amat spawarka c2amat spawarka c2, Automatyka, Spawarka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
P R O J E K T Y Amatorska spawarka, część 2 AVT−837 W†drugiej czÍúci artyku³u zostanie zaprezentowany sposÛb wykonania transformatora impulsowego oraz pozosta³ych elementÛw strony wtÛrnej, a†wiÍc prostownika i†d³awika. Od pocz¹tku urz¹dzenie by³o projektowane tak, aby sk³ada³o siÍ z†dwÛch czÍúci: uniwersalnego sterownika impulsowego, wspÛlnego dla wszystkich konstrukcji, oraz charakterystycznych dla kaødego wykonania elementÛw indukcyjnych. Dlatego w†niniejszym artykule, oprÛcz opisu rozwi¹zania wykonanego przez autora, zostanie podana pe³na metodologia przystosowania konstrukcji do w³asnych warunkÛw (w szczegÛlnoúci innych magnetykÛw), co najczÍúciej sprawia k³opot konstruktorom. Pofalowane i†szybkozmienne napiÍcie wyprostowane sieci, ja- kie dostarcza uk³ad sterownika impulsowego, musi byÊ prze- transformowane (dla obniøenia napiÍcia do wartoúci wymaganej w†procesie spawania) i wypros- towane (w†za³oøeniu chcemy bo- wiem spawaÊ pr¹dem sta³ym). Pierwszym elementem, pod³¹cza- nym do strony wtÛrnej sterow- nika, jest transformator impulso- wy. Jego zadanie jest proste - musi on obniøyÊ pierwotne 300V do oko³o 45..50V, taka wartoúÊ napiÍcia jest wymagana do pew- nego zapalenia ³uku elektryczne- go. Podczas spawania napiÍcie wyjúciowe spawarki jest mniej- sze, ale w†opisywanym rozwi¹- zaniu redukcji dokonuje uk³ad ograniczenia pr¹du. Bez proble- mu moøna wiÍc wyliczyÊ war- toúÊ przek³adni N=Up/Uw = 6. Oczywiúcie, danym z†katalogÛw nie naleøy wierzyÊ bezkrytycznie - pamiÍtajmy, øe podobnie jak w†innych dziedzinach (np. mocy zestawÛw g³oúnikowych do samo- chodu lub komputera) podawane tam wartoúci parametrÛw s¹ wy- liczonymi i†maksymalnie wyøy³o- wanymi wartoúciami, moøliwymi do osi¹gniÍcia w†idealnych warun- kach i†przy nawijaniu rdzenia nad- przewodnikiem. Do danych kata- logowych stosujemy zatem wspÛ³- czynnik wyczucia inøynierskiego ìkî o†wartoúci 0,5..0,75 (w zaleø- noúci od katalogu), przez ktÛry mnoøymy odczytane graniczne wartoúci mocy. Wydaje siÍ to nieco zagmatwane i†dlatego dla osÛb, ktÛre nie opanowa³y jeszcze sztuki interpretacji podajÍ w†tabeli dane pozwalaj¹ce na zasadzie po- rÛwnania dobraÊ coú nietypowego. Do obliczeÒ przyk³adowych uøy- jemy rdzenia typu E65/28 (pozwa- laj¹cego na przeniesienie maksy- malnie 1,5kW) o†katalogowych pa- rametrach: Le (d³ugoúÊ skuteczna) 147mm, Ve=80300mm 3 , me=1700 i†Al=7400nH/zw 2 . Ta kszta³tka po- winna byÊ oczywiúcie wykonana z†materia³u przeznaczonego do pra- cy z†duøymi mocami. W†przypadku kszta³tek produkcji jeszcze do nie- dawna istniej¹cego Polferu s¹ to materia³y F807 i†F814, dla Philipsa oznacza to materia³y 3C8, 3C85 lub nowy 3F3, z†kolei od Siemensa moøna zastosowaÊ materia³y N67, N87 itp. Transformator RdzeÒ, jaki zdolny bÍdzie prze- nieúÊ ø¹dan¹ moc, moøna wyse- lekcjonowaÊ z dobrego katalogu magnetykÛw (np. Philipsa) lub korzystaj¹c z coraz popularniej- szego oprogramowania, ³¹cz¹cego w†sobie cechy katalogu i†kalkula- tora (np. Siemensa). Przy porÛw- nywaniu rÛønych kszta³tek zwra- camy uwagÍ na parametr zastÍp- czej objÍtoúci magnetycznej (Ve) - im rdzeÒ ma wiÍksze Ve, tym w†przybliøeniu wiÍksz¹ moc moøe przenieúÊ i†odwrotnie. Elektronika Praktyczna 12/99 77 Amatorska spawarka Amatorska spawarka Zakupiony rdzeÒ trzeba nieste- ty nawin¹Ê. Logiczne jest, øe z†uwagi na wyj¹tkow¹ uci¹øliwoúÊ tej czynnoúci oraz na wielkoúÊ strat mocy, liczba zwojÛw w†kaø- dym z†uzwojeÒ powinna byÊ jak najmniejsza. No to ile? Odpowiedü jest prosta - tyle, aby rdzeÒ siÍ nie nasyci³ od pr¹du magnesuj¹cego. Zapomnijmy przez chwilÍ, øe jest to transformator i†za³Ûømy, iø jest to zwyk³y d³awik jednouzwojeniowy. Gdy taki d³a- wik do³¹czymy do ürÛd³a napiÍcia, zacznie p³yn¹Ê liniowo narastaj¹cy pr¹d. W†opisanym uk³adzie, przy czÍstotliwoúci pracy falownika 40kHz bÍdzie on p³yn¹Ê przez maksymalnie t=12,5ms (w praktyce nawet nieco mniej). Przy induk- cyjnoúci uzwojenia pierwotnego L†maksymalna wartoúÊ pr¹du wy- niesie wiÍc Im=U*t/L. Jaka powinna byÊ wartoúÊ tego pr¹du? Taka, aby wywo³ywana przez niego indukcja nie by³a wiÍksza niø ok. 40% maksymal- nej. Ferryt typu F807 ma indukcjÍ nasycenia rzÍdu 330mT, pr¹d magnesuj¹cy nie powinien jednak wywo³ywaÊ w†rdzeniu indukcji wiÍkszej niø 100..150mT. Wiel- koúÊ indukcji moøna wyliczyÊ ze wzoru B=me*I*z/Le, gdzie me to skuteczna przenikalnoúÊ (dana z†katalogu), I†- pr¹d p³yn¹cy przez uzwojenie - tu pr¹d magnesuj¹cy, z†- liczba zwojÛw, a†Le - to kolejny parametr rdzenia z†kata- logu. Dysponuj¹c tymi wzorami oraz pamiÍtaj¹c, øe indukcyjnoúÊ ìzî zwojÛw wynosi L=Al*z 2 , moø- na obliczyÊ liczbÍ zwojÛw uzwo- jenia pierwotnego. Rys. 7. Schemat obwodu wyjściowego spawarki. W†rozwi¹zaniu autora uzwoje- nie pierwotne liczy 45 zwojÛw. Wtedy jego indukcyjnoúÊ wynosi L=15mH, maksymalna wartoúÊ pr¹- du wynosi wiÍc Im=300V* 12,5ms/ 15mH=0,25A, a†wielkoúÊ indukcji B=1700*0,25A*45/147mm=130mT. RdzeÒ siÍ wiÍc nie nasyci. Gdy indukcja ìwyjdzieî istotnie wiÍk- sz¹, trzeba zweryfikowaÊ za³oøenia - na przyk³ad zmieniÊ typ rdzenia. LiczbÍ zwojÛw uzwojenia wtÛr- nego wyliczamy z†przek³adni za- okr¹glaj¹c w†gÛrÍ Nw=Np/N=45/ 6=8. Oczywiúcie wszystkie te ob- liczenia s¹ mocno uproszczone, nie uwzglÍdniaj¹ na przyk³ad spadkÛw napiÍÊ na diodach pros- townika i†rezystancji uzwojeÒ, ale praktyka wskazuje, øe wszystko jest w†porz¹dku. O†ile do zapale- nia ³uku potrzebne jest napiÍcie oko³o 50V, to juø podczas spa- wania wynosi ono nawet 20V. Do ograniczenia strat mocy w†prostowniku zastosowany zo- sta³ uk³ad z†podwÛjnym uzwoje- niem wtÛrnym (dwa razy 8†zwo- jÛw) i†dwiema diodami. årednice drutÛw nawojowych wyliczamy korzystaj¹c z†dopuszczalnej gÍsto- úci pr¹du dla miedzi w†pracy przerywanej (mamy jeszcze wy- muszone ch³odzenie), a†wiÍc ok. 8..10A/mm 2 . Przy mocy 1,5kW pr¹d p³yn¹cy przez uzwojenie pierwotne wyniesie oko³o 1500W/ 300V=5A, a pr¹d po stronie wtÛr- nej bÍdzie szeúciokrotnie wiÍkszy. Nietrudno wyliczyÊ, øe uzwojenie pierwotne powinno byÊ nawiniÍte drutem o†úrednicy oko³o 0,9mm, a†przy uwzglÍdnieniu efektu na- skÛrkowego ok. 1mm. Z†kolei uzwojenie wtÛrne wymaga drutu o†przekroju min. 3mm 2 , czyli o†úrednicy 2mm. Jak widaÊ, zgrubne szacunki uzwojeÒ transformatora wcale nie s¹ skomplikowane. Zanim jednak zabierzemy siÍ do pracy, warto jeszcze chwilÍ spÍdziÊ przy kal- kulatorze i†obliczyÊ, czy wspo- mniane uzwojenia uda siÍ nawi- n¹Ê, tzn. czy w†oknie rdzenia jest dostatecznie duøo miejsca. Dla rdzenia E65/28 typowy karkas oferuje ok. 400mm 2 miejsca przy szerokoúci nawijania 40mm. Uzwo- jenie pierwotne da siÍ nawin¹Ê w†dwÛch warstwach - zabierze ono wiÍc 2†razy 1mm+0,5mm na izolacjÍ - 120mm 2 , a uzwojenie wtÛrne teø bÍdzie nawijane w†dwÛch warstwach o†wysokoúci 2mm+0,5mm na izolacjÍ, a†wiÍc w†sumie 200mm 2 . Transformator da siÍ zatem nawin¹Ê. Prostownik Kolejnym etapem budowy jest prostownik. Do wyprostowania napiÍcia po- trzebne s¹ dwie szybkie diody prostownicze. Musz¹ one mieÊ dopuszczalne napiÍcie zwrotne min. 200V, dopuszczalny pr¹d ci¹g³y 25A i†czas rekombinacji noúnikÛw poniøej 200ns. Dla spa- warki wiÍkszej mocy oczywiúcie wymagania rosn¹. Celowo poda³em opis diody w†postaci parametrycznej, a†nie konkretnego, jednego typu, gdyø nie s¹ to elementy tanie i†czÍsto udaje siÍ coú ìdopasowaÊî. W†kon- strukcji modelowej uøyte zosta³y na przyk³ad cztery (po dwie rÛw- nolegle), juø nieco ìmuzealneî diody typu 1N3891 (16A/600V/ 250ns), ktÛre uda³o mi siÍ kupiÊ z†demontaøu za 1z³/sztuka. Tabela 1. Popularne kształtki ferrytowe Polferu i Philipsa i ich podstawowe parametry. Kształtka Ve Le me Al/szczelina indukcja nas. materiał E65/28 80300 147 1700 7400 330mT F807/F814 E55/20 40200 125 1750 5900 − 0mm 330mT F807/F814 450 1600 − 0,25mm 280 1000 − 0,43mm 176 630− 0,75mm 112 400 − 1,3mm 88 300 − 1,75mm M42/29 18300 69 250 1250 − 0,15mm 360mT F1001 − kubkowy 160 800 − 0,32mm 80 400 − 0,8mm 50 250 − 1,5mm ETD49 24000 114 1950 4200 330mT 3C85 ETD54 35500 127 1950 5000 330mT 3C85 ETD59 51500 139 1950 6000 330mT 3C85 U46x40x28 70000 180 2200 5300 330mT F807/F814 U80x53x32 164000 280 2200 4500 330mT F807/F814 TN33/20/11 5200 80 80 82 1400mT 2P80 − ciemnozielony − proszkowy 90 87 1600mT 2P90 − ciemnobrazowy 78 Elektronika Praktyczna 12/99 Amatorska spawarka Tranzystory kluczuj¹ce i†diody prostownicze s¹ najdroøszymi ele- mentami potrzebnymi do wykona- nia spawarki. Przy ich kupnie naleøy uwaøaÊ, gdyø z†nie zna- nych mi powodÛw ceny u†krajo- wych sprzedawcÛw zachowuj¹ siÍ przypadkowo - ta sama dioda MUR1660 (moøna j¹ wykorzystaÊ ³¹cz¹c dwie diody rÛwnolegle) w†cenie Motoroli 1,05USD, w†jed- nej znanej firmie kosztuje 3,5z³ netto, w†innej blisko 20z³ (wcale nie myúlÍ tutaj o†Elfie!). Diody prostownika trzeba przy- krÍciÊ do solidnego kawa³ka ra- diatora, gdyø wydziela siÍ w†nich nawet 30W. Przy montaøu warto zadbaÊ, aby strumieÒ powietrza z†wentylatora op³ywa³ wspomnia- ny radiator w†moøliwie najwiÍk- szym stopniu. Najbardziej zagadkowym ele- mentem konstrukcji jest d³awik wyjúciowy. Mimo øe na pozÛr wydaje siÍ byÊ elementem niepo- trzebnym, jego rola jest istotna - jest on elementem uk³adu ogra- niczenia pr¹du. Aby zrozumieÊ jego rolÍ w†uk³adzie, najproúciej bÍdzie wyjaúniÊ jak dzia³a uk³ad ograniczenia pr¹du wyjúciowego. Jak juø wspomnia³em w†pierw- szej czÍúci artyku³u, uk³ad sterow- nika impulsowego ogranicza wspÛ³- czynnik wype³nienia impulsÛw ste- ruj¹cych kluczami, gdy pr¹d p³y- n¹cy przez klucze osi¹gnie okreú- lon¹ progow¹ wartoúÊ, np. 5A. Gdyby w†uk³adzie nie by³o d³awi- ka, ewentualne zwarcie po stronie wtÛrnej (np. dla zapalenia ³uku) przenios³oby siÍ przez transforma- tor (rÛwnieø jako zwarcie) na stronÍ pierwotn¹. Nawet gdyby uk³ad sterownika natychmiast (co oczywiúcie nie jest moøliwe) za- reagowa³ na to zdarzenie i†zacz¹³ ograniczaÊ wspÛ³czynnik wype³- nienia, to i†tak pr¹d p³yn¹cy przez klucze nie zosta³by ograniczony. Ograniczenie wspÛ³czynnika wy- pe³nienia impulsu nic tutaj nie pomaga - nadal amplituda napiÍ- cia przyk³adanego do transforma- tora wynosi ok. 300V, tyle øe trwa ono przez krÛtszy czas. D³awik umieszczony na wyj- úciu rozwi¹zuje ten problem. Na- wet gdy wyjúcie zostanie zwarte, jego indukcyjnoúÊ spowolni naras- tanie pr¹du tak, øe uk³ad kontroli bÍdzie mia³ szansÍ prawid³owo zareagowaÊ. Dodatkowym zyskiem Tab. 2. Zmiany niektórych elementów kontrolera w zależności od wersji mocowej. Ozn. 1kW 1,5kW 2kW T1...T4 STP10N40 STW18N40 STW20N40 R4,5,6 lacznie 0,3 lacznie 0,2 lacznie 0,15 C2,3 220m 470m 470m C4 220p 220p 330p R8,R10, R12,R14 22 22 18 Dlw1 min. 30mH/25A min. 20mH/35A min. 18mH/45A Dw1 25A/200V 35A/200V 45A/200V Trw1 E55 U46/E65 E65 jest to, iø wyg³adza on istotnie tÍtnienia wyprostowanego napiÍ- cia wyjúciowego, daj¹c w†efekcie bardziej sta³e napiÍcie wyjúciowe. Umieszczony na wyjúciu kon- densator elektrolityczny jest ele- mentem opcjonalnym, gdyø uk³ad dzia³a prawid³owo i†bez tego ele- mentu. Jego obecnoúÊ w†uk³adzie przydaje siÍ jednak w†momencie zapalania ³uku, a†wiÍc wtedy, gdy pocieramy elektrod¹ o†spawany element. Zgromadzona w†pojem- noúci energia pomaga w†zapalaniu ³uku, zwiÍkszaj¹c chwilow¹ wy- dajnoúÊ pr¹dow¹ spawarki. Do wykonania d³awika najle- piej jest uøyÊ rdzenia ze sprosz- kowanego øelaza. Takie rdzenie wykonuje siÍ w†formie pierúcieni powleczonych poliamidem i†po- wszechnie uøywa jako wysokopr¹- dowych d³awikÛw w†zasilaczach impulsowych (np. od PC-ta). Za- let¹ takiego materia³u magnetycz- nego jest bardzo wysoka indukcja nasycenia rzÍdu 1400mT (ferryt ma tÍ wartoúÊ na poziomie 300...400), przez co nawet potÍø- ny d³awik jest niewielki. Na rdze- niu TN33/20/11 Philipsa (liczby okreúlaj¹ úrednicÍ zewnÍtrzn¹, we- wnÍtrzn¹ i†gruboúÊ w†milimetrach) z†materia³u 2P80 (Al=82, me=80, Le=80mm, Bmax=1400mT, kolor ciemnozielony) wystarczy nawi- n¹Ê 16 zwojÛw drutu DNE1,8mm i†d³awik gotowy. Wymaga on jed- nak ch³odzenia wymuszonego - drut nawojowy jest doúÊ cienki, ale grubszym nie uda siÍ nawin¹Ê rdzenia pierúcieniowego. Gdy nie mamy dostÍpu do nowoczesnych magnetykÛw, trzeba zaakceptowaÊ krajowy ferryt. RdzeÒ E55/20 z†materia³u F807 lub F814 ze szczelin¹ powietrzn¹ 1,75mm (Al=300) bÍdzie mia³ na tyle duøy zapas, øe moøna zwiÍk- szyÊ nieco indukcyjnoúÊ d³awika (z oko³o 20mH do 30mH) i†úred- nicÍ przewodu nawojowego. Nawi- jamy w†tym przypadku 10 zwojÛw bifilarnie dwoma drutami 1,8..2mm. Gdy nie dysponujemy rdzeniem ze szczelin¹, w†tym przy- padku moøna j¹ wykonaÊ poprzez w³oøenie przek³adek pod kolumny boczne. Aby jednak zrobiÊ to prawid³owo, trzeba kontrolowaÊ indukcyjnoúÊ d³awika miernikiem RLC - praktycznie stwierdzono, øe okreúlenie gruboúci podk³adek jest ma³o dok³adne. Montaø mechaniczny i uruchomienie ca³oúci CzÍúÊ transformatorowo - pros- townikow¹ naleøy zmontowaÊ na odpornej na podwyøszon¹ tempe- raturÍ podstawie. Ca³oúÊ wraz z†kontrolerem zamykamy w†meta- lowej obudowie, przez ktÛr¹ po- winno przep³ywaÊ t³oczone przez wentylator powietrze. Do prÛb urz¹dzenia przydaje siÍ øarÛwka 12V/21W, ktÛr¹ na- leøy w³¹czyÊ szeregowo pomiÍdzy kontroler a†pierwotne uzwojenie WYKAZ ELEMENTÓW dla układu transformatorowo − prostownikowego (1,5kW) Trw1 − transformator impulsowy do samodzielnego wykonania na rdzeniu E65/28 Polfer z materiału F814 (F807) i karkasem typu 1187. Uzwojenie pierwotne 45 zwojów drutu DNE 1mm w dwóch warstwach. Uzwojenie wtórne 6 + 6 zwojów (odczep pośrodku) drutem DNE2mm w dwóch warstwach. Dw1, Dw2 − dioda prostownicza 25A/200V/trr<200ns np. MUR3040 lub dwie MUR1620 połączone równolegle, Dłw1 − dławik 20...30mH/35A, rdzeń E55/20 F807/F814 ze szczeliną 1,75mm (Al=300) i karkasem 1186. Uzwojenie − 10 zwojów dwoma drutami DNE1,8..2mm. C1w − 1000mF/63V Elektronika Praktyczna 12/99 79 Amatorska spawarka transformatora impulsowego. Pod- czas pierwszej prÛby pe³ni ona rolÍ bezpiecznika chroni¹cego przed uszkodzeniem klucze ste- rownika. Po w³¹czeniu uk³adu nie powinniúmy zaobserwowaÊ øad- nych negatywnych zjawisk i†oczy- wiúcie wspomniana øarÛwka nie powinna siÍ úwieciÊ. Sprawdzamy wartoúÊ napiÍcia wyjúciowego - powinno przekraczaÊ 45V. Na ko- niec zwieramy wyjúcie uk³adu do³¹czaj¹c do zaciskÛw wyjúcio- wych kawa³ek (20mm) cienkiego drutu miedzianego (0,5mm, np. telefoniczny) trzymany w†pense- cie. Drut powinien oczywiúcie natychmiast sp³on¹Ê. Potem zosta- je jedynie usuniÍcie øarÛwki - bezpiecznika i†ewentualna prÛba zapalenia ³uku z†drutem stalowym 1mm. Uwaga! Przy wszelkich prÛbach z†³ukiem elektrycznym i†pÛüniej- szym spawaniem naleøy bezwzglÍd- nie i†skutecznie chroniÊ oczy przez promieniowaniem ultrafioletowym i†wysok¹ jasnoúci¹ ³uku. Jako za- bezpieczenie minimalne wymagane jest spogl¹danie przez ciemne szk³o spawalnicze. PamiÍtajmy rÛwnieø, øe ³uk elektryczny jest ürÛd³em wysokiej temperatury, a†iskry prys- kaj¹ce z†elektrody mog¹ zapaliÊ niektÛre przedmioty, a†nawet znisz- czyÊ pod³ogÍ. Rozwaga, odpowie- dzialnoúÊ i†brak poúpiechu s¹ ce- chami tak samo potrzebnymi do uruchomienia urz¹dzenia jak i†mier- nik uniwersalny. Robert Magdziak, trebor@mi.com.pl 80 Elektronika Praktyczna 12/99 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |
Podobne
|