Секреты классического трансформатора.

Автор: maksipus, maksipus@yandex.ru
Опубликовано 14.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2015!"

                  «Спотер» это не порода собак, это сварочный аппарат автомеханика.»

                                                                            Из разговора на автофоруме.

В электротехнике есть специфические ниши, где без классических 50гц трансформаторов не обойтись. Одна из таких ниш это аппараты контактной сварки. Сегодня пока очень и очень дорого изготовить инверторный агрегат для такой, казалось бы, простой задачи.

Агрегат действительно кажется элементарно простым. Мощный трансформатор, механизм подающий сварочные электроды и устройство формирующее необходимый импульс сварочного тока. Увлекаюсь аппаратам контактной сварки, конкретно «Спотером» - аппаратом односторонней контактной сварки для нужд автомастерской. Обьяснять на пальцах трудно назначение этого аппарата, ролик посмотреть удобнее: https://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=ZZ_PKDwYuZM

Я расскажу об этом агрегате, но основной целью этой статьи показать, что простыми средствами и простыми приборами самодельщику можно раскопать темные и практически не освещенные моменты в теме, которая жевана, пережевана еще в XIX и XX веке, такой например как классический трансформатор на 50Гц. О его работе и проектировании написано столько, что каравана верблюдов не хватит эту литературу везти.

Проектирование аппарата началось с вскрытия фирменных существующих аналогов, поиском информации, спорами и советами на одном из популярных форумов автомаляров и рихтовщиков.

Сопоставление различных марок привело к двум противоположностям. Это супер Китайская дешевка с электронным таймером и управлением силовым трансформатором с помощью реле (пускателя) и навороченными электроникой европейским агрегатам. Разработав блок схему, пришел к выводу, что в хороших аппаратах не так все просто, как написано в популярной и учебной литературе по проектированию контактных сварок. Слишком много, на первый взгляд, электроники было лишней. Фирмы своих know how  не откроют, пришлось начать путь с первой ступени.

Задача стояла одна: повысить КПД агрегата, так как сварка нагружает сеть 30-60Амперным рабочим током. Больше из сети 220в реально не высосать.

Наш "кролик" выглядит так:

Сечение железа 25см2, первичка "укорочена" до тока ХХ=2Амперам, вторичка на 6вольт, сечением S=90мм2 

Специфика трансформатора этого агрегата, это "укороченная" первичная обмотка, для уменьшения веса и габаритов. Трансформатор имеет, минимальный ПВ (период включения) и это выход из положения. Замерять Вольт-Амперную Характеристику тока ХХ классически долго и нудно. Существует метод по визуализации петли Гистерезиса:

 Но для 220вольт делать так опасно.  Сделал с помощью датчика тока на ACS715 (см. статью "Измерение больших токов"), миниатюрного трансформатора и осциллографа с функцией X/Y. Не обязательно иметь "железный" двулучевой прибор. Осциллограф на звуковой карте прекрасно с этим справится.

Установка крайне простая:

Датчик тока:

Трансформатор 380в/20в 3Вт (что бы сам разделительный трансформатор не попадал в насыщение):

Получил результат при  напряжении 220в:

Цифры не волнуют, на вольтметре их смотрим, главное форма графика. А она явно показывает, что трансформатор попадает в зону насыщения. По другому и не может быть, слишком большой ток (2А) Холостого Хода.

Увеличил напряжение ЛАТРом на трансформаторе до 235в:

Отчетливо виднен рост насыщения трансформатора. Этим методом мгновенно можно определить напряжение насыщения сердечника трансформатора. Собрать установку для этого опыта - минутное дело.

Решил проверить ток ХХ во время пуска трансформатора, так называемого "переходного процесса при включении его в сеть". В нескольких публикациях этот процесс смутно упоминается, но без цифр и фактических данных. Типа: "присутствует, учтите, такое существует, индуктивности не любят когда их включают при переходе фазы через ноль", и все. Результаты опытов не приводятся. 

С реальным, мощным трансформатором Спотера ничего не получилось. Пусковые токи были настолько огромны, что определять их не имело смысла. Сеть 220в  проседала катастрофически, фактические данные были крайне искажены.

Трансформатор, он и в Африке трансформатор, решил взять меньшего габарита и провести апроксимацию. Использовал приличный, заводской трансформатор с током ХХ равным 0.12Ампер.

 Замерен ток холстого хода при включении его в сеть:

 Не удивляйтесь, я сам был шоке, по этому опыт был проведен не один раз. Трансформатор, имеющий в установившемся режиме ток ХХ = 0.12А, потребляет в пусковом режиме 11Ампер!!! Манюнька с габаритами 100Вт. А какие токи гуляют в дебелом трансформаторе спотера? Что самое неприятное, этот процесс длится дольше, чем имульс сварочного тока Спотера! Получается что сеть и трансформатор мы грузим не только рабочим током, но и огромным током холостого хода, сопоставимым с рабочим. Отсюда недопустимые потери в самом трансформаторе и подводящей сети итд итп. Одновременно перекос тока на разных полуволнах со всеми вытекающими гадостями итд итп. 

 Но практика это практика, а теория на то и существует, что бы её под факт подогнать. Посмотрим отчего это происходит.

Стандартное (правильное) представление петли гистерезиса: 

                   Часто публикуемый и совершенно неправильный рисунок, приводящий к                                           ложным выводам:

Понятие "гистерезис" это: "свойство систем , мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией." Вот это "историческое наследие" и создает такие огромные токи в трансформаторе. Популярно об этом написано в документе STMicroelectronics AN307 – "Применение симисторов на индуктивных нагрузках".  Сомневающимся и заинтересованным рекомендую обязательно его прочесть. Уже после проведенных опытов я нашел  на дне инета статью "Переходные процессы при включении трансформатора в сеть" инженеров Тульского трансформаторного завода с фактическими данными, совпадающими с моими. Но ни один документ не говорит, что 75% включений в сеть приводят к такой гадости. В бытовой технике с 50Гц трансформаторами этот эффект не заметен из-за своего быстродействия, но в Спотере это уже огромная проблема.

Следующим встал вопрос как долго трансформатор сохраняет остаточную намагниченность. Консультация на кафедре сварки одного из ВУЗов этот вопрос не прояснила. Прикинул, что микросхема моего токового датчика ACS715 это датчик Холла и реагирует на внешнее магнитное поле. Снял заднюю крышку коробочки датчика и приложил к трансформатору.

Получил регистратор напряженности магнитного поля. Замерил напряжение на выходе датчика сразу и через 30сек после отключения трансформатора. Оно оказалось одинаковым. Получилось, что остаточная намагниченность сохраняется достаточно долго. Дольше, чем длится пауза в работе Спотера.

Решение этой проблемы в нашем отечестве предлагалось крайне простое: "необходимо применять трансформатор с завышенной индуктивностью первичной обмотки". Переводя это с профессорского языка на инженерный: "бери дебелый трансформатор , не жалей провода на катушки, без капризной электроники и будете не иметь проблем". Но это предлагалось когда всё было даром и всего было много. Сегодня это не наш метод. 

Заканчивая лабораторно-теоретическую часть, хочу обратить внимание, что простой в изготовлении прибор как "датчик тока" открыл для меня многое в работе такого консервативного, 50Гц трансформатора и дополнительно дал возможность исследовать некоторые характеристики непосредственно, а не косвенным путем. 99.9% лабораторных опытов в статье приводить нет смысла, они не привели к желаемому результату. Но не стукнув дубиной по голове мамонта, "закон сохранения момента" не откроеш. Сегодня многие тонкости хороших фирменных приборов скрыты за патентами и "ноу-хау" и в открытом доступе выложены не будут, приходиться изобретать велосипед заново.

Практическая часть.     Тяжелая железяка.

Технические характеристики:

Габариты: 330 х 200 х 260мм

Вес: 17кг

Выходное напряжение:   6.3 Вольт

Рабочая сила тока (мах):   1300 Ампер

Долговременная память: 6 режимов

Регулирование мощности: 25-100%

Время импульса: 0.1-2Сек + Off/On режим

Время паузы АвтоСтарта: 0.3-2сек.

Конструкция агрегата состоит из четырех плат:

1. Платы индикации и управления.

2. Основной платы на контроллере Mega16

3. Силовой платы. На ней сделан  блок питания и силовой симисторный блок.

4 Платы АвтоСтарта на Tiny13.

Плата индикации и контроллера составлены бутербродом и крепятся на фейсе агрегата,

Силовая плата и автостарт закреплены на задней стенке.

                Плата Автостарта:

                   Силовая плата:

Трансформатор установлен на 1.5мм фальшпол, чтобы не промять днище. На задней стенке находится вентилятор охлаждения, на передней высокотоковые быстросьемы для кабелей, выключатель автостарта и фишка для кнопки ручного старта. Это всё, я поклонник минимализма. Оригинально выполнена вентиляция, отверстия  расположены в нижней части корпуса, под фальшполом. Нагнетаемый вентилятором воздух проходит через щель между фальшполом и полом корпуса. Доступа абразивной пыли нет, от неё и дохнет вся электроника в автомастерских. Природным путем попасть ей в корпус невозможно. Корпус заказной. Расчитан, порезан лазером на фирме и там же погнут. Пыжу спасибо за это большое. 

Высокий КПД сварочного аппарата добиваемся двумя путями:

1. Механика.

Токи в обмотках огромные, надо выполнять все требования по изготовлению силовых трансформаторов. Заранее расчитываем диаметры провода обмоток до полного заполнения окна трансформатора. Провод только медь. Стараемся приблизиться к расчитанной индукции рассеяния. Она получается маленькой, но при токах 30-60Ампер её сопротивление уже сопоставимо с активным сопротивлением катушек. Трудно намотать дома вторичку, она должна быть 70-120мм2. Я ее выполнил сварочным кабелем. Удалил резиновую изоляцию и сделал новую, матерчатой изолентов. Но все равно, трудно было без оснастки.

 Замерил основные параметры трансформатора: Активное сопротивление первички = 0,64 Ом, сопротивление вторички = 0.00033 Ом  (приведенное к первичке  0.44 Ом). Индукция рассеяния первички 2.03mГн при расчетной 1.8 mГн. Вполне нормально для кустарного изготовления. С помощью молотка и газового паяльника отформовал клеммы на быстросьёмы. Заодно проверил полное сопротивление этого узла. Получилось в среднем 0.00012 Ом. Многовато, но этот узел куплен лучший из лучшего.

Сделаю медные болты крепления вторички к быстросьёму, должно стать меньше сопротивление. Как я измерял такие малые сопротивления? Методикой самого Ома, с помощью пояса Роговского, лабораторного вольтметра и тока силой 500Ампер. Как уменьшить потери в "железе" и коту понятно, хотя и дорого выходит в реалии. Но "какая рыбка, такая и уха".

Из первой части статьи понятно, что для увеличения КПД аппарата огромный эффект  принесет правильное управление силовым трансформатором. КПД нас волнует не для экономии энергии, а для уменьшения потерь в самом агрегате и что очень важно в подводящей силовой линии.

2. Электроника и виртуальная часть.

Силовая плата. 

Состоит из двух блоков. Блока вторичного питания электроники и блока управления симистором. Блок питания стандартный на импульсном стабилизаторе LM2574. На схеме перед трансформатором TR1 сделан антипомеховый фильтр. Его задача не пропускать помехи от силового трансформатора TR2. Стабилизатор IC2 запитывает небольшой вентилятор.

Блок управления симистором стандартный и слизан с брендового аппарата, те в свою очередь применили рекомендации производителей электронных компонентов. М.схема OK3 для перестраховки.

Нижняя часть схемы на реле К1 в натуре не сделана. Это «выключатель» питания аппарата, так как дебелый рубильник ставить на фейс аппарата не хотелось. В качестве реле предполагалось поставить малогабаритный пускатель, управляемый слаботочным выключателем.

Плата Индикации и управления + плата контроллера Mega16

 Схема заведомо делалась для повторения любителем начального уровня, по этому и применил контроллер AtMega16, из-за его многолапковости. Прошивать какой контроллер, разницы нет, за то количество остальных радиодеталей сведено к предельному минимуму. Разъясню назначение только отдельных специфических узлов:

Мсхема ОК1 гальванически развязывает кнопку "Старт" рабочего инструмента от электроники.

R4 и R5 обычные механические термостаты 80гр. Цельсия (на размыкание). Расположены на трансформаторе и еще где греется. У меня он только один. При перегреве на табло загорается «tttt», блокируется работа и аппарат попискивает.

Кнопками S1-S11 выбираем режим работы из памяти, оперативно уменьшаемувеличиваем время и мощность импульса сварочного тока, сохраняем в энергонезависимой памяти при необходимости внесенные коррективы. На фотографии приведенной выше наглядно и понятно.

LED1-LED4 показывает время и мощность сварочного импульса.

LED5-LED10 индицирует из памяти номер режима работы.

Транзистор Q1 развязывает и согласует уровень рабочего импульса уходящий на силовую плату, он подключен к точке Х3-2 на силовой плате.

Остановлюсь на специфических узлах.

Узел Q3 + VR2 формирует управляющий сигнал начала положительной (неграмотно звучит?) полуволны сетевого напряжения. Подключается к выходу (любому) сетевого трансформатора TR1. Узел появился в процессе конструирования, на схеме силовой части контакт не показан. Узел VR1 формирует управляющий сигнал, начала каждой полуволны сетевого напряжения, подключен к точке Х1-1 силовой платы. Эти два сигнала дали возможность включать и выключать трансформатор в определенном, наиболее оптимальном режиме, в режиме, когда индукция в железе трансформатора будет минимальной из множества возможных вариантов. По науке это звучит так: "пуск трансформатора с определенной полуволны и работа его четными полупериодами." Этот алгоритм дает возможность получить вариант с наиболее малым током ХХ из возможного, что и хотелось сделать. В этом алгоритме вся изюминка аппарата.

Остальное все виртуально и исполняется программой контроллера Mega16. Индикация, опрос кнопок управления,хранение в памяти, корректировка памяти, температурная защита итд итп.  На пальцах описывать, равносильно сексу по телефону. Да и стандартно все это. 

3. АвтоСтарт

Идею такого вида Автостарта придумал не я, а один из талантливых автомехаников. Он его разработал на рассыпухе и обкатал. Я вложил алгоритм в контроллер с дополнительными функциями. Смысл простой этого узла. Коснулся привариваемым инструментом дефектного места и через определенное время проходит сварочный импульс. Не нужна кнопка "Старт", которая в некоторых видах инструмента крайне неудобна. 

Конструкция на контроллере Tiny13. Принцип работы:

Последовательно с силовым трансформатором устанавливается небольшая индуктивность в обход симистора, во вторичке появляется небольшое напряжение, которое отслеживаем. При замыкании рабочим инструментом корпуса напряжение становится = 0. Запускается в этот момент алгоритм старта. Выдерживается необходимая (регулируемая) пауза, во время её постоянно проверяется  положение инструмента и если все ОК и контакт есть, проходит сварочный импульс. Ждем пока проводятся все работы с инструментом и после отрыва инструмента и небольшой паузы  возврат к началу программы. Автостарт появился последним, по этому просто сделал его электронной кнопкой. Транзистор Q1 имитирует нажатие кнопки. Этот узел подойдет к любому заводскому или самопальному аппарату. 

L1- дополнительная индуктивность. TR1 - рабочий трансформатор. R4 - регулятор времени паузы (0.3 - 2сек) задействован АЦП контроллера. Светодиоды остались от настройки программы, они распаяны на плате. KEI подключаем паралельно кнопке, Switch-выключатель автостарта, этот узел продублирован в фишке подключения провода кнопки на рабочем инструменте. Поставили инструмент без кнопки - автостарт включился автоматически. R4 выведен на заднюю стенку агрегата "под отвертку", отрегулировал под себя и забыл.

Контакты Х-1 подключены к вторичной обмотке.

Этот агрегат повторили многие автомеханики-радиолюбители. Даже по желанию человека, который придумал Автостарт, подправил программу и получились у него сварочные клещи.

Статья большая вышла, даже без описания деталей и мелочей. На форуме что непонятно опишу.

РS

На базе этой любительской конструкции уже разработаны два других, для производства в железе:

1. Тина

Это блок управления без кнопок и выключателей. Регулятором времени импульса и времени паузы автостарта являются переменные сопротивления. Оригинальность этого блока в этих регуляторах. Они работают как дискретные переключатели на 27 положений с антилогарифмической зависимостью. Но и это не все, в крайних положениях они выполняют функцию переключателей режимов. Например для перехода из Автостарта к ручному пуску (кнопкой расположенной на инструменте), надо повернуть ручку регулятора Автостарта в крайнее левое положение. Автостарт блокируется, включается слежение за кнопкой на инструменте.  Один двухцветный светодиод индицирует 8 режимов работы аппарата! Итд итп. Аппарат конструировался для души, с креативным управлением. И юмором. В стиле фундаментального минимализма. Все секреты пока не буду выдавать. Но  алгоритм обработки импульса остался от старшего брата, без упрощения.

2. Макс Навороченный агрегат. Внешне близнец представленному. Но координально переписана программа в связи с огромными проблемами с качеством отечественной сети 220в. Пользователю можно переключать аппарат на 3 разные программы управления сварочным импульсом: Maxi, Midi и Mini. Это хорошая, средняя и поганая подводящая сеть. На этот алгоритм оформляется патент на полезную модель и он преобретается производителем на условиях роялти. Так, что без обид, ноу-хау выдавать не имею права.

Спасибо за внимание. 

Файлы:
Схема АвтоСтарта
Схема силовой части
Схема контроллера
Плата АвтоСтарта
Плата контроллера
Плата силовая и блок питания
Fuse
График тока ХХ
Шестнадцатеричный файл прошивки

Все вопросы в Форум.