Самый простой сварочный инвертор

Сварочный инвертор был разработан на популярном форуме человеком под ником тимвал, ветка до сих пор очень активна. Именно эта схема популярна по причине простоты. Мой вариант сварочного инвертора рассчитан на ток всего в 100 ампер, это мало, но для моих задач больше не нужно.

Самый простой сварочный инвертор, принципиальная схема

Схема представляет из себя однотактный прямоходовый инвертор всего на одном IGBT транзисторе IRG4PC50KD.

Самый простой сварочный инвертор, транзистор IRG4PC50KD

Инвертор состоит из нескольких частей:

  • Входной выпрямитель с накопительными конденсаторами и системой плавного пуска;
  • Системы управления с драйвером на основе комплементарной пары составных транзисторов средней мощности;
  • Силовая часть состоящая из IGBT транзистора и трансформатора;
  • Выходная часть, состоящая из дросселя с выпрямителем.

Сетевое напряжение выпрямляется входным диодным мостом KBPC3510

Самый простой сварочный инвертор, диодный мост KBPC3510Самый простой сварочный инвертор, диодный мост KBPC3510

и сглаживается ёмкими электролитами.

Самый простой сварочный инвертор, диодный мост KBPC3510Самый простой сварочный инвертор, диодный мост KBPC3510

Важно заметить, что питание в начальный момент времени поступает не напрямую, а через балластный резистор R12, это нужно для плавной зарядки конденсаторов, иначе бросок тока может вывести из строя входной диодный мост и выбить автоматы.

Одновременно питание от конденсаторов через другой балластный резистор R11 поступает на линию питания микросхемы ШИМ.

Сердцем схемы является ШИМ контроллер UC3844,

Самый простой сварочный инвертор, ШИМ контроллер UC3844

который работает на частоте около 30кГц, сигнал с микросхемы сначала поступает на драйвер, выполненный на транзисторах VT2 и VT3, а затем на силовой транзистор VT4.

Напряжение на конденсаторах растет, растет и питание микросхемы и как только оно дойдет до порогового значения, для UC3844 оно составляет около 16 вольт, микросхема начнет вырабатывать управляющие импульсы, что приведет к запуску всего инвертора.

Во вторичных обмотках трансформатора появиться напряжение, это приведет к тому, что сработает силовое реле К1 и своими контактами замкнёт балластный резистор R12, и сетевое напряжение будет поступать напрямую на схему. Планый запуск длиться всего пару секунд. После плавного запуска инвертор будет работать в штатном режиме. Выходное напряжение инвертора около 60 вольт, этого достаточно для нормального розжига дуги.

Если во время сварки вращать регулятор ограничения тока (резистор R3), моментально сработает система обратной связи (цепь, состоящая из токового трансформатора ТТ, диодов VD2-VD4, резисторов R5 и R7, конденсатора С4).

Токовый трансформатор намотан на тороидальном ферритовом сердечнике небольших размеров, он имеет две обмотки, первичная - всего один виток и вторичная.

Самый простой сварочный инвертор, трансформатор токаСамый простой сварочный инвертор, трансформатор тока

Самый простой сварочный инвертор, трансформатор токаСамый простой сварочный инвертор, трансформатор тока

Силовой трансформатор выполнен на сердечнке EPCOS E55/28/25 феррит №87.

Самый простой сварочный инвертор, EPCOS E55/28/25Самый простой сварочный инвертор, EPCOS E55/28/25

Сердечник был без каркаса, поэтому его пришлось сделать самому из мтеклотекстолита.

Самый простой сварочный инвертор, EPCOS E55/28/25 каркасСамый простой сварочный инвертор, EPCOS E55/28/25 каркас

Трансформатор имеет 4 обмотки:

  • сетевая;
  • вторичная силовая;
  • фиксирующая;
  • обмотка самозапитки для системы управления.

В моём варианте обмотка самозапитки не используется, взамен применен небольшой импульсный источник питания на 24 вольта с током 1-1,5 Ампера.

Самый простой сварочный инвертор, импульсный источник питания 24В 1,5А

Начала всех обмоток на схеме указаны точками, я советую промаркировать начало намотки, например одевая на обмотку красную термоусадку, чтобы потом не гадать где начала, а где концы намоток.

В самом начале мотается сетевая обмотка, но не полностью, а по частям. В моем случае для намотки этой обмотки был использован провод диаметром 1,20мм 25 витков. Провод нужно уложить равномерно, виток к витку.

Самый простой сварочный инвертор, первичная обмотка силового трансформатораСамый простой сварочный инвертор, первичная обмотка силового трансформатора

Затем обмотка изолируется, но перед этим заливается эпоксидной смолой. Смола будет заполнять все пустоты. Т.к. из-за сильных магнитных полей в трансформаторе будут образоваться вибрации и изоляция провода со временем может пострадать, а со смолой обмотка будет полностью неподвижной.

Ставим изоляцию каптоновым термостойким скотчем и мотаем остальную часть первичной обмотки. Количество витков, провод и направление намотки тоже самое.

Опять все заливаем смолой, а поверх ставим изоляцию. Позже, уже на плате концы этих обмоток соединяются параллельно.

Самый простой сварочный инвертор, первичная обмотка силового трансформатораСамый простой сварочный инвертор, первичная обмотка силового трансформатора

После мотаем фиксирующую обмотку, диаметр провода 0,5мм. Количество витков 25-26, то есть тоже самое, что и в случае первичной обмотки. Эта обмотка намотана так, чтобы провод попадал между витками первичной обмотки. Фиксирующая обмотка равномерно растянута по всему каркасу. Аналогичным образом поступаем и с этой обмоткой, смола, изоляция. К стати ранее я ставил изоляцию в 2-3 слоя, а после намотки фиксирующей обмотки изоляция нужна более серьезная, слоя 4-5.

Ну и наконец силовая обмотка, самая трудоемкая. Ее можно намотать медной шиной либо что еще лучше - лентой. Наиболее эффективно работает литцендрат — провод, который состоит из большого количества параллельных тонких изолированных друг от друга проводов, такая намотка делается для минимизации влияния скин эффекта. Но при частотах в 30кГц, этот эффект не столь ощутимый, поэтому при большом желании можно взять пару тройку медных проводов большого диаметра, но такой провод очень трудно уложить, поэтому мой выбор остановился на литцендрате.

Обмотка состоит из 100 параллельных жил провода 0,5мм. Скручиваем все это дело дрелью и покрываем дополнительной изоляцией, опят же каптоновый скотч.

Самый простой сварочный инвертор, литцендрат, состоит из 100 параллельных жил провода 0,5ммСамый простой сварочный инвертор, литцендрат, состоит из 100 параллельных жил провода 0,5мм

Количество витков всего 9, по расчетам этого хватит для того, чтобы напряжение холостого хода инвертора было в районе 60 вольт. После намотки её так же следует  залить смолой.

Схема однотактная и между половинками сердечника нужен немагнитный зазор. В моем случае для получения необходимого зазора под всеми кернами были установлены прокладки, обычный чек от банкомата.

Самый простой сварочный инвертор, немагнитный зазор в силовом трансформаторе

Далее трансформатор собирается, половинки сердечника надежно стягиваются, можно даже приклеить.

Самый простой сварочный инвертор, силовой трансформатор в сбореСамый простой сварочный инвертор, силовой трансформатор в сборе

Самый простой сварочный инвертор, силовой трансформатор в сборе

Трансформатор тока. Ферритовое колечко,проницаемость может быть от 1500 до 3000. Размеры моего кольца R18х8х6. Важно, чтобы оно было ферритовым, схожие кольца можно найти в некоторых импульсных блоках питания, они стоят по входу в качестве дросселя и на них как правило две обмотки. Желто-белые, зелено-синие кольца не подойдут, материал там иной.

Сначала сердечник изолируют, в моем случае каптноновым скотчем, затем мотают вторичную обмотку. Провод в лаковой изоляции, диаметр может быть от 0,25 до 0,5мм. Количество витков в моем случае 76.

Самый простой сварочный инвертор, трансформатор токаСамый простой сварочный инвертор, трансформатор тока

Далее обмотку нужно изолировать, можно просто залить эпоксидной смолой. Первичная обмотка - один виток из двух параллельных жил провода 1,20мм идущий к силовому трансформатору.

Самый простой сварочный инвертор, трансформатор токаСамый простой сварочный инвертор, трансформатор тока

Выходной выпрямитель классический для этой топологии. Два диода прямой и замыкающий, притом замыкающий нужен более мощный, но можно не заморачиватся и сразу воткнуть два диода типа 150EBU04 на 150 ампер с обратным напряжением 400 вольт. Диоды из этой линейки как правило применяют именно в сварочных инверторах. Диоды обязательно нужны ультра быстрые. Можно применить диодные сборки STTH20003.

Самый простой сварочный инвертор, STTH20003Самый простой сварочный инвертор, STTH20003

В каждом корпусе два независимых друг от друга ультра быстрых диода, каждый на 100 Ампер с обратным напряжением 300 вольт. Они даже лучше, чем 150EBU04 т.к. площадь подложки у них гораздо больше и толще. Соединение винтовое, что очень удобно.

Самый простой сварочный инвертор, STTH20003

Дроссель. Тут все не так однозначно и по факту дроссель довольно критичен Чем больше его индуктивность, тем хорошо будет зажигаться дуга даже при малых токах. По схеме дроссель на 40мкГн, его хватит, но уверенный розжиг дуги я получил при токах от 30 ампер и в принципе этого хватит.

Честно сказать для дросселя пробовал разные материалы - алсифер, неизвестные кольца которые по всей видимости применяются в качестве фильтра в частотных преобразователях и наконец сердечник набранный из трансформаторных пластин.

Наилучшим решением является применение сердечников из порошкового железа, они специально созданы для работы в качестве дросселя, но кольцо нужно приличных размеров, и их найти не так уж и просто и стоят они приличных денег. В итоге по совету коллеги Тимура, который ранее собирал данный сварочник, мой выбор остановился на пакете из железных трансформаторных пластин.

Самый простой сварочный инвертор, сердечник набранный из трансформаторных пластинСамый простой сварочный инвертор, Дроссель

Фишка в том, что сердечник фактически невозможно загнать в насыщение, то есть можно увеличить индуктивность и получить уверенный розжиг дуги при сварочных токах хоть 5 ампер, я понимаю, что на таких токах никто не варит, но все же.

Пакет собирал из того что было, в итоге сердечник получился с размерами 86х30х17мм. Пластины обмотал каптоноым скотчем, затем бумажный и намотал обмотку. Обмотка к сожалению алюминиевая, да медь лучше, но алюминиевый был в наличии. Обмотка намотана в три ряда, каждый ряд по 10-12 витков. После намотки каждого ряда обмотку покрывал лаком в несколько слоев и ставил изоляцию из ткани. Итоговая индуктивность дросселя около 80мкГн. Недостаток такого дросселя - большие размеры и вес, но в моем случае все получилось достаточно компактно, и даже умудрился зафиксировать его на плате. Выводы дросселя были обжаты медными луженными клеммами, ключевое слово луженными иначе такое соединение долго не проработает, будет перегреваться и окисляться.

Самый простой сварочный инвертор, готовый дроссельСамый простой сварочный инвертор, дроссель на плате

Входная часть. Диодный мост взят готовый, сборка KBPC3510, мост на 35 ампер, обратное напряжение 1000 вольт, устанавливается на радиатор.

Самый простой сварочный инвертор, KBPC3510Самый простой сварочный инвертор, KBPC3510 на плате

Силовое реле в схеме плавного пуска с катушкой 24 вольта, рассчитан на ток в 15-30 реальных ампер, если сварочник планируете на токи более 120 ампер, то реле желательно использовать именно 30-и амперное.

Самый простой сварочный инвертор, реле 30АСамый простой сварочный инвертор, реле 30А

Входные электролитические конденсаторы на 450 вольт, в моем случае 2штуки по 470мкФ, желательно установить три, хуже не будет. Подбирайте конденсаторы от хорошего производителя с минимально возможным внутренним сопротивлением.

Самый простой сварочный инвертор, конденсатор 470мкФ 450ВСамый простой сварочный инвертор, конденсатор 470мкФ 450В

Ограничительный резистор по входу желательно взять на 10 ватт, сопротивление от 10 до 30 Ом.

Самый простой сварочный инвертор, балластный резистор 10Вт 10Ом

Диоды VD7, VD8 и VD9 в схеме преобразователя нужны ультра быстрые, именно на тот ток и напряжение, которые по схеме.

Сборку конденсаторов я заменил одним, емкостью 0,33мкФ, конденсатор специального назначения созданный для работы в импульсных схемах, такие применяют в индукционных нагревателях. Обычные пленочные конденсаторы ставить сюда крайне не желательно.

Самый простой сварочный инвертор, конденсатор 0,33мФ 630ВСамый простой сварочный инвертор, конденсатор 0,33мФ 630В

Микросхема ШИМ у меня установлена на панельку для беспаячного монтажа, после полной наладки микросхему обязательно нужно запаять на плату.

Самый простой сварочный инвертор, UC3844Самый простой сварочный инвертор, UC3844

Силовые дорожки на плате просто залудить и усилить припоем не достаточно, нужно их армировать медным проводом.

Самый простой сварочный инвертор, усиление силовых дорожекСамый простой сварочный инвертор, усиление силовых дорожек

НАЛАДКА

Обязательно разряжайте входные конденсаторы перед началом наладочных работ!

Подаем сначала напряжение 24 вольт для управления, сетевое питания в тот момент отключено. Проверяем сигнал на затворе IGBT транзистора, к стати во время наладки можно использовать полевые транзисторы, я к примеру ставил IRF840, он слабый, но наладить схему можно. Транзистор обязательно должен быть установлен на радиаторе.

Проверяем наличие управляющих импульсов на затворе полевого ключа относительно массы питания, импульсы должны быть примерно с заполнением 45-47%, частототой около 30кГц, если они есть, то все нормально идем далее.

Первый запуск схемы делаем через страховочную лампу накаливания на 100 ватт. Схему управления желательно питать от отдельного внешнего источника питания на 24 вольта, отлично подходит лабораторный блок питания, притом родную систему питания можно исключить, повторюсь это только во время наладочных работ.

Нагрузочный резистор в схеме обратной связи по току заменяем на 10-и омный 1-2 ватт, это нужно, чтобы была возможность наладить схему при малых выходных токах.

Подключаем силу, то есть втыкаем вилку в розетку, лампа на момент вспыхнет, т.к. конденсаторы в начальный момент заряжаются достаточно большим током. Проверяем напряжение на выходе инвертора, оно должно быть около 60 вольт, напомню, что это напряжение холостого хода без выходной нагрузки. Регулятор тока ставим в минимальное положение.

Нагружаем инвертор, например нихромовой спиралью или лампочкой, нагрузку сначала даем небольшую, затем постепенно увеличиваем до тех пор, пока не сработает ограничение тока, то есть длительность управляющих импульсов резко не уменьшиться. Притом схема должна реагировать на вращение переменного резистора, длительность импульсов должна плавно меняться в зависимости от положения ползунка переменного резистора. Если этого не происходит, меняем местами концы вторичной обмотки трансформатора тока. Далее меняем страховочную лампу на более мощную (около 300 ватт).

Можно воткнуть более мощный полевой транзистор либо IGBT, но помните, что у нас по прежнему схема не до конца налажена. Сопротивление нагрузочного резистора можно уменьшить раза в два и повторяем то же самое, только на более больших токах. Можно попробовать инвертор на короткое замыкание при малых значениях тока, на этом этапе мы уже понимаем, что собрали сварку и можно разжечь небольшую дугу.

Если регулировка тока происходит в штатном режиме, то все сделано правильно. Помним о том, что инвертор без охлаждения и долго не балуемся.

Сейчас нам нужно привести инвертор в нормальное состояние. Только на этом этапе, после полной наладки схемы устанавливаем силовой IGBT транзистор. Радиаторы охлаждения целесообразно взять от процессоров ПК, они довольно добротные. Выходной выпрямитель у меня без изолирующей прокладки, термопаста имеется. А вот радиатор с силовым транзистором и одним из быстродействующих диодов, находятся на втором радиаторе и они обязательно должны быть изолированы теплопроводящей изоляционной прокладкой.

Самый простой сварочный инвертор, в сбореСамый простой сварочный инвертор, в сборе

Силовой трансформатор, дроссель и радиаторы нужно надежно зафиксировать. Трансформатор и дроссель достаточно затянуть пластиковыми хомутами, можно дополнительно приклеить их к плате.

Самый простой сварочный инвертор, в сбореСамый простой сварочный инвертор, в сборе

Радиаторы же желательно прикрутить к плате и обеспечить изоляцию друг от друга, чтобы они ни в коем случае не соприкасались во время вибраций или падений.

Очень важным моментом является охлаждение, не экономьте на вентиляторах, ставьте мощные высокооборотистые большого диаметра.

Правильно собранная схема во время работы не должна издавать свистов и шумов, если есть подобного рода проблемы, скорее всего проблема в трансформаторе, неправильный зазор, неверное количество витков или неправильная фазировка.

Самый простой сварочный инвертор, в сбореСамый простой сварочный инвертор, в сборе

Проверим напряжение холостого хода, видим,что оно около 60 вольт, притом если нагрузка отсутствует вращая регулятор выходное напряжение не меняется. Ток потребления системы управления на холостом ходу от источника 24 вольта всего 80мА, с учетом тока потребления катушки реле.

Нагружаем инвертор для проверки системы ограничения тока. Нагрузкой служит мощный реостат, сопротивление выставлено меньше пол ома. Ток должен регулироваться достаточно плавно. Выставляем минимальный ток и попробуем зажечь дугу. Берём двух миллиметровый электрод и попробуем поварить на токах около 50-70 Ампер.

Видео по сборке и наладке сварочного инвертора:

С уважением - АКА КАСЬЯН

JLCPCB -- это крупнейшая фабрика PCB прототипов в Китае. Для более чем 600000 заказчиков по всему миру мы делаем свыше 15000 онлайн заказов на прототипы и малые партии печатных плат каждый день!

New register to get $20 coupons!
https://jlcpcb.com
Заказать печатную плату

Расчет импульсного трансформатора

Подписаться на новости
Введите Ваш e-mail

Усилители мощности
Блоки питания
Arduino
Программаторы
Радиоконструкторы
Прочее...