Електролітичні конденсатори у зварювальних інверторах

Віктор Бугаєв, Віталій Дідук, Максим Мусієнко

Алюмінієві електролітичні конденсатори – один із головних елементів, що забезпечують стабільність роботи високочастотних інверторів зварювальних апаратів. Надійні високоякісні конденсатори цього виду застосування виробляють компанії Hitachi, Samwha, Yageo.

Спрощено структурну схему інвертора можна з трьох блоків (рисунок 1). На вході стоїть безтрансформаторний випрямляч з паралельно підключеною ємністю, що дозволяє підняти напругу постійного струму до 300 В. Інверторний блок перетворює постійного струму в змінний високочастотний. Частота перетворення сягає десятків кілогерц. До складу блоку входить високочастотний імпульсний трансформатор, у якому відбувається зниження напруги. Цей блок може виготовлятися у двох варіантах – з використанням однотактних або двотактних імпульсів. В обох випадках транзисторний блок працює в ключовому режимі з можливістю регулювання часу увімкнення, що дозволяє регулювати струм навантаження. Вихідний випрямний блок перетворює змінний струм після інвертора на постійний струм зварювання [1].

Мал. 1. Спрощена структурна схема зварювального інвертора

Принцип роботи зварювального інвертора полягає у поетапному перетворенні напруги мережі. Спочатку мережна змінна напруга підвищується і випрямляється у попередньому блоці випрямлення. Постійна напруга живить високочастотний генератор на транзисторах IGBT в інверторному блоці. Високочастотна змінна напруга перетворюється на нижчу за допомогою трансформатора і подається на вихідний випрямний блок. З виходу випрямляча струм можна подавати на зварювальний електрод. Струм електрода регулюється схемотехнічно шляхом контролюглибини негативного зворотного зв'язку. З розвитком мікропроцесорної техніки розпочали виробництво інверторних напівавтоматів, здатних самостійно вибирати режим роботи та здійснювати такі функції як «антизалипання», високочастотне збудження дуги, утримання дуги та інші.

Алюмінієві електролітичні конденсатори у зварювальних інверторах

Основні компонентні складові зварювальних інверторів – це напівпровідникові компоненти, що знижують трансформатор та конденсатори. Сьогодні якість напівпровідникових компонентів настільки висока, що при правильній їх експлуатації проблем не виникає. Зважаючи на те, що пристрій працює на високих частотах і досить великих струмах, особливу увагу слід приділити стабільності роботи апарату – від неї безпосередньо залежить якість зварювальних робіт. Найбільш критичними компонентами в даному контексті є електролітичні конденсатори, від якості яких залежить надійність апарату і рівень внесених в електричну мережу перешкод.

Найбільш поширеними є алюмінієві електролітичні конденсатори. Вони найкраще підходять для використання у первинному джерелі мережного ІП. Електролітичні конденсатори мають високу ємність, велику номінальну напругу, малі габарити і здатні працювати на звукових частотах. Такі характеристики відносяться до безперечних переваг алюмінієвих електролітів.

Всі алюмінієві електролітичні конденсатори є послідовно накладеними шарами алюмінієвої фольги (анод конденсатора), паперової прокладки, ще одного шару алюмінієвої фольги (катод конденсатора) і ще одного шару паперу. Все це згортається в рулон і вміщується в герметичний контейнер. Від анодного та катодного шарів виводяться провідники для включення до ланцюга.Також алюмінієві шари додатково протруюють з метою збільшення площі їхньої поверхні і, відповідно, ємності конденсатора. При цьому ємність високовольтних конденсаторів зростає приблизно в 20 разів, а низьковольтних - в 100. Крім цього, вся дана конструкція обробляється хімічними речовинами для досягнення необхідних параметрів.

Електролітичні конденсатори мають досить непросту структуру, що зумовлює складність їх виготовлення та експлуатації. Характеристики конденсаторів можуть сильно змінюватися за різних режимів роботи та кліматичних умов експлуатації. Зі зростанням частоти та температури знижується ємність конденсатора та ЕПС. При зниженні температури ємність також падає, а ЕПС може зростати до 100 разів, що, своєю чергою, знижує гранично допустимий струм пульсацій конденсатора. Надійність імпульсних і вхідних мережевих конденсаторів, що фільтрують, в першу чергу, залежить від їх гранично допустимого струму пульсацій. Протікають струми пульсацій здатні розігрівати конденсатор, що спричиняє його ранній вихід з ладу.

В інверторах основні призначення електролітичних конденсаторів – підвищення напруги у вхідному випрямлячі та згладжування можливих пульсацій.

Значні проблеми в роботі інверторів створюють великі струми через транзистори, високі вимоги до форми імпульсів, що управляють, що передбачає використання потужних драйверів для управління силовими ключами, високі вимоги до монтажу силових ланцюгів, великі імпульсні струми. Усе це значною мірою залежить від добротності конденсаторів вхідного фільтра, для інверторних зварювальних апаратів потрібно особливо ретельно підбирати параметри електролітичних конденсаторів. Таким чином, у попередньому блоці випрямлення зварювального інверторанайбільш критичним елементом є електролітичний конденсатор, що фільтрує, встановлений після діодного моста. Рекомендовано встановлювати конденсатор у безпосередній близькості до IGBT та діодів, що дозволяє усунути вплив індуктивності проводів, що з'єднують пристрій із джерелом живлення, на роботу інвертора. Також встановлення конденсаторів поруч із споживачами зменшує внутрішній опір змінному струму джерела живлення, що запобігає збудженню підсилювальних каскадів.

Зазвичай конденсатор, що фільтрує, у двонапівперіодних перетворювачах вибирають таким, щоб пульсації випрямленої напруги не перевищували 5...10 В. Слід також враховувати, що на конденсаторах фільтра напруга буде більше в 1,41 рази, ніж на виході діодного моста. Таким чином, якщо після діодного мосту ми отримаємо 220 В пульсуючої напруги, то на конденсаторах буде вже 310 В постійної напруги. Зазвичай робоча напруга в мережі обмежується відміткою в 250 В, отже, на виході фільтра напруга буде 350 В. У поодиноких випадках мережна напруга може підніматися ще вище, тому конденсатори слід вибирати на робочу напругу не менше 400 В. Конденсатори можуть мати додатковий великим робочим струмам. Рекомендований верхній діапазон температур не менше 85...105°C. Вхідні конденсатори для згладжування пульсацій випрямленої напруги вибирають ємністю 470...2500 мкФ залежно від потужності апарату. При незмінному зазорі в резонансному дроселі збільшення ємності вхідного конденсатора пропорційно збільшує потужність, що віддається в дугу.

У продажу є ємності, наприклад, на 1500 та 2200 мкФ, але, як правило, замість одного використовують батарею конденсаторів – кілька компонентів однакової ємності, включенихпаралельно. Завдяки паралельному включенню зменшуються внутрішні опір та індуктивність, що покращує фільтрацію напруги. Також на початку заряду через конденсатори протікає дуже великий зарядний струм, близький до струму короткого замикання. Паралельне увімкнення дозволяє зменшити струм, що протікає через кожен конденсатор окремо, що збільшує термін експлуатації.

Вибір електролітів від Hitachi, Samwha, Yageo

На ринку електроніки сьогодні можна знайти велику кількість відповідних конденсаторів від відомих та маловідомих виробників. При виборі обладнання не слід забувати, що при подібних параметрах конденсатори дуже відрізняються якістю і надійністю. Найбільш добре себе зарекомендувала продукція від таких всесвітньо відомих виробників високоякісних алюмінієвих конденсаторів, як Hitachi, Samwha та Yageo. Компанії активно розробляють нові технології виробництва конденсаторів, тому їхня продукція має кращі характеристики порівняно з продукцією конкурентів.

Алюмінієві електролітичні конденсатори випускаються в декількох форм-факторах:

для монтажу на друкованій платі;
з посиленими висновками-засувками (Snap-In);
з болтовими виводами (Screw Terminal).

У таблицях 1, 2 і 3 представлені серії вищезгаданих виробників, найбільш оптимальні для використання в попередньому блоці випрямлення, а їх зовнішній вигляд показаний на рисунках 2, 3 та 4 відповідно. Наведені серії мають максимальний термін служби (у межах сімейства конкретного виробника) та розширений температурний діапазон.

Таблиця 1. Електролітичні конденсатори виробництва Yageo