит около 26V. А действующий ток вторичной обмотки i2 = iсв.макс = 160А.

На входных и выходных диодах в тепло преобразуется небольшая мощность, поэтому КПД транзистор + трансформатор можно считать равным 3840 / 4520 = 0.9. Какая именно мощность рассеивается на транзисторе, а какая на трансформаторе трудно предсказуемо, поэтому будем считать их КПД равными, каждому по 0.95. Таким образом, на транзисторе мощность снизится до 4520 * 0.951 = 4280W, а на трансформаторе до 4280 * 0.951 = 3800W.

Теперь, зная распределение КПД и коэффициент трансформации 3.25 можно вычислить действующие значения тока и напряжения на первичке трансформатора: iw1 = (160 / 3.25) / sqrt(0.951) = 50.5A; uw1 = (25.5 * 3.25) / sqrt(0.951) = 85V.

Какое напряжение будет на конденсаторах фильтра при максимальном сварочном токе практически не предсказуемо, так как зависит от нескольких факторов, для упрощения расчёта примем это напряжение равным 250V, то есть для сравнительно небольшой ёмкости. Тем более, что на дальнейшие расчёты влияние будет минимально (просто изменится λ) .

Теперь можно найти скважность импульсов λ при максимальном сварочном токе 85 / 250 = 0.34.

Отсюда можно найти импульсный ток через первичку трансформатора 50.5 / λ = 148.5A.

 

220V

Сф

VT, w1

w2

Дуга

U, [V]

 

 

250

u /  λ = 76.5

-

I, [A]

 

 

i /  λ = 148.5

i / λ = 470

-

i, [A]

21.5

 

50.5

160

160

u, [V]

210

250

85

26

24

p, [W]

4510

4500

4290

4080

3840

Таким образом при максимальном сварочном токе коэффициент заполнения импульсов преобразователя не равен 0.5 (то есть не максимальный, как указано в журналах «Радио» за 2004 год), а составляет приблизительно 0.34, зависит от коэффициента трансформации, просадки напряжения в сети и ёмкости Сф, а отсюда, и ток в обмотках трансформатора – выше.

Возникает вопрос: а в каких случаях λ = 0.5 ?

Во первых на холостом ходу, если бы работа преобразователя не останавливалась обратной связью по напряжению через стабилитроны и оптопару. В этот режим аппарат следует перевести при регулировке для проверки режима работы трансформатора.

Во вторых – кратковременно, при поджиге дуги. Выходной ток стабилизируется = 160А, поделив его на коэффициент трансформации и корень из КПД найдём ток в первичной обмотке трансформатора и умножив его на λ - импульсный ток. Напряжение в сети просядет, скажем до 200V. На конденсаторах фильтра тоже, скажем до 220V. Тогда действующее значение на первичной обмотке трансформатора составит 110V. Поделив его на коэффициент трансформации и корень из КПД получим напряжение на вторичной обмотке 32.1V. На диодах, дросселе и проводах упадёт 2V, и на выходе будет 30V. Теперь можно найти мощность на выходе 160 * 30 = 4800 W, а зная КПД – все остальные мощности, и потребляемый ток.

Наконец можно найти сопротивление нагрузки Rн = 0.2 Ом, при котором можно перегреть и спалить аппаратL.

 

220V

Сф

w1, VT

w2

Rн = 0.2 Ом

Um, [V]

 

 

220

u /  λ

-

Im, [A]

 

 

101

i / λ

-

I, [A]

26.8

 

50.5

160

160

U, [V]

210

220

110

32.1

30

P, [W]

5650

5600

5420

5155

4800

 

Найдём значение мощности рассеиваемой на одиночном ключе IRG4PF50W.

Pк.нас = i1 * Uкэ = 50.5 * 2.25 = 114W,

Pк.дин = 0,5 * f * Uп * I1 * (tr + tf) = 0.5 * 32000 * 250 * 148.5 * (26 + 150) * 10**-9 = 104.5W, где tr, tf – время фронта и время спада тока коллектора,

Pк = Pк.нас + Рк.дин = 114 + 104.5 = 218.5 W.

Рассчитаем, при какой температуре радиатора транзистор может выжить.

Максимальное тепловое сопротивление от кристалла до радиатора не более 0,88гр.С/W.

(Температура кристалла при температуре радиатора 0С) = 218.5* 0.88 = 192 гр.С.

Допустимая же температура кристалла 150 гр.С. Отсюда вывод – транзистор нужно охлаждать менее чем до 150 – 192 = - 42 гр.С. Не смешноL.

Найдём значение мощности рассеиваемой на спаренном IRG4PF50W.

Их затворы лучше объединить через два резистора, сопротивлением 5…11 Ом, устанавливать транзисторы нужно на один общий радиатор, как можно ближе друг к другу. При этом общий допустимый ток коллектора, из – за разброса параметров транзисторов такой сборки вырастет не в два раза, но и не менее чем в 1.8 раза. Следовательно, для расчёта нужно принять ток коллектора равным 50.5 / 1.8 =  28A.  

Pк.нас = i1 * Uкэ = 27 * 2.25 = 61 W

Pк.дин = 0,5 * f * Uп * I1 * (tr + tf) = 0.5 * 32000 * 250 * (148.5/1.8) * (26 + 150) * 10**-9 = 58W.

Pк = Pк.нас + Рк.дин = 61 + 58 = 119 W.

(Температура кристалла при температуре радиатора 0С) = 119 * 0.88 = 105 гр.С.

Допустимая же температура кристалла 150 гр.С. Отсюда вывод – транзистор нужно охлаждать менее чем до 150 – 105 = 45 гр.С.

            Если транзисторы крепить к радиатору без изоляционных прокладок, то такая температура радиатора вполне допустима.

 

Расчёт длины обмотки и количества жил в жгутах трансформатора.

Не сложно подсчитать (из размеров каркаса), что средняя дина витка составляет 214 мм.

Следовательно, длина W1 и W3, плюс выводы составит приблизительно 3.3 м., W2 ~1.5 м.

Плотность тока в основных обмотках должна составить 9.1 А/мм2, следовательно сечение SW1 = 50.5 / 9.1 = 5.5 мм2, а SW1 = 160 / 9.1 = 17.6 мм2.

Я обычно использую провод диаметром 0.41 мм., его сечение составляет 0.132 мм2, следовательно для W1 нужно взять 42 провода, для W2 – 133 провода, для W3  проводов 12 - через неё протекает ток менее 15 А.

Способ намотки.

Сначала нужно изготовить жгут для W3, и просунуть его в тонкую термоусадочную трубку. Затем вокруг него навивается жгут обмотки W1. Между этими обмотками существует разница потенциалов до 600V, поэтому W3 и помещается в термоусадку. Затем изготавливаем жгут для W2. Намотку начинаем с W1 и W3, мотаем 6 витков, в один ряд. Слой изоляции из фторопласта (можно из тканевой изоленты).

Затем наматываем обмотку W2 - 4 витка в один ряд. Слой изоляции из фторопласта.

И в завершение – 7 оставшихся витков обмоток W1 и W3 в один ряд. Слой изоляции.

Всего получается три ряда обмоток, это увеличивает потокосцепление между ними, и снижает индуктивность рассеянья.

Начало обмотки W1 соединяем с концом W3 – это будет их средняя точка. Зачищать концы жгутов долгая и нудная работа, но надо отнестись к ней с аккуратностью. В заключение следует пропитать трансформатор подходящим лаком или эпоксидной смолой.

 

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДРОССЕЛЯ L1.

Дроссель L1 должен обеспечивать непрерывность выходного тока. Если преобразователь перейдёт в режим разрывных токов, то может выйти из строя. Для предотвращения этого в конструкцию была введена обратная связь по напряжению (через оптопару), если напряжение на выходе преобразователя приближается к амплитудному значению, значит преобразователь переходит в режим разрывных токов, и работа ШИМ контроллера приостанавливается. Сечение обмотки дросселя должно быть рассчитано на максимальный выходной ток – 160А. Чем больше удастся намотать витков, тем больше будет индуктивность дросселя и, следовательно, меньший ток сможет стабилизировать аппарат. Минимально возможный стабилизируемый ток желательно обеспечить на уровне 3…5А, тогда аппаратом можно будет заряжать автомобильные аккумуляторы.

 

Для изготовления дросселя L1 у меня имеется сердечник из электротехнической стали ШЛ20x40.

Bm = 1; Sо = 11 см2; Sм = 8см2; SмSо = 88см2.

Определим необходимую площадь сечения обмотки, при плотности тока 5.5 А/мм2:

S = i / J = 160 / 5.5  = 29 мм2;

Определим возможное число витков дросселя при ko = 0.25…0.3:

W = 100 * So * ko * J / i = 100 * 11 * (0.25…0.3) * 5.5 / 160 = ~10;

Определим толщину немагнитного зазора в сердечнике дросселя:

σ = i * W / (796 * Bm) = 160 * 10 / (796 * 1) = 2мм (толщина прокладок в середине и по краям сердечника – в два раза тоньше 1 мм);

Опеределим индуктивность дросселя:

L = 1.25*10**-7 * Sм * kc * W2 / σ =

1.25*10**-7 * 8 * 0.8 * 10 ** 2 / 2 = 40 мкГн;

Определим минимальный неразрывный сварочный ток:

iмин = u.св.мин * (u2 – Uд.мин) / (2 * u2 * f * L) =

18 * (88 – 18) / (2 * 88 * 43000 * 40e-6) = 4.2 А.

Количество проводов в жгуте, диаметром 0.41мм должно составить 29 / 0.132 = 220 штук, средняя длина витка (для ШЛ20x40) составляет 210мм, следовательно длина жгута должна быть 2.8 м.

 

ТРАНСФОРМАТОР ТОКА T2.

Два сложенных вместе ферритовых кольца обматываются изоляционным материалом, затем наматываются 10 витков жгутом из 3-х проводов диаметром 0.41мм. Сверху обмотка обматывается изоляционным материалом. Изготовленное таким образом кольцо надевается на вывод обмоток W1, W3 трансформатора Т1. Перед всеми этими процедурами кольца желательно разломить, а затем склеить для обеспечения немагнитного зазора.

 

 

Выходной выпрямитель.

Все выходные диоды устанавливаются на один общий радиатор. Диоды устанавливаются без изоляционных прокладок, поэтому сам радиатор устанавливается на пластиковое шасси, на котором устанавливаются все элементы силового блока. При этом радиатор является выходом «плюс», далее идущим на выходной дроссель L1. На фотографии показаны диоды КД2997А, позже я перешел на 80EBU02.

 

 

Силовые транзисторы.

Устанавливаются на общий радиатор, если транзисторов два, то - с разных сторон. Транзисторы устанавливаются без изоляционных прокладок, поэтому сам радиатор устанавливается на пластиковое шасси, на котором устанавливаются все элементы силового блока. На два отдельных радиатора устанавливаются диоды HFA16TB120.

 

 

RCD – цепь (параллельно переходу коллектор – эмиттер силовых транзисторов).

В момент выключения силовых транзисторов на их коллекторах возникает короткий импульс напряжения, превышающий значение 600V («иголка»), которая может пробить 600-вольтовые транзисторы. Для того, чтобы уменьшить этот выброс в схему введена RD – цепь, которая кратковременно берет на себя уменьшающийся рабо­чий ток обмотки wl, что позволяет быстро и элегантно (т.е. без потерь и перегрузок) выключиться транзисторам при относительно плавном на­растании напряжения на стоке.

При этом заряжается конденсатор, а разряжается он при открывании транзистора, через резистор 51 Ом. От номинала этого резистора зависит, какой дополнительный ток будет при включении транзистора, и время разряда конденсатора. Его номинал следует подбирать такой, чтобы конденсатор успел разрядиться, но дополнительный бросок тока не убил открывающийся транзистор. А, вот, мощность, рассеиваемая на этом резисторе – в первую очередь зависит от ёмкости конденсатора, а не номинала самого резистора.



Используются технологии uCoz