www.odrdzewiacz.fora.pl

Luc_Besson

Pomimo, że spawarka nie jest jeszcze ukończona dałem się namówić Ponemu007, a prywatnie mojemu bratu na prezentację dotychczasowych prac związanych z jej budową.
Wszystko zaczęło się od naszej wspólnej fascynacji łączenia metalu za pomocą technologii spawania. Z podziwem oglądaliśmy programy w styku „Amerykański chopper” czy „Monster garage”, w których to amerykańscy luzacy z wielką łatwością łączyli metale różnego typu.
Ich wzorem uznaliśmy, że takie urządzenie jest nam niezbędne, a jego brak w warsztacie hamuje naszą kreatywność i realizację tzw. napałów*.

*napał – w naszym rozumowaniu odjechany pomysł na realizację jakiegoś pomysłu. Zazwyczaj pojawia się pod wieczór, ok. 22:00 i musi zostać w krótkim czasie zrealizowany, bo inaczej dojdzie do nas, że to bez sensu Wink

.

Na początku chcieliśmy zakupić jakiś sprzęt spawalniczy. Najpierw miał być nowy. Jakość urządzeń marketowych zniechęcała, a w miarę poznawania tematu wymagania rosły. Uznaliśmy, że największe pokrycie w funkcjonalności da nam spawanie metodą TIG z możliwością spawania prądem zmiennym. Nie jest to metoda szybka, w porównaniu do MIG, ale później nadrabia się to jakością spawu i brakiem konieczności czyszczenia spoiny. Suma summarum okazało się, że nasze wymagania pokrył by sprzęt dopiero z wyższej półki, np. Kemppi MasterTig MLS 2300 AC/DC za cenę od 12000zł Very Happy

[link widoczny dla zalogowanych]
Zaczęliśmy się rozglądać za sprzętem używanym. Okazało się, że dobry sprzęt spawalniczy wcale nie traci szybko na wartości i ciągle jest poza budżetem. Z drugiej strony zakup spawarki niewiadomego pochodzenia rodem z Niemiec z obciętym kablem był zbyt dużym ryzykiem.
[link widoczny dla zalogowanych]
Więc podjęliśmy decyzję, że zbudujemy sobie wymarzoną spawarkę, a jak! Decyzja ta była dość ambitna, ponieważ moja wiedza o źródłach spawalniczych na samym początku była zerowa.
Wymagania podstawowe postawione spawarce:
-metoda spawania TIG/MMA
-możliwość spawania prądem zmiennym (do amelinium Wink

-zasilanie z gniazdka jednofazowego 230VAC
Pod względem konstrukcyjnym wyszedłem właśnie od ostatniego punktu. Chodziło mi o jak najefektywniejsze wykorzystanie mocy dostępnej w jednofazowym gniazdku 230VAC z zabezpieczeniem zwłocznym C16. Z takiego gniazdka można pobierać ciągle 16A*230V=3690VA. Uwzględniając sprawność spawarki (80%) oraz to, że jest ona odbiornikiem nieliniowym i ma współczynnik mocy około 0,8 to do dyspozycji pozostaje już nam jedynie 2300W, co przy napięciu łuku około 20V da nam ciągły prąd spawania tylko około 115A – trochę mało! Sprawności raczej nie przeskoczę (trzeba by było przejść na rezonans, a to wyższa szkoła), więc spróbujmy poprawić współczynnik mocy. Ale najpierw wyjaśnię mniej więcej o co w nim chodzi.
Jak wspomniałem spawarki należą do odbiorników nieliniowych prądu, to znaczy, że prąd pobierany z sieci nie jest sinusoidalny, lecz mocno odkształcony (dla prostownika jednofazowego tworzy takie górki).
[link widoczny dla zalogowanych]
Pomimo iż wartość średnia tego prądu nie jest wysoka, to powoduje silne nagrzewanie się instalacji – moc wydzielana w przewodach jest proporcjonalna do kwadratu do tego prądu. Także przez słaby współczynnik mocy część energii dostępnej w gniazdu jest zużywana na straty w instalacji i aktywację zabezpieczeń, pomimo nie przekroczenia dopuszczalnych prądów. Urządzeniem, które poprawia współczynnik mocy jest PFC (Powe Factor Corrector – korektor współczynnika mocy). Jeżeli poprawimy współczynnik tak aby był bliski 1, to poprawimy wykorzystanie przez spawarkę energii dostępnej w gniazdku. W takim wypadku maksymalny ciągły prąd spawania wzrośnie nam do około 150A. Analizując charakterystykę wyzwalania zabezpieczenia zwłocznego typu C możemy zauważyć, że przez 120 sek. możemy pobierać z niego 170% prądu znamionowego, a przez 180 sek. 150% prądu znamionowego, czyli dla C16A przez 2 minuty możemy spawać prądem nawet 230A!
Zbliżamy się więc parametrami do wymarzonej Kemppi MLS.
Wymagania co do spawarki zostały więc uzupełnione:
-korektor współczynnika mocy
-prąd maksymalny 200A @ 40%
-realizacja algorytmu spawania: prąd narastania, opadania, przed gaz, po gaz, puls, wypełnienie pulsu, hot start, arc force, częstotliwość i wypełnienie dla prądu zmiennego
-zapłon bezdotykowy HF
Aby sprostać powyższym wymaganiom zdecydowałem się na całkowicie cyfrowe sterowanie spawarki i zaszycie wszystkich funkcji w algorytmie mikrokontrolera STM32.
Prace projektowe rozpocząłem od projektu obwodu silnoprądowego. Wybór topologii padł na pełny mostek w falowniku HV, półmostek w falowniku LV do generacji łuku przemiennoprądowego. PFC na bazie choppera podwyższającego (boost converter). Po policzeniu strat częstotliwość pracy została ustalona na 50kHz.
Zrobiłem parę symulacji w programie PSIM i wyszło mi, że może to działać.

[link widoczny dla zalogowanych]
Przyszedł czas na ustalenie budżetu projektu. Szybkie obliczenia z palca wzięte i w 1000zł powinienem się zmieścić (przyszłość pokazała jak bardzo się myliłem).
Bez uchwytu i paru fabrycznych części ani rusz, więc… „Jak chcesz bracie spawarkę, to potrzebuję uchwyt TIG i złącza do uchwytu” - 300zł z budżetu.

[link widoczny dla zalogowanych]

W międzyczasie był czas na projektowanie PCB, trawienie i montaż.
Pierwsza wersja płyty wysokiego napięcia:
[link widoczny dla zalogowanych]
Pierwsza wersja płyty niskiego napięcia – częściowo zdemontowana. Z uwagi na problemy z łączeniem tylu elementów równolegle potem zastąpiłem dyskretne tranzystory i diody modułami.
[link widoczny dla zalogowanych]
Moduł IGBT zastosowany jako falownik niskiego napięcia.
[link widoczny dla zalogowanych]
Cała spawarka została wstępnie zamodelowana w 3D:
[link widoczny dla zalogowanych]
Transformator HV nawinięty na dwóch kształtkach E65. Karkas z odpowiednio powyginanego poliwęglanu. Uzwojenie pierwotne to lica wysokoczęstotliwościowa (HF litz wire), wtórne w postaci miedzianego płaskownika. Napięcie jałowe około 65V.
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
Przebieg prądu oraz napięcia w transformatorze podczas spawania:
[link widoczny dla zalogowanych]
Dławik wyjściowy na rdzeniu toroidalnym DTP ze sproszkowanego żelaza. Bezpośrednio na dławiku powieszony został hallotronowy czujnik prądu.
[link widoczny dla zalogowanych]
Prąd dławika na tle napięcia na transformatorze:
[link widoczny dla zalogowanych]
Energoelektronika zamontowana na pokaźnych radiatorach. Na jednym część wysokonapięciowa, na drugim niskonapięciowa. Oba skierowane żebrami do siebie. Przez tak wykonany tunel powietrze tłoczone jest przez 2 wydajne wentylatory 120mm. W owiewie powietrza umieszczone również dławik DC, dławik PFC, transformator HV i HF.
[link widoczny dla zalogowanych]
Równolegle pisałem i testowałem na sucho oprogramowanie. Zaimplementowałem regulator PI oraz cały zawiły algorytm spawania.
Z powodów ekonomicznych pierwsze próby spawania były robione bez gazu. Łuk był strasznie niestabilny i myślałem, że coś skopałem w konstrukcji, ale pomyślałem, że wydam te kolejne 600zł na małą butlę argonu i osprzęt gazowy:
- Elektrozawór CO2 , 230V - 24.00 zl * 1 = 24.00 zl
- Elektrody wolframowe fi 2,4mm WC-20 szare - 7.70 zl * 10 = 77.00 zl
- Elektrody wolframowe fi 1,6mm WC-20 szare - 3.50 zl * 10 = 35.00 zl
- Dysza ceramiczna SR-17, SR-18, SR-26, nr 4 - 1.40 zl * 3 = 4.20 zl
- Dysza ceramiczna SR-17, SR-18, SR-26, nr 5 - 1.40 zl * 3 = 4.20 zl
- Korek krotki SR-17, SR-18, SR-26 - 2.50 zl * 1 = 2.50 zl
- Korek sredni SR-17, SR-18, SR-26 - 2.70 zl * 1 = 2.70 zl
- Izolator przedni SR-17, SR-18, SR-26 - 2.00 zl * 1 = 2.00 zl
- Tulejka zaciskowa SR-17, SR-18, SR-26, fi 2,4mm - 1.40 zl * 1 = 1.40 zl
- Tulejka zaciskowa SR-17, SR-18, SR-26, fi 1,6mm - 1.40 zl * 1 = 1.40 zl
- Zacisk masowy 250A Esab - 9.00 zl * 1 = 9.00 zl
- Kabel spawalniczy OS-1 25mm2 - 14.00 zl * 4 = 56.00 zl
- Lacznik pradowy SR-17, SR-18, SR-26, fi 1,6mm - 3.00 zl * 1 = 3.00 zl
- Lacznik pradowy SR-17, SR-18, SR-26, fi 3,2mm - 3.00 zl * 1 = 3.00 zl
- Korek dlugi SR-17, SR-18, SR-26 - 3.00 zl * 1 = 3.00 zl
- Przesylka kurierska (Przelew) = 18.00 zl
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
Jaka ulga – łuk się uspokoił, zniknęły też problemy z zajarzaniem przez potarcie.
Jednak coś jest nie tak - przy większych prądach eksplozje tranzystorów powodowały niezłe dzwonienie w uszach. Wszystko sprowadzało się do moich błędów w oprogramowaniu, które w końcu zostały wyeliminowane.
Problem w jaki sposób zadawać parametry spawania, których jest całkiem nie mało, został rozwiązany przez napisany na szybko prosty interfejs użytkownika na laptopa w Visual C#, który komunikował się z regulatorem spawarki po USB
[link widoczny dla zalogowanych]
Dodatkową funkcjonalnością oprogramowania była możliwość wizualizacji procesu spawania na wykresie i podgląd wszystkich parametrów spawarki w czasie rzeczywistym.
Przykładowy przebieg prądu podczas realizacji opadania prądu z pulsu(downslope):
[link widoczny dla zalogowanych]
Pierwsze poważniejsze próby spawania: nierdzewka 1,5+1,5mm
[link widoczny dla zalogowanych]
Stal czorna 3+3mm:

[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]

Przyszedł czas na wykonanie układu zajarzania bezstykowego łuku – HF. Czas ten upłynął na walce z zakłóceniami jakie ten układ generował – np. żona pracują na laptopie w innym pokoju nie mogła korzystać z touchpada, gdy był włączony Wink

. W końcu jednak układ działa i komfort spawania jest naprawdę nieziemski – prawie jak lutowanie. Trafo HF na rdzeniu E80. 1 zwój pierwotnego i chyba z 10 wyszło na wtórnym.
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
[link widoczny dla zalogowanych]
Kolejnym etapem było uruchomienie modułu odpowiedzialnego za generację prądu zmiennego do spawania aluminium. Poszło stosunkowo łatwo, ale trzeba jeszcze dopracować sposób podtrzymania łuku w momencie przejścia prądu przez zero (zmiana polaryzacji).

Prąd podczas spawania prądem zmiennym 50Hz.
[link widoczny dla zalogowanych]
I to by było na tyle. Jak widać już pierwsze zakupy dobiły budżetu. Myślę, że budżet został przekroczony dwukrotnie, jednak uważam, że nawet podliczając ilość roboczo godzin, wychodzi ciągle znacznie taniej niż zakup Kemppi MLS (tak przynajmniej się pocieszam Wink

.
Spawarka spawa, ale z uwagi na brak obudowy i multum sprzętu pomiarowego do niej podpiętego nie jest przenośna. Należy wykonać następujące czynności, aby ją ukończyć:
-poprawka płyt PCB
-dorobienie jakiegoś panelu operatorskiego, aby uwolnić się od laptopa
-wykonanie obudowy
-dopracowanie trybu spawania prądem przemiennym
Mam nadzieję, że wkrótce się zmobilizuję i będę mógł podzielić się dogłębnie konstrukcją.

Linki do filmów YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=hWb9Hr695lg
http://www.youtube.com/watch?v=X77IfY-Fed8
http://www.youtube.com/watch?v=-UmMsoTUU2A

Georges

Witam,
Projekt bardzo ambitny i, jak sie wydaje, realizowany ze znajomoscia rzeczy. Oczywiscie, znacznie przerasta moje kompetencje, mimo ze daje sobie niezle rade z elektronika samochodowa.
Zycze wytrwalosci i doprowadzenia go do konca. Mam jednak watpliwosci co do aspektu finansowego przedsiewziecia. Juz za 500 - 600 € mozna kupic sprzet wystarczajacy dla amatora - blacharza. Czy ten bedzie lepszy? Oby tak. Z mojego punktu widzenia to tylko narzedzie wiec jego wykonanie ma sens tylko wtedy, gdy nie mozna go kupic lub jest rzeczywiscie zbyt drogie i samorobka wyjdzie duuuzo taniej.
Tym niemniej jest to ciekawe wyzwanie i bede z ciekawoscia sledzil.
Pozdrawiam, Georges

PONY007

Ja osobiście bym chciał, żeby spawarka stanowiła "super źródło" tzn. żeby jedna jednostka, po wyposażeniu w akcesoryjny osprzęt mogłaby być zarówno spawarką TIG, MIG/MAG i przecinarką plazmową, a do przecinarki plazmowej można w przyszłości dobudować stół CNC. Wtedy przy dobrych parametrach i jakości wykonania otrzymujemy coś bardzo uniwersalnego. Z tego co mówi Luc_Besson jest to wykonalne:).

Georges

Z doswiadczenia wiem, ze urzadzenia bardzo uniwersalne, wersatilne, najczesciej nie sa dobre w zadnym z przewidzianych zastosowan.
Osobiscie mam MIG-a i TIG-a. Oba moga spawac elektroda otulona. A jednak wolalem zakupic trzeci aparat tylko do tego celu - maly inverter.
Ale to tylko moje zdanie...
Tym niemniej chalange Luc'a jest interesujacy.

Luc_Besson, jestes milosnikiem marsylskich taksowek?

Gość

Luc_Besson

oker128

Witam panowie mam problem ponieważ jestem posiadaczem spawarki inwertorowej tig/mma chciałbym pospawać trochę "amelinium", ale do tego jak wiadomo trzeba prądu AC no i mam pomysł by przerobić swoją spawarkę. Mam pytanie czy mogę na końcu źródła zaadoptować falownik by uzyskać przebieg prądu AC? i dokładnie w którym miejscu wstawić falownik, za dławikiem? na pewno przed jonizatorem. Jestem ciekaw jak autor projektu rozwiązał problem spawania alu.
Proszę o odpowiedź, pozdrawiam.

Luc_Besson

Konwersja nie jest prosta. Mało jest źródeł w Internecie jak to zrobić , ale znalazłem jeden przykład, że się da:
[link widoczny dla zalogowanych]
Niestety nie znam szczegółów i nie wiem jakie spawarka daje efekty.

Wiele zależy od tego jak masz skonfigurowany mostek prostowniczy w swojej spawarce. Poczytaj notę od IR na temat falowników spawalniczych do spawania Al:
[link widoczny dla zalogowanych]
Na pewno będziesz potrzebował moduł(y) IGBT na 200/300A i 600V z radiatorem, subbbery antyprzepięciowe, do tego drivery i sterownik z możliwością regulacji częstotliwości i balansu. Bardzo ważne jest aby sterownik możliwość generacji czasu martwego, bo inaczej wybuchną tranzystory.

U mnie falownik wyjściowy jest na półmostku (1 moduł IGBT), ale mam dzielone trafo i pełny mostek prostowniczy. Popatrz na screen z symulacji. Jonizator musi być na samym końcu.
Powiedz jak u Ciebie wygląda mostek to pomyślimy. Jak nie dasz rady rozszyfrować, to podeślij zdjęcia wnętrza spawarki.[/img]

oker128

W mojej spawarce trafo na stronie wtórnej posiada jeden pełny zwój i pełny mostek prostowniczy.
Co do modułu IGBT mogę zastosować parę tranzystorów połączonych szeregowo dla jednego klucza? i czy na każdy tranzystor muszę stosować driver? jak długi ma być czas martwy? czy mam stosować na mostku falownika diody wsteczne? a i co to są dokładnie te subbery, czy to coś w stylu warystora proszę o jakieś informacje na ten temat i sposób zastosowania.
Pozdrawiam

Luc_Besson

Jeżeli masz pełny mostek, to musisz dać też pełny mostek H w roli falownika wyjściowego.
Co do tranzystorów, to jeżeli chcesz stosować dyskretne IGBTy to będziesz musiał kilak połączyć równolegle, a nie szeregowo, bo masz duży prąd, a stosunkowo niskie napięcie. Ale łączenie równoległe tranzystorów IGBT przy dużych prądach jest bardzo trudne. Trzeba zadbać o jakość połączeń (niskie indukcyjności) i dać porządny driver, ja po paru wybuchach z niewyjaśnionych przyczyn przerzuciłem się na moduły.
Na każdy tranzystor lub ich równoległe połączenie w mostku musi przypadać 1 driver - pełny mostek = 4 silne drivery.

Diody wsteczne są koniczne, ale zazwyczaj IGBTy posiadają taką diodę w swojej strukturze.

Snubbery to kondensatory bezindukcyjne o bardzo dużych prądach ładowania/rozładowania mające na celu pochłonięcie energii przepięcia. Coś w rodzaju warystora, ale warystor ma skończoną liczbę zadziałań i w końcu się uwala, a snubber nie.

oker128

Dziękuje za dostateczne wyjaśnienie szczegółów, już mam w głowie schemat.

Luc_Besson

Powoli dopracowuje spawarkę.
Przeportowałem komunikacje z USB na CAN i trochę uzupełniłem program sterujący. Można między innymi z jego poziomu zadać zakres napięcia łuku.
[link widoczny dla zalogowanych]
Spójrzcie na wykres generowanego prądu. Kolor czerwony to prąd zadany, a żółty to realizowany. Jak widać regulator świetnie odtwarza zadany prąd.
[link widoczny dla zalogowanych]
Próby robiłem przy niskim prądzie, aby nie przegrzać urządzenia i spokojnie wykryć wszelkie nieprawidłowości.
W przyszłym tygodniu sprawozdam próby spawania aluminium. Chyba zaczynam projektowanie finalnych płytek.
Obejrzyjcie też krótkie video:
http://www.youtube.com/watch?v=Wj49eemQZK0

oker128

Świetnie widzieć postępy, jestem ciekawy na jakiej zasadzie stworzył pan układ regulujący napięcie czy to coś na zasadzie PWM? czy udostępni pan schematy/płytki/wsady?

Mechano

Jakieś postępy w pracy nad spawarką? W jakim teraz jest stanie?

APJ

Minęło sporo czasu i moje pytanie co dalej z projektem (udało sie czy nie)