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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA
Fonte inversora de corrente de soldagem. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / equipamento de solda Para realizar trabalhos de soldagem, fundição, galvânica e outros, é necessária uma poderosa fonte especializada de tensão ou corrente (às vezes de formato especial). Ao analisar o projeto de tais fontes, percebeu-se que seus diagramas funcionais são quase idênticos. Este artigo fornece um exemplo de implementação de um conversor de tensão tipo ponte baseado em um módulo de controle microcontrolador universal. Este conversor é adequado não apenas para uso em fontes de energia de soldagem inversora, mas também em sistemas de aquecimento por indução, fontes de alimentação ininterruptas para equipamentos eletrônicos, fontes de corrente para galvanoplastia, conversores de frequência e fontes de alimentação para geradores ultrassônicos. A fonte de corrente de soldagem inversora proposta é alimentada por uma rede de tensão alternada de 170...240 V e é projetada para uma corrente de carga de até 150 A durante 70% do tempo de trabalho. A principal diferença entre esta fonte e as clássicas é a ausência de uma unidade de carga separada para o capacitor de armazenamento, bem como a capacidade de adaptação para resolver diversos problemas sem alterar o circuito da unidade de controle, mas apenas substituindo o programa do microcontrolador. Funcionalmente, a fonte de corrente de soldagem consiste em uma fonte de alimentação para seus componentes, um retificador controlado por trinistor, um inversor ponte IGBT de alta frequência com unidades de controle opto-isoladas e uma unidade de soldagem externa. O diagrama esquemático dos blocos listados é mostrado na Fig. 1. O retificador e o inversor são controlados e monitorados por uma unidade microcontroladora de monitoramento e controle, cujo diagrama é mostrado na Fig. 2. A numeração dos elementos destes diagramas é contínua.
Quando os contatos do disjuntor SA1 são fechados, a tensão alternada da rede é fornecida à ponte de diodos, composta pelos diodos VD1, VD5 e diodos do retificador de potência principal VD11, VD12. A corrente retificada carrega o capacitor C4 na amplitude da tensão da rede. O termistor RK1 JNR10S470L limita a corrente de carga. Através dos resistores R1, R2, R5 e R6, a tensão do capacitor C4 é fornecida ao circuito de potência do controlador do conversor de tensão DA1 TOR233R. Desde o momento da partida até que a tensão no capacitor C10 aumente para 5 V, o microcircuito DA1 opera em modo autooscilador. Quando esta tensão é atingida, o circuito de saída do regulador integrado paralelo DA2 TL431ALP se abre, o que faz com que a corrente flua através do resistor R9 e do diodo emissor do optoacoplador U1. O fototransistor aberto deste optoacoplador fecha o circuito de controle do microcircuito DA1, garantindo o fechamento de sua chave de saída e interrompendo o acúmulo de energia no circuito magnético do transformador de pulso T1. Enquanto esta chave estiver fechada, a energia acumulada flui através dos enrolamentos secundários do transformador até suas cargas. Todos os enrolamentos secundários operam com tensões galvanicamente isoladas entre si e da rede de alimentação. Mais detalhes sobre o funcionamento do conversor de tensão flyback no chip TOP233P podem ser encontrados no documento “TOP232-234 TOPSwitch-FX Family Design Flexible, EcoSmart®, Integrated Off-line Switcher”, pdf.datasheetbank.com/pdf/Power -Integrações/663 140. pdf. A unidade de controle e monitoramento é baseada em um microcontrolador DD1 ATmega48-20AU. O circuito C34R59 atrasa a inicialização do microcontrolador até que um nível de tensão de alimentação estável seja estabelecido. Ao final do pulso gerado por este circuito, o gerador de clock RC interno do microcontrolador passa a operar na frequência de 8 MHz. Esta frequência é definida ao programar a configuração do microcontrolador. A tensão senoidal da rede através dos resistores R34 e R35 é fornecida à ponte de diodos VD24. A corrente pulsante retificada flui através do diodo emissor do optoacoplador U7, desviado pelo resistor R38. Perto da transição do valor instantâneo da tensão da rede para zero, a corrente através do diodo emissor para por algum tempo e o transistor de saída do optoacoplador U7 fecha, o que leva ao fornecimento de um sinal de sincronização de alto nível lógico para o PD2 entrada do microcontrolador DD1. Ao processar este evento, o microcontrolador define um sinal de baixo nível em sua saída PB3 com um determinado atraso. Isto faz com que a corrente flua através do circuito que consiste no diodo emissor do optoacoplador U2 e no resistor R14. O fototransistor do optoacoplador U2 abre e o sinal do resistor R15 abre o transistor de efeito de campo do canal p VT1. Através do transistor aberto e dos resistores R16 e R17, a tensão de + 12 V do retificador no diodo VD6 é fornecida aos circuitos dos eletrodos de controle dos tiristores Vs 1 e VS2. SCRs abertos. A tensão alternada da rede também é fornecida à ponte retificadora de potência, formada pelos diodos VD11 e VD12 e pelos tiristores VS1 e VS2. A partir do momento em que eles abrem até que a polaridade da tensão ânodo-cátodo mude, fazendo com que os SCRs fechem, o capacitor de armazenamento C17 é carregado. A cada transição da tensão de alimentação para zero, o microcontrolador reduz o atraso de abertura, para que o carregamento ocorra sem problemas. Sua duração (na versão considerada - cerca de 5 s) é definida programaticamente. Em caso de emergência, o microcontrolador não gera na saída PB3 um sinal que permita a abertura dos SCRs, pelo que permanecem fechados. Os circuitos R18C15 e R20C16 eliminam falsas aberturas de tiristores sob a influência de interferências. Concluído o carregamento suave do capacitor de armazenamento C17, o programa passa a gerar pulsos de controle para as chaves do inversor em ponte nas saídas PB1 e PB2 do microcontrolador, seguindo na frequência de 20 kHz (é configurada por software). O ciclo de trabalho do pulso é ajustado com um resistor variável R33 na faixa de 0,1...0,9. A partir dessas saídas, os sinais de controle, mutuamente atrasados em meio período de frequência de 20 kHz, entram nos nós de controle IGBT VT3-VT6 feitos nos optoacopladores U2-U5. Como esses nós são idênticos, no diagrama da Fig. A Figura 1 mostra em detalhes apenas um deles, construído no optoacoplador U3. É alimentado pelo enrolamento IV do transformador T1 por um diodo retificado VD9 com tensão de 25 V. Os diagramas de temporização que explicam seu funcionamento são mostrados na Fig. 3. O emissor do IGBT VT5 controlado por este nó é conectado à saída do estabilizador de tensão negativa integrado DA3. Devido a isso, a tensão portão-emissor do IGBT, dependendo do estado do optoacoplador, muda de +18 V, no qual o IGBT está totalmente aberto, para -7 V (o IGBT está firmemente fechado).
Os pulsos da saída PB2 do microcontrolador através do resistor R60 são fornecidos aos diodos emissores conectados em série dos optoacopladores U3 e U4, que controlam os IGBT VT5 e VT2, respectivamente. Portanto, estes IGBTs abrem simultaneamente. Os IGBT VT3 e VT4 permanecem fechados neste momento, pois não há pulso na saída do PB1. A corrente flui pelo circuito: placa positiva do capacitor C17, IGBT aberto VT2, transformador de corrente T4, enrolamento I do transformador T5 (no sentido final para início), IGBT aberto VT5, transformador de corrente T3, placa negativa do capacitor C17. Isto induz tensões nos enrolamentos secundários do transformador T5 aplicadas por mais ao ânodo do diodo VD21 e por menos ao ânodo do diodo VD22. A corrente de soldagem flui pelo enrolamento II do transformador T5, diodo aberto VD21, indutor L2 e pelo circuito de soldagem. No próximo meio ciclo de operação do inversor, o programa gera um pulso na saída do microcontrolador PB1, que abre os IGBT VT3 e VT4. Não há pulso na saída PB2, portanto os IGBT VT2 e VT5 estão fechados. A corrente flui pelo circuito: lado positivo do capacitor C17, IGBT aberto VT4, enrolamento I do transformador T5 (no sentido do início ao fim), transformador de corrente T4, IGBT aberto VT3, transformador de corrente T2, lado negativo do capacitor C17. Isto induz tensões nos enrolamentos secundários do transformador T5 aplicadas por mais ao ânodo do diodo VD22 e por menos ao ânodo do diodo VD21. A corrente de soldagem flui pelo enrolamento III do transformador T5, diodo aberto VD22, indutor L2 e circuito de soldagem. A corrente de soldagem é regulada por um resistor variável R33 instalado no painel frontal do inversor. A entrada ADC2 do microcontrolador através do circuito integrador R46C30 recebe uma tensão dependendo da posição do controle deslizante deste resistor variável. Os resistores R41, R42, R45, R47 servem para eliminar a possibilidade de danos à entrada ADC2 do microcontrolador caso haja um circuito aberto no resistor variável R33. O ADC do microcontrolador converte a tensão aplicada à entrada ADC2 em um código, e o programa a processa e, dependendo do resultado obtido, altera o ciclo de trabalho dos pulsos nas saídas PB1 e PB2. Os transformadores de corrente T2 e T3 servem como falha de carga e IGBT através de sensores de proteção de corrente. Quando ocorre uma emergência, a tensão nos enrolamentos secundários desses transformadores aumenta. Após a retificação pelos conjuntos de diodos VD25 ou VD26, ele é alimentado através de um divisor resistivo R48R49 (o capacitor C29 suprime o ruído) para a entrada não inversora do comparador DA7.1. A tensão de referência em sua entrada inversora é formada por um divisor resistivo R54R55 com um capacitor supressor de interferência C32 (também é fornecido à entrada não inversora do comparador DA7.2). Quando o sinal recebido na entrada 5 ultrapassa a tensão de referência (isso ocorre quando uma corrente superior a 2 A flui pelos enrolamentos primários dos transformadores T3 ou T30), um pulso de alto nível é gerado na saída do comparador DA7.1 . Através do circuito integrador R58C35, que evita falsos alarmes, é alimentado a entrada inversora do comparador DA7.2. Se a duração do pulso de emergência ultrapassar 5 ms, um sinal será enviado para a entrada PD3 do microcontrolador da saída do comparador DA7.2, o que proibirá o programa de gerar pulsos de controle nas saídas PB1 e PB2. O transformador de corrente T4 serve como sensor de corrente operacional no enrolamento I do transformador T5. A tensão do enrolamento secundário do transformador T23, retificada pela ponte dos diodos dos conjuntos VD27 e VD4, será fornecida à entrada ADC52 do microcontrolador através do circuito integrador R31C1. Será medido e processado por software. Quando a corrente medida excede 25 A, o programa ajusta o ciclo de trabalho dos pulsos de controle do IGBT. A proteção contra superaquecimento é feita através do termistor RK2 KTY81/210. Sua resistência e o nível do sinal na entrada ADC0 do microcontrolador dependem da temperatura. Se a temperatura permitida for ultrapassada, o programa reduz o ciclo de trabalho dos pulsos nas saídas PB1 e PB2 ou interrompe completamente sua formação até que o termistor esfrie. Após fornecer energia ao microcontrolador e iniciar seu gerador de relógio interno, o programa aguarda a chegada de um sinal na entrada PD2 para que o valor instantâneo da tensão da rede ultrapasse o nível zero. Ao receber tal sinal, ele inicia dois temporizadores internos. O conteúdo do registro de contagem de um deles é utilizado para controlar a taxa de carga do capacitor C17. O segundo temporizador serve para proteção do inversor. Ele reinicia o microcontrolador se não houver sinal para que a tensão da rede ultrapasse o nível zero dentro de 10 ms, e como resultado o programa é reiniciado. Após 9,95 ms do momento em que o sinal de cruzamento por zero é recebido, o programa envia um sinal para abrir os SCRs, configurando um nível alto na saída PB3 do microcontrolador. Após o recebimento do próximo sinal, o nível na saída PB3 cai. O próximo sinal de abertura dos SCRs será dado após 9,9 ms, portanto eles permanecerão abertos por mais 0,5 ms. Devido ao aumento gradual na duração do estado aberto dos tiristores, o capacitor C17 é carregado suavemente. Após cerca de 5 s, o microcontrolador começará a sinalizar continuamente para os SCRs abrirem. Será removido somente em caso de falha de energia na rede de alimentação ou em situação de “Emergência”. O programa não gera sinais de controle IGBT até que o capacitor C17 esteja totalmente carregado. Ao final de seu carregamento, sequências de pulsos aparecem nas saídas PB1 e PB2 do microcontrolador, seguindo com um período de 50 μs, alternados mutuamente em meio período (25 μs). A duração dos pulsos depende da tensão fornecida à entrada ADC2 do microcontrolador. Seu valor mínimo é 2,5 μs, o máximo é 22,5 μs (os 2,5 μs restantes do meio ciclo são a pausa mínima necessária para garantir o fechamento dos IGBTs previamente abertos). A ação da proteção de emergência baseia-se na interrupção da geração de sinais de controle IgBt nas situações de “Falha”, “Falha 2” e “Sobreaquecimento 2”. A situação “Crash” ocorre quando a tensão na entrada ADC1 do microcontrolador aumenta. Esta tensão é convertida em código binário. Dependendo do seu valor, a duração dos sinais de controle do IGBT primeiro diminui gradativamente e, se isso não produzir resultados, a geração de pulsos para completamente. Quando um sinal de alto nível lógico chega na entrada PD3, a situação de “Alarme 2” ocorre sem demora. A condição para a ocorrência da situação “Superaquecimento 2” é um aumento de tensão na entrada ADC0 do microcontrolador. Também é convertido em código binário, cujo resultado é a análise da redução da duração dos pulsos de controle ou seu desligamento total. Após eliminar as causas das situações de emergência, a operação da fonte inversora é automaticamente reiniciada. O arquivo de download do programa do microcontrolador weld.hex está anexado ao artigo. A configuração do microcontrolador deve ser definida da seguinte forma: byte estendido - 0xFF, byte alto - 0xDD, byte baixo - 0xE2. O programador está conectado ao conector XP9. Estruturalmente, a parte principal das peças da fonte de soldagem é colocada sobre uma placa de circuito impresso com dimensões de 140x92,5 mm, cujo desenho dos condutores impressos é mostrado na Fig. 4.
Na parte inferior da placa de circuito impresso (Fig. 5) existem elementos para montagem saliente, além de diodos VD11 e VD12, tiristores VS1 e VS2, IGBT VT2-VT5. Na parte superior (Fig. 6) estão os restantes elementos. Os circuitos de energia são feitos de fios suspensos com seção transversal de pelo menos 2,5 mm2. Nestes fios são colocados núcleos magnéticos dos transformadores de corrente T2, T3, T4 de tamanho padrão K20x12x6 feitos de ferrite 2000NM1 com enrolamentos secundários contendo 200 voltas de fio PEV-2 com diâmetro de 0,25 mm.
O transformador T1 é instalado na parte superior da placa de circuito impresso. Seu núcleo magnético é um anel de tamanho padrão K24x13x7,5 feito de permalloy MP140, isolado com uma camada de tecido envernizado. Os dados do enrolamento são fornecidos na tabela. 1, e a ordem em que os enrolamentos são enrolados corresponde aos seus números no diagrama. As voltas dos enrolamentos I, VI e VII são distribuídas uniformemente ao longo de todo o perímetro do circuito magnético. Cada um dos enrolamentos restantes é enrolado em seu próprio segmento do circuito magnético e não se sobrepõe. Todos os enrolamentos são isolados com tecido envernizado. Tabela 1
Estrangulador L1 - EC24. O capacitor C17 é montado acima da superfície superior da placa em suportes de 20 mm de altura. Eles pressionam as pétalas de montagem em seus terminais com fios soldados a elas, conectados aos terminais do capacitor. Para conectar os fios de alimentação aos terminais do IGBT VT2-VT5, tiristores VS1 e VS2, diodos VD11 e VD12, são fornecidas almofadas de contato com furos na placa de circuito impresso. Estes elementos são pressionados contra o bloco dissipador de calor através de juntas isolantes, conforme mostrado na Fig. 7.
O transformador de saída T5, o indutor L2, os diodos retificadores VD21, VD22 são colocados em um bloco dissipador de calor separado. Os dados do enrolamento do transformador T5 são fornecidos na tabela. 2. Seu núcleo magnético é da classe Gammamet GM414. 2 tamanhos padrão OL64x40x30. O enrolamento primário é isolado do núcleo magnético e dos enrolamentos secundários por camadas duplas de tecido envernizado. Tabela 2
O enrolamento indutor L2 é enrolado em um núcleo magnético ShLM20x32 feito de aço elétrico de 0,08 mm de espessura com um pacote de cinco fitas de cobre macio de 0,1 mm de espessura e largura um pouco menor que a altura da janela do núcleo magnético. A embalagem, isolada com tecido envernizado, possui sete voltas. O núcleo magnético é montado com uma folga não magnética de 1,8 mm de comprimento. Entre os blocos dissipadores de calor estão duas ventoinhas de 80x80 mm da fonte de alimentação do computador, conectadas aos conectores XP1 e XP2. Um ventilador sopra no transformador T5, no indutor L2 e no capacitor C17. Seu fluxo de ar é direcionado para o transformador T5. O segundo ventilador está localizado entre os blocos do dissipador de calor. Seu fluxo de ar é direcionado para os diodos VD21 e VD22. Cabo de rede PVA 2x2,5 mm2 conectado aos terminais 1 e 3 (superior) do disjuntor SA1. Dois fios com seção transversal de 2 mm são conectados aos terminais 4 e 1,5 (parte inferior) desta chave2. Um dos fios do terminal 2 é conectado ao ânodo do tiristor VS2 e o outro ao cátodo do diodo VD12 (não há conexão entre eles através de condutores impressos). Um dos fios do terminal 4 vai para o ânodo do tiristor VS1 e o segundo para o cátodo do diodo VD11. Também não há conexão entre eles através de condutores impressos. O resistor de controle de corrente variável R33 é instalado no painel frontal do gabinete e conectado ao conector XP8 com um chicote de três fios. O termistor RK2 é preso ao dissipador de calor com um suporte de fixação. O programa do microcontrolador pode ser baixado em ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/03/weld.zip. Autores: A. Zharkov
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