Svářecí invertory - pohled pod pokličku II.

V tomto pokračování série článků o konstrukci svářecích invertorů se podíváme na tzv. silovou výkonovou část typického jednofázového svářecího invertoru pro svařování obalenou elektrodou (MMA).

Toto pokračování navazuje na Předchozí článek a je vhodné si oživit Blokové schéma svářecího invertoru, na které budeme navazovat.

Vstupní část invertoru.

Na následujícím obrázku je schéma typického zapojení vstupního dílu svářecího invertoru. Jedná se vlastně o bloky č. 1 - 4 z blokového schématu.

(kliknutím na obrázek otevřete okno s velkým obrázkem)

Vstupní díl typického jednofázového invertoru.

Síťové vstupní napětí je přes hlavní vypínač S přivedeno na klasicky zapojený odrušovací filtr. Tento filtr má zamezit zejména pronikání rušení z invertoru do rozvodné sítě. Protože v tomto zapojení dochází k přímému usměrňování síťového napětí, do vyhlazovacích kondenzátorů C tečou úzké impulsy nabíjecího proudu o síťové frekvenci 50Hz. Tyto impulsy obsahují velký podíl vyšších harmonických, které se pak přenášejí do sítě a mohou ovlivňovat další spotřebiče. Tomu má právě zabránit odrušovací filtr.

Ještě před filtrem je zapojen varistor V. Varistor je součástka jejíž odpor je závislý na napětí. Při běžném provozu je jeho odpor v řádu megaohmů a nijak se v zapojení neuplatní. Dojde-li k překročení hraničního napětí varistoru (Uvar), začne se jeho odpor zmenšovat až na jednotky ohmů. Pro ochranu spotřebičů napájených ze sítě 230V se používají varistory s Uvar = 250 - 270V. Pokud tedy vstupní napětí překročí Uvar, zmenší se odpor varistoru. Tím dojde k zvýšení vstupního proudu a to by mělo mít za následek výpadek jističe jistícího příslušnou zásuvku. Toho se využívá hlavně jako ochrana před různými redukcemi z 3x400V na 1x230V, kdy se občas povede na vstup invertoru přivést napětí 1x400V. V tomto případě dojde ihned k výpadku jističe a invertor to přežije. Ovšem kdo to nepřežije je varistor. Shoří na uhel. Takže, když se ten jistič zase nahodí, už tam žádný varistor není. Teprve pak shoří i ten invertor ....

Za filtrem následuje primární diodový usměrňovač U1. Zde se používá klasický dvoucestný usměrňovač - můstek, obvykle v monolitickém provedení s vývody faston. V praxi se používají můstky pro proudy 25 - 50A a bývají ještě umístěné na chladičích. Usměrněné síťové napětí o velikosti cca 320V je pak přes obvod Soft-start (zde reprezentovaný rezistorem Rs) přivedeno na vyhlazovací kondenzátory C. Soft-start má za úkol zajistit pomalé nabíjení zcela vybitých kondenzátorů a uplatňuje se jen při zapnutí svářečky. Více o principech softstartů je například v článku Jednoduchý Softstart.

Vyhlazovací kondenzátory jsou v elektrolytickém provedení a jejich kapacita zpravidla bývá 470 mikrofaradů / 400V. Podle výkonu invertoru se obvykle osazují 2 až 4 kondenzátory paralelně.

Z hlediska poruchovosti vstupního dílu je první na ráně varistor, ale o něm je psáno výše. S filtrem obvykle problémy nebývají. O něco horší je to s usměrňovačem U1. Po zapnutí spínače S se začnou nabíjet zcela vybité kondenzátory C a v prvním okamžiku nabíjecí proud může překročit hodnotu na kterou je usměrňovač U1 dimenzován. Tomu má sice zabránit omezovací rezistor softstartu. Ale pokud je softstart nesprávně navržen (nevhodný odpor rezistoru, příliš krátký čas startu), nebo rezistor Rs odejde (přeruší se), usměrňovač se poškodí (průraz vnitřních diod). To se stane při zapnutí svářečky a obvykle je to doprovázeno výpadkem jističe a "svařením" kontaktů spínače S. Další možný problém mohou představovat kondenzátory C, a to zejména díky jejich stárnutí a vysychání, kdy se zvyšuje jejich ekvivalentní sériový odpor ESR.

Výkonová část invertoru.

Na vstupní část navazuje část výkonová reprezentovaná bloky č. 5 - 6 z blokového schématu.

(kliknutím na obrázek otevřete okno s velkým obrázkem)

Výkonová část svářecího invertoru.

Usměrněné a vyhlazené napětí o velikosti 320V je přivedeno na tranzistorový střídač, tvořený tranzistory T1 a T2. V praxi se obvykle jedná vždy o několik paralelně zapojených tranzistorů MOSFET. Střídač na tomto schematu je typu Forward, ale jsou možné i jiné varianty zapojení, popsané níže v další kapitole. Oba tranzistory spínají synchronně a přivádějí tak napětí 320V na převodní transformátor Tr2. Aby nedošlo ke stejnosměrnému sycení jádra transformátoru jsou v zapojení ještě diody D1 a D2, které takzvaně resetují transformátor. Další diody jsou pak zapojeny antiparalelně k tranzistorovým spínačům T1 a T2 a mají za úkol je ochránit před zápornými napěťovými špičkami. Tyto diody zde zakresleny nejsou a obvykle bývají již integrovány v pouzdrech tranzistorů. Výstupem střídače je tedy pulsní napětí s amplitudou 320V a frekvencí cca 20 - 100 kHz (to je dáno řídícími obvody)

Převodní transformátor může být v klasickém vinutém provedení. Stále častěji se ale objevují tzv. planární transformátory, kde je vinutí tvořeno plošným spojem. V obou případech se jako jádra používá feritových materiálů. Díky přenášené frekvenci v řádu kHz jsou rozměry transformátorů vskutku miniaturní.

Transformované (snížené) napětí je znovu usměrněno diodovým usměrňovačem složeným z diod D3 a D4. Opět je nutné si pod každou z diod představit několik paralelně zapojených diod. Na obrázku je zase jen jedna z variant zapojení sekundárního usměrňovače. Další varianty jsou popsány níže v samostatné kapitole. Pro sekundární usměrňovač je nutné použít tzv. rychlé diody, protože je usměrňováno napětí o poměrně vysoké frekvenci. Usměrněné napětí je pak přes sériově zapojenou tlumivku Tl přivedeno na výstupní svorky svářečky. Soustava transformátor - usměrňovač musí být navržena tak, aby výstupní napětí naprázdno bylo v rozmezí cca 65 - 90V.

Tranzistory T1 a T2 jsou spínány signálem s konstantní frekvencí a proměnnou střídou (pulsně-šířková modulace PWM). Frekvence se podle typu invertoru pohybuje obvykle v rozmezí 20 - 100 kHz. Střída se pohybuje v zapojení Forward v rozmezí 1-50%. Generování PWM signálu zajišťují řídící obvody, které budou popsány v dalším pokračování tohoto článku. Jelikož zde obvykle bývá požadavek na galvanické oddělení tranzistorového střídače a řídících obvodů, bývají tranzistory střídače spínány pomocí budičů s oddělovacími transformátorky. Důvodem je nutnost měřit výstupní napětí invertoru, které je naopak galvanicky spojeno s řídícími obvody - viz rezistor v zapojení sekundárního usměrňovače. Jedno z možných zapojení galvanického oddělení řídících a výkonových obvodů je na schematu. Signál PWM z řídících obvodů je přiveden na tranzistor T5, který spíná napětí o velikosti cca 15 - 20V na primární vinutí oddělovacího transformátorku Tr1. Napětí 15 - 20V je dodáváno ze zdroje řídící části (bude popsán příště). Transformátor (používá se běžný zapouzdřený typ do plošných spojů) má dvě sekundární vinutí. Přenášené impulsy jsou zesíleny a tvarovány obvody s tranzistory T3 a T4 a přivedeny na výkonové tranzistory T1 a T2.

Podíváme-li se opět na možnost vzniku závad na výkonové části invertoru, je jasné, že potenciální nebezpečí hrozí u nejvíce exponovaných součástek. Zde jsou to tranzistory T1 a T2, diody D1 a D2 a sekundární diody D3 a D4. Při správném výběru těchto součástek a správném návrhu řídících a ochranných obvodů a chladičů, je však riziko závady minimální a omezuje se spíše na vadnou součástku (levné tranzistory a diody, které slibují skvělé parametry, ale skutek utek, apod), nebo nedostatečné chlazení (silně zaprášené chladiče, nefunkční ventilátory, apod). Dojde-li k poškození jednoto z tranzistorů T1 nebo T2, je vhodné při opravě vyměnit i druhý tranzistor. Ve vyjímečných případech může průraz výkonových tranzistorů poškodit i budící tranzistory T3 a T4.

Tranzistorové střídače.

Ve výše uvedeném schematu výkonové části je jen jedna z variant zapojení tranzistorového střídače. Existují další možné varianty, které jsou na následujícím obrázku a jejichž popis následuje:

(kliknutím na obrázek otevřete okno s velkým obrázkem)

Různá zapojení tranzistorových střídačů.

A - FULL BRIDGE - plný můstek. Nejlepší řešení. "čistokrevný" střídač. Ve spolupráci s precizním řízením dosahují invertory s topologií full bridge nejlepších svařovacích vlastností. Nevýhodou tohoto řešení je potřeba 4 spínacích tranzistorových bloků a nutnost poměrně složitého generování řídícího signálu. Pro řízení plného můstku jsou totiž zapotřebí 2 rozdílné signály PWM1 a PWM2. Ačkoliv by se mohlo zdát, že stačí pouze invertovat jediný signál (třeba PWM1) a použít jej jako PWM2, není tomu tak. Mezi vypnutím jedné diagonály můstku a zapnutím druhé totiž musí být zařazen tzv. mrtvý čas (Dead Time), kdy jsou všechny tranzistory vypnuté. Rychlost sepnutí i rozepnutí tranzistorů je totiž konečná (nebo chcete-li není nekonečně malá). A tak by se v případě pouze invertovaných signálů PWM bez dead time, mohly tranzistory "potkat" v půli cesty a celý můstek by shořel. Dead time ale snižuje účinnost střídače, proto je nutné najít kompromis s co nejrychlejšími tranzistory a co nejkratším mrtvým časem. A toto "ladění" je tajemstvím alchymistických vývojových dílen výrobců invertorů. Bohužel to jde ruku v ruce s vyšší cenou. Invertory s topologií Full Bridge patří mezi špičku. V kvalitě i ceně. Typickým příkladem invertoru s topologií Full Bridge je výborný Fronius Transpocket

B - FORWARD - nejpoužívanější zapojení ve střední a nižší kategorii svářecích invertorů. Oproti Full Bridge stačí poloviční počet tranzistorů a hlavně jediný PWM signál. Diody zamezují stejnosměrnému sycení jádra transformátoru. Někdy se též uvádí, že "resetují" transformátor. Účinnost Forward invertoru je nižší než Full Bridge. Forward invertory sice nedosahují tak excelentních vlastností jako Full Bridge, ale zase jsou jednoduché, levné a mají plně vyhovující svářecí vlastnosti. Typickým příkladem Forward invertorů jsou oblíbené KITin a GAMA invertory.

C- HALF BRIDGE - poloviční můstek. Nepříliš podařená a nepříliš oblíbená alternativa k plnému můstku. Uspoříme sice polovinu spínacích tranzistorů (namísto nich jsou v zapojení kondenzátory), ale potřeba složitějšího řízení s Dead Time zůstává. Poloviční můstek je prostě poloviční řešení a není mi znám žádný konkrétní svářecí invertor s topologií Half Bridge. Toto zapojení je zde jen pro úplnost.

D - PUSH PULL - mnohem lepší alternativa k plnému můstku. Opět stačí poloviční počet tranzistorů, opět je nutné řízení se dvěma PWM a Dead Time, navíc je ještě nutný transformátor se středovou odbočkou. Výsledné vlastnosti Push-pull jsou téměř identické s Full-Bridge. Cena je ale nižší. Přesto se ani toto zapojení ve svářecích invertorech příliš nevyužívá.

POZOR: u všech zapojení nejsou uvedeny rychlé ochranné diody antiparalelně k tranzistorům, které chrání tranzistory před zápornými špičkami. Tyto diody jsou samozřejmostí a někdy jsou již integrovány do výkonového spínacího modulu. Diody D u Forward zapojení slouží jinému účelu, jak bylo popsáno výše.

Výkonové tranzistory jsou obvykle v provedení MOSFET. Stále častěji bývá slyšet také o tranzistorech IGBT. Že ale IGBTéčka nejsou ideální pro každou situaci se můžete dočíst ve skvělém PDF dokumentu MOSFET or IGBT (Anglicky) v sekci Ke stažení, podsekci Elektronika.

Sekundární usměrňovače.

Také v případě výstupních sekundárních usměrňovačů se lze setkat s několika variantami zapojení. Ty nejpoužívanější jsou na následujícím obrázku:

(kliknutím na obrázek otevřete okno s velkým obrázkem)

Různá zapojení sekundárních usměrňovačů.

Zapojení jsou klasická a nepotřebují snad žádný komentář. Vzhledem k použité frekvenci v řádu desítek kHz, je nutné použití tzv. rychlých diod. Obvykle se setkáme s diskrétními diodami, ale nejsou vyjímkou ani kompletní usměrňovače v modulovém provedení (SOT pouzdra). Za usměrňovačem ještě musí následovat tlumivka a obvykle měřící odpor - bočník. Často se výrobci snaží ochránit sekundární usměrňovač před cizím napětím tak, že paralelně k výstupním svorkám svářečky připojují ochranný Varistor nebo (v lepším případě) modernější Transil.

Příklad konkrétního řešení.

Jak může vypadat uspořádání jednotlivých součástek a obvodů na desce plošných spojů, je patrné z následujícího obrázku. Je na něm deska z invertoru Fronius Transpocked 1400, který využívá topologii Full Bridge. Obrázek lze opět rozkliknout. Pozor načtení velkého obrázku může chvilku trvat.

(kliknutím na obrázek otevřete okno s velkým obrázkem)

Příklad uspořádání desky plošného spoje svářecího invertoru
(Fronius Transpocked 1400)

V tomto případě se nejedná o tzv. jednodeskový zdroj, neboť převodní transfomátor a celá sekundární část (usměrňovač, tlumivka, bočník) jsou umístěny mimo desku plošných spojů. V praxi se ale stále častěji sektáváme s řešeními, kdy na jediné desce je opravdu kompletní svářečka.

V dalším pokračování série článků o invertorech se podíváme na zapojení řídících obvodů.