Схема осциллятора для плазмореза

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

Ну а дальше травление, сверление плат, сборка, сборка, сборка.

Изготовить рабочий плазморез из сварочного инвертора своими руками не такая уж и сложная задача, как на первый взгляд может показаться. Для того чтобы реализовать данную идею, нужно приготовить все необходимые детали такого устройства:

  • Резак плазменный (или по другому — плазмотрон)
  • Инвертор сварочный или трансформатор
  • Компрессор, с помощью которого будет создаваться воздушная струя, необходимая для формирования и охлаждения потока плазмы.
  • Кабели и шланги для объединения всех конструктивных элементов устройства в одну систему.

Плазморез, в том числе и самодельный, успешно применяется для выполнения всевозможный работ как на производстве, так и дома. Это устройство незаменимо в тех ситуациях, когда необходимо выполнить точный, тонкий и качественный разрез металлических заготовок. Отдельные модели плазменных резаков с точки зрения их функциональности позволяют применять их в качестве сварочного аппарата. Такая сварка выполняется в защитном газе аргона.

Обратный кабель и газовый шланг для плазменной резки!

При выборе источника питания для самодельного плазмотрона важно обратить внимание на величину тока, который может генерировать такой источник. Чаще всего для этого выбирают инвертор, который обеспечивает высокую стабильность процесса плазменной резки и позволяет более экономно использовать энергию. В отличие от сварочного трансформатора, обладает компактными размерами и небольшим весом, инвертор удобнее в использовании. Единственным недостатком использования инверторных плазменных резаков является сложность резки слишком толстых заготовок с их помощью.

На фото горелка от плазменного резака ABIPLAS и ее составные части!

При сборке самодельного агрегата для выполнения плазменной резки вы можете использовать готовые схемы, которые легко найти в Интернете. Кроме того, в Интернете есть видео о том, как изготовить плазморез своими руками. Используя готовую схему при сборке такого устройства, очень важно строго её придерживаться, а также обратить особое внимание на соответствие конструктивных элементов друг другу.

Схемы плазмореза на примере аппарата АПР-91

В качестве примера при изучении принципиальной электрической схемы, мы будем использовать устройство для плазменной резки APR-91.

Принципиальная схема силовой части плазмореза!

Принципиальная схема управления плазмореза

Принципиальная схема осциллятора!

Детали самодельного устройства для плазменной резки

Первое, что вам нужно найти для изготовления самодельного плазменного резака, это источник питания, в котором будет генерировать электрический ток с необходимыми характеристиками. Обычно для этого используют сварочные инверторные аппараты, что объясняется рядом их преимуществ. Благодаря своим техническим характеристикам, подобное оборудование способно обеспечить высокую стабильность генерируемого напряжения, что положительно сказывается на качестве резки. Работать с инверторами гораздо удобнее, что объясняется не только их компактными размерами и небольшим весом, но и простотой настройки и эксплуатации.

Принцип работы устройства для плазменной резки!

Благодаря своей компактности и малому весу плазменные резаки на основе инверторов могут использоваться при работе даже в самых трудных местах, что исключено для громоздких и тяжелых сварочных трансформаторов. Большим преимуществом инверторных источников питания является их высокая эффективность. Это делает их очень экономичными с точки зрения энергопотребления устройств.

В некоторых случаях источником питания для плазменного резака может быть сварочный трансформатор, но его использование чревато значительным энергопотреблением. Следует также учитывать, что любой сварочный трансформатор характеризуется большими габаритами и значительным весом.

Основным элементом аппарата, предназначенного для резки металла плазменной струей, является плазменный резак. Этот элемент оборудования обеспечивает качество резки, а также эффективность ее выполнения.

Размер и форма плазменной струи полностью зависит от диаметра сопла!

Для формирования воздушного потока, который будет преобразован в высокотемпературную плазменную струю, в конструкции плазменного резака используется специальный компрессор. Электрический ток от инвертора и поток воздуха от компрессора поступают в плазменный резак с помощью пакета кабельных шлангов.

Центральным рабочим элементом плазменного резака является плазменная горелка, конструкция которой состоит из следующих элементов:

  • Сопла
  • Канала, по которому подается струя воздуха
  • Электрода
  • Изолятора, который параллельно выполняет функцию охлаждения

Конструкция плазменного резака и советы по его изготовлению

Сменные насадки для плазмотрона

Некоторые из вышеперечисленных материалов при нагревании могут выделять соединения, опасные для здоровья человека, этот момент следует учитывать при выборе типа электрода. Таким образом, при использовании бериллия образуются радиоактивные оксиды, и при испарении тория в сочетании с кислородом образуются опасные токсичные вещества. Совершенно безопасным материалом для изготовления электродов для плазменной горелки является гафний.

За формирование плазменной струи, с помощью которой и производится резка, отвечает сопло. Его производству следует уделить серьезное внимание, так как качество рабочего процесса зависит от характеристик этого элемента.

Устройство сопла плазменной горелки

Самым оптимальным является сопло, диаметр которого равен 30 мм. От длины этой детали, зависит аккуратность и качество исполнения реза. Однако слишком длинное сопло также не следует делать, так как в данном случае оно быстро разрушается.

Как было упомянуто выше, в конструкцию плазмореза обязательно входит компрессор, который формирует и подает воздух в сопло. Последнее необходимо не только для формирования струи высокотемпературной плазмы, но и для того что бы охлаждать элементов аппарата. Применение сжатого воздуха в качестве рабочей и охлаждающей среды, а также инвертора, который формирует рабочий ток 200 А, позволяет эффективно резать металлические детали, толщина которых не превышает 50 мм.

Таблица выбора газа для плазменной резки металлов!

Для подготовки аппарата плазменной резки к работе, нужно соединить плазмотрон с инвертором и компрессором. Для решения этой задачи применяются пакеты кабельных шлангов, который используют следующим образом.

  • Кабель, через который будет подаваться электрический ток, соединяет инвертор и электрод плазменной резки.
  • Шланг подачи сжатого воздуха соединяет выход компрессора и плазменную горелку, в которой из входящего воздушного потока будет образовываться плазменная струя.

Основные особенности работы плазмореза

Чтобы сделать плазменный резак, используя инвертор для его изготовления, необходимо понять, как работает такое устройство.

После включения инвертора электрический ток от него начинает течь к электроду, что приводит к воспламенению электрической дуги. Температура дуги, горящей между рабочим электродом и металлическим наконечником сопла, составляет около 6000–8000 градусов. После зажигания дуги сжатый воздух подается в камеру сопла, которая проходит строго через электрический разряд. Электрическая дуга нагревает и ионизирует воздушный поток, проходящий через нее. В результате его объем увеличивается в сотни раз, и он становится способным проводить электрический ток.

С помощью сопла плазменного резака из проводящего воздушного потока формируется плазменная струя, температура которой активно поднимается и может достигать 25-30 тысяч градусов. Скорость потока плазмы, благодаря которой осуществляется резка металлических деталей, на выходе из сопла составляет около 2-3 метров в секунду. В тот момент, когда плазменная струя контактирует с поверхностью металлической детали, электрический ток от электрода начинает протекать через нее, и начальная дуга гаснет. Новая дуга, которая горит между электродом и заготовкой, называется резкой.

Характерной особенностью плазменной резки является то, что обрабатываемый металл плавится только в том месте, где на него влияет поток плазмы. Вот почему очень важно, чтобы место плазменного воздействия было строго в центре рабочего электрода. Если мы пренебрегаем этим требованием, то можем столкнуться с тем фактом, что воздушно-плазменный поток будет нарушен, в следствии чего, качество резки значительно ухудшится. Чтобы удовлетворить эти важные требования, используйте специальный (тангенциальный) принцип подачи воздуха к соплу.

Также необходимо следить, что бы два плазменных потока не образовывались одновременно, за места одного. Возникновение такой ситуации, которая приводит к несоблюдению режимов и правил технологического процесса, может привести к выходу из строя инвертора.

Основные параметры плазменной резки разных металлов.

Важным параметром плазменной резки является скорость воздушного потока, которая не должна быть слишком большой. Хорошее качество реза и скорость его выполнения обеспечиваются скоростью воздушной струи, равной 800 м/с. В этом случае ток, протекающий от инверторного блока, не должен превышать 250 А. При выполнении работ на таких режимах следует учитывать тот факт, что в этом случае поток воздуха, используемого для формирования потока плазмы, будет увеличиваться.

Самостоятельно изготовить плазменный резак не так уж и сложно, для этого нужно изучить нужный теоретический материал, просмотреть обучающее видео и правильно подобрать все необходимые детали. При наличии в домашнем пользовании подобного аппарата, изготовленного на основе заводского инвертора, может выполнять не только качественную резку металла, но и плазменную сварку!

В том случае если у вас в пользовании нет инвертора, можно изготовить плазморез, взяв за основу сварочный трансформатор, в таком случае вам придется смириться с его большими габаритами и не малым весом. Так же, плазморез, сделанный на основе трансформатора, будет иметь не очень хорошую мобильностью и переносить его с места на место будет проблематично!

Оцените статью
ТехПорт