Přídavný usměrňovač k trafosvářečce - IV.

Tak snad už naposledy se vracíme k usměrňování trafosvářeček. Tentokrát zveřejňujeme zapojení a konstrukci usměrňovače s tzv. velkou tlumivkou.
Doplněno v únoru 2010: Kdepak! Těch článků o usměrňovačích bude ještě moc!

Tuto konstrukci nám zaslal náš čtenář pan Zdeněk Toman. Předtím se na nás ale obrátil s tímto dopisem:

Před několika dny jsem se ozval s připomínkami k Vašemu článku o usměrňovači ke svářecímu trafu. Možná zase trošku rýpu, ale stejně se domnívám, že by bylo časem vhodné v zájmu objektivity uveřejnit i návod na stavbu usměrňovače s "plnokrevnou" tlumivkou, tj. protékanou celým svařovacím proudem. Podle různých dotazů na fórech je o tento typ pořád zájem a bohužel odpovědi k těmto dotazům někdy bývají zavádějící. Dají se sice poskládat střípky z různých rad, ale ucelený návod jsem nikde neviděl. Šikovných lidí je u nás stále dost, plechy a drát zase tak nedostupné nejsou a vlastnosti dobře navrženého zařízení jsou excelentní. Domnívám se, že v některých směrech předstihují i vlastnosti komerčních invertorů, zejména při stacionárním využívání.

Následovala naše výzva, aby se pan Toman takový návod pokusil připravit. Zde je výsledek, který vám čtenářům nyní společně předkládáme. Je to opravdu výtečná konstrukce. Posuďte sami.

Usměrňovač 130A s „velkou“ tlumivkou.

Proč právě tento typ usměrňovače?

Jedná se o zařízení s tlumivkou protékanou celým svařovacím proudem. Usměrňovač má znatelně lepší svařovací vlastnosti, než jednodušší varianta s pomocným obvodem C+L. Důvod je zřejmý - energie v tlumivce, nahromaděná k vyhlazení tepavého proudu z diod je řádově desetkrát větší, než lze získat z kondenzátorů. V důsledku toho také činitel filtrace dosahuje běžně 90%. Sestava s kvalitními komponenty může v některých ohledech předčit i komerční invertory, samozřejmě na úkor mobility. Oblouk se lehce zapaluje, je tichý, stabilní a příjemně pružný. Svařování je prakticky bez rozstřiku. Výborné svařovací vlastnosti vyniknou zejména u drobnějších a specifických prací, jako jsou opravy pomocí tvrdonávarů, stehování, svařování legovaných a různorodých materiálů nebo tenkých plechů.

Zařízení má i jednu záludnost: při svařování vznikají napěťové špičky s amplitudou stovek voltů a energií přes 70 J. Ty jsou již značně nebezpečné - i když ne třeba svou vlastní energií, tak následným šokem nebo úrazem z úleku. Je nezbytně nutné používat pouze nepoškozené držáky elektrod a předepsané ochranné rukavice. Tento typ usměrňovače je určen především pro průmyslovou sféru a předpokládá se, že bude používán jen řádně poučenými osobami s patřičným svářečským oprávněním.

Popis zapojení.

Na následujícím obrázku je schéma zapojení popisovaného usměrňovače. Dále bude následovat popis jednotlivých komponent.

Usměrňovač s velkou tlumivkou - schéma zapojení.

TLUMIVKA (Tl):

Tlumivku lze vyrobit například z různých síťových transformátorů, ať už jádrového, či plášťového typu, použít by šlo i jádro z vyřazeného svářecího transformátorku a občas se objevují v inzerátech nabídky starších originálních tlumivek. Vhodná síťová trafa budou mít výkon něco kolem 1 kVA. Potřebný činný průřez Fe jádra je u běžných plechů 30 cm2, o trochu větší nevadí. Pokud se však použije byť i jen o něco menší jádro, hrozí reálné nebezpečí jeho přesycení a následná deformace přenosových vlastností. Čili řečeno jinak, veškerá práce bude nanic. Maximální sycení v jádře je uvažováno 1,2T při proudu 130A.

Drát na vinutí je nejlepší s dvojitým opředením skelnou přízí - pro vyšší tepelnou třídu. U plášťového typu jader je téměř nezbytností použít měď, protože hliníkové vinutí s nutným větším průřezem se na kostru prostě nevejde. Vinutí z mědi by mělo mít průřez 18 - 25 mm2, hliníkové asi o polovinu víc. Průřez vinutí závisí na tom, jaké elektrody se budou používat nejčastěji, jaký je požadovaný zatěžovatel a jaká bude konstrukce tlumivky. Jádrové typy s vinutími na obou sloupcích mají poněkud lepší ochlazovací činitel, než plášťové s jedním vinutím. Značně příznivý vliv má použití nuceného chlazení hotového zařízení.

Doporučená indukčnost je v rozsahu 1-5 mH, volen byl zlatý střed. Větší indukčnost sice přinese lepší činitel filtrace, zároveň však také větší problémy s napěťovými špičkami. Počet závitů tlumivky není kritický, pro výše uvedený průřez železa a indukčnost okolo 2-3 mH je asi 60 až 70. Tlumivka vyžaduje vzduchovou mezeru, ta pro 70 závitů vychází výpočtem okolo 12 mm. Lze ji dobře realizovat laminátovou deskou, v krajní nouzi pak třeba i překližkou napuštěnou fermeží, tloušťky 5-6 mm (skutečná mezera v tlumivce bude vždy poloviční, než výpočtová - mezery jsou vlastně vždy dvě v sérii a to u každého typu jádra). Jestliže se ani 60 závitů na kostru nevejde, zmenší se tloušťka destičky vzduchové mezery, maximálně však na 4 mm! Usměrňovač bude stále kvalitní. Při práci je nutno dbát na dobrou izolaci vinutí proti kostře, napěťové špičky jsou opravdu vysoké. Povrch dokončeného vinutí se z důvodu lepšího ochlazování ponechá volný, bez ovinu izolační fólií.

Hotová tlumivka bude mít podle použitého typu jádra hmotnost přibližně 15-20 kg a je vhodná pro svařovací proud od 30 do 130A, tj. pro nejčastěji používané elektrody v domácí dílenské praxi Ø 1,6 až 3,2 mm. Podrobný výpočet tlumivky, srozumitelný i pro jedince bez několika diplomů, je například v publikaci Transformátory pro obloukové svařování, vydané v SNTL v roce 1979 a tlumivku lze poměrně snadno přepočítat pro eventuelní větší či menší svařovací rozsahy.

USMĚRŇOVACÍ DIODY (D1 - D4):

Usměrnění je nejvhodnější realizovat můstkem ze 4 ks výkonových diod. Někdy se objevují v inzerátech levné nabídky starších výrobků 160 až 200A z bývalého ČKD. Ty jsou velmi vhodné, nejvhodnější je pak typ s pokud možno vyšším závěrným napětím - to je udáváno ve značení posledním dvojčíslím (např. typ 02=200V, typ 12=1200V atd.). Lze ovšem použít jakýchkoliv jiných diod, měly by však být alespoň na 100A. Podle charakteristik trafa může totiž být jeho výstupní zkratový proud až o 50% vyšší, než je jmenovitý svařovací a některé subtilnější typy diod nemají rády přetížení ani v řádu desetin sekundy.

Usměrnění pro menší svařovací proudy lze levně provést pomocí čtyř (případně pěti) paralelně spojených můstků 50A, například KBPC5010 nebo B250C50000:

Můstek 50 A typu KBPC5010 s fastony.

Toto řešení již bylo popsáno v tomto článku jako Usměrňovač č.4. Cena za jeden můstek je kolem 50,- kč. Je velice vhodné provrtat opatrně ve svěráku vrtákem Ø 3,1mm nožičky můstků a pak na ně šroubky M3/5 pevně uchytit pájecí očka. Při použití fastonů s konektory mohou po čase zvýšené přechodové odpory ještě znatelně zhoršit již i tak nedokonalou symetričnost systému. Pokud se při navlékání do oček pečlivě pohlídají všechny drátky, může se pro připojování jednotlivých můstků použít izolované Cu lanko průřezu 1,5 mm2. Koncepce s můstky ale není příliš vhodná pro větší svařovací proudy - se čtyřmi B250C to v dlouhodobě provozovaném zařízení funguje spolehlivě pouze do 100A, tj. pro elektrody Ø 2,5. Pouhé přidávání můstků nepomohlo, jejich jednotlivé diody nemívají shodné vlastnosti a v tomto typu zařízení jsou značně zatěžovány aperiodickými napěťovými i proudovými špičkami.

KONDENZÁTORY (C1, C2):

Na výstupu z usměrňovacích prvků je kondenzátor C1. Ten poněkud omezuje přenos napěťových špiček na diody a částečně usnadňuje zapálení oblouku. Byl použit SNAP-IN 470μF/400V/HT-105°C. Zvyšování jeho kapacity již nepřinášelo subjektivně žádná zlepšení. Paralelně k němu, co nejblíže k vývodu tlumivky, je dobré připojit ještě malý fóliový kondenzátor C2 o kapacitě M15 až M22/630V ke snížení strmosti náběžného čela špiček. Vybíjecí odpor R by měl být na zatížení alespoň 5W, vhodná hodnota je 3k9 nebo něco okolo. K výstupním svorkám hotového usměrňovače - tj. za tlumivkou - se již nesmí připojit ani sebemenší kapacita, jinak by se téměř nedal zapálit oblouk!

Chlazení usměrňovače:

Velmi účelné je hotový usměrňovač chladit nuceně, třeba ventilátorem do PC. Citelně to ušetří plochu chladičů a umožní také částečné snížení průřezu vinutí tlumivky.

Provedení usměrňovače.

Na následujících fotografiích je celkové mechanické provedení přídavného usměrňovače. Velikost usměrňovače je asi stejná, jako velikost trafa, hmotnost je okolo 18 kg. Usměrňovač je v provozu cca 10 let a byl již upravován (je to vidět i na fotce spodku). Hlavní chladicí proud byl přitom přesměrován z můstků na tlumivku. Na podzim jej budu znovu přestavovat na 4 výkonové diody. Byl s nimi již vyzkoušen, ale stále se nedostává času na přestavbu.

Usměrňovač s velkou tlumivkou - celkový pohled.

Usměrňovač s velkou tlumivkou - pohled zespodu.

Usměrňovač lze v popsané koncepci použít pro všechny běžné druhy elektrod, pro speciální typy jako hlubokozávarové nebo vysokovýkonové však musí být napětí naprázdno transformátoru okolo 70V AC.

Usměrňovač je provozován ve spojení s transformátorem JS 90, kde podstatným způsobem zvýšil jeho užitnou hodnotu. Lze jej samozřejmě použít i k jiným transformátorům, bohužel však některé nápadně levné a nápadně lehké výrobky mohou mít tak nepříznivé charakteristiky, že očekávaný výsledek nebude odpovídat vynaložené námaze.

Poznámka na závěr.

Mimo tuto sestavu vlastním i invertor. Pokud se svařují na stavbě třeba úhelníky z oceli tř. 11 a tloušťky 4 mm, je rozdíl mezi invertorem a usměrňovačem ve vlastní práci i ve výsledku nepodstatný a zcela jednoznačně vede invertor díky mobilitě. Naprosto jiná situace však nastane, když potřebuji přivařit 3 mm šroubky k 0,6 mm plechu a navíc je jeden z dílů legovaný. Velice zjednodušeně a laicky řečeno, invertor zapaluje oblouk zvýšeným proudem, kdežto usměrňovač špičkami napětí a tento koncepční rozdíl je zejména u malých proudů zásadní. U invertoru měla elektroda tendenci se lepit, postupným zvyšováním proudu se sice lepit přestává, ale zato začíná upalovat buď šroubek, nebo propalovat plech. Najít optimální proud je prakticky nemožné. Usměrňovačem šlo po chvíli zácviku provádět tyto spoje prakticky bez problémů (samozřejmě ne s běžnou elektrodou, musel jsem použít drahou OK 67.60). Dále se mi zdá (to však může být i rukama, nebo nekvalitním výrobkem), že se u invertoru např. hůře ovládá průvar běžnou změnou vedení elektrody před nebo za svarem. Oblouk má tendenci zhasínat, což je u usměrňovače věc zcela neznámá.

Konstrukce: Zdeněk Toman