Zváračka

Spolu s kamarátom Staffym sme zostrojili tyristorovú zváračku s 3-fázovým poloriadeným usmerňovačom.
Jej príbeh, ktorý má už niekoľko rokov, sa začal keď sme získali 3 fázové trafo a tlmivku a hneď sme dostali nápad spraviť z toho zváračku :-).
titulka

Predmetné trafo má paramatre 3x380/3x42 , 3000 VA (35 kg :-)). Tlmivka má približne 4 mH. Najprv sme rozmýšľali nad reguláciou v primárnom vinutí, toto riešenie sme rýchlo zavrhli a pustili sme sa do navrhovania a skúšania poloriadeného usmerňovača na sekundárnej strane. Inšpiráciu sme brali z niekoľkých dostupných schém podobných zváračiek, hlavne Československého pôvodu (predovšetkým WTU-315). Návrh riadenia mám na svedomí ja, Staffy navrhoval a vyrábal DPS. Na snímanie prúdu sme použili hallov snímač od firmy Allegro Microsystems, konkrétne typ ACS758ECB-200B.

Popis hardvéru

Na prvom obrázku je zapojenie výkonovej časti zváračky.


obr1

Na schéme vidíte výkonový poloriadený usmerňovač, tlmivku s nulovou diódou, prúdový snímač a pomocný usmerňovač. Riadenie tyristorov je fázové. Paralelne k tyristorom sú pripojené komutačné ochrany (RC články), ktoré potláčajú samovoľné zopnutia tyristoru. Sú zložené z drótového rezistoru 22 Ohm a fóliového kondenzátora 2,2 µF.
Tlmivka filtruje zvlnený prúd, nulová dióda uzatvára obvod keď sú tyristory zavreté. Odpor 11R je zložený z viacerých výkonových odporov, celkovo dimenzovaný na 200 W (odpory sú na obidvoch stranách DPS), s pomocných usmerňovačom slúži na rýchlejšie zatváranie tyristorov.
Tyristory a diódy sú z produkcie ČKD, zohnali sme ich z rôznych zdrojov, takisto ako chladiče k nim - tie nie sú prakticky ani potrebné, slúžia len na spoľahlivé vodivé spojenie puzdier.
Snímač prúdu je spomenutý ACS758ECB-200B.
Okrem toho zváračka obsahuje ešte 2 napájacie zdroje (navzájom galvanicky oddelené), jeden napája riadiacu jednotku, druhý slúži na dodávku prúdu do gateov tyristorov.

Na ďalšej schéme vidno časť, ktorá sa stará o generovanie impulzov pre spínanie tyristorov.


obr2

Na vstup sú pripojené katódy jednotlivých diód (anódy tyristorov) KD1-KD3 z výkonového usmerňovača, napätie v týchto bodoch slúži na synchronizáciu budiacich impulzov s napätím v elektrickej sieti.
Z neho je pomocou RC článkov vytvorený pílový signál, ten je privedený do komparátorov. Na invertujúci vstup komparátorov je privedené riadiace napätie (z regulátora), ktoré určuje v akom okamihu sa spínajú tyristory. Komparátory vytvoria z týchto dvoch signálov obdĺžnikový priebeh, z ktorého sú následne vytvorené úzke impulzy, ktoré sa prostredníctvom optočlenov spínajú tranzistory a cez ne sa dostane prúd do gatov tyristorov. Budiace impulzy sú prenášané optočlenmi TLP181 (ako by sa to správalo, keby sme použili nejaký digitálny optočlen?). PNP tranzistor T2 slúži na zablokovanie spínania, napríklad pri skrate na výstupe. +Ub je rovné 12V.

Na nasledujúcej schéme je úprava signálu z prúdového snímača a regulátor prúdu.


obr3

Túto časť tvorí diferenčný zosilňovač na oddelenie posunu nuly prúdového snímača (ten sa doladí trimrom), za ním nasleduje filter na potlačenie zvlnenia signálu MI. Potom tu je potenciometer na nastavenie požadovaného prúdu, z neho signál prechádza cez OZ na impedančné oddelenie. Signály MI a MP následne vstupujú do regulátora, je použitý analógový PI. Na jeho výstupe je ešte odporová sieť, ktorej úlohou je preškálovanie napätia z regulátora do intervalu, ktorý zodpovedá úrovniam pílového signálu v časti generujúcej budiace impulzy. Tento signál je privedený do budiacej časti.

Ďalej tu máme referenčné zdroje:


obr4

Ten 5 V-ový slúži na napájanie prúdového snímača, potenciometra. Zdroj 2,56 V slúži ako referencia pre A/D prevodník mikrokontroléra.

Časť s mikrokontrolérom:


obr5

V tejto časti riadiacej jednotky je mikrokontrolér, ktorého úlohou je merať teplotu výkonového trafa a tlmivky, napätie na výstupe zváračky a podľa nich stanoví, či bude výkonový usmerňovač zapnutý. Na meranie teploty sú použité snímače LM35D. Máme tu urobenú aj funkciu Antistick, ktorá po prilepení elektródy (skrate na výstupe) vypne výkonový výstup (budenie tyristorov). V prevádzke však zostáva pomocný usmerňovač, takže je stále možné zistiť či je elektróda prilepená. Na zopnutie budenia tyristorov slúži signál VT. Prehriatie je signalizované rozsvietením červenej ledky.
Odporový delič na meranie napätia výkonového výstupu obsahuje transil na odfiltrovanie špičiek s vysokým napätím a kondenzátor na filtráciu zvlnenia.
Ďalšou úlohou mikrokontroléra je meranie prúdu vo výkonovej časti a jeho zobrazovanie na displeji, tiež meria požadovaný prúd (napätie na potenciometri) a pri jeho zmene ho zobrazí na displeji. Nastavený prúd sa zobrazí aj po stlačení tlačítka.

Zapojenie displeja:


obr6

A ešte napájacie zdroje:


obr7

Niečo o softvéri

Program v µC sníma napätie na výstupe zváračky, teploty snímačov (trafo, tlmivka) a podľa nich určuje či môže byť výkonový výstup zapnutý. V prípade prehriatia alebo skratu na výtupe odpojí budenie výkonového usmerňovača. Prehriatie indikuje rozsvietením LED.
Program meria aj prúd výkoným obvodom a raz za 400 ms ho zobrazí. Po rozpojení obvodu (poklese prúdu na 0) zostane chvíľu zobrazený posledný nameraný prúd.
Meria sa aj požadovaný prúd (z potenciometra), ak sa zmení, tak sa zobrazenie prepne naň a displej slúži ako stupnica potenciometra. Ak chceme zobraziť požadovaný prúd inokedy, stlačíme tlačidlo.
Použité sú červené segmentovky, dočítali sme sa, že sú dobre čitateľné aj pri pohľade cez zváraciu kuklu.

Skúsenosti z testovania a používania

Konštrukciu zváračky sme začali otestovaním malého poloriadeného usmerňovača (osadený BT151 a 1N5408), ktorý sme zaťažovali rôznymi záťažami (R a RL) na asi 5 A (žiarovky, reostaty, tlmivky). Po jeho doladení nasledovalo doplnenie o PI regulátor.
Po úspešnom otestovaní tejto zostavy sme sa pustili do návrhu obvodov pre "veľký" usmerňovač. Navrhli a osadili sme plošáky pre veľkú verziu, zapojili výkonovú časť a pustili sme sa do oživovania. V zapojení riadiacej jednotky sme mali niekoľko menších chýb (tie nás stáli niekoľko súčiastok :-) ), tie sme odstránili a pustili sa do testovania.
Začali sme s umelými záťažami, najprv reostaty (malý prúd), zistili sme, že to funguje. Tak sme postupne zvyšovali zaťažovací prúd, na to sme použili záťaž z niekoľkých dlhých oceľových drótov. Prúd sme zvyšovali až sme došli k záveru, že to funguje, nič sa neprehrieva - ideme skúsiť zapáliť nejaký oblúk! Škrtli sme elektródou a - zvárame ! :-)
A začali sme nastavovať regulátor - zmenami súčiastok sme ho naladili aby fungoval podľa našich predstáv. Testovacie húsenice vyzerali pekne, oblúk slušne bzučal. Žiadne zhasínanie oblúka alebo časté lepenie elektródy (treba poznamenať, že naše zváracie zručnosti v začiatkoch neboli ukážkové).
Orieškom bolo mechanické usporiadanie a káblovanie, ktoré mal na starosti Staffy. Na fotografiách vidno postup mechanickej "stolnej" konštrukcie a ku koncu aj finálnej konštrukcie.
Potom nasledovala tvorba softvéru pre riadiacu jednotku.
Keď prototyp zmontovaný na stole fungoval dobre, bol čas na výrobu skrine pre zváračku (každá poriadna zváračka musí najprv pozvárať vlastný rám). Potom nasledovala finálna montáž, jej výsledky môžete vidieť na fotkách (aj v našej dielni :-) ).
Na záver - k dnešnému dňu zváračka funguje. Maximálny prúd, kotrý sme dosiahli bol 170 A. Hranice požadovaného prúdu sú max 160 A, min prúd je 20 A. Pre lepšie vlastnosti by zrejme bolo nutné použiť plne riadený usmerňovač a väčšiu tlmivku.
Tepelne je najviac namáhaná tlmivka, je horúca, trafo je primerane teplé a také chladiče na súčiastky výkonového usmerňovača ani nie sú potrebné, stačilo by ich pospájať na nejakom hrubšom hliníkovom plechu.
S dnešnými vedomosťami a skúsenosťami by sme to samozrejme riešili ináč, napr. číslicový PI regulátor, oveľa viac SMD súčiastok atď.
Ďakujeme za spoluprácu všetkým čo nám s konštrukciou tejto zváračky pomohli.

Fotky

Pozrite si ešte pár fotiek zachytávajúcich vývoj.


obr
obr
obr
obr
obr
obr
obr
obr
obr
obr
obr
obr

V časti Na stiahnutie nájdete kompletné schémy.