Схема инвертора для плазменной резки

Автор: pnp_machinist, pnp_mechanic@mail.ru
Опубликовано 19.09.2016.
Создано при помощи КотоРед.

Простой аппарат плазменной резки.

Значение аппарата плазменной резки для народного хозяйства трудно переоценить. Так например одна только экономия металла при раскрое составляет 10-15%. Не говоря уже о возможности вырезать отверстия и детали различной формы в листовом металле. Появление на рынке сварочных инверторов и расходных материалов для плазмотронов сделало этот способ обработки металла доступным для широких масс населения.
В нашем случае в качестве рабочей среды плазмы используется осушенный атмосферный воздух давлением 3.5 – 4 Атм. Плазматрон CUT-40 как один из самых доступных . И инвертор сварочного тока выходным напряжением 100-140 вольт, 10-40 А. Этого вполне хватает для резки металла толщиной 0,5 – 6 мм. Исходя из данных – сила тока для реза 1 мм. толщины металла должна быть примерно 6 А

Теория.

Как видно на условном изображения горелки, атмосферный воздух одновременно является рабочей средой для образования плазмы и охлаждает элементы горелки.
В первый момент дуга разжигается высоковольтным разрядом между электродом и соплом при условии контакта последнего с анодом т.е. металлом. Далее образовавшаяся плазма выдувается потоком воздуха. Для поддержания стабильной дуги необходимо выдерживать зазор между соплом горелки и металлом около 1 мм. , что весьма трудно. Для этого предлагаются специальные насадки. Но как утверждают специалисты они только мешают. Я полностью разделяю их мнение и поэтому просто веду без нажима соплом горелки по заготовке. Замечено при недостаточном токе сопло "прилипает" к металлу. О успешном процессе резки можно судить по видимым искрам с обратной стороны металла. По окончании резки не следует отводить горелку, лучше прервать процесс снятием напряжения. Так продлевается срок службы электрода со вставкой из гафния .

Инвертор

Для силовой части хорошо подходит схема инвертора AVT-200. Данный инвертор уже неоднократно повторялся и хорошо известен в сети Интернет. Оригинал статьи автора доступен в архиве AVT-200.rar. Изменения коснулись узла формирования пилообразного напряжения на токовом входе компаратора и цепей задания тока. Изменена печатная плата.
Узел задания тока питается стабильным напряжением 15 В, что улучшает повторяемость. Для снижения уровня помех в цепях токового компаратора установлен резистор R90. Большая индуктивность выходного дросселя позволяет упростить схему формирования "пилы". В остальном схема мало отличается от оригинала. Для токового шунта необходимо использовать манганиновую проволоку. В моём случае при диаметре 0.9 мм длинна шунта 20 мм.
Отдельно отмечу в схеме отсутствует узел защиты от превышения тока и К.З. в нагрузке. Разумеется такие узлы необходимы. Но короткое замыкание в правильно собранной горелке CUT-40 не возможно. Если конечно сопло совсем расплавится и останется только электрод.

В большинстве случаев для успешного розжига плазмы хватает высоковольтного разряда напряжением 20-22 кВ. постоянного тока. Схема с искровым разрядником самая простая в реализации . Для снижения требований к повышающему трансформатору используется умножитель напряжения . Разрядник изготовлен из контактов реле , зазор 1 – 1.5 мм. Высоковольтный трансформатор намотан на ферритовом сердечнике диаметром 8 мм. длинной 80 мм Первичная обмотка 7-8 витков проводом МГТФ-0,35. Вторичная медным проводом ПЭВ- 2 диаметром 1,5 мм. Пропитан эпоксидной смолой. Между обмоточками изоляция обязательна. Накопительный конденсатора взят из стартёра времён СССР для лампы дневного света мощностью 80 Вт. Как оказалось другие конденсаторы – 10n 6,3 kV. сгорают после 3-й попытки розжига.

Схема управления.

Для работы реализована простая последовательность управления.
При нажатии кнопки оператора S3 последовательно происходит
1- Подача воздуха.
2- Пауза 0.5-1 сек. (это время необходимо для продувки плазмотрона)
3- Включение инвертора.
4- Включение осциллятора на 2 сек.
При размыкании кнопки выключается инвертор и с задержкой 3-4 сек. снимается напряжение с воздушного клапана. Этого времени достаточно для остывания горелки.

В исходном состоянии все реле обесточены и копка оператора S3 отжата. При замыкании S3 сработает реле REL 2 и своими контактами замкнёт базовые цепи транзисторов Т1, Т3, Т4, Т6. к общему проводу. Причём напряжение на базе транзисторе Т1 появится с небольшой задержкой обусловленной RC цепочкой R4,C1. Стабилитрон в цепи коллектора Т1 определяет пороговое напряжение при открытии транзистора, что также является своеобразной защитой от помех в цепях управления.
Далее открывается транзистор Т2 и срабатывает реле включения инвертора. При нажатой кнопке S3 транзистор Т3 закрыт и на работу схемы не влияет.
Одновременно с этим подаётся напряжение на схему включения осциллятора.
Положительное напряжение с коллектора транзистора Т1 через стабилитрон ZD4 попадает на базу Т8 , открывшийся транзистор включает реле подачи напряжения на осциллятор. По истечении времени заряда конденсатора С5 транзистор Т7 закрывает транзистор Т8. Так время работы осциллятора ограничено 1-2 секундами. Что вполне достаточно для уверенного розжига дуги в плазмотроне.
Реализация временных задержек для осциллятора и воздушного клапана реализованы по сходным схемам.
При размыкании кнопки S3 снимается напряжение с обмотки реле REL 2 . Далее положительное напряжение через резистор R16 открывает транзистор Т3 который блокирует транзистор Т2 и реле управления инвертором обесточится. Одновременно с этим конденсатор С4 разряжается через резистор R23 и переход база эмиттер. Таким образом воздушный клапан выключается с необходимой задержкой. При повторном нажатии кнопки S3 процесс повторяется.

Детали.

Как оказалось самая большая проблема – это перекрыть поток воздуха. Для этих целей установлен клапан КИПиА времён СССР . Не смотря на надпись 1 атм. ДУ 2.5мм. Он с честью перекрывает 4 атм. Фильтр для очистки воздуха 1/4" Intrtool PT1412 выбран как самый доступный.
Трансформатор инвертора на кольце CF138-T6325-C первичная и вторичная обмотки намотаны в два провода диаметром 1.2 мм. Выходной дроссель на кольце из альсифера 46х25х18 проводом 1.5 мм до заполнения в один слой. Выбран именно этот дроссель т.к. в моём случае нет необходимости использовать токи более 20 А. Высоковольтный трансформатор намотан проводом 1.5мм из этих же соображений. Трансформатор осциллятора намотан на сердечнике ETD-39 проводом ПЭВ-2 -0.45 послойная и между обмотками изоляция обязательна.

Проверка инвертора.

На время проверки силовой части осциллятор и схема управления должны быть отключены. Разумеется контакты реле блокировки инвертора нужно замкнуть.
Перед включением необходимо проверить правильность монтажа. Первым проверяется источник питания , предусмотрена возможность его отдельного подключения через разъём JMP2. Затем необходимо убедится в наличии и правильности формы импульсов частотой 50 кГц. на затворах силовых транзисторов инвертора. Время "спада" не должно превышать 0,25us. Следующим шагом проверяется работа инвертора на эквивалент нагрузки. Я использовал два водяных ТЭНа по 5 кВт. соединённых параллельно. Максимальный ток устанавливается резистором R78. Минимальный ток при данной схеме не нуждается в регулировке. Его значение близко к 10 А. В конце статьи в файлах SDS00003 и SDS00004 приведены формы напряжения на коллекторе транзистора T8 инвертора при отсутствии тока и нагрузке 10 А.

Во время проверки ток в цепи нагрузки контролируется стрелочным амперметром с измерительным шунтом. Розжиг дуги и работа осциллятора проверяется импровизированным имитатором. Две медные проволоки диаметром 0.8 -1 мм. подключаются к аноду и катоду при этом обеспечивается зазор 2-3 мм. Электрическая дуга должна надёжно разжигаться с первого включения осциллятора. При этом медь естественно сгорает, а дуга тухнет.

Далее – пробный рез не толстого металла. Окрашенный желательно не использовать. Регулятором расположенном на фильтре установить давление воздуха 4 атм. Продуть резак воздухом 3-4 сек. для этого принудительно открыть воздушный клапан нажатием кнопки S2. Прикоснувшись соплом к заготовке нажать кнопку на ручке резака. При этом на 2 сек. включается осциллятор. И образовавшимся факелом плазмы резать, без особого нажима ведя по намеченной линии соплом.

Не стоит пренебрегать элементарными правилами ТБ. Величина выходного напряжения и тока могут быть опасны для жизни! Защита органов зрения обязательна!

Традиционно обсуждается на форуме все не написанное здесь.

Часто приходится резать металл болгаркой, инструмент конечно отличной, но вырезать отверстия или различные фигуры то еще удовольствие. Мысль о покупке плазмореза посетила меня давно, присмотрел себе самый дешевый cut40, хотел брать, но перебила мысль о постройке аппарата плазменной резки своими руками, по сути это все тот же сварочный инвертор, но выходное напряжение выше, а ток ниже.
За основу была взята простая схема сварочника по схеме прямоходового преобразователя.

Изменению подверглась выходная часть, был добавлен второй силовой транзистор в параллель, питание шим и драйвера сделал от отдельного блока питания. На плате с блоком питания разместил автоматику для управления плазморезом, схема автоматики простая, без микроконтроллеров, на "рассыпухе"

С разводкой плат пришлось повозится, в итоге получилось три платы: основная плата инвертора с осциллятором, плата выпрямителя с софт стартом и плата блока питания с автоматикой.

Помимо деталей, были куплены на алиэкспресс: резак PT-31, штуцер для шланга резака, электромагнитный клапан и осушитель

Аппарат плазменной резки является довольно востребованным оборудованием, позволяющим производить резку любых металлов во многих областях производства. Плазморезы используются не только на предприятиях. В последнее время они начали появляться и в домашних мастерских. Но, поскольку почти в каждой мастерской уже имеются сварочные аппараты, то будет разумнее не покупать готовый плазморез, а изготовить его из инвертора своими руками.

Для чего нужен плазморез

Плазменный резак в некоторых случаях является незаменимым инструментом для обработки металлических изделий, поскольку температура плазмы, выходящей из его горелки, достигает 25-30 тыс. градусов. Благодаря таким характеристикам сфера применения плазморезов довольно обширная:

• изготовление разного рода конструкций из металла;
• прокладка трубопроводов;
• быстрая резка любых металлов, в том числе и высоколегированных жаропрочных сталей, имеющих в составе титан, никель и молибден, температура плавления которых выше 3000°С;
• фигурный раскрой тонколистовых материалов (токопроводящих) благодаря высокой точности реза.

Кроме всего, плазморезы (в качестве альтернативы лазерным резакам) применяются в составе автоматических линий на крупных предприятиях для вырезания деталей различной конфигурации из листовых материалов.

Следует различать такие понятия, как плазменная резка и плазменная сварка. Последняя доступна только на дорогом, профессиональном оборудовании, стоимость которого начинается от 100 тыс. рублей.

Инвертор или трансформатор

Существуют различные способы, а также чертежи и схемы, по которым можно сделать плазменный резак. Например, если его делать на основе трансформаторного сварочника, то подойдет схема плазмореза, предоставленная ниже, на которой подробно расписано, какие детали нужны для изготовления данного модуля.

Если у вас уже есть инвертор, то чтобы его переделать в плазменный резак, потребуется небольшая доработка, а именно добавить в электрическую схему аппарата осциллятор. Он подключается между инвертором и плазмотроном двумя способами, как показано на следующем рисунке.

Осциллятор можно спаять самостоятельно по схеме, предоставленной ниже.

Если делать плазменный резак самостоятельно, то выбирать трансформатор в качестве источника тока не рекомендуется по нескольким причинам:

• агрегат потребляет много электроэнергии;
• трансформатор имеет большой вес и неудобен в транспортировке.

Несмотря на это, сварочный трансформатор имеет и положительные качества, например, нечувствительность к перепадам напряжения. Также им можно резать металл большой толщины.

Но преимущества аппарата для плазменной резки на инверторе перед трансформаторным агрегатом налицо:

• малый вес;
• высокий показатель КПД (выше на 30%, чем у трансформатора);
• малое потребление электричества;
• качественная резка благодаря более стабильной дуге.

Поэтому предпочтительнее сделать плазморез из сварочного инвертора, чем из трансформатора.

Типовая конструкция плазмореза

Чтобы собрать аппарат, благодаря которому будет возможна воздушно-плазменная резка металлов, потребуется иметь в наличии следующие составляющие.

1. Источник питания. Требуется для подачи на электрод горелки электрического тока. В качестве источника питания может выступать либо трансформатор (сварочный), выдающий переменный ток, либо сварочный агрегат инверторного типа, на выходе которого наблюдается постоянный ток. Исходя из вышесказанного, предпочтительнее использовать инвертор, причем с функцией аргонной сварки. В таком случае он будет иметь разъем для подключения шлангопакета и место для подсоединения газового шланга, что упростит переделку аппарата.
   
2. Плазмотрон (резак). Является очень важной деталью оборудования, которая имеет сложную конструкцию. В плазмотроне происходит образование струи плазмы под воздействием электрического тока и направленного потока воздуха. Если вы решились собрать плазморез своими руками, то данный элемент лучше приобрести в готовом виде, на китайских сайтах.
   
3. Осциллятор. Требуется для эффективного розжига дуги и ее стабилизации. Как уже говорилось выше, паяется по несложной схеме. Но если вы не сильны в радиоделе, то данный модуль можно купить в Китае за 1400 руб.
   
4. Компрессор. Предназначен для создания воздушного потока, поступающего в горелку. Благодаря ему охлаждается плазмотрон, повышается температура плазмы и сдувается расплавленный металл с места реза на заготовке. Для самоделки подойдет любой компрессор, к которому обычно подключают краскопульт. Но чтобы убрать водяные пары из воздуха, нагнетаемого компрессором, потребуется установка фильтра-осушителя.
   
5. Кабель-шланг. Через него в горелку поступает ток, способствующий розжигу электрической дуги и ионизации газов. Также через данный шланг подается сжатый воздух в горелку. Кабель-шланг можно изготовить самостоятельно, разместив электрический кабель и кислородный шланг внутри, например, водопроводного шланга подходящего диаметра. Но все же лучше купить готовый шлангопакет, который будет иметь все элементы для подсоединения к плазмотрону и к агрегату.
   
6. Кабель массы. Имеет на конце зажим для прикрепления к обрабатываемому металлу.

Сборка аппарата

После того, как все нужные элементы будут подготовлены, можно приступать к сборке плазмореза:

• подсоедините к инвертору шланг, через который будет осуществляться подача воздуха от компрессора;
• подсоедините к лицевой стороне инвертора шлангопакет и кабель массы;
• к шлангопакету подсоедините горелку (плазмотрон).

После сборки всех элементов можно приступать к испытаниям оборудования. Для этого подсоедините кабель массы к детали или металлическому столу, на котором она размещена. Включите компрессор и дождитесь, пока он накачает в ресивер необходимое количество воздуха. После автоматического отключения компрессора включите инвертор. Поднесите горелку вплотную к металлу и нажмите кнопку пуска, чтобы между электродом горелки и заготовкой возникла электрическая дуга. Она под воздействием кислорода превратится в поток плазмы, и начнется резка металла.

Советы по эксплуатации самодельного плазмореза

Для того чтобы самодельный плазморез из сварочного инвертора мог работать эффективно и продолжительное время, следует прислушаться к советам специалистов, относящихся к эксплуатации аппарата.

1. Рекомендуется иметь определенное количество прокладок, которые применяются для подключения шлангов. Особенно их наличие следует проверять, когда приходится часто перевозить агрегат. В некоторых случаях отсутствие необходимой прокладки сделает использование аппарата невозможным.
2. Поскольку сопло резака подвергается воздействию высоких температур, то оно со временем изнашивается и выходит из строя. Поэтому следует заранее побеспокоиться о приобретении запасных сопел.
3. Подбирая комплектующие для плазмореза, следует учитывать, какой мощности агрегат вы хотите получить. В первую очередь это касается выбора подходящего инвертора.
4. При выборе электрода для горелки, если вы ее изготавливаете самостоятельно, нужно отдать предпочтение такому материалу, как гафний. Этот материал в процессе нагрева не выделяет вредных веществ. Но все же настоятельно рекомендуется использовать готовые резаки, изготовленные на заводе, в которых соблюдаются все параметры по завихрению воздушного потока. Самодельный плазматрон не гарантирует качественной резки и быстро выходит из строя.

Что относится к правилам безопасности, то работу следует проводить в специальной одежде, защищающей от брызг раскаленного металла. Также для защиты глаз следует одевать сварочные очки “хамелеоны”.