Сварочный аппарат ВД-201. Система управления

Сварочный аппарат ВД-201. Система управления

Рис.6 Структурная схема системы управления

3.1. Состав структурной схемы системы управления

1,2—узлы питания управляющих ключей;

3,4—управляющие ключи;

5,6—источники питания;

7—задающий генератор;

8—узел контроля вольт/секундной площади;

9—узел стабилизации выходного тока.

Выводы 1-9—выводы системы управления

3.2 Назначение узлов структурной схемы системы управления.

1.2—узлы питания управляющих ключей, положительной и отрицательной полярности, соответственно, предназначены для питания током обмоток управляющего трансформатора TU1 инвертора и для обеспечения управляющих ключей открывающим напряжением. Создаёт ограниченный ток в обмотке управления для инициации процесса запуска инвертора. Кроме того, ограничивает амплитуду напряжения на управляющих ключах и обеспечивает дополнительным током цепи питания микросхем.

3,4—управляющие ключи на комплиментарных полевых транзисторах, предназначены для подачи управляющего тока запуска через обмотки управляющего трансформатораTU1 при запуске инвертора и для закорачивания этих обмоток при переключении инвертора.

5,6—источники питания микросхемы задающего генератора, соответственно положительной и отрицательной полярности. Эти источники из шин с напряжением «⁺/-160В» выдают стабилизированное напряжение «⁺/-15В», относительно искусственной «общей шины».

7—задающий генератор— двухтактный симметричный мультивибратор, на двух операционных усилителях, предназначен для генерирования управляющих прямоугольных импульсов для открывания и закрывания управляющих ключей. А также для изменения скважности импульсов при появлении сигналов обратной связи в случае не симметрии нагрузки, чем осуществляется коррекция вольт-секундной площади. Кроме того, задающий генератор изменяет частоту собственных колебаний при появлении сигналов обратной связи с датчика тока, в случае превышения тока нагрузки установленного значения.

8—узел контроля вольт-секундной площади предназначен для компенсации напряжения средней точки ёмкостного делителя инвертора путём изменения скважности управляющих импульсов и, соответственно, выходных импульсов напряжения инвертора при изменении нагрузки.

9—узел стабилизации выходного тока предназначен для изменения частоты задающего генератора при достижении тока через транзисторы инвертора установленной величины. Установленная величина, по сути, является порогом срабатывания компаратора (устройство сравнения) и является, по сути, регулятором выходного тока инвертора.

3.3 Принципиальная схема системы управления.

Принципиальная схема системы управления представлена на Рис.7.

Резисторы R23—R30; стабилитроны VD7—VD10; диоды VD13,VD14, представляют собой узлы питания управляющих ключей (смотрите структурную схему Рис.6 и принципиальную Рис.7). Напряжение питания, поданное на схему, также поступает на коллекторы транзисторов VT1,VT2. Они создают из положительной и отрицательной шин питания «⁺/-160» шины «⁺/-15В» для питания микросхемы DA1. Стабилитроны VD1,VD2, транзисторы VT1,VT2, диоды VD5,VD6, стабилитроны VD7—VD10,диоды VD13,VD14, ёмкости C3,C5,C6,C7 образуют источник питания микросхемы. Работает он следующим образом: при подаче питающего напряжения на коллекторы транзисторов VT1,VТ2 начинает течь ток по цепи: положительная шина питания «+160» — резистор R15 — стабилитрон VD1— стабилитрон VD2—резистор R17— отрицательная шина питания «-160В». Протекающий через сопротивления R15,R17, ток, втекая в стабилитроны VD1,VD2, создаёт на каждом из них падение напряжения равным 15 В.Это напряжение, приложено к базам транзисторов VT1,VT2 соответственно. Транзисторы VT1,VT2 являются эммитерными повторителями, в результате чего на их эммитерах устанавливается напряжение «⁺/-15В» соответственно. Во время поочерёдно закрытых управляющих ключей выполненных на транзисторах VT5,VT6 , будет течь ток из параллельно соединенных резисторов R23, R25, R27, R29 через прямо смещённый диод VD13 в стабилитроны VD9,VD7. Аналогично для противоположной цепи, будет течь ток из параллельно соединенных резисторов R24,R26,R28,30 через прямосмещённый диод VD14 в стабилитроны VD10,VD8. Эти стабилитроны предназначены для защиты транзисторов VT5, VT6 от пробоя высоким напряжением, за счет ограничения напряжения питания обмоток 3,4 управляющего трансформатора TU1 на уровне 75 В. Ток , протекающий по стабилитронам VD9,VD7 складывается с током, протекающим через транзистор VT1, обеспечивая дополнительным током положительную шину питания «+15В» микросхемы, чем обеспечивается существенное снижение мощности, выделяемой на транзисторе VT1. Аналогично, для противоположной цепи: ток, протекающий по стабилитронам VD10,VD8 складывается с током, протекающим через транзистор VT2, обеспечивая дополнительным током отрицательную шину питания «—15В» микросхем, чем обеспечивается существенное снижение мощности, выделяемой на транзисторе VT2. Диоды VD5 и VD6, установленные между база — эммитерными переходами транзисторов VT1,VT2, соответственно, предназначены для защиты этих переходов от обратного напряжения, которое может быть вызвано протекающим через стабилитроны VD7—VD10 током. Это будет происходить во время, когда ток через вышеуказанные стабилитроны превысит по величине ток, потребляемый микросхемой. Это приведёт к открыванию диодов VD5,VD6, поскольку напряжение на положительной (отрицательной) шинах питания микросхем станет выше напряжения на стабилитронах VD1,VD2 соответственно. Это вызовет закрывание транзисторов VT1, и VT2. В этом случае избыток тока, не потреблённый микросхемой, будет стекать через открытые диоды VD5,VD6 в стабилитроны VD1,VD2. В таком режиме питание микросхемы осуществляется током, протекающим через стабилитроны VD7—VD10. Диоды VD13,VD14 предназначены для предотвращения протекания тока из положительной (отрицательной) шин питания микросхем в общий провод в моменты, когда управляющие ключи, выполненные на транзисторах VT5,VT6, открыты. Конденсаторы С3,С5—С7 предназначены для сглаживания пульсаций напряжения на положительной (отрицательной) шинах питания микросхемы. Задающий генератор выполнен по симметричной схеме мультивибратора на двух токовых операционных усилителях DA1,1 и DA1,2 и представляет собой RC-генератор. Выход второго операционного усилителя через ограничивающий ток нагрузки резистор R22 подключён к базам комплиментарных транзисторов эммитерного повторителя, выполненному на транзисторах VT3,VT4, выход которых подключен к затворам управляющих ключей, выполненных на полевых транзисторах VT5,VT6. Цепи R19, C10 и R20,C11 предназначены для ускорения процесса переключения операционных усилителей и включены в качестве положительной обратной связи на каждом операционном усилителе в отдельности. Резисторы R16,R2 образуют делитель напряжения положительной обратной связи первого операционного усилителя, и по сути, устанавливают его порог срабатывания, как компаратора. Ту же самую роль выполняет делитель R13,R5.Резистор R18 и ёмкость С9 образуют время задающую цепь. Работает она следующим образом: при подаче напряжения питания, на выходе (например, первой микросхемы) появится положительное напряжение, которое через резистивный делитель положительной обратной связи, выполненный на резисторах R13,R5 поступает на инвертирующий вход второй микросхемы. В результате, на выходе второй микросхемы установиться напряжение отрицательной полярности, которое, в свою очередь, через резистивный делитель положительной обратной связи, выполненный на резисторах R16,R2 подаётся на инвертирующий вход первой микросхемы. В результате действия положительной обратной связи на её выходе напряжение скачком достигнет максимального значения. Такое соединение, через резисторы R16,R2 и R13,R5,обеспечивает положительную обратную связь и создаёт триггерный эффект. Одновременно с этим, с выхода первой микросхемы напряжение подаётся на резистор отрицательной обратной связи R18. Через этот резистор начинает течь ток, заряжающий ёмкость С9. Как только амплитуда напряжения на ёмкости С9 достигнет уровня, равного напряжению на резисторе R5, произойдёт их сравнение и компаратор переключится. В результате чего на выходе второй микросхемы, полярность напряжения смениться на противоположную. Из-за этого поменяется полярность на инвертирующем входе первой микросхемы, что повлечёт за собой смену полярности на её выходе. В результате, полярность на резисторе смениться на противоположную, ток тоже сменит направление на противоположное, начнётся перезаряд ёмкости С9 противоположным током. Как только напряжение, противоположное по знаку предыдущей полярности, на ёмкости достигнет уровня, выставленного делителем R13,R5, произойдёт снова сравнение этих напряжений. Результатом сравнения будет переключение компаратора, после чего полярность напряжения на выходе второй микросхемы снова смениться на противоположную, и процесс повториться. Так работает схема при отсутствии сигнала с датчика тока в режиме холостого хода инвертора и при малых нагрузках. Сигнал в форме тока с трансформатора тока TA1 приходит на резистор R4 , вызывает на нём падение напряжения. Это напряжение по форме точно соответствует току, протекающему по первичным цепям трансформатора инвертора. Далее, напряжение, снимаемое с резистора R4, подаётся на высокочастотный фильтр, выполненный на резисторе R9 и ёмкости C4, предназначенный для отсечки помех от паразитных высокочастотных колебаний. Пройдя через фильтр на резисторе R9 и C4 напряжение подаётся на делитель R8,R3, предназначенный для согласования уровней, а также для исключения негативного влияния конденсатора С4 на скоростные свойства микросхемы (действие положительной обратной связи по цепи R19,C10). С выхода делителя напряжение поступает на неинвертирующий вход первого операционного усилителя. При достижении напряжения на резисторе R4 и, следовательно, с коэффициентом деления на резисторе R3 уровня напряжения, равного выставленному значению делителем R16,R2, произойдёт сравнение первой микросхемой двух этих напряжений. Это приведёт к переключению компаратора и, следовательно, к смене полярности на её выходе, на противоположную, что, в свою очередь, повлечёт за собой также смену полярности на выходе второй микросхемы. Фазировка трансформатора датчика тока выбрана таким образом, что напряжение, снимаемое с резистора R4, приходит на микросхему в качестве отрицательной обратной связи. В результате переключений операционных усилителей и, следовательно, управляющих ключей на транзисторах VT5,VT6, переключатся силовые транзисторы инвертора. В результате ток на выходе инвертора изменит свою полярность на противоположную, и как следствие, поменяется полярность напряжения, снимаемого с датчика тока — резистора R4. Как только амплитуда этого тока и, следовательно, напряжения на резисторе R4 снова достигнет величины равной напряжению, выставленному делителем R16, R2, но уже противоположной полярности, снова произойдёт их сравнение первой микросхемой, компаратор переключится, что повлечёт за собой смену полярности напряжения на её выходе и, следовательно, переключение транзисторов инвертора. Таким образом осуществляется переключение микросхемы в двух режимах — на холостом ходу с помощью резистора R18 и ёмкости С9 (времязадающая цепь) и переключение с помощью обратной связи по току в режиме работы под нагрузкой и коротком замыкании. Резисторы R3, R4, R8, R9; конденсатор С4 создают узел стабилизации выходного тока. Резисторы R21, R11, R12, R7 и диоды VD3, VD4 образуют узел контроля вольт — секундной площади. Принцип работы: при появлении напряжения на выводе 5 – вход отрицательной обратной связи со средней точки ёмкостного делителя, появляется ток через резистор R21, вызывающий появление напряжения на резисторах R11, R12, которые образуют с резисторами R2, R6 делитель напряжения. В результате время задающая ёмкость С9 в одной полуволне будет заряжаться до напряжения равного сумме напряжений выставленных делителем на резисторах R13, R5 и напряжения на резисторе R6. В другой полуволне ёмкость С9 будет заряжаться до напряжения равного разности напряжения выставленного делителем на резисторах R13, R5 и напряжения на резисторе R8. Таким образом, время заряда ёмкости С9 в одной полуволне будет больше, чем в другой полуволне, что будет соответствовать разным длительностям импульсов положительной и отрицательной полярности. В результате произойдёт изменение скважности импульсов (импульс короче либо длиннее паузы, в зависимости от полярности напряжения на выводе 5 разъема). Таким образом, на ёмкости С9 задающего генератора будет накапливаться напряжение ошибки, поступающее с ёмкостного делителя силового инвертора. Во время работы силового инвертора в режиме стабилизации тока напряжение с ёмкостного делителя поступает через делитель на резисторах R11,R2 на инвертирующий вход первого операционного усилителя и сравнивается с напряжением, снимаемым с датчика тока (резистора R4); а разность этих напряжений, являющаяся сигналом ошибки, фиксируется первым операционным усилителем. Фазировка обмоток управляющего трансформатора выполнена таким образом, что сигнал со средней точки ёмкостного делителя полумоста является отрицательной обратной связью, то есть уход напряжения средней точки ёмкостного делителя вызывает изменение скважности импульсов, так, что происходит компенсация этого ухода путём изменения времени открытого/закрытого состояния силовых транзисторов инвертора. Конденсаторы С1 и С2 образуют ёмкостной делитель схемы управления, предназначенный для создания искусственного «общего» провода в точке их соединения между собой. Для регулировки тока во время работы силового инвертора в режиме стабилизации тока в трансформатор тока TA1 инвертора добавлена дополнительная обмотка. В эту обмотку включён через диодный мост выходной полевой транзистор регулятор - индикатора (смотри структурную схему инвертора), который эквивалентно, через коэффициент трансформации вторичных обмоток TA1, оказывается подключённым параллельно к датчику тока – резистору R4 схемы управления. В результате, при изменении сопротивления открытого канала выходного полевого транзистора регулятора-индикатора происходит эквивалентное изменение величины резистора R4 и, следовательно, переключение компаратора, выполненного на первом операционном усилителе, будет происходить при различных токах через силовые транзисторы инвертора. Таким образом, изменением сопротивления канала полевого транзистора регулятора осуществляется изменение величины выходного тока стабилизации силового инвертора. Диоды VD3,VD4 и резистор R7 предназначены для ограничения амплитуды напряжения отрицательной обратной связи, снимаемого со средней точки ёмкостного делителя силового инвертора в режимах перегрузки и короткого замыкания, при которых существенно увеличивается размах пульсаций напряжения в средней точке ёмкостного делителя. В этом случае к резистору R21 через поочерёдно открываемые диоды VD3 и VD4 подключается резистор R7, образуя делитель напряжения. Таким образом, при увеличении размаха пульсаций в средней точке ёмкостного делителя инвертора напряжение обратной связи контроля вольт-секундной площади подаётся на входы операционных усилителей через делитель R21, R7. Этот делитель, в свою очередь, является нечувствительным для напряжения малой амплитуды отрицательной обратной связи, снимаемого с ёмкостного делителя силового инвертора в режимах малых токов нагрузки и на холостом ходу. Управляющие ключи, выполненные на полевых комплиментарных транзисторах VT5, VT6, предназначены для подачи, через обмотки 4 и 5 управляющего трансформатора, отпирающего тока в базы силовых транзисторов инвертора. Кроме того, они необходимы для их выключения путём закорачивания обмоток 4 и 5 управляющего трансформатора, что приводит к прекращению действия положительной обратной связи обмотки 3 на обмотки 1 и 2 и, как следствие, на базы силовых транзисторов инвертора. Управляющие ключи работают следующим образом: После подачи напряжения питания и появления напряжения «+/-15В» на шинах питания микросхем произойдёт запуск задающего генератора, что описано выше. В свою очередь, это вызовет появление прямоугольных импульсов на выходе эммитерного повторителя, выполненного на транзисторах VT3, VT4, что также описано выше. При появлении на выходе эммитерного повторителя VT3, VT4 напряжения положительной полярности (открывание транзистора VT3) произойдёт увеличение положительного напряжения на затворе транзистора VT5 до 13В. Это напряжение откроет транзистор VT5. Полярность напряжения между затвором и истоком транзистора VT6 в это время является обратной, то есть запирающей. В результате, транзистор VT6 закроется, и будет удерживаться закрытым всё время, пока напряжение на выходе эммитерного повторителя VT3, VT4 будет неизменным. При появлении на выходе задающего генератора отрицательного, относительно искусственной «общей» шины, напряжения на базах транзисторов VT3, VT4 эммитерного повторителя произойдёт их переключение. В результате транзистор VT3 закроется, а транзистор VT4 откроется, на эммитере которого установиться напряжение, примерно, равное «-13В». В результате, между выводами затвор-исток полевого транзистора VT5 установиться отрицательное напряжение. Полярность этого напряжения для n-канального полевого транзистора VT5 является запирающей, а для p-канального открывающей, что вызовет закрывание одного и открывание другого. Таким образом, при появлении на выходе эммитерного повторителя, выполненного на транзисторах VT3, VT4, импульсов напряжения положительной и отрицательной полярностей, амплитудой в 13В будет происходить поочерёдное открывание/закрывание управляющих ключей, выполненных на полевых комплиментарных транзисторах VT5, VT6. Во время, когда на выходе эммитерного повторителя, выполненного на транзисторах VT3, VT4 , поочередно присутствуют импульсы положительной и отрицательной полярностей, вызывающие поочерёдное открывание/закрывание управляющих ключей, выполненных на полевых транзисторах VT5, VT6, осуществляется поочерёдная коммутация обмоток управляющего трансформатора. В этом случае, при открывании транзистора, например VT5, в начальный момент времени ток, наводимый в обмотке 4 управляющего трансформатора ( вследствие действия положительной обратной связи через обмотку 3 (описание работы инвертора)) замкнется через открытый транзистор VT5 и прямосмещённый диод VD11. Ток будет течь по цепи: начало обмотки 4 — сток транзистора VT5 — исток транзистора VT5 — анод диода VD11 — катод диода VD11—конец обмотки 4. Это приведёт к закрыванию раннее открытых силовых транзисторов инвертора. В течении всего времени, пока обмотка 4 управляющего трансформатора будет являться источником тока, протекающего через транзистор VT5, диод VD11, она будет замкнута и напряжение на ней будет чуть более 1В (падение напряжения на открытом транзисторе VT5 и прямо смещённом диоде VD11). Такое закороченное состояние обмотки 4 будет удерживать силовые транзисторы инвертора обоих плеч в закрытом состоянии. Как только обмотка 4 управляющего трансформатора перестанет быть источником тока (ток по обмотке 3 положительной обратной связи упадёт до нуля) в неё начнёт втекать ток из параллельно соединённых резисторов R23, R25, R27, R29. Это приведёт к появлению напряжения на обмотке 4 противоположной полярности и, следовательно, вызовет открывание силовых транзисторов инвертора раннее выключенного плеча, причём, ток базы этих транзисторов будет равен, через коэффициент трансформации управляющего трансформатора, току, протекающему по резисторам R23, R25, R27, R29. Точно такие же процессы будут происходить при открывании управляющего транзистора VT6.