Invertor sudura rezonant Negulyaev

[bolek]

Schema e interesanta, vad ca sunt multe modificari fata de varianta originala ....Daca timpul ti-ar permite, ar fi extrem de util multora dintre noi, sa prezinti detalii pe un topic separat,despre constructia si reglarea invertorului.Ce frecventa ai folosit, ce intrefier, ce miezuri,cate IGBT-uri ai ars.Ar fi pefect daca ai putea pune si ceva oscilograme.Am vazut cateva pe un alt forum.

Si nu in ultimul rand, felicitari pentru realizare!Sunt putini cei ce au reusit sa faca un invertor rezonant.

 

 

 

 

Buna ziua ,

postez mai jos schema unui invertor bazat pe cartea ing. Negulyaev din Kiev, Ucraina; copyright-ul si meritele pentru proiectarea initiala ii apartin; de asemenea , mentionez ca ideea nu este originala, ea fiind prezentata si intr-o lucrare de doctorat englezeasca de prin 1996.

Promit sa desenez schema si intr-un format frumos intr-un soft dedicat , cand fac rost de ceva timp.

 

 

Povestea pe scurt.

 

 

Este o sursa in comutatie, configuratie Full Bridge cu IGBTuri , puntea de forta avand ca sarcina un circuit LLC serie acordat functie de curentul de iesire .

Minusuri: O configuratie rar intalnita in asemenea echipamente, scumpa si greu de pus la punct ; avantajoasa de obicei la puteri foarte mari, nu e cazul aici .

Plusuri: reuseste sa simuleze prin metode analogice la nivel de home-made o caracteristica foarte avantajoasa a curentului de iesire (oarecum similar triodinei, din ce mi-a zis un meserias din bransa) , astfel incat aproape orice amator reuseste sa sudeze cu rezultate mult mai bune decat clasicele trafuri hobby sau invertoare entry-level de bricolaj.

Insemnand tensiune in gol mare (cam 100V, asta se obtine folosind un dublor pe care nu l-am desenat in schema, il pun in varianta finala a desenului), caracteristica scazatoare clasica, dar mai spre final, la apasare mai puternica, o crestere subtantiala (cam 50%) a curentului (dorita atunci cand , de obicei la invertoarele ieftine, se lipeste electrodul si gata, se trage de el, apoi se rupe pasta, si sigur se va lipi din nou electrodul), care ajuta la ruperea si caderea picaturii topite in baie, nu se mai intrerupe sudura, si se poate continua lucrul. Daca totusi se insista cu apasarea, si chiar se lipeste electrodul, aparatul intra in limitare de curent, apoi decupleaza releul si dureaza cam 1-2 secunde dupa dezlipirea electrodului pana cand avem iar curent sufucient la iesire.

Mentionez de la inceput ca nu am experienta in domeniul sudarii , decat la nivel de hobby, garduri, usi etc.

Revin si cu detaliile tehnice mai jos.

Editat Decembrie 13, 2013 de bolek

[bolek]

Am incercat de multe ori sa aflu de ce majoritatea covarsitoare a producatorilor de smps sudura folosesc forward. Explicatia universala e ca este singura rezistenta la comanda gresita a switchurilor, implicit nu are crossconduction. Fullbridge-ul insa e cel mai predispus la asa ceva...

 

Igbt-urile recomandate de autor sunt clasicele irg4pc50ud, eu am pus niste 47n60c3 pe care le mai aveam dupa genocidul din perioada probelor (crossconduction, am mai scris si adineaori...bagati la cap, ca altfel o sa ardeti MULTE... Mentionez ca per total , datorita "magic smoke"ului am depasit costul unui aparat stil hobby. Ca idee.

 

Comanda trafo driver se face cu o punte H mica, am folosit 4 darlingtoane stil BD, cu niste radiatoare minuscule. In punte H, si nu stil forward, pentru ca trebuie comanda simetrica simultana la toti 4, si totodata demagnetizarea in cursul dead-timeului. De aceea modulul de comanda poate consuma pana spre 1A, functie de rezistentele din secundar. Altii au folosit IR-uri, TC-uri, MOSuri, combinatii intre ele, etc. Nu ma pot pronunta, eu pur si simplu nu am avut la momentul respectiv.

Traful driver e pe un tor de ferita (NU un miez de iesire din surse !) cu sectiunea cam 1cmp, 5 bobine, cca 30spire fiecare infasurare , sarma bine izolata pt 300V, nu recomand UTP.

Se amplaseaza in imediata vecinatate a igbturilor.Placa de comanda se ecraneaza bine.

[pisica matache]

Multumesc in primul rand pentru disponibilitate! Pe un alt forum, cei ce l-au realizat, au fost foarte zgarciti in detalii.Apreciez simplitatea comenzii, ai inlocuit UC3846, din schema originala, cu banalul 494.Din cate am inteles, nici nu e nevoie de un integrat curent mode, protectia la supracurent functionand diferit, datorita inductantei inseriata cu traful forta.. Vad totusi ca ai implementat in schema si traf curent.A existat o motivatie pentru monitorizarea curentului, sau traful e pus ca o masura suplimentara de a proteja mosfetii?

Apropo de comanda, in locul bipolarilor,ar merge folositi mosfeti.Am folosit o schema asemanatoare, cu driver totem pole cu mosfeti si traf driver, pentru o full bridge, dar proiectul a ramas nefinalizat.Comanda insa era functionala.

[bolek]

Revenim cu povestea cea lunga. Vesela sau nu , ar trebui sa lamureasca 51% din intrebari.

Limitarea inductanta e una cam trista pt mine in ce priveste tranzistoarele ucise ... de aici si a doua limitare.

Cred ca nu s-a inteles bine din desen, dar am folosit cam peste tot miezuri U+U sectiune 15x12mm luate din trafuri de linii , toate cu aceleasi dimensiuni ...

 

Smecheria cu LLC serie folosit aici e cam asa:

Se acorda frecventa de comutare cu frecventa de rezonanta a circuitului LLC... cand zic LLC , vine cam asa:

 

Primul L este inductanta rezonanta inseriata. Aici am folosit 2 miezuri de traf linii , fiecare U+U. Pe partea rotunda am improvizat o carcasa rezistenta la caldura, peste care am bobinat 11 spire cu conductor litat izolat siliconic de cca 3mmp.Pe partea patrata a miezului am pus la loc clemele din sarma de arc originale, pt strangere. Pentru ca acolo se face si intrefierul, care trebuie reglat. Detaliez mai jos cum.

 

Al doilea L este inductanta vazuta in primar a trafului de iesire. Asta e format din 6 perechi de miezuri tot ca cele de mai sus, de aceasta data bobina facuta pe partea patrata . De ce asa? Simplu, 6 cercuri lipite au mai mult spatiu gol decat 6 dreptunghiuri identice si nu vrem asta...vrem cuplaj.Miezul are deci cam 11cmp, imens pt un traf de ferita. Rusii recomandasera 2 perechi E65, iese cam tot acolo. Pe cele 6 am construit o carcasa de sticlotextolit, si am bobinat primarul 17 sau 18 spire cu 16 sarme de CuEm0.5mm rasucite strans. Peste primar izolatie rezistenta la caldura ( din exces de zel am pus foi de mica...probabil se va topi casa inaintea trafului). Peste izolatie 2 x 3 spire cu 80 de sarme de 0.5mm fiecare, rasucite strans, bandajate si apoi stranse cu banda de teflon. Veti injura toti dusmanii si rudele lor la momentul cositoririi acestora (80+ 80 la capete + 160 de sarme la priza mediana...). Din fericire pt cei care nu au deajuns timp , chef si bere pt asa ceva, traful meu e rece in sarcina, deci se poate face si mai putin solid de-atat. Limitarea de frecventa data de tipul de miez nu am sesizat-o, desi ele sunt facute pt flyback la 16kHz, iar eu le folosesc cam la 30; m-am dus si mai sus pe la 60, si nu dadeau semne de saturatie. Sau nu m-am prins eu.

Vorbind de acest al doilea L, e suma dintre : L leakage primar (la mine 16uH) + L leakage secundar reflectata in primar (cam 1uH, nu prea am cu ce masura asa mic) + Z dupa secundar reflectata in primar prin M (adica Lmutual cuplaj)

; Z sarcina asta , e compus vectorial din : R arc (arcul e rezistiv, dar rezistenta nu e constanta, iar la alungire poate fi chiar R negativ - proprietatile plasmei, descarcari in gaze, pt cine are chef de fizica din aia naspa... in traducere, odata ionizat, nu se mai stinge la fel de usor) ; L fire spre diode - conexiunile scurte groase pe care rusii pun si inele de ferita - eu n-am avut nevoie aici; SI bobinoiul de filtraj de pe iesire - rusii nu au pus, eu am pus intentionat pt a reduce stressul pe diode.

 

C-ul, format initial din 21 de condensatoare WIMA mks4 de 0.1uF la 1000Vdc, legate 7paralel x 3 serie, adica vreo 0.22/3kVdc. Le-am mai redus in perioada probelor, la cca 0.16 scotand din serii. Se incalzesc putin, smecheria e sa fie aliniate si ele in fluxul de aer. Necazul e ca suporta curenti mici, deci daca puneti mana pe C de impuls (nu recomand caramizile PIO , alea nu au sarme deajuns de groase inauntru) , e mai bine. Curentul prin ele e chiar I primar, si la cca 15A/7buc=2A fiecare deja depasim mult limita de catalog. Din fericire I la rezonanta e sinus, altfel probabil faceau poc.

 

Si acum cosmarul: acordarea LLC. Tradusa pt public (si) cu ajutorul colegilor de pe forumul celalalt.

Dupa ce functioneaza modulul de comanda corect, forta nu a facut poc, in loc de LLC se pun 2 becuri de 220V min 100W serie. Se regleaza deadtimeul, urmarind sa varieze lumina. Daca reglajul merge decent (maxim -minim) , se regleaza deadtimeul cam la 3usec.

Se conecteaza LLC serie , cu jumatate de secundar legat la ceva halogene de masina (multe). Se lasa Lrez fara intrefier, se strange bine, bine, bine sa nu se miste ferita deloc (da, asa am prajit eu prima pereche....). Se regleaza frecventa de comutare din pot multitur de pe 494 , pana la maxim de lumina, posibil chiar sa pocneasca becurile, recomand inserierea cate 2 sau 3.. Se verifica forma tensiunii pe C rez. Trebuie sa fie cam sinus. Atentie la scara osciloscopului, sunt multi volti-cam triplul alimentarii redresate, la mine, functie de Q total al LLC.

Se leaga diodele , si daca mergeti pe drumul ales de mine, si bobinoiul serie pe iesire. Nu i-am zis chiar filtru, pt ca e doar partial implicat in filtrare.

Isi face simtita insa prezenta si la cresterea L leakage secundar, in locul celebrelor inele de ferita atarnate pe firele secundare in pozele de la rusi. Toti le pun sa nu se arda diodele de la varfurile de curent, dar nimeni nu vrea bobina serie , una singura pt ambele alternante... Interesant.

Bobinoiul meu e din 6 perechi de U-uri , puse in forma de H, si spirele date stil elicoidal pe mijloc. Spirele la numar 10 , sunt din 3 platbande de aluminiu, 12mmp fiecare , suprapuse, izolate. Astfel am scos cam 14uH daca imi amintesc bine, iar la > 100A frige decent.

 

Se monteaza o sarcina de cca 0.5ohmi si multi kW. Cine are reostat cu nichelina sau NiCr, sa-i traiasca. Cine nu , 10-15m de sarma de 4 de constructii e buna si ea, daca ramane cat de cat rece pe perioada probelor (scufundata in apa? intinsa in zapada? etc) . Aici e de lucrat un pic, pt ca la incalzire ii creste rezistenta mult, si asa vom acorda LLC pentru o impedanta de iesire mai mare , adica curent mai mic decat dorim.

 

Putina teorie: LLC este un divizor de tensiune acordat. Daca R sarcina (arcul electric ) se nimereste sa fie cat era cea de la momentul reglajului, transferul e maxim. Adica U out e maxim. Pt un arc de 150A si cca 28V dc, deci cam 0.18ohmi, cu tot cu fire si electrod si mufe si R bobinoi si suruburi etc, vrem pt acord cam 0.25-0.3 ohmi. Pe sarcina asta acordam F switching. Daca nu obtinem la iesire cat volti ne-am propus, dam vina pe fizica de a 11-a si mai sapam. Adica ne gandim la: R nedorita a C rez, sarme primar, sarma Lrez, sarme secundar, conexiuni diode, suruburi , cablaj si ce-o mai fi inseriat pe acolo. Sau un leakage prea mare la traf. Sau un prelungitor prea mare....

 

Ca tot veni vorba de prelungitor, acest tip de aparat este oarecum imun la imbecilitatea cea mai uzuala care prajeste invertoarele, fie ele si de firma scumpa : Alimentarea proasta. De ce ? Simplu, nu incearca sa compenseze subalimentarea, pt ca nu are reactie de curent. Ne vom da insa seama ca cei 220V au devenit 200 sau 180, prin aceea ca pare sa nu aibe puterea pe care o stim, si suntem nevoiti sa marim curentul manual din putzometru...Scurtam prelungitoarele, sau turam generatorul un pic (DA, merge si pe grup electrogen din ala prost, si o sa faca arcul cum face si generatorul... ba mai mare, ba mai mic...si se lamureste utilizatorul ca ceva e suspect, dar nu se strica nimic).

Daca insa tensiunea e prea mica, ar trebui sa ne ingrijoreze comanda tranzistoarelor care se incing.

Cu schema de stabilizator din dreapta sus, incepand de la 150Vac , iesirea e de cca 15V@1A si se deschid bine.Asta pt cei care intreaba de ce am pus acolo SDT (2n3055made in Ro) in loc de LM317. Uite de-asta: cu 26Vac, redresata are cam 35v. Din care folosim doar 15v. Restul de 20 ii risipim pe tranzistorul serie (pe radiator desigur, pt ca 20V x 1A = 20W). Dar or sa ne trebuiasca mult , voltii astia irositi, cand o sa pice alimentarea. Daca alimentarea insa urca mult (generatorul hobby de jdemii de watti chinezesti care scoate 260Vac in gol) vom disipa pe regulator si mai multi watti, tot fara sa se arda nimic. Aici LM-ul ar fi avut probleme.Nu mi-am dorit o sursa auxiliara cu protectie de curent, pt ca limitarea respectiva ar autoproteja o sursa auxiliara de cativa euro, scazand tensiunea de comanda a igbt-urilor, si le-ar praji , gaura in buget fiind cam de 10 ori mai mare decat sursa. Se poate si cu stablizare smps cu UVLO, dar deja se complica povestea. Filtrarea RCR de pe zenner (old-school, uitata complet de cand cu stab integrate), stil multiplicator de capacitate , reduce mult influenta zgomotului bagat de invertor in retea asupra partii de comanda.

[bolek]

Functionarea limitarii , in limbaj ne-academic ("in english , please!" cum se mai zice in filme):

 

In varianta originala din tara de la rasarit, bobina de rezonanta, cu miez intentionat subdimensionat pt inductia din el, se va satura la un anume curent prin Crez-Lrez-Lprimar. In acel moment, circuitul nu mai e la rezonanta. Adica la F osc switchiuri, sarcina H-bridgeului nu mai e adaptata cu iesirea, curentul doar se plimba reactiv intre puntea H si LLC, dar nu mai paraseste invertorul spre cleste. Avem limitare de curent. Caracteristica scazatoare de raspuns U/I out (de ce nu i-o fi zicand nimeni rezistenta de iesire a sursei, nu stiu, dar probabil ar fi creat 100 de ani de confuzii) este exact caracteristica de acord (graficul Q functie de frecventa) cumva rasturnata. Aici nu variem F, cum facem cand cautam rezonanta, ci variem Lrez functie de curentul din primar, desigur proportional cu curentul secundar (adica prin sarcina). In teorie....da.

 

Dupa inca 4 tranzistoare "modificate" (modelul meu favorit , cu gaura in capsula, in zona literei N ) , s-a constatat ca teoria asta merge si practic, doar cand se aliniaza planetele, si tu te afli cu invertorul in mana, pe linia respectiva. Cu miezul celui care a scris cartea, si bobina cu sarma lui, cu pasul lui, si intrefier din materialele lui, si cu traful de iesire facut de el, probabil merge perfect. Daca insa folosesti tranzistoare mai slabe (cazul meu) si miezul respectiv nu se satureaza BRUSC , adica caracteristica de cadere spre curentul maxim nu e una abrupta, tranzistoarele pocnesc inainte sa "fuga" frecventa noului Lrez Ltraf Crez suficient de departe de Fosc data de punte. Pe celalalt forum nu stiu sa fi reusit cineva fara jertfe de igbt. Drept urmare, s-a aplicat o solutie de compromis: traf de curent inseriat cu primarul (ferita din aceea de se pune pe cablu la dvd-uri) sarma primar trecuta prin inel, 50spire, rez 22R in paralel, redresare punte cu 4148 filtraj cu un condensator de 0.33micro , divizor cu semireglabil , protectie pe intrarea tl494 cu un zenner de 8V. De ce un condensator asa mare? Pai pt un raspuns foarte lent. Dar de ce ?...o idee nastrusnica.

 

Ma plangeam mai sus ca nu raspunde suficient de abrupt protectia cu inductor saturabil . De aceea, imediat mai sus dupa ce a scazut destul de mult tensiunea de iesire, dar curentul creste zdravan (lipire electrod, scurt intre fire, pica clestele direct pe masa etc), adica un regim de AVARIE, intra in functiune limitarea de la pinul 1. Comparatorul vede ca s-au depasit 5V, cat e Vref pe pinul 2, si decide reducerea pwm. Dar eu nu vreau reducerea pwm uzuala, pt ca ar incepe sa auto-oscileze tot invertorul, (bucla instabila, stiti sursele modificate care chitzaie si fac poc) si nu vrem asta. Eu vroiam o protectie prin intreruperea curentului de la iesire (un fel de anti-stick adica, sau anti-prost...) . Datorita constantei de timp mari a buclei de curent, invertorul va debita la iesire un fel de trenuri de impulsuri, gen 8 impulsuri, pauza inca 50, iar 10, iar pauza etc. In acest rastimp, daca utilizatorul nu a apucat sa dezlipeasca electrodul, tensiunea pica mult si se decupleaza releul. Daca insa ai apucat sa misti / smulgi lipitura, nu se intrerupe mult iesirea (vorbim de milisecunde aici,mult mai putin decat intrerup trafurile de retea intre semialternante...) , si continui ca si cand nimic nu s-ar fi intamplat, fara macar sa se intrerupa cordonul. Se poate si fara acest circuit, puneti pinul la masa, si va bazati pe protectia din bobina rezonanta . Va tin pumnii . Sau extinctorul cu co2.

 

Impresia facuta unui meserias din bransa a fost cum ziceam una buna, chiar si faptul ca mi-au iesit mie , cordoane decente, dar actualmente e curentul cam mic. Ce am de verificat, in ordine , e:

 

-deadtimeul, din tensiunea minima aplicata pe pinul 4. Prea mic, crossconduction si poc ; prea mare, scade puterea.

-condensatorii inseriati in primar. Nu sunt ideali, nu sunt de curent mare, au Rserie probabil cam mare.Daca aveti MKP10, cum e recomandat, puneti-i.

-acordul pe rezonanta . Poate am sa aflu ca din cauza sarmei ("sarcina") prea calde, adica Rsarcina mare, am setat rezonanta pentru un curent prea mic; nu am ampermetru de 150A . Se rezolva din acord, multitura de 100k.

-intrefier prea mic la Lrez, si inductanta adica implicit si curentul primar incepe sa scada prea devreme.Caracteristica U/I e buna, dar incepe prea jos.

 

Nu am zis nimic despre motivele rezonantei, adica complicatia asta de schema. Sa vedem: nu avem hard-switching pe igbt si nici pe diode. Merg reci.

Concret, la mine, fiecare igbt si fiecare dioda are cate un radiator de procesor athlon fara ventilatorul original. Carcasa e ventilata pe lung de un singur ventilator brushless 12cm sistem papst sau sanyo de 220v ,si aerul circula de-a lungul fantelor de aluminiu. Dupa 30minute de sudat cu 2.5 (ieri, adica in frig) erau reci. Reci , adica 10grade peste aerul de afara, nu reci la modul uzual . Reci de tot, dupa cca 12 electrozi la rand .

Diodele nu au nici ele o viata grea, multumita comutarii unor fronturi domoale, aici contribuie mult inductanta de pe iesire. Pe osciloscop, tensiunea de iesire in sarcina variaza daca mai tin minte doar intre 30 si 20Vdc, la cca 70kHz.

Editat Decembrie 13, 2013 de bolek

[smilex]

Eu personal nu apreciez rezonantele. Coeficientul termic negativ al unor condensatoare pot compensa pe cel pozitiv al inductantei, iar impreuna sa formeze o deriva termica aproximativ egala cu a oscilatorului in efortul de a pastra rezonanta. Dar imi pare dificil si volumic. Si un efort prea mare pentru a obtine pierderi in comutatie mai mici. Pentru cazul asta, acel plus de curent la scurt, oferit si de triodina, este benefic si influenteaza confortul. Ca si dublarea tensiunii pentru aprinderea electrodului. Evident ca sunt subiectiv, fiecare poate sa aprecieze pentru sine daca merita sau nu. Dar te felicit si eu pentru realizare si mai ales pentru generozitatea informatiilor. Si pentru efortul postarilor. Cu siguranta vei starni interesul.

[pisica matache]

Cred ca rezonanta, sau mai degraba invertorul de sudura rezonant, atrage prin aparenta simplitate.Recunosc ca si eu am fost tentat sa incerc asa ceva, dar n-am avut rabdarea sa trec de comanda invertorului.Daca cineva arunca o privire pe schema invertorului rezonant, observa foarte putine componente, comparativ cu clasica schema full bridge.Plus ca rusul, a stiut s-o faca extrem de atractiva, prin felul in care prezinta rezonanta.Din ce povesteste colegul @bolek si trebuie sa recunosc ca are talent de narator, simplitatea e platita cam scump.Din ce-am mai citit pe celalat forum, nu exista sansa ca doi insi sa construiasaca doua invertoare identice, identice in ce priveste frecventa, inductanta folosita, etc.Ma batea gandul sa incerc rezonanta la robotul auto, dar citind despre jertfe de IGBT-uri si mosfeturi, care jertfe imi sunt extrem de cunoscute, mi-a cam pierit entuziasmul.Desi poate ca intr-o zi, o sa merg pe urmele colegului bolek, fie si numai ca sa vad cum e sa arzi componente ....rezonant...

Editat Decembrie 14, 2013 de pisica matache

[bolek]

Multumesc pt aprecieri forumistilor cu experienta in domeniu. Recunosc , si pe mine tot simplitatea schemei m-a atras. Initial.... Apoi am continuat , din ambitie, sa il vad mergand, doar e o schema simpla, nu??? ...Nu. Schemele (prea) simple necesita mult timp si incercari. Si piese si manopera si instrumente de masura si experienta . Stilul anilor 70-80, cand in blocul sovietic erau mai multi oameni decat componente bune, si puteai ocupa cativa angajati sa sufle-n fundul unui montaj de 10 piese pana merge.

 

M-am uitat putin pe documentatia de Fronius transpocket, si rezonanta acolo este doar pt comutare mai lejera. Atat,in rest clasic, shunt si uC cu adc, pt caracteristica de iesire.

 

Uite si "cireasa de pe tort", dovada ca indeea nu e deloc noua, rezonanta era necesara ca aerul pe vremea tiristorilor (ca sa le stingi cumva...) poate s-a lovit cineva (eu as paria doar pe em2006) de un astfel de aparat:

 

[caldararu]

ai promis ca redesenezi schema complecta ,cam c?nd crezi ca o postezi?

[cip-cirip]

@bolek:acea schema este de la un KEMPPI multiproces(poate suda MMA,MIG-MAG si TIG).

am avut relativ recent la reparat asa ceva.

ai sudat cu el?