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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Regulador eletrônico de corrente de soldagem. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / equipamento de solda O autor deste artigo compartilha sua experiência na criação de um regulador eletrônico de corrente de soldagem (ERST) para soldagem elétrica multiestações. Empresas especializadas na área de equipamentos de soldagem hoje produzem ERST de diversos modelos. Mas o seu custo é tal que por vezes põe em causa a eficiência económica da utilização destes dispositivos. Por exemplo, o ERST Multi-Weld 350 da Lincoln Electric custa mais de US$ 3000. O dispositivo proposto é muito mais barato que seus análogos e, graças à sua eficiência próxima de 100%, mesmo com operação em turno único, ele se pagará em um ano apenas devido à economia de energia. A capacidade de selecionar a característica de carga ideal para o trabalho executado garante a melhor qualidade da costura de solda e praticamente elimina respingos de metal. Se você tiver um transformador abaixador e um retificador com potência suficiente, o ERST pode se tornar a base de uma máquina de solda para uma oficina doméstica. Nas empresas industriais onde a soldagem elétrica ocupa um dos principais lugares do ciclo tecnológico (por exemplo, nas fábricas de construção e reparação naval), a soldagem multiestações é tradicionalmente utilizada. Vários postos de soldagem (postes) são alimentados por uma poderosa fonte de corrente contínua ou alternada com tensão de 50...80 V. A relativa independência do trabalho dos postes é alcançada pelo fato de cada um deles estar conectado ao fonte através de um reostato de lastro individual, que serve para obter a inclinação necessária para características de carga de soldagem e regulação da corrente de soldagem. As vantagens de tal organização do trabalho de soldagem são simplicidade, segurança, economia de espaço de produção e equipamentos. Infelizmente, a eficiência global do sistema não excede 30...50%, porque os reostatos dissipam uma parte significativa da energia na forma de calor. Os avanços na eletrônica moderna tornam possível produzir um ERST - um análogo funcional de um reostato de reator com características de desempenho aprimoradas e uma eficiência próxima de 100%.Isso não apenas economiza energia, mas também permite conectar significativamente mais estações de soldagem a uma corrente. fonte sem exceder sua capacidade de carga. Um transformador de soldagem convencional destina-se apenas à soldagem de um determinado tipo (manual, semiautomático, automático, com eletrodo consumível, com eletrodo não consumível). Até recentemente, a criação de uma fonte universal era dificultada pelo fato de suas características externas serem determinadas principalmente pelo projeto do transformador. Para obter uma característica de carga rígida, os enrolamentos do transformador são cilíndricos e os enrolamentos incidentes são feitos de disco. Alguma flexibilidade foi alcançada com o uso de amplificadores magnéticos e transformadores de design especial (com derivação magnética), mas isso teve que ser pago por um aumento significativo na massa e nas dimensões das fontes. Em uma fonte de soldagem eletrônica, a característica de carga de qualquer tipo requerido não é formada parametricamente, mas devido ao feedback da tensão e corrente da carga. A eficiência do ERST proposto não é inferior a 92%. Opera com tensão de fonte primária de 50...80 V e permite soldagem contínua com corrente de 10...315 A. É permitido um aumento de curto prazo na corrente de soldagem até 350 A. Ajuste rápido da carga é fornecida uma inclinação característica de íngreme a difícil. Isto torna o ERST adequado para soldagem manual e semiautomática. O dispositivo está equipado com proteção contra polaridade incorreta da tensão de alimentação, seu aumento e diminuição excessivos, contra sobrecorrente e superaquecimento, o que garante um funcionamento confiável em condições industriais. A operação do ERST é baseada na conversão de uma tensão de entrada constante em uma tensão pulsada de ciclo de trabalho ajustável por meio de um chopper semicondutor, seguida de filtragem - isolando a componente constante dos pulsos. Devido ao fato dos transistores de efeito de campo do chopper terem resistência muito baixa no estado aberto e resistência muito alta no estado fechado, a potência dissipada por eles é relativamente pequena. O diagrama ERST é mostrado na Fig. 1. O grampo X1 está conectado ao positivo da fonte primária. Seu sinal negativo e o grampo HZ são conectados à peça a ser soldada, que desempenha o papel de um fio comum. O porta-eletrodo de soldagem está conectado ao terminal X2.
Os capacitores C1, C2 e C3-C22 eliminam a influência da resistência de saída da fonte e da indutância dos fios de conexão no funcionamento do ERST. Imediatamente após a aplicação de tensão ao ERST, esses capacitores começam a carregar através do resistor limitador R2 e do diodo localizado na unidade de controle de carga e tensão de alimentação (A2). Quando os capacitores estão totalmente carregados e desde que a tensão entre os terminais X1 e XZ seja normal (50...80 V), o LED HL1 “Ready” acende, e dentro do bloco A2 um relé é acionado, fechando os contatos que alimentam tensão para o circuito de comutação ERST. Para ligá-lo, basta pressionar o botão “Iniciar” do SB1. O contator KM1 ativado irá ignorar o botão com contatos KM 1.1. Através dos contatos de potência fechados KM1.2, a tensão da fonte é fornecida aos capacitores C1 - C22, desviando do circuito de carga. Graças ao resistor P1, o contator KM1 permanecerá acionado (e o ERST estará ligado) até que o botão “Stop” do SB2 seja pressionado. Se a tensão de entrada ultrapassar os limites permitidos durante a operação do ERST, ela será desligada pelos contatos do relé abertos do bloco A2. Quando o ERST estiver ligado, a fonte de alimentação A1 funcionará. Serve para obter tensões isoladas galvanicamente necessárias para alimentar os blocos A3 e A4. Além disso, o bloco A1 gera uma tensão trifásica de 220 V 50 Hz para as ventoinhas M1 e M2, que sopram nos dissipadores de calor de potentes dispositivos semicondutores. A principal unidade funcional do ERST - um conversor abaixador de tensão - consiste em um transistor chaveador (bateria de transistores de efeito de campo VT1-VT20), um diodo de descarga (VD9-VD48, conectado em paralelo) e um filtro de suavização (indutor L1, bateria de capacitores C27-C36). Aqueles que desejam entender mais detalhadamente o funcionamento do conversor podem ser recomendados a utilizar a literatura [1, 2]. Os transistores de efeito de campo de porta isolada têm um coeficiente de temperatura positivo de resistência de canal aberto. Esta circunstância favorece uma distribuição uniforme da carga de corrente entre os transistores, permitindo que sejam conectados em paralelo. Os resistores R3-P.22 suprimem flutuações parasitas na tensão de controle. Os diodos KD213B que formam o diodo de descarga do conversor são caracterizados por um tempo de recuperação bastante longo da resistência reversa. Às vezes, no momento em que a chave é aberta, eles não têm tempo de fechar completamente. Para evitar consequências indesejáveis, os transistores e diodos são separados pelo enrolamento I do transformador T1, cuja indutância (1,7 μH) limita a taxa de aumento da corrente “de passagem”, evitando que ela atinja um valor perigoso. Após o fechamento completo do diodo de descarga, a energia acumulada no campo magnético do transformador retornará para a fonte de alimentação - o pulso induzido no enrolamento II do transformador recarregará os capacitores C1 e C2 através do diodo VD8. E em caso de queda acentuada na carga ERST, a bateria de diodos VD49-VD54 proporcionará a recuperação (retorno à fonte) da energia acumulada no campo magnético do indutor L1. O bloco A4 mede a corrente e tensão de saída do ERST e gera pulsos de controle, alterando seu ciclo de trabalho de forma a garantir a forma da característica de carga do ERST especificada pelos controles “Slope” e “Level”. Esses pulsos, através do bloco A3, que os amplifica em potência, são fornecidos à porta do transistor chaveador (VT1-VT20). Além disso, o bloco A3 contém unidades de proteção que proíbem a abertura do transistor chaveador até o final do ciclo de regeneração do transformador T1 e em caso de superaquecimento. Isto é indicado pelo LED HL2. Os capacitores C1 e C2 são de óxido K50-18, o restante são capacitores de filme K73-17. Resistores R1, R2 - PEV-25, R3-R32 - MLT da potência indicada no diagrama. O resistor R33 é um shunt externo unificado 75SHISV-500 para um amperímetro de 500 A. Outros tipos de shunts projetados para a corrente especificada, com queda de tensão em uma corrente nominal de 75 mV, também são adequados. Terminais shunt potentes equipados com parafusos de grande diâmetro estão incluídos no circuito de fluxo de corrente de soldagem. Os fios de todos os outros circuitos são conectados às pontas de prova com parafusos de menor diâmetro. Os transistores VT1-VT20 e os diodos VD9-VD48 são instalados em dois dissipadores de calor, cada um com área de superfície ativa de 3400 cm2. Ventiladores M1 e M2 - 1,25EV-2,8-6-3270U4 com capacidade total de 560 m3/h sopram nos dissipadores de calor. O fluxo de ar criado pelos ventiladores também contém resistores R23-R32, que dissipam uma potência significativa. O contator KM1 é retirado do oscilador LHF-500 da KEMPPI. Seu enrolamento é rebobinado para uma tensão de 50 V (o original é projetado para 24 V). Pode-se utilizar outro contator (por exemplo, daqueles utilizados em carros elétricos), capaz de comutar uma corrente contínua de pelo menos 200 A. Em casos extremos, uma partida eletromagnética unificada de quarta ou quinta magnitude, todos os grupos de contatos de potência de que estão conectados em paralelo, é adequado. Tendo selecionado um contator, é necessário medir a tensão CC Uc na qual ele opera. Se estiver significativamente abaixo de 50 V ou mais que este valor, o enrolamento do contator deverá ser rebobinado. Ao remover o enrolamento existente, conte o número de voltas w e meça o diâmetro do fio d. Novos valores são calculados usando as fórmulas:
O transformador T1 é enrolado em um núcleo magnético em forma de U feito de ferrite M2000NM de um transformador de linha TVS110AM (TVS110LA) de uma TV de tubo da série UNT47/59. Juntas não magnéticas de 3 mm de espessura são inseridas em cada uma das juntas do circuito magnético. O enrolamento primário consiste em duas voltas de um feixe de 236 fios esmaltados com diâmetro de 0,55 mm. O enrolamento secundário tem 16 voltas de um feixe de dez fios iguais. Para garantir o máximo acoplamento entre os enrolamentos, o secundário está localizado dentro do volume do primário. Para evitar curtos-circuitos entre espiras ou entreenrolamentos, o chicote elétrico do enrolamento secundário deve ser protegido com fita laca ou filme fluoroplástico antes do enrolamento. Núcleo magnético do indutor L1 - Ш32х80 em chapa de aço do transformador com 0,35 mm de espessura. O enrolamento do indutor consiste em oito voltas de um feixe de 330 fios esmaltados com diâmetro de 0,55 mm. O núcleo magnético é montado de ponta a ponta. Uma junta não magnética com espessura de 1,6...1,7 mm é inserida em sua folga. BLOCO A1 O diagrama de blocos da fonte de alimentação ERST é mostrado na Fig. 2. A tensão de entrada não estabilizada é fornecida através da unidade de proteção a um estabilizador linear, que fornece 15 V a todas as unidades de baixa potência da unidade, e a um estabilizador de pulso, cuja saída é convertida em uma tensão alternada de aproximadamente 36 kHz por um inversor meia ponte. A unidade de proteção mencionada desligará a unidade se, como resultado de mau funcionamento ou falha, a tensão de saída do estabilizador de pulso exceder o valor permitido."
A alimentação do inversor meia ponte com tensão estabilizada garante a estabilização da tensão do grupo nos enrolamentos secundários do transformador T1. Os retificadores 1 e 2, isolados do fio comum ERST e entre si, alimentam os blocos A4 e A3. Um inversor trifásico converte uma tensão contínua de 270 V da saída do retificador 3 em uma tensão trifásica alternada de 220 V, 50 Hz para alimentar os ventiladores que sopram os dissipadores de calor de poderosos dispositivos semicondutores ERST. O protótipo de um poderoso estágio de estabilizador de tensão de pulso foi a unidade utilizada em [3]. Seu diagrama simplificado é mostrado na Fig. 3. Pulsos de controle de polaridade positiva chegam à base do transistor VT2. Durante as pausas entre eles, este transistor é fechado e a tensão do capacitor C1, carregada durante o pulso anterior à pausa, é aplicada à seção porta-fonte do transistor VT3 através do resistor R2 na polaridade de abertura. O transistor VT1 está aberto e a corrente crescente que flui através de seu canal e do indutor L1 carrega o capacitor еC3. A energia acumulada pelo capacitor C2 é parcialmente gasta no carregamento da capacitância porta-fonte do transistor VT1. O diodo VD1 é necessário para evitar que o capacitor C2 seja descarregado através do transistor VT1.
O transistor VT2, aberto por um pulso de controle, conecta a porta do transistor VT1 ao fio comum. Este último fecha, e a corrente do indutor L1, diminuindo, continua a fluir através do diodo aberto VD2. A tensão na fonte do transistor VT1 e na placa direita (conforme diagrama) do capacitor C2 neste estado é igual à queda de tensão direta no diodo VD2, negativa em relação ao fio comum. Através do circuito VD1R2, o capacitor C2 é carregado. Existem muitos microcircuitos disponíveis para controlar transistores bipolares e de efeito de campo de inversores de ciclo único e push-pull. Mas geralmente seus sinais de saída estão “amarrados” ao potencial do fio comum, o que torna problemático o uso de tais microcircuitos em inversores de ponte e meia ponte. O fato é que os eletrodos de controle dos transistores “superiores” dos estágios de saída de tais inversores estão sob uma tensão grande e, via de regra, variável em relação ao fio comum. Chips drivers para inversores ponte e meia ponte [4], devido ao seu alto custo, ainda não se difundiram entre os rádios amadores. Eles preferem resolver este problema à sua maneira, utilizando, via de regra, isolamento óptico ou de transformador de circuitos de controle [5, 6]. Contudo, tal dissociação não é de todo necessária. Um possível circuito de um inversor meia ponte com circuitos de controle sem ele é mostrado na Fig. 4. As sequências de pulso antifase Uy1 e Uy2 vêm do controlador PHI.
A principal desvantagem de uma unidade montada de acordo com este circuito é que ela funciona apenas com uma tensão de alimentação Up1 que não excede a tensão máxima permitida entre a porta e a fonte do transistor de efeito de campo VT3. O fato é que como resultado da reação de uma carga ativa-indutiva ou ativa-capacitiva, a tensão na fonte do transistor VT3 pode ficar para trás ou avançar em fase em relação à tensão de controle na porta, o que leva ao aparecimento de pulsos de tensão porta-fonte negativos de curto prazo, cuja amplitude atinge a tensão de alimentação Up1. Na Fig. A Figura 5 mostra elementos adicionais que corrigem a desvantagem observada. O diodo VD2, abrindo quando a polaridade da tensão é negativa entre a porta e a fonte do transistor VT3, limita-o a um nível muito baixo, igual à queda de tensão direta no nível do diodo aberto. O excesso de tensão é extinto pelo resistor R8.
Neste caso, o capacitor C1 é carregado através do diodo VD1 diretamente da fonte de alimentação. O resistor R4 (ver Fig. 4), que dissipou inutilmente uma quantidade bastante significativa de energia, foi excluído da nova versão da unidade. Literatura
Autor: V.Volodin, Odessa, Ucrânia
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