Miękki start do spawarki inwertorowej – soft-start, pre-charge, ochrona mostka, PFC, SSR

Pytanie

Miękki start do spawarki inwertorowe i

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• „Miękki start” (soft-start) w spawarce inwertorowej służy do ograniczenia prądu rozruchowego przy ładowaniu kondensatorów filtrujących w obwodzie DC-link.
• Najpewniejsze, trwałe i powtarzalne rozwiązanie dla urządzeń 2-5 kW to rezystor wstępnego ładowania (pre-charge) zwierany po 100–500 ms przez przekaźnik lub SSR.
• Prosty NTC działa, ale przy częstym włączaniu jest zawodny; układy aktywne (MOSFET/IGBT) lub PFC z kontrolą prądu oferują dziś najlepsze parametry.

Szczegółowa analiza problemu

1. Zjawisko prądu udarowego

   • W chwili włączenia kondensatory \(C_{\text{link}}\) (typowo 470–1000 µF × 400–450 V) są rozładowane ⇒ impedancja ≈ 0 Ω.
   • Przy sieci 230 V rms szczytowe napięcie wynosi 325 V, więc teoretyczny udar to \(I_{\text{inrush}} = \frac{325\ \text{V}}{R_s + R_{\text{source}}}\). Bez ograniczenia przekracza łatwo 100 A.

2. Wymagania funkcjonalne

   • Ochrona mostka Graetza i kondensatorów (prąd < 10 × I_nom).
   • Niezadziałanie typowego wyłącznika C16 A.
   • Pełne naładowanie \(C_{\text{link}}\) przed startem przetwornicy (≈ 0,1–1 s).

3. Typowe topologie
   a) NTC w szereg: tanio, bez sterowania; wady – brak resetu termicznego, straty mocy ≈ P = I²·R_hot.
   b) Rezystor mocy + przekaźnik (najczęściej spotykane fabrycznie):
   • \(R_{\text{pre}}\) = 10–33 Ω, P_pulse 30–50 W;
   • przekaźnik 230 V AC, ≥ 25 A / AC-1;
   • układ czasowy RC-tranzystor lub detekcja napięcia na C_link.
   c) Aktywny limiter MOSFET/IGBT (solid-state relay, LTC4380, Si8751 itp.): liniowa lub impulsowa kontrola prądu 20–50 A, brak elementów mechanicznych.
   d) Moduł PFC CCM lub interleaved – nowsze spawarki (norma EN 60974-1) realizują łagodne ładowanie kondensatorów programowo (maksymalny prąd mostka ogranicza sam sterownik PFC).

4. Obliczenia projektu (przykład 3 kW)

   • C_link = 2 × 470 µF = 940 µF, E = ½ C V² ≈ 50 J.
   • Założony czas ładowania t = 0,25 s ⇒ wymagany prąd średni \(I = \frac{E}{V\cdot t} ≈ 0,6 A\).
   • Dobieramy \(R_{\text{pre}} = \frac{V_{\text{peak}}}{I_{max}}\). Przy dopuszczalnym 15 A udaru \(R_{\text{pre}} ≈ 22 Ω\).
   • Puls mocy na rezystorze \(P_{pulse} = I_{max}^2 R ≈ 5 kW\) przez 10 ms ⇒ rezystor drutowy 20 W wystarcza (impulsowa obciążalność ≈ 10 ×).

5. Sterowanie zworą

   • RC 100 kΩ/47 µF → ≈ 4,7 s stała czasowa; napięcie sterujące tranzystor BC337 ⇒ relay po ~0,5 s.
   • Zamiast przekaźnika: SSR z zerowym przełączaniem (triak) lub MOSFETy back-to-back (brak „kliknięcia”, lepsza żywotność).

Aktualne informacje i trendy

• W nowych konstrukcjach (2023 +) producenci przechodzą z prostych „resistor + relay” na:
– Zintegrowane układy hot-swap / inrush control (np. Analog LTC4238, TI TPS2490) dla 400 V DC.
– Sekwencyjne ładowanie C_link sterowane mikrokontrolerem przetwornicy – umożliwia autodiagnostykę kondensatorów.
– GaN-FET pre-charge – mniejsze straty, wyższa gęstość mocy.

• Coraz częściej zachowuje się kompatybilność z generatorami prądotwórczymi; norma EN 60974-10 ogranicza emisję EMC – wymusza łagodniejsze narastanie prądu.

Wspierające wyjaśnienia i detale

– Analogia: rezystor w pre-charge pełni rolę „żarówki w szeregu” – zanim zapalimy pełną moc, rozgrzewamy włókno.
– Dobra praktyka: rezystor montować na płytce metal-core lub obudowie aluminiowej; ciepło impulsowe ≈ 50 J/discharge.
– W przypadku przekaźnika używać warystora 470 V AC (MOV-14D471) równolegle do sieci, aby stłumić przepięcia przy rozłączaniu.

Aspekty etyczne i prawne

• Modyfikacja urządzenia objętego certyfikatem CE anuluje deklarację zgodności.
• Norma bezpieczeństwa spawarek: PN-EN 60974-1 (sprzęt), PN-EN 60974-10 (EMC).
• Obowiązek stosowania elementów o klasie palności V-0 i przerwy izolacyjne > 8 mm w obwodach sieci.
• Ryzyko porażenia 400 V DC – prace wyłącznie przez uprawnionego personel SEP.

Praktyczne wskazówki

1. Pomiar rzeczywistego I_inrush oscyloskopem z przekładnikiem prądowym → pozwala dobrać R_pre bez zgadywania.
2. Zapewnienie samorozładowania C_link (rezystor 200 kΩ/2 W) ułatwia serwis.
3. Przy SSR/MOSFET konieczne jest zabezpieczenie SOA: dV/dt snubber R-C 100 Ω/1 nF.
4. Po wdrożeniu – test 25 cykli ON/OFF przy temperaturze −10 °C i +40 °C, aby obejrzeć zachowanie NTC / R_pre.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• NTC od 20 Ω (25 °C) spada do < 1 Ω po kilku sekundach – po ponownym włączeniu w < 30 s ochrona praktycznie zanika.
• Przekaźnik AC 25 A ma trwałość ~10⁵ łączeń; przy hali produkcyjnej może to być ograniczeniem – wtedy SSR.
• Aktywny soft-start z MOSFET wymaga obwodu „fail-safe” – uszkodzony tranzystor może zewrzeć na stałe.

Sugestie dalszych badań

• Modelowanie udaru w SPICE z modelem kondensatora ESL/ESR – wpływ długości przewodów.
• Ocena przydatności superkondensatorów 10–50 F jako „bufora” dla generatora o małej mocy.
• Badania żywotności rezystorów pre-charge grubowarstwowych vs. drutowych przy impulsach 5–10 kW.

Krótkie podsumowanie

Miękki start w spawarkach inwertorowych jest niezbędny do ochrony mostka, kondensatorów i instalacji. Tradycyjny rezystor + przekaźnik pozostaje ­sprawdzoną metodą, lecz nowoczesne konstrukcje coraz częściej stosują półprzewodnikowe inrush-limitery sterowane cyfrowo lub skorelowane z układem PFC. Przy projektowaniu kluczowe są: poprawny dobór rezystancji i mocy, niezawodne zwarcie obejściowe oraz zgodność z normami EN 60974. Poprawnie zaprojektowany soft-start znacząco wydłuża żywotność urządzenia i eliminuje problem wybijania bezpieczników, co jest szczególnie istotne dla użytkowników warsztatowych i mobilnych (zasilanie z generatora).