Девайсы
Статьи
Контакты

Импульсный регулятор сварочного тока (чоппер)


Регулятор выполняет задачу регулирования величины тока во вторичной цепи сварочного полуавтомата. На рисунке 1 представлена упрощенная схема силовой цепи полуавтомата. Регулятор представляет собой классический "чоппер" (прерыватель). Силовые цепи чоппера включают в себя силовой ключ (MOSFET), разрядный диод, дроссель, выходной конденсатор (рис. 2). Ключ управляется от платы управления на базе микроконтроллера, изображение и схема которой представлены на рисунках 9, 10. Регулирование тока происходит по принципу ШИМ (широтно-импульсного модулирования), путем изменения длительности импульсов тока, проходящих через ключ, при неизменной частоте следования импульсов. Таким образом изменяется среднее значение тока в нагрузке.

Типовая схема силовой части полуавтомата
Рисунок 1 - Типовая схема силовой части полуавтомата

Схема включения чоппера
Рисунок 2 - Схема включения чоппера

Принцип работы ШИМ

Рисунок 3 - Принцип работы ШИМ (упрощенные диаграммы)

Принцип работы чоппера следующий. При подаче импульса с платы управления на ключ VT1, он открывается, ток через него поступает через сглаживающий дроссель L1 в выходной конденсатор, при этом в дросселе L1 происходит накопление энергии. При снятии управляющего импульса с ключа, он закрывается, и в контуре VD1-L1-C2 начинает протекать ток, вызванный высвобождением накопленной в дросселе энергии в выходной конденсатор C2. Далее цикл повторяется.
Конденсатор C1 (совместно с индуктивностью трансформатора) выполняет функцию фильтра низкой частоты (50 Гц), чем больше его емкость, тем меньше будут проходить низкочастотные пульсации тока в нагрузку. Его величину можно рассчитывать по общеизвестным формулам, но на практике в устройствах такого типа значения емкости составляют 20000..100000 мкФ. Дроссель L1 совместно с конденсатором C2 образует фильтр низкой частоты после чоппера (около 5 кГц). Дроссель L1 выполняется на ферритовом сердечнике на индуктивность порядка 100 мкГн. Конденсатор C2 должен иметь емкость порядка 1000..2000 мкФ.
Силовые элементы чоппера (VT1 и VD1) требуют соответствующего охлаждения, поскольку на них имеют место потери мощности. Статические потери в ключе обусловлены наличием у MOSFET-транзистора активного сопротивления канала сток-исток в открытом состоянии (Rds_on). Поэтому следует подбирать транзисторы с как можно меньшим значением Rds_on. Динамические потери имеют место при переключениях, их величина пропорциональна частоте управляющего сигнала и длительности фронтов импульсов (т.е. скорости переключений). Рассматриваемый чоппер работает на относительно малой частоте (около 5кГц), поэтому, по сравнению со статическими потерями, динамические на такой малой частоте незначительны.

В коммутируемом транзистором контуре неизбежно наличие индуктивности (выводы, провода, шины), что с учетом большой величины коммутируемого тока, может вызвать коммутационные перенапряжения, которые могут привести к пробою ключа. На рисунке 4 показана форма напряжения сток-исток с возможными импульсами перенапряжения.

Импульсы перенапряжения на силовом ключе

Рисунок 4 - Форма напряжения на силовом ключе (с импульсами перенапряжения).

Для подавления импульсов перенапряжения параллельно транзистору устанавливается RC-цепочка (снаббер). Большая часть энергии коммутационных "выбросов" гасится на резисторе снаббера (зависит от правильности подбора R и C). Как дополнительная мера защиты от перенапряжений, предусмотрен защитный TVS-диод (супрессор) (рис. 5), который будет ограничивать амплитуду выбросов до допустимого для ключа уровня, если не справится снаббер. При этом "срезаемая" часть энергии выброса будет выделяться на диоде. Если при этом мощность и длительность импульса перенапряжения превысит допустимые для TVS-диода, то он выйдет из строя, зашунтировав ключ, при этом сам MOSFET-ключ с большой вероятностью останется невредимым.

Схема силового ключа

Рисунок 5 - Схема силового ключа.

На рисунке 6 зеленым показана форма напряжения сток-исток на транзисторе с применением снаббера, а красным - ток в RC-цепочке. Благодаря RC-цепочке, амплитуда напряжения сток-исток в данном примере не превышает напряжение питания.

Напряжение со снаббером
Рисунок 6 - Форма напряжения сток-исток со снаббером (зеленый) и ток в RC-цепочке (красный)



Реализация

Силовой ключ собран на четырех параллельно включенных MOSFET-транзисторах IRFP260N (200В, 50А, 0,04Ом). Схема и фото представлены ниже.

Схема силового ключа Фото силового ключа

Рисунок 7 - Силовой MOSFET-ключ 4xIRFP260N.


В качестве разрядного диода используются четыре сборки диодов Шоттки 30CPQ150 (30А, 150В), включенные параллельно.

Схема модуля разрядного диода Фото разрядного диода

Рисунок 8 - Разрядный диод 4x30CPQ150.



Регулятор сварочного тока

Рисунок 9 - Схема устройства управления ключом.


Плата управления работает следующим образом. После подачи питания на МК, на ноге 14(OC0A) появляется инверсный ШИМ-сигнал, с заданной по умолчанию шириной импульса. Ширина импульсов может меняться кнопками "больше"/"меньше". Далее транзистором VT1 осуществляется инверсия и сдвиг уровня управляющего сигнала с 5В на 15В. Положительные импульсы подаются на выход усиленными по току транзистором VT2, в этот момент происходит заряд емкости затвора управляемого MOSFET-ключа, при этом VT3 закрыт. В период между импульсами транзистор VT3 открывается, а VT2 закрывается, при этом через VT3 происходит разряд затвора. Резистор R6 устанавливается в том случае, когда управляемым ключом служит одиночный транзистор. Если ключ построен на нескольких транзисторах, то вместо R6 устанавливается перемычка, а затворные резисторы устанавливаются для каждого транзистора данного ключа. Хотя прошивки работают на частотах внутреннего тактового генератора, на плате разведено место для кварца, для случая, если понадобится завести МК на другой или более стабильной частоте. На светодиодной шкале условно отображается текущее значение заданной ширины. Алгоритм отображения позволяет показывать 9 ступеней регулирования на 5 светодиодах.

Регулятор сварочного тока

Рисунок 10 - Изображение платы управления ключом.


chopper_2313_r01c.lay (67 кб) - разводка платы управления;
chopper_2313_r02.hex (596 б) - прошивка ATtiny2313.

Установка фьюзов ATTiny2313:

CKSEL=0100, CKDIV8=1 - внутренний генератор тактовой частоты на 8 МГц, делитель частоты отключить.


Видео





Комментарии




Добавление комментария
Имя:
E-mail:
Сообщение: