Инвертор на тиристорах своими руками

Самодельный сварочный аппарат (инвертор) — конструкция, изготовление

Конструктор и знаменитый ученый Юрий Негуляев в свое время изобрел практически незаменимое устройство – сварочный инвертор. Предлагаем рассмотреть, как своими руками сделать сварочный инвертор с применением импульсного трансформатора и мощных MOSFET транзисторов.

Самая важное при конструировании или ремонте покупного или самодельного инвертора — его принципиальная электрическая схема. Её мы для изготовления своего инвертора взяли именно из проекта Негуляева.

Принципиальная электрическая схема сварочного инвертора

Изготовление трансформатора и дросселя

Для работы нам понадобится следующее оборудование:

1. Ферритовый сердечник.
2. Каркас для трансформатора.
3. Медная шина или провод.
4. Скоба для фиксации двух половинок сердечника.
5. Термостойкая изоляционная лента.

Для начала нужно запомнить простое правило: обмотки наматываются только на полную ширину каркаса, при такой конструкции трансформатор становится более устойчив к перепадам напряжения и внешним воздействиям.

Качественный импульсный трансформатор наматывается медной шиной или пучком проводов. Алюминиевые провода такого же сечения не способны выдержать достаточно большую плотность тока в инверторе.

В этом варианте исполнения трансформатора, вторичную обмотку нужно наматывать в несколько слоев, по принципу бутерброда. Пучок проводов сечением 2 мм, скрученных вместе, будет служить вторичной обмоткой. Они должны быть изолированы друг от друга, например, лаковым покрытием.

Кольца обмоток

Между первичной и вторичной обмоткой изоляции должно быть в два или три раза больше, чтобы на вторичную обмотку не попало сетевое напряжение, которое в выпрямленном виде составляет 310 вольт. Для этого лучше всего подходит фторопластовая термостойкая изоляция.

Трансформатор можно выполнить и не на стандартном сердечнике, применив для этих целей 5 трансформаторов от строчной развертки неисправных телевизоров, объединенных в один общий сердечник. Так же необходимо помнить и про воздушный зазор между обмотками и сердечником трансформатора, это облегчает его охлаждение.

Важное замечание, бесперебойная работа устройства напрямую зависит не только от величины постоянного тока, но и от толщины провода вторичной обмотки трансформатора. То есть, если намотать обмотку толще, чем 0,5 мм, мы получим скин-эффект, который не очень хорошо сказывается на режиме работы и тепловых характеристиках трансформатора.

Так же на ферритовом сердечнике изготавливается и трансформатор тока, который после будет закреплен на положительном силовом проводе, выводы с этого трансформатора приходят на плату управления для отслеживания и стабилизации выходного тока.

Для уменьшения пульсации на выходе аппарата и меньшему количеству выбросов помех в сеть питания используется дроссель. Его так же наматывают на ферритовом каркасе произвольного исполнения, проводом или шиной, толщина которого соответствует толщине провода вторичной обмотки.

Конструкция сварочного аппарата

Рассмотрим, как в домашних условиях сконструировать достаточно мощный импульсный сварочный инвертор.

Если повторять конструкцию по системе Негуляева, то транзисторы прикручиваются к радиатору специально вырезанной для этого пластиной, таким образом улучшается передача тепла от транзистора к радиатору. Между радиатором и транзисторами необходимо проложить термопроводящую, не пропускающую ток прокладку. Это обеспечивает защиту от короткого замыкания между двух транзисторов.

Выпрямительные диоды крепятся к алюминиевой пластине толщиной 6 мм, крепление осуществляется таким же способом, как и крепление транзисторов. Их выходы соединяться между собой неизолированным проводом сечением 4 мм. Следует соблюдать осторожность, провода не должны соприкасаться.

Дроссель к основанию сварочного аппарата крепится железной пластиной, размеры которой повторяют форму самого дросселя. Для уменьшения вибрации, между дросселем и корпусом прокладывают резиновый уплотнитель.

Видео: сварочный инвертор своими руками

Все силовые проводники внутри корпуса инвертора нужно развести в разные стороны, иначе существует возможность короткого замыкания. Вентилятор охлаждает несколько радиаторов одновременно, каждый из которых предназначен для своей части схемы. Такая конструкция позволяет обойтись всего одним вентилятором, установленным на задней стенке корпуса, что значительно экономит место.

Для охлаждения самодельного сварочного инвертора можно использовать вентилятор от компьютерного корпуса, он оптимально подходит как по габаритам, так и по мощности. Так как вентиляция вторичной обмотки играет большую роль, это следует учитывать при его расположении.

Схема: разобранный сварочный инвертор

Вес такого инвертора будет колебаться от 5 до 10 кг, при этом его сварочный ток может быть в пределах от 30 до 160 ампер.

Инвертор из компьютера

Как настраивать работу инвертора

Сделать самодельный сварочный инвертор, это не так уж и сложно, тем более что это почти полностью бесплатное изделие, если не считать расходы на некоторые детали и материалы. Но для настройки собранного устройства может понадобиться помощь специалистов. Как это можно сделать самому?

Инструкция облегчающая самостоятельную настройку сварочного инвертора:

1. Для начала нужно подать сетевое напряжение на плату инвертора, после чего блок начнет издавать характерный писк импульсного трансформатора. Также напряжение подается на охлаждающий вентилятор, это не даст перегреваться конструкции и работа аппарата будет намного стабильнее.
2. После того, как силовые конденсаторы полностью зарядились от сети, нам нужно замкнуть токоограничивающий резистор в их цепи. Для этого нужно проверить работу реле, убедившись, что напряжение на резисторе равно нулю. Помните, если провести подключение инвертора без токоограничивающего резистора, то может случиться взрыв!
3. Применение такого резистора значительно уменьшает скачки тока во время включения сварочного аппарата в сеть 220 вольт.
4. Наш инвертор способен вырабатывать ток свыше 100 ампер, это значение зависит от конкретной схемы, примененной в разработке. Узнать данное значение не сложно при помощи осциллографа. Нужно замерить периодичность поступающих импульсов на трансформатор, они должны составлять соотношения 44 и 66 процентов.
5. Режим сварки, проверяется непосредственно на блоке управления, подключив вольтметр к выходу усилителя оптрона. Если инвертор маломощный, среднее амплитудное напряжение должно составлять около 15 вольт.
6. Затем проверяется правильность сборки выходного моста, для этого на вход инвертора подается напряжение 16 вольт от любого подходящего блока питания. На холостом ходу блок потребляет ток около 100 мА, это необходимо учитывать при проведении контрольных замеров.
7. Для сравнения можно проверить работу промышленного инвертора. При помощи осциллографа измеряют импульсы на обоих обмотках, они должны соответствовать друг другу.
8. Теперь необходимо проконтролировать работу сварочного инвертора с подключенными силовыми конденсаторами. Меняем напряжение питания с 16 вольт на 220 вольт, подключая аппарат непосредственно к электрической сети. При помощи осциллографа, подключенного к выходным MOSFET транзисторам, контролируем форму сигнала, она должна соответствовать испытаниям на пониженном напряжении.

Видео: сварочный инвертор на ремонте.

Сварочный инвертор – это очень популярный и необходимый аппарат, в любой деятельности, как на промышленных предприятиях, так и в домашнем хозяйстве. Кроме того, за счет применения встроенного выпрямителя и регулятора тока, с помощью такого сварочного инвертора можно добиться лучших результатов сварки по сравнению с результатами, которых можно достичь при пользовании традиционными аппаратами, трансформаторы которых выполнены из электротехнической стали.

Инвертор на тиристорах своими руками

Пока зима и на улицу вылазить не хочется. До -25 градусов однако. Зато солнечно каждый день. Прикольно. Дома тепло и солнце светит в окно. Начал не спеша собирать сварочный инвертор. Собрать сварочный инвертор своими руками я собирался уже давно, но все времени не было. Зимой свободного времени появляется больше и потому больше свободы для творчества. Цены на сварочные инверторы в магазинах города весьма приличные. Аппарат мне нужен простой для редких дачных работ. Есть вариант купить самый дешевый китайский аппарат, но он будет на много хуже самодельного инвертора за те же деньги. Да и люблю я собирать своими руками что-нибудь. Сначала хотел сделать трансформаторный сварочник, но сам халявный магнитопровод для изготовления трансформатора ни как не попадался, а покупать его совсем не хочется ибо он цены не малой, а за что собственно, чтобы собрать гавеный сварочник. Не, так не пойдет.

Присмотрелся к современным сварочным инверторам, а что собственно не так уж все и сложно. Вес конструкции легче в целом получиться. Да и нагрузка у инверторов на и без того «просевшую» дачную электросеть ниже. За основу взял схему сварочного инвертора типа резонансный мост господина Негуляева, который в народе окрестили негуляйником.

Две его книжки «Сварочный инвертор — это просто» и «Сварочный инвертор — это просто Часть 2» в PDF формате можно без проблем скачать в Интернет. Введите в поисковике запрос : «Сварочный инвертор — это просто Негуляев» или что-то типа того.

Кликните по схеме, чтобы посмотреть ее в полном размере.

Я не буду здесь писать тоже самое, что вы и так можете прочитать в книгах упомянутых выше. Потому за подробностями в книгу. В интернете многие спецы хаят Негуляева и его изобретение. В основном все сводиться к тому, что можно сделать круче. А мне не надо круче. Типа вот, например, лучше использовать специальные современные драйверы для IGBT. А я не хочу за них платить лишние деньги. То сам инвертор этот не резонансный, а квазирезонансный, а может все таки резонансный? Схема в любом случае рабочая. Достаточно надежная. Позволяет снимать 200 — 250 ампер.

Начал собирать. Составил список деталей и отправился по магазинам. Оказалось, что не все так просто и даже в магазинах радиокомпонентов Санкт-Петербурга нет большинства необходимых деталей. IGBT IRG4PC50UD транзисторов для моста не оказалось в Микронике. В Симитроне есть, но продажа только юридическим лицам. В Мегаэлектронике тоже плохо и в лучшем случае только под заказ. В Чип и Дип есть, но как всегда в лучших традициях магазина по тройной цене. Та же история и с выходными силовыми диодами 150EBU04 и особенно с ферритом.

Долго искал компоненты в магазинах. У китайцев (заказ через интернет с бесплатной доставкой) кроме наличия всего необходимого, там меня радует и цена. Даже при заказе у продавцов с платной доставкой все равно получается намного дешевле чем у нас в интернете или в реальном магазине. Подумал, зачем я буду добывать компоненты под заказ. Ждать по две недели этих заказов. Потом ехать забирать их в разные места. Переплачивать. В Китае я получу все гораздо дешевле (по крайней мере то что я хотел) и посылка придет почти мне в руки (почта в трех минутах ходьбы от моего дома).

Посылка пришла довольно быстро. Все было очень хорошо упаковано и пришло в целости и сохранности. Пока ждал эту посылку, спаял из своих старых запасов генератор. Вот эту часть схемы.

Оставалось только воткнуть в кроватку микросхему UC3825N. Вот что получилось.

Затем намотал дроссель Др.3. для умножителя напряжения 15 витков монтажного провода желательно 1 кв. мм. на ферритовом кольце 28x16x9 2000HM1. Мотал самодельный из двух ШВВП 0.5 кв. мм. снята заводская изоляция и они скручены вместе. Затем восстановлена изоляция пвх изолентой. После намотки обмотка покрыта лаком.

Изготовление трансформатора Тр.3 заняла больше времени, так как обмотка отказывалась умещаться. Вроде и провод взял меньшего диаметра чем автор уже не раз упомянутой книги.

Удалось намотать 26 витков на ферритовом кольце 28x16x9 2000HM1 , что в принципе достаточно (25-30 витков необходимо). Использовал то что было под рукой, а именно 6-ти жильный CQR, сняв общую изоляцию.

Удобно, каждая обмотка получается своего цвета. Рекомендую все же использовать МГТФ у него изоляция понадежнее.

Резонансный конденсатор собрал из шести отечественных конденсаторов К78-2 0,15 мкФ / 1000В. общей емкостью 0,225 мкФ / 2000 В.

Это ответственный узел и его нельзя ваять из чего попало. На фото составного конденсатора виден один резистор на 150 КилоОм, позже был добавлен еще один такой же. (Каждый параллельно своей линейки конденсаторов.)

Входной конденсатор на 5 мкФ 450В специально для переменного тока будет у меня не малого размера.
У него предусмотрено удобное крепление под болт.

Ферритовые кольца (хоть в книге про то и не сказано) рекомендуется надеть на выводы, подключенные к выходным диодам Д3 и Д5 150EBU04, выходного трансформатора Тр.1, дабы исключить выбросы, которые могут прикончить дорогостоящие ебушки (Д3 и Д5 150EBU04).

Так же параллельно им (Д3 и Д5 150EBU04) не помешает поставить трансилы (защитный диод) типа 1.5KE350CA.

Если вдруг случиться так, что погорят ваши ебушки, не спешите их выкидывать. Дело в том, что 150ebu04 это составной диод и состоит из двух запараллеленных кристаллов на 75 ампер каждый.

Часто бывает, что сгорает только один из них. Необходимо пропилить по середине тот вывод на котором имеются зубцы для припайки. Пилить необходимо до тех пор пока не углубитесь в сам корпус компонента на миллиметр. В результате если повезет получите довольно мощный диод на 75 ампер.

Сам мост сварочного инвертора на четырех IGBT транзисторах IRG4PC50UD получился таким.

Транзисторы расположены с другой стороны платы к ним будет прикреплен радиатор с кулерным охлаждением (вентилятор). Дорожки дополнительно усилены медным проводником миллимитрового сечения.

Для изготовления силового трансформатора Тр.1 и резонансного дросселя Др.1 использую феррит фирмы Epcos сердечник E65 №87 (приблизительный отечественный аналог 20×28 2200HMC). По одному сердечнику на трансформатор и на дроссель. На выходе сварочного инвертора 160 Ампер потянет.

В такой упаковке, как на фото, пришел мне в посылке.

На термореле наткнулся случайно, зайдя в магазин газового оборудования. В котором торговали всякими газовыми котлами и простыми колонками. Там же продавали запчасти к этому самому газовому оборудованию. Гляжу лежит на витрине термореле KSD301, как раз на 90 градусов как я и хотел. Запас по току на много больше чем мне нужно. Стоил если не ошибаюсь 30 рублей за штуку, но точно не больше.

Купил две штуки. Одну поставлю на радиатор с IGBT транзисторами IRG4PC50UD, а другую на радиатор с выходными силовыми диодами 150EBU04. Сами терморелюхи можно подключить в разрыв провода по которому идет управляющий сигнал к входному реле 12В 30А.

Входное реле 30А 12В у меня уже имелось в запасе. Тем у кого нет для экономии советую приобретать его в магазинах для отечественных автомобилей. Там реле с такими характеристиками будет стоить на порядок дешевле чем в магазине радиокомпонентов. Например, недавно был в автомагазине для автомобилей ГАЗ и видел подходящее реле российского производства всего за 50 рублей.

Купить радиодетали для сварочного инвертора можно в Китае через интернет с бесплатной доставкой . Там практически все есть:

Схема. Инвертор на гибридном тиристоре.

Инверторы на основе тиристорных преобразователей ранее разрабатывались для формирования высокого напряжения на кинескопе в телевизорах отечественной промышленности. Небольшая частота преобразования, простота схемы, отсутствие высоковольтных оксидных конденсаторов большой емкости и т.п. позволяют использовать такие схемы с небольшими изменениями в источниках питания.

Наличие в продаже мощных высоковольтных тиристоров дает возможность разработать компактный источник питания с низкими потерями энергии. Такой источник подойдет для питания радиоаппаратуры, энергосберегающих ламп, зарядки аккумуляторов автомобилей и питания электродвигателей постоянного тока. Недостатком подобных устройств является повышенный по сравнению с транзисторными инверторами уровень импульсных помех. Но они, в принципе, устраняются несложными сетевыми и выходными фильтрами.

Основными функциональными частями схемы инвертора (рис.1) являются:
— помехоподавляющие входные фильтры;
— сетевой выпрямитель;
— тактовый генератор;
— предварительный усилитель тактового сигнала;
— выпрямитель выходного напряжения;
— цепи стабилизации выходного напряжения;
— фильтр выходных помех;
— индикаторы работы инвертора.

В схеме происходит тройное преобразование напряжения: переменное напряжение электросети после выпрямления преобразуется инвертором в импульсное напряжение прямоугольной формы с частотой, определяемой частотой генератора. Пониженное высокочастотным трансформатором импульсное выходное напряжение выпрямляется и поступает на нагрузку.

Сетевой фильтр коммутационных помех C12-L2, C13-L3 препятствует проникновению помех преобразования в электросеть. Коммутационные помехи в импульсных источниках питания возникают вследствие переключающего режима работы мощных регулирующих элементов [1].
Обмотки дросселей сетевого фильтра обычно размещаются на общем ферритовом сердечнике для взаимной компенсации помех. Снижение импульсных помех преобразования в низковольтных цепях нагрузки обеспечивает выходной фильтр C8-L1-C11 [2].

С входного фильтра напряжение сети подается на выпрямитель на диодной сборке VD8. Выпрямленное напряжение сети фильтруется конденсатором С10 и поступает через резистор R17 на трансформатор Т1 импульсного инвертора, а также используется для питания гибридного тиристора DA3. Напряжение питания (примерно 100 В) подается на DA3 с параметрического стабилизатора R10-VD2.

Питание на тактовый генератор на однопереходном транзисторе, входящем в состав DA3, и цепи регулирования скважности импульсов поступает со стабилизатора R9-VD1. Стабилизация питания гибридного тиристора позволяет защитить микросхему от повышенного напряжения и обеспечить устойчивую работу инвертора. Однопереходной транзистор в DA3 имеет максимальное напряжение питания 30 В и максимальный импульсный ток 200 мА. Время включения гибридного тиристора — 3 мкс, выключения — 25 мкс. Минимальное время включения силового тиристора VS1, которым управляет DA3,—0,5 мкс. Отпирающее импульсное напряжение на управляющем электроде — 5 В.

В начале положительного полупериода сетевого напряжения гибридный и силовой тиристоры закрыты. По мере роста напряжения конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2. Заряд конденсатора С1 продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет порога открывания од непереходного транзистора в DA3. После его открывания на резисторе R5 появляется напряжение, достаточное для срабатывания гибридного тиристора в DA3. Открывающийся гибридный тиристор включает силовой VS1. Тиристор VS1 остается открытым до конца полупериода. Стабилитрон VD3 в цепи управления VS1 защищает его управляющий электрод от импульсных помех и повышенного напряжения включения.

Протекание тока через VS1 и обмотку I трансформатора Т1 сопровождается накоплением энергии в магнитном поле сердечника. После окончания импульса ток в обмотке прекращается, что вызывает появление во вторичной обмотке напряжения самоиндукции. Через диодную сборку VD7 протекают импульсы тока, которые заряжают конденсатор С7. На нем возникает постоянное напряжение, оно фильтруются цепочкой L1-C8-C11 и с конденсатора С11 поступает в нагрузку. Изменяя резистором R1 время заряда конденсатора С1, можно управлять моментом открывания гибридного тиристора и регулировать напряжение и ток нагрузки.

При больших скоростях нарастания прямого напряжения тиристор может самопроизвольно открыться при отсутствии управляющего сигнала. Для снижения чрезмерной скорости нарастания анодного напряжения используется демпферная RC-цепочка R17-C9. Тиристор VS1 защищен от выбросов напряжения обратного тока трансформатора параллельными цепочками VD4-VD5 и R15-C5, а также VD6-R14-C6.

Стабилизация выходного напряжения выполнена с помощью оптронной развязки с выхода источника на генератор импульсов. При повышении выходного напряжения, например, из-за увеличения сопротивления нагрузки, увеличивается напряжение на управляющем электроде микросхемы DA2. Ее напряжение стабилизации снижается, что приводит к повышению тока через светодиод оптопары DA1. Фототранзистор оптопары сильнее открывается и шунтирует конденсатор С1, меняя скважность импульсов и, тем самым, снижая выходное напряжение. При уменьшении выходного напряжения процесс регулировки происходит в обратную сторону.

Конденсаторы С2…С4 устраняют влияние помех на цепи регулировки. Терморезистор R12 снижает температурную зависимость выходного напряжения при излишнем нагреве силового тиристора VS1. Индикация сетевого и выходного напряжения реализована на светодиодах HL1 и HL2 (красного и зеленого цвета).
Схема инвертора выполнена на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Размеры платы (рис.2) — 116×68 мм. Элементы R1, SA1, FU1, выходные клеммы и светодиоды индикации HL1, HL2 установлены на корпусе устройства.

Возможные замены элементов инвертора представлены в таблице. Выбор силового трансформатора зависит от рабочей частоты инвертора и мощности нагрузки. Выполнить самодельный трансформатор хорошего качества достаточно трудно, поэтому лучше использовать готовый от компьютерных блоков питания или телевизоров. Его первичная обмотка используется без изменений, а вторичная — частично (в зависимости от требуемого напряжения).

Наладку схемы начинают с проверки монтажа. Затем, включив в разрыв одного из сетевых проводов лампу накаливания мощностью 25… 100 Вт (220 В), а на выход — лампу 20…50 Вт (24 или 36 В), подают сетевое напряжение. Если сетевая лампа горит в полный накал, а нагрузочная не светится — в схеме есть ошибки или некачественные элементы. При слабом накале обеих ламп переменным резистором R1 на выходе источника устанавливают напряжение 12 (24) В, а регулятором R13 добиваются максимальной яркости нагрузочной лампы.

После непродолжительной работы схему отключают и проверяют температуру элементов. При чрезмерном нагреве тиристора VS1 сопротивление R17 следует увеличить или взять для тиристора радиатор большей площади. Тиристор на радиаторе крепят с использованием термопасты.
При отсутствии перегрева элементов можно включать устройство без защитной (сетевой) лампы, но обязательно с установленным предохранителем FU1. Окончательно резистором R13 корректируют режим стабилизирующих цепей так, чтобы выходное напряжение с нагрузкой и без нее изменялось не более чем на 20%.

Основные параметры источника

Напряжение питания, В 180-230
Мощность инвертора, Вт 160
Выходное напряжение, В 12-24
Максимальный ток нагрузки, А 20
Частота генератора, кГц 16
КПД,% 92
Коэффициент стабилизации 18-30

Внимание! Ввиду наличия в схеме сетевого напряжения, при наладке необходимо соблюдать правила техники безопасности, а замену деталей производить только в отключенном состоянии.

Литература
1. М.Дорофеев. Снижение помех от импульсных источников питания. — Радио, 2006, №9, С.38.
2. В.Коновалов. Зарядное устройство на импульсном блоке питания. — Радиолюбитель, 2009, №10, С.36.
3. В.Коновалов, М.Мальков. Зарядное устройство на тиристорном инверторе.— Радиолюбитель, 2009, №12. С.46.