Расчет универсальной нагрузки для диагностики сварочных аппаратов

Появление малогабаритных сварочных аппаратов(СА)инверторного типа значительно расширило парк СА. Увеличилось и количество обращений в ремонтные мастерские, связанные с ремонтом сварочных аппаратов. После ремонта любой сварочный аппарат требует испытания на соответствие своим техническим параметрам, заявленным в паспорте. К таким параметрам, прежде всего, относятся:

- напряжение холостого хода;

- минимальный сварочный ток;

- максимальный сварочный ток;

- продолжительность нагрузки ПН%;

Для определения последних трех параметров требуется мощная универсальная нагрузка, позволяющая имитировать работу СА на электрическую дугу. В качестве такой нагрузки зачастую используется балластный реостат типа РБ-315 (1) или генератор статической нагрузки фирмы TEL-WIN (2). Как известно из теории и практики электродуговой сварки (3), напряжение дуги при ручной сварке покрытыми электродами определяется формулой:

U_d = 20+0,04xl_d

где U_d - напряжение на дуге в Вольтах, I_d - ток дуги в Амперах;

В соответствии с этой формулой составляется таблица зависимости напряжений U_d от тока l_d. Ручкой регулировки тока на СА выставляют требуемую минимальную или максимальную величину тока. Диагностируемый СА нагружают на балластный реостат, который с помощью имеющихся у него переключателей позволяет задавать различные сопротивления нагрузки. С помощью переключателей балластного реостата подбирают такое сопротивление нагрузки, при котором измеряемое напряжение на выходе СА и измеряемый ток нагрузки соответствовали бы имеющимся табличным значениям сварочной дуги. Таким способом можно определить реальный ток на выходе испытуемого СА. Этот процесс измерения сварочного тока требует определенных трудозатрат, так как подобрать сразу необходимое сопротивление балластного реостата, как правило, не удается.

Для упрощения процесса измерения параметров СА автор предлагает следующий универсальный имитатор нагрузки для сварочных аппаратов (далее - ИНСА).

ИНСА представляет активную нагрузку, состоящую из проволочной спирали R сопротивлением 0,04 Ом, включенной последовательно со стабилизатором напряжения (J1 20 В.

Рис. 1 Эквивалентная схема ИНСА

Как видно из эквивалентной схемы (рис.1), напряжение U_d, приложенное к зажимам этой схемы, будет соответствовать вышеприведенной формуле при произвольных значениях тока l_d. Таким образом имитатор нагрузки СА будет являться эквивалентом сварочной дуги и с его помощью можно имитировать сварочный процесс без получения электродугового разряда с температурой 5000...7000 °С и без необходимости использовать все сварочные аксессуары (защитная маска, электрод, электрододержатель).

Максимально допустимый ток стабилизатора напряжения U1 должен быть не менее максимального тока диагностируемых СА .

Рис.2. Функциональная схема ИНСА

На рис. 2 показана функциональная схема предлагаемогоимитатора нагрузки, рассчитанного на максимальный ток 300 А.

Выходные кабели испытуемого СА подключаются к зажимам IN1, IN2 имитатора нагрузки. Напряжение с выхода СА подается на диодный мост VD1 и на схему выделения напряжения А1. Диодный мост VD1, рассчитанный на максимальный ток диагностируемых сварочных аппаратов, необходим для того, чтобы имитатор нагрузки можно было использовать для испытаний СА постоянного и переменного токов. На выходе схемы выделения напряжения А1 вырабатывается напряжение 2U_vd, равное напряжению падения на двух диодах выпрямительного моста VD1. Это напряжение поступает на вход сумматора АЗ и вычитается из опорного напряжения 20 В, поступающего на второй вход сумматора. С выхода сумматора АЗ напряжение, равное (20-2U_vd), поступает на инверсный вход стабилизатора напряжения U1 (обведен пунктиром). Стабилизатор работает с последовательно включенным резистором R2. Принцип работы стабилизатора напряжения U1 аналогичен работе микросхемы TL431 - трехвыводного регулируемого параллельного стабилизатора [4]. На прямой вход стабилизатора поступает напряжение с преобразователя А2, который преобразует действующее (среднеквадратичное)значение напряжения, снимаемого с точки соединения проволочных резисторов R1 (0,04 Ом) и R2, в постоянное напряжение [5]. Посредством операционного усилителя DA1, силового транзистора VT1 и проволочного резистора R2 в точке соединения резисторов R1 и R2 поддерживается стабилизированное напряжение, равное величине (20-2U_vd) В. Номинал резистора R2 определяется максимальным значением тока l_{d_max} из выражения: l_{d_max}=(20-2U_vd)/(R2+R_sd), где R_sd - сопротивление открытого состояния силового MOSFET-транзистора VT1. Для l_{d_max}=300 А значение R2=0,05 Ом.

Резистор R0 используется в качестве шунта для измерения величины тока l_d. При токе величиной 300 А падение напряжения на нем равно 75 мВ. Напряжение с этого шунта подается на схему выделения действующего значения тока А4 и, далее, на регистратор тока А. Входное напряжение U_d на входе ИНСА определяется по формуле:

U_d=2U_vd+l_dx0,04+(20-2U_vd)+l_dxR0 = 20+l_dx0,04+l_dxR0

Поскольку величина падения напряжения на резисторе R0 не превышает 75 мВ, то последним слагаемым l_dxR0 можно пренебречь. Таким образом, получаем:

U_d= 20+I_dх0,04

То есть, напряжение U_d на входе имитатора нагрузки будет соответствовать необходимому напряжению дуги при ручной сварке.

Кроме этих узлов функциональная схема имеет блок питания А5 (DC/DC-преобразователь), формирующий напряжение питания и опорное напряжение вышеперечисленных узлов, и вентилятор FEN для охлаждения диодного моста VD1 и транзистора VT1. Таким образом, вышеописанный ИНСА будет представлять из себя конструкцию, на передней панели которой размещаются амперметр (регистратор тока) и две клеммы для подключения кабелей от диагностируемого СА. Подключение к внешнему источнику питания ИНСА не требуется - все электронные узлы, включая вентилятор охлаждения, питаются от диагностируемого сварочного аппарата. Измерение выходного тока СА будет предельно просто - нужно подключить сварочные кабели к клеммам имитатора и снять показания регистратора тока.

Основной вопрос при разработке данного имитатора - это правильное определение теплового режима элементов конструкции. Для этого в первую очередь необходимо определить максимальную мощность, выделяемую на диодном мосте VD1 и силовом транзисторе VT1.

Мощность, выделяемая на диодном мосте VD1, вычисляется по формуле:

P_vd=2xI_dxU_vd

Максимальная мощность будет выделяться при максимальном токе I_{d_max.}

Для l_{d_mах}=300 А И U_vd= 1,5 В (падение напряжения на одном диоде) получим P_{vd_max}=900 Вт.

При условии, что ток, потребляемый блоком питания А5, много меньше тока l_d, мощность, выделяемая на силовом транзисторе VT1, равна

P_vt=l_dXU_vt=l_dX(20-2U_vd-l_dxR2)

Максимальная мощность Р_{vt_max} будет выделяться при токе l_d=(20-2U_vd)/2R2=17/0,1 = 170 А и составит Р_{vt_mах}=170х(20-2х1,5 -170x0,05)= 1445 Вт. Исходя из этих значений мощностей: P_{vd_max}=900BT И P_{vt_max}=1445 Вт Необходимо рассчитывать эффективную площадь радиатора охлаждения, на котором будут устанавливаться диоды моста VD1 и силовой транзистор VT1.

Можно отказаться от диодного моста VD1 и заменить его вторым стабилизатором напряжения U2 противоположной полярности, включенным последовательно со стабилизатором U1, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема ИНСА без диодного моста

Когда напряжение, поступающее из сварочного аппарата, имеет полярность "плюс" на клемме IN1 и "минус" на клемме IN2, то работает стабилизатор U1. Второй стабилизатор блокируется диодом VD2, являющимся составной частью силового транзисторного модуля VT2. При противоположной полярности приложенного напряжения ("плюс" на клемме IN2, а "минус" на клемме IN 1) работает второй (верхний на рис. 3) стабилизатор напряжения U2, а стабилизатор U1 блокируется диодом VD1. При такой функциональной схеме количество тепла, выделяемое на активных элементах схемы при l_{d_mах}=300 А, уменьшается, поскольку в каждый полу-период тепло выделяется только на одном диоде транзисторного модуля, а не на двух диодах моста, как имело место в первой функциональной схеме с диодным мостом. Однако, максимальная мощность P_{vt_max}, выделяемая на силовом MOSFET-транзисторе, будет больше, чем в схеме с диодным мостом.

Если же заменить линейный стабилизатор напряжения импульсным, то можно существенно снизить рассеиваемую мощность на силовом MOSFET-транзисторе, поскольку он будет работать в ключевом режиме.

В настоящее время автором отрабатывается схема конструкции вышеописанного универсального имитатора нагрузки сварочного аппарата.

Литература

1. В.Я. Володин. Как отремонтировать сварочные аппараты своими руками. Наука и Техника,Санкт-Петербург, 2011, стр. 33, 291-293.

2. http://valvolodin.narod.ru/schems/Tecnica_141-161.pdf. Инструкция по ремонту инверторного сварочного аппарата Tecnica 141-161, стр. 10 Static load generator

3. ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004, п. 11.2.1.

4. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. ДОДЭКА, изд. второе, 1998 г., стр. 219.

5. Пейтон, Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. БИНОМ, Москва,

1994, стр. 326.

Автор: Александр Бегиев ( г. Волжский, Волгоградская обл.)