Импульсный регулятор сварочного тока (buck-конвертер)

Устройство предназначено для регулирования тока при ручной дуговой сварке (MMA), с питанием от источника постоянного тока напряжением 50-70В (аккумулятора). Для улучшения зажигания и стабильности дуги напряжение питания должно быть не ниже 55-60В под нагрузкой. Максимальное допустимое входное напряжение составляет 72В (для DC/DC преобразователей AIMTEC). Максимальный выходной ток - 120А.

Основные особенности устройства:
• Полностью настраиваемые сварочные функции: горячий старт, форсаж дуги, антизалипание;
• Настраиваемые защиты: по току (пиковому, среднему); по температуре радиатора, по входному и выходному напряжениям;
• Кнопочное управление с сохранением в память;
• Отображение основных параметров на LCD дисплее.

Рисунок 1 - Внешний вид устройства

На рисунке 2 приведена упрощённая модель buck-конвертера (чоппера) без выходного конденсатора. Основными его элементами являются: ключ VT1; замыкающий диод VD1; дроссель L1. Средняя величина выходного тока регулируется ключом VT1 по принципу широтно-импульсной модуляции. С момента открытия ключа через дроссель L1 и нагрузку начинает протекать ток, при этом в дросселе накапливается энергия (L*I²/2). Величина тока постепенно нарастает до тех пор, пока ключ VT1 не закроется или величина тока не достигнет максимума при данной нагрузке (Vin/Rload). Если на этапе накопления энергии дроссель начинает насыщаться, то индуктивность перестаёт оказывать влияние и скорость нарастания тока резко повышается. Дроссель должен быть спроектирован так, чтобы в максимальном режиме его магнитопровод не входил в насыщение. При закрытии ключа VT1 ток в нагрузке начинает спадать, но сохраняет направление за счёт дросселя L1 в контуре, образованном диодом VD1. К моменту следующего открытия ключа ток не успевает спадать до нуля - поддерживается т.н. режим непрерывного тока. Особенность данного регулятора в том, что в любой момент возможен обрыв нагрузки на выходе (обрыв дуги). Диод VD2 служит для возврата (рекуперации) энергии дросселя в конденсатор фильтра при обрыве нагрузки.

Рисунок 2 - Принцип работы buck-конвертера на модели

В зависимости от коэффициента заполнения средняя величина тока распределяется в силовых элементах неравномерно. Так, например, при малом коэффициенте заполнения средняя токовая нагрузка на диод будет больше, чем на ключ, и наоборот. Для оценки распределения токов по модели составлены графики среднеквадратичных токов (рис. 3). Условия моделирования: нагрузка от 0.15 Ом до 0.25 Ом; Vin = 55В; Rin = 10 мОм.

Рисунок 3 - Распределение токов в силовых элементах в зависимости от коэффициента заполнения при Vin = 55В
(Iin_rms - ток на входе; Iout_rms - ток на выходе; Ivt_rms - ток в ключе; Ivd_rms - ток в диоде)

Рисунок 4 - Силовой блок (на фото и чертеже расположения не показаны конденсаторы фильтра)

В качестве ключа VT1 применены транзисторы IRFP250N - 8 штук параллельно. Затвор каждого транзистора управляется через свой резистор от общей шины управления. В качестве замыкающего диода VD1 применены диоды Шоттки MUR2030WT - 8 штук параллельно. Диод рекуперации VD2 состоит из 2-х MUR2030WT. Дроссель L1 имеет 4 витка проводом ПЩ 25мм². Обмотка расположена на магнитопроводе из двух ферритовых Ш-образных сердечников, габариты одного (Sс = 19х27, Sо = 13х46). Немагнатный зазор в 2мм выполнен текстолитовыми пластиами.

Рисунок 5 - Силовой дроссель L1

Конденсаторы фильтра большой ёмкости на шинах питания необходимы для компенсации индуктивности внешних цепей. Даже если в качестве источника будет применен аккумулятор с малой индуктивностью и провода от него будут довольно толстыми и короткими, конденсаторы всё равно будут нужны, поскольку скорость изменения тока в этих цепях может достигать нескольких десятков ампер менее чем за 1мкс, так даже небольшая индуктивность проводов может привести к выбросам напряжения большой амплитуды. Шины от конденсаторов фильтра должны быть максимально короткими.

Конденсаторы фильтра должны быть рассчитаны на работу с импульсными токами большой амплитуды. Электролитические конденсаторы общего назначения, такие как К50-35 для таких режимов не подходят, быстро нагреваются и могут взрываться. Хорошо себя показали конденсаторы типа К50-18, рассчитанные на работу с испульсными токами. В устройстве применены два таких конденсатора по 100В х 4700мкФ каждый. При работе в данном устройстве их нагрев практически отсутствует.

Рисунок 6 - Конденсаторы основного фильтра

Описанного выше основного фильтра в данном устройстве может быть недостаточно. Проводники от основных конденсаторов фильтра до транзисторов ключа имеют некоторую индуктивность, которая будет причиной небольших выбросов на транзисторах (рис. 7). При этом непосредственно на конденсаторах этих осцилляций не наблюдалось (т.е. причина не в ESL/ESR конденсаторов). Для борьбы с такими выбросами существуют специальные конденсаторы, в мощных инверторах обычно монтируемые под винт прямо к выводам IGBT-модулей. Но в данном случае в качестве дополнительных конденсаторов применены два CBB81 2000В х 0,1мкФ на шинах вблизи ключей (рис. 8). Их применение снизило амплитуду выбросов на ключах. В идеальном случае эти конденсаторы следовало бы распределить по всей длине шин, но для большего их количества уже не оставалось места.

  

Рисунок 7 - Напряжение на шинах при Vin = 28В, D = 2%, Rout = 0 (КЗ)
(слева - без доп.конденсаторов; справа - с доп.конденсаторами)

Рисунок 8 - Дополнительные конденсаторы на шинах

Рисунок 9 - Внешний вид плат

Рисунок 10 - Схемы плат

Блок управления состоит из платы контроллера и панели управления, стыкующихся между собой разъёмами PBS/PLS. На плате контроллера расположен сам контроллер STM32F103CBT6 (далее МК), драйвер силового ключа, цепи обратной связи, узлы питания цепей управления и драйвера (с развязкой). В качестве МК допускается применение STM32F103C8T6, прошивка совместима. Цепи питания платы имеют пассивные защиты от перегрузки (FU1) и перенапряжений (VD1+VD2). Фильтр L1-C24 (наличие обязательно) подавляет импульсные помехи от шин питания чоппера. Понижение напряжения и развязка цепей питания выполняется DC/DC преобразователями DA1 и DA2, входное напряжение которых допускается в пределах 18-72В.

На усилителях DA7B, DA7C, DA7D реализованы повторители измеряемых сигналов перед входами АЦП. На ОУ DA7A реализована схема усиления сигнала измерительного шунта (500А 75мВ). Провода шунта выполнены в виде витой пары и вне витой пары не должны иметь длинных участков (не более 2-3 см). Прохождение витой пары вблизи силовых шин мало влияет на точность измерений, поскольку усиливается только дифференциальный сигнал, а синфазные помехи от шин (индуцированные в обоих проводах пары одновременно, одинаковые по фазе и амплитуде) практически не оказывают влияния. Диапазон токов от 0 до 500А с шунта 500А/75мВ соответствует диапазону напряжения от 0 до 2,87В на выходе ОУ DA7A. Диоды VD5-VD8 выполняют функцию защиты входов ОУ. Диоды VD9-VD16 защищают входы МК.

В процессе испытаний при токах от 80А было выявлено влияние помех на LCD, экраны не помогали, поэтому схема интерфейсной платы была несколько доработана. Были добавлены резисторы 8к2 подтяжки к GND на линиях управления LCD, конденсатор на 150 нФ в цепи питания LCD. Дополнительно добавлен RC-фильтр 9200n+240R на линию E. В последующих версиях платы эта доработка уже внесена в проект. Кроме того в активном режиме производится периодический программный сброс контроллера дисплея (раз в 2 секунды) без промигиваний, на случай прохождения помех на дисплей.

Рисунок 11 - интерфейсная плата UI_board_v1.3 с доработкой
(версии платы после v1.3 уже включают эту доработку)

Драйвер MOSFET-ключа собран на дискретных элементах. Преобразователь DA1 выполняет функцию развязки и понижения напряжения до 12В. Оптрон DA5 развязывает цепи управляющего сигнала. С учётом подтяжки R5 управляющий сигнал на выходе оптрона DA5.6 инвертируется. Далее инвертированный сигнал усиливается каскадами VT1-VT4 и поступает на выход драйвера. Выход драйвера подключается к общей шине управления затворами (G) и к общей шине истоков (S). Затвор каждого MOSFET-ключа подключен к шине G через резистор 8,2 Ом (0,25 Вт). Перемычками J1-J4 устанавливается полярность управляющих импульсов: J1+J3 - без инверсии; J2+J4 - с инверсией. В данном устройстве используется конфигурация J1+J3.

Рисунок 12 - Форма управляющего сигнала на емкостной нагрузке 100нФ

Рисунок 13 - Форма управляющего сигнала на одном из ключей

После подачи питания на МК на дисплее отображается заставка в течение 1с. Если во время отображения заставки будет зажата кнопка STOP, то случится переход в инженерное меню настроек. Описание настроек приведено в таблице 1. Находясь в меню настроек изменение параметров осуществляется кнопками Plus/Minus, переход к следующему параметру - кнопкой Stop, сохранение всех параметров и перезагрузка МК - кнопкой START.
Если на этапе заставки перехода в меню не было, то после заставки активируется исходный режим, в котором контроллер готов к работе и ждёт команд от пользователя, управляющие сигналы при этом не активны, отображается информация о текущем состоянии (Vi - входное напряжение, Iadj - заданный выходной ток, t° - температура радиатора, Io - измеренный выходной ток). В активном режиме при токе Io ниже 18А на дисплее отображается литера "L". При залипании электрода и активации режима антизалипания отображается Io = " * ". В исходном ждущем режиме отображается Io = "---".

  

Рисунок 14 - Отображаемые параметры (слева - исходный ждущий режим; справа - активный режим)

В исходном режиме возможны следующие команды:
• STOP+STOP - вход в пользовательское меню настроек;
• STOP+START - принудительный сброс МК;
• START - запуск активного режима управления чоппером (включение ШИМ);
• +/- - регулировка заданного тока Iadj.

Ширина импульса каждого периода ШИМ задаётся алгоритмом пропорциалнально-интегрального регулирования. Частота ШИМ составляет 18 кГц. Измерения тока и выходного напряжения производятся в каждом периоде однократно в середине импульса. Далее на основе измерений и заданного тока алгоритм ПИ-регулирования производит пересчёт ширины следующего импульса. Заданный ток на входе ПИ-регулятора в свою очередь зависит от заданного пользователем тока Iadj с учётом форсажа дуги и горячего старта (см. далее). В этом же периоде производится сравнение измеренных величин с уставками защиты и выполняется алгоритм антизалипания. Если какое-либо условие защиты выполняется, то происходит блокировка ШИМ и на дисплее высвечивается причина срабатывания, переменная и её значение, по которой произошло срабатывание. При этом кнопками Plus/Minus можно пролистать значения других основных переменных на момент срабатывания защиты. Сброс и перезагрузка МК после срабатывания защит производится нажатием кнопки Stop.

Рисунок 15 - Момент запуска АЦП отмечен точкой на графике тока

Функция "форсаж дуги" (Arc Force) повышает выходной ток при снижении напряжения на дуге. В процессе MMA-сварки при укорочении дуги при постоянной величине тока напряжение на ней снижается, так же снижается и выделяемая на дуге мощность (U*I), в такие моменты могут происходить залипания. Исправить ситуацию может правильная настройка форсажа дуги. Для настройки этой функции необходимо задать два параметра: Kforce - коэффициент, на который умножается заданный ток Iadj при снижении напряжения дуги; Vforce - порог выходного напряжения, ниже которого будет применен форсаж дуги. Ориентировочно порог напряжения может составлять 15-18В, а кратность тока 1,2-1,5. Для выключения форсажа нужно задать Kforce=1,0.
Функцией "горячий старт" (Hot Start) осуществляется кратковременное повышение тока при касании электрода. Это помогает зажечь дугу при работе с относительно малыми токами Iadj, но при этом не прожечь металл благодаря малому времени действия повышенного тока. Функцию можно включить и выключить опцией Hot start: ON/OFF. Для настройки нужно задать три параметра: HotCur - заданный ток горячего старта (если его значение будет ниже, чем Iadj с учетом Kforce, то будет действовать наибольший); HotOnTime - время действия горячего старта после касания электрода; HotOffTime - минимальный интервал времени между включениями горячего старта. Если между касаниями электрода прошло времени меньше, чем HotOffTime, то при таком касании не будет применен горячий старт. Данный параметр применен, чтобы не прожечь металл при "шуршании" электрода или любом другом непрерывном дребезге.
Функция антизалипания (Antistick) действует во время длительного замыкания электрода на металл. При замыкании электрода выходное напряжение снижено и протекает максимальный заданный ток. Если замыкание не разомкнётся за заданное время, заполнение ШИМ примет значение 1%, ток снизится до величины менее 10А и такой режим будет сохраняться пока электрод не разомкнётся. Это исключает перегрузку устройства и раскаление электрода при его залипании. Функция настраивается двумя параметрами: Vstick - выходное напряжение, ниже которого детектируется залипание; kAntiStickT - выдержка времени залипания. Включить и выключить функцию можно опцией Antistick: ON/OFF.

Для контроля температуры радиатора на нём установлен NTC-резистор. Измерение температуры производится в цикле обновления дисплея (1 раз в 0,2с). Измеренная температура отображается на дисплее. Это же значение температуры используется для защиты по перегреву (порог срабатывания 75°C). При срабатывании данной защиты, так же, как и по другим защитам, происходит блокировка ШИМ.

  

Рисунок 16 - NTC-резистор для контроля температуры радиатора

Во время испытаний на длительное включение при среднем токе выше 80А возможен перегрев диодов и ключей чоппера, который опасен особенно при сильном перекосе в распределении среднеквадратичных токов между ключом и диодом чоппера в зависимости от заполнения ШИМ (рис.3). При малом заполнении (приблизительно меньше 45%) - больше греются диоды. При большем заполнении - больше греются ключи.

Рисунок 17 - Нагрев ключей и диодов перед срабатыванием среднетоковой защиты

Поэтому кроме защиты по перегреву радиатора реализована ещё программная тепловая защита по току (термин "тепловая защита" применен из-за схожести время-токовой характеристики тепловых расцепителей аппаратов защиты силовых сетей). Отсечка происходит по среднему току с настраиваемым интервалом усреднения. Для настройки данного алгоритма пользователь задаёт три параметра - ток уставки тепловой защиты, временной период усреднения тока, время остывания. Формула, по которой для этой защиты пересчитывается усредненный ток раз в секунду приведена ниже:

где kAvgMul - интервал времени усреднения тока, с;
I_avg.per.sec - средний ток в течение последней секунды, А.

Время усреднения и ток были подобраны экспериментально, такими, при которых ключи не успевают значительно нагреться, а время 30с (задаётся параметром kChillout) достаточно для охлаждения ключей до температуры радиатора. С добавлением отсечки по ImaxSteady этот график напоминает время-токовую характеристику автоматических выключателей комбинированным расцепителем (тепловым и электромагнитным). На графике рис.18 отображена время-токовая характеристика защиты при kImaxSteady = 180А, kIAvgMax = 80А, kAvgMul = 15с.

Рисунок 18 - Время-токовая характеристика защиты при kImaxSteady = 180А, kIAvgMax = 80А, kAvgMul = 15с.

Различие порогов токовой защиты ImaxSteady и Imax в том, что порог ImaxSteady сравнивается с усреднённым током, рассчитанным за несколько периодов ШИМ (число периодов задаётся параметром kPidWaitN). Это усреднение сглаживает кратковременные пики тока, возможные в первых периодах ШИМ после внешних возмущений (скачки сопротивления нагрузки, входного напряжения, изменения заданного тока). Для защиты по пиковым токам без усреднений используется порог Imax, который сравнивается с током, измеренным в одном периоде. На рисунке 19 изображены осциллограммы тока нагрузки при срабатывании отсечек после скачкообразного снижения сопротивления нагрузки при заниженных уставках защит.

 

Рисунок 19 - Выходной ток при срабатывании отсечки по Imax и по ImaxSteady

На рисунке 20 показана осциллограмма тока при реакции ПИ-регулятора на снижение сопротивления, без срабатывания защит по току.

Рисунок 20 - Процесс стабилизации выходного тока при снижении сопротивления нагрузки

В качестве нагрузки в следующих испытаниях использовались реостаты на 50/125/200 мОм. Измерения токов на входе и на выходе (Iin/Iout) производились токовыми клещами.

Рисунок 21 - Испытательная нагрузка (реостат)

Таблица 2 - Соответствие заданного и измеренного тока при Vin = 55В

Файлы к статье:
files.zip (4,13 Мб) - прошивка (hex), платы (схемы, Gerber)

Источники информации:

1. SEMIKRON AN-7006. IGBT Peak Voltage Measurement and Snubber Capacitor Specification.
2. Володин В.Я. Современные сварочные аппараты своими руками. - Спб.:Наука и техника, 2008. - 304 с

Добавление комментария
Имя:
E-mail:
Сообщение: