1.3.1 Выпрямитель с однотактным транзисторным преобразователем марки ДС.250.33 (НПП «Технотрон», Чебоксары)
Praktiker. 2011.6 3, № 4, c. S2. Нем.
Инверторные источники питания для электродуговой сварки
... при сварке вольфрамовым электродом. Все источники питания снабжены цифровыми дисплеями, в отдельных применена система "Минилог", обеспечивающая возможность переключения двух режимов сварки на сварочной ... называть: генератором или инвертором. Обычно инвертор применяется в качестве источника питания. преобразователем трансформатор постоянного напряжения Рассмотрим преобразователь с дополнительной ...
Praktiker. 2011.63, № 4, c. S8, 1 ил . Нем.
Maschinenmarkt. 2011, № 49, c.14. Англ.
Материалы докладов 15 Аспирантско-магистерского научного семинара, посвященного «Дню энергетика», Казань, 5-7 дек., 2011. Т.1. Казань. 2012, с.184-185. Рус.
ТПУ, Сотокина Ю.В., Князьков А.Ф., Князьков С.А., Уткин Д.В. №2010152924/02; Заявл.23.12.2010; Опубл.27.07.2012. Рус.
Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ-2012): Материалы 8 Всероссийской научно-технической конференции, Чебоксары, 2012. Чебоксары. 2012, с.164-172. Библ.3. Рус.
МГУ Огарева, Бардин В.М. у Борисов Д.А., Земсков А.В. Ns 2011128141/02\ За-явл.07.07.2011; Опубл.10.10.2012. Рус.
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/invertornyie-istochniki-pitaniya-svarochnoy-dugi/
TransTig 1750 Puls для эффективной TIG сварки
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/invertornyie-istochniki-pitaniya-svarochnoy-dugi/
Введение
В данной работе рассмотрен принцип работы инверторного источника питания сварочной дуги, его достоинства и недостатки, схемы и конструкции. Эффективность эксплуатации инверторных источников питания с точки зрения энерго- и ресурсосбережения. А так же новые разработки, модернизация и использование современных источников питания сварочной дуги.
Понятие и сущность сварки и сварочных работ
... сварки. Кроме того, Бенардос создал много конструкций сварочных автоматов, разработал способы дуговой сварки разными электродами, дугового резания, подводной сварки и резания, сварки ... печей. Поэтому изобретатель попробовал греть кромки вольтовой дугой, до их проковки, при этом металл часто оплавлялся ... Г. Кетов и П. А. Скачков тепло отзываются о нем. Первые в мире электросварщики братья Павел и ...
Сварочный инвертор — это один из основных видов источника питания сварочной дуги. Основной принцип всех сварочных инверторов — обеспечивать стабильное горение сварочной дуги и ее быстрый поджиг. Одним из самых нужных параметров сварочного процесса является его устойчивость к колебаниям и помехам. Существует несколько видов источников питания сварочной дуги — трансформаторы, выпрямители и инверторы. Инверторный сварочный аппарат появился в 20 веке и стал одним из самых популярных аппаратов.
Стандартом ISO 9001 сварка определена, как «специальный процесс, где результаты не могут быть полностью проверены последующим осмотром и испытанием изделия». «Необходимо требовать непрерывного контроля параметров процесса, чтобы гарантировать, что указанные требования выполнены». Рекомендовано иметь систему, которая регистрирует критические параметры процесса, в первую очередь энергетические и хранит информацию таким образом, что это может быть восстановлено». Это предъявляет дополнительные требования к источникам питания, в первую очередь касающиеся доступности оборудования для испытаний при сертификации и аттестации, а так же наличия встроенных систем контроля и диагностики. Мировое производство оборудования для дуговой сварки в 2006 году достигло 3 млрд. долларов, из них около 70% приходится на так называемые инверторные источники питания, причем их доля, как наиболее перспективных, с каждым годом увеличивается. Практически все мировые лидеры в области сварочного производства ориентированы преимущественно на разработку и производство инверторных источников питания. Традиционные источники характеризуются очень высокой индуктивной нагрузкой, реактивной мощностью, которая не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей тем самым, создавая дополнительную нагрузку на силовые линии питания.
Приводимые в различных источниках данные по экономии электроэнергии существенно разняться от 10-15% до 1,2-1,8 раз. Проведенные исследования свидетельствуют о существенной экономики энергопотребления в случае с применением инверторных источников питания, как с точки зрения активной энергии примерно на 25-30%, так и ее реактивной составляющей практически более чем в 10 раз. Снижение полной потребляемой мощности и соответственно токов составляет порядка 100%, что означает снижение нагрузки сети, расходов на токоподводящий кабель и электрораспределительную аппаратуру. Ток в первичной цепи источников ВД506 и инвертора МС501М соответственно составляют 27 и 14 А, при одинаковом сварочном токе 200 А. Нет необходимости в расходах на приобретение компенсации реактивной мощности, ввиду ее крайне низкого значения. Окупаемость инверторных источников питания при сварке, только за счет экономии электроэнергии, в том числе при нахождении источника в режиме холостого хода, примерно за год компенсирует его более высокую стоимость. Если в начале 80-х годов прошлого века переход на инверторную технику был в основном обусловлен существенной экономией электропотребления и снижения массы и габаритов, то в настоящее время, развитие инверторной технологии и микропроцессорной техники, обеспечивают возможность оптимизации и формирование сколь угодно сложных циклов сварки и форм внешней характеристики, тотального контроля за формированием, отрывом и переносом в сварочную ванну каждой капли присадочного металла и процессом плавления основного металла.
Разработка технологии сварки балки двутавровой
... сварки балки двутавровой применяется полуавтомат сварочный «Урал-3». Сварочные полуавтомат совместно с источником питания ... и полярность, сила сварочного тока, напряжение дуги, скорость сварки, расход защитного газа, диаметр ... по химическому составу к марке стали 10ХСНД. Проволока сварочная диаметром 2,0 мм, марки Св-08ГА, ГОСТ 14771-76. Сварочная проволока СВ-08ГА применяется в сварочных работах ...
Инверторные источники с микропроцессорным управлением имеют возможность работы в системе синергетики с многочисленными программами, занесенными в память, которые облегчают эксплуатацию источников питания и делают их пригодными для использования не очень опытным персоналом. Системы с синергетикой поддерживают постоянные условия сварки даже при значительных колебаний длины дуги и вылета при сварке труднодоступных участков шва. Система в соответствии с программным обеспечением подстраивает процесс сварки так, чтобы дуга всегда наилучшим образом соответствовала условиям в текущий момент времени.
Особенностью высокочастотных инверторов являются высокая стабильность и качество сварки различных материалов в широком диапазоне толщин с минимальным разбрызгиванием металла. Такое оборудование в ряде случаев обеспечивает высококачественную сварку и покрытыми электродами со всеми видами покрытий. Сварка неплавящимся электродом является обычно дополнительной функцией. При импульсной сварке плавящимся электродом в смеси газов появляется возможность получения импульсов тока различной частоты и формы. При достаточной технологической проработке это свойство может улучшить качество сварных соединений. Например, введение функции двойного импульса улучшило очистку металла при сварке алюминия, в результате чего сварной шов формируется того же вида, что и при сварке вольфрамовым электродом.
В настоящее время источники питания для дуговой сварки промышленного применения, требуют оптимизации по таким критериям, как масса, габариты, коэффициент полезного действия, надежность, стоимость. В наибольшей степени данным требованиям удовлетворяют инверторные выпрямители, которые позволяют снизить массогабаритные размеры источника питания.
инвертор сварка источник питание
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/invertornyie-istochniki-pitaniya-svarochnoy-dugi/
1. Принцип работы инвертора, его достоинства и недостатки
Интенсивное развитие электроники и полупроводниковой техники в последнее десятилетие обеспечило качественно новый уровень развития сварочного оборудования, в том числе и источников тока. Появились принципиально новые и весьма перспективные сварочные источники питания — инверторные выпрямители, характерной особенностью которых является значительное увеличение в процессе преобразования частоты сетевого напряжения до десятков кГц. [1]
Работа инверторного выпрямителя проходит следующим образом: сетевое переменное напряжение выпрямляется и фильтруется, затем преобразуется в высокочастотное, которое понижается через высокочастотный трансформатор до уровня необходимого для проведения сварочных работ. После этого высокочастотное напряжение вновь выпрямляется, фильтруется и подается на сварочную дугу. В зависимости от применяемых силовых полупроводниковых приборов инверторные выпрямители делятся на транзисторные и тиристорные. Блок-схема такого преобразователя представлена на рисунке 1.
» Назначение основные функции блока управления»
... напряжение бортовой сети; скорость автомобиля; наличие детонации; содержание кислорода в отработавших газах; наличие запроса на включение кондиционера пароль противоугонной системы на разрешение пуска двигателя. ЭСУД состоит из -блока управления; ... или подсчета числа событий. Генератор тактовой частоты. Вырабатывает тактовые импульсы синхронизации работы всей системы. От точности его работы зависит ...
Рис.1. Блок-схема инверторного источника питания: 1 — сетевой выпрямитель со встроенной системой защиты; 2 — фильтр сетевого напряжения; 3 — промежуточное звено высокой частоты; 4 — высокочастотный трансформатор; 5 — высокочастотный выпрямитель; 6 — блок защиты; 7 — блок задания режима; 8 — блок управления; 9 — дроссель; 10 — сварочная дуга
Каждый блок несет определённую функциональную нагрузку. Для более полного рассмотрения работы инверторного выпрямителя (рис.2) представлена упрощенная схема транзисторного инвертора и диаграммы напряжений в его узлах.
Диаграмма напряжений позволяет понять работу каждого из блоков данного источника питания:
1) напряжение на входе источника питания;
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/invertornyie-istochniki-pitaniya-svarochnoy-dugi/
2) напряжение на выходе выпрямительного блока ()
3) напряжение после сглаживающего фильтра (L1, C1)
4) высокочастотное напряжение на базах транзисторов (VT1, VT2)
5) напряжение, пониженное до требуемого для сварки через (TV1) и выпрямленное с помощью ();
6) выходное напряжение.
Рассмотрим функциональное и конструктивное исполнение блоков, представленных на рисунках 1, 2.
Рис. 2. Инверторный источник питания: а) электрическая схема; б) диаграммы напряжений каждого из представленных узлов
1. Сетевой выпрямитель служит для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный. Схема выпрямления: для работы от трехфазной сети — трехфазная мостовая; при работе от однофазной сети — простая двухполупериодная. В состав сетевого выпрямителя обязательно входит узел защиты, который в случае превышения тока на промежуточном блоке высокой частоты или при пробое одного из силовых полупроводниковых вентилей отключает его от питающей сети.
2. Фильтр сетевого напряжения служит для сглаживания пульсаций постоянного тока, он состоит из LC цепи. Для качественной работы преобразователя высокой частоты требуется уменьшение пульсаций промышленной частоты до 1 %, что влечет за собой применение большой конденсаторной батареи, размеры которой в большой мере влияют на массогабаритные характеристики источника питания.
3. Промежуточное звено высокой частоты служит для преобразования постоянного тока в переменный ток высокой частоты и регулирования сварочного тока и напряжения. Как было сказано выше, по исполнению, в зависимости от типа полупроводниковых приборов, промежуточные звенья разделяются на тиристорные и транзисторные. Частота работы первых ограничена временем запирания тиристоров и, как правило, не превышает 5 КГц, а частота преобразования вторых может колебаться от 20/50 КГц. Поэтому массогабаритные характеристики транзисторных инверторов выше, чем у тиристорных.
4. Высокочастотный сварочный трансформатор понижает высокочастотное высокое напряжение в более низкое, требуемое для процесса сварки. Магнитопровод таких трансформаторов для уменьшения потерь изготавливают на основе ферритов. Используются все три типа магнитопроводов: броневые, стержневые и тороидальные. В основном изготавливают однофазные трансформаторы, хотя возможно использование трехфазных, но это усложняет схему управления.
Автономный инвертор напряжения
... тока, можно разделить на четыре категории: преобразователи переменного напряжения ( преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы и стабилизаторы переменного напряжения и т. п.); преобразователи переменного напряжения в постоянное, называемые выпрямителями; преобразователи постоянного напряжения в переменное, называемые инверторами; преобразователи постоянного напряжения ...
5. Высокочастотный сварочный выпрямитель вновь преобразует переменное напряжение в постоянное. Схема выпрямления простая двуполупериодная и двуполупериодная со средней точкой. В схеме используются высокочастотные неуправляемые вентили.
6. Блок защиты служит для отключения выпрямителя от сетевого напряжения при перегреве, перегрузке и резком изменении напряжения питающей сети. При изменении данных параметров он подает сигнал на узел защиты, входящий в сетевой выпрямитель.
7. Блок задания режима задает технологические параметры, необходимые для процесса сварки.
8. Блок управления является не только задатчиком частоты промежуточного звена высокой частоты, но и блоком сравнения заданных режимов сварки с выходными параметрами инверторного источника и таким образом осуществляет обратную связь по напряжению и току.
На рисунке 3 представлена схема блока управления, основным узлом которого является мультивибратор, формирующий прямоугольные импульсы для управления звеном высокой частоты, в зависимости от заданных режимов и полученных выходных параметров. Для гальванической развязки в схеме применяются оптроны.
Рис. 3. Блок управления инверторного выпрямителя: ОС по I и U — обратная связь по току и напряжению; ЗПЧ — звено промежуточной частоты
9. Дроссель служит для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания при механизированной сварке в среде защитных газов и сглаживания пульсаций выходного напряжения. В связи с тем, что пульсации на выходе выпрямителя имеют высокую частоту он изготавливается на основе ферритов. [2]
Итак, инвертор — это устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное. Конвертор — устройство для понижения или увеличения постоянного напряжения, иногда с промежуточным высокочастотным звеном. С появлением инверторных источников более простые неинверторные стали называть конвенциональными, т.е. обычного типа.
Сварочные свойства выпрямителей с инвертором, как правило, лучше, чем у конвенциональных источников, и объясняется это высоким быстродействием инвертора. У неинверторного однофазного выпрямителя длительность переходного процесса составляет не менее полупериода стандартного переменного тока, т.е.10 мс, а у выпрямителя с инвертором быстродействие характеризуется значениями 0,5 мс и менее. При механизированной сварке в углекислом газе такой выпрямитель способен обеспечить сложный алгоритм изменения тока в целях управления переносом электродного металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высокие динамические свойства выпрямителя с инвертором проявляются и в случае программного управления процессом ручной дуговой сварки.
Достоинства и недостатки выпрямителя с инвертором тесно связаны друг с другом. Такой выпрямитель экономичен и весьма перспективен, хотя энергия претерпевает по крайней мере четыре ступени преобразования. Дело в том, что сердечник высокочастотного трансформатора имеет очень малые сечение и массу. Поскольку масса связана с частотой соотношением m~l/, обычно сердечник весит в десятки раз меньше, чем сердечник трансформатора на 50 Гц. В целом выпрямитель также имеет замечательные массоэнергетические характеристики: 0,02. ОД кг на 1 А сварочного тока и 1.4 кг на 1 кВт потребляемой мощности, поэтому в 5-15 раз легче других выпрямителей. И все же выпрямитель с инвертором дороже конвенциональных источников, поэтому его рекомендуют использовать в тех случаях, где имеют значение малые масса и габаритные размеры при сварке на монтаже, на ремонтных работах. В эксплуатации такой источник чрезвычайно экономичен. Его коэффициент мощности близок к 1, КПД не ниже 0,7, а иногда достигает 0,9. Главный недостаток выпрямителя с инвертором заключается в чрезмерной сложности устройства и связанных с этим низких надежности и ремонтпригодности. Специфическим недостатком является также повышенный шум, издаваемый высокочастотным трансформатором, выходным фильтром и дугой.
Разработка преобразователя частоты для управления асинхронного двигателя
... данном дипломном проекте частота ограничивается в большей степени невозможностью работы ключей на частотах порядка 50кГц. Коэффициент передачи инвертора напряжения для скалярной ШИМ ниже 1, а так же падение напряжения на вентилях выпрямителя, инвертора ...
1.1 Элементная база выпрямителей с инвертором
Силовые элементы выпрямителей с инвертором существенно отличаются от конвенциональных прежде всего малыми габаритными размерами и массой, что связано с высокой частотой преобразования энергии. Миниатюризации не подвергаются только входной выпрямительный блок и его фильтр. Понижающий трансформатор, как уже отмечалось, дает самый большой выигрыш в массе. Например, при мощности трансформатора 20 кВ А увеличение частоты с 50 Гц до 50 кГц приводит к снижению его массы со 120 до 7 кг. Пропорционально снижается и масса сглаживающего дросселя. Магнитопроводы из электротехнической стали используют только при частотах до 10 кГц, при большей частоте рационально применение ферритов, т.е. спеченных порошков из смеси оксидов железа и других металлов, у которых потери на перемагничивание меньше, чем у стали. [3]
При высокой частоте в обмоточном проводе усугубляется поверхностный эффект — вытеснение тока к периферии, что вынуждает к увеличению сечения провода. Поэтому для уменьшения потерь в обмотках используют литцендрат — многожильный провод из изолированных жил. Конденсаторы, входящие в состав резонансных инверторов, как правило, с оксидным диэлектриком (полярные электролитические) на несколько тысяч мкФ, при частотах более 20 кГц — с органическим или керамическим диэлектриком. [4]
Силовые переключающие полупроводниковые приборы являются наиболее ответственными и уязвимыми элементами выпрямителя с инвертором. В качестве силовых элементов используют мощные высокочастотные биполярные транзисторы, полевые транзисторы, в последнее время также биполярные транзисторы с изолированным затвором. Ранее в этих же целях применяли высокочастотные тиристоры.
Биполярный транзистор отличается от других типов переключающих приборов лучшей технологичностью и малыми потерями, но при высоком напряжении (более 350 В) подвержен пробою при выключении. Кроме того, он имеет сравнительно низкий коэффициент усиления по току, поэтому для питания тока базы нуждается в специальном устройстве — драйвере, выполняющем предварительное усиление сигнала системы управления. Более перспективныполевые МОП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие структуру металл-оксид-полупроводник (рис.4, а).
Разработка стабилизатора переменного напряжения
... добавки напряжения. Целью данной курсовой работы является разработка однофазного стабилизатора переменного напряжения, с ... управления ключами в сторону отставания. Также дополнительным условием задания на курсовую работу является использование симметрирующего трансформатора: Рис. 1.2 2. Расчёт параметров нагрузки и коэффициентов трансформации трансформаторов Нестабильность напряжения сети: Напряжение ...
Затвор 3 не имеет электрической связи с силовой цепью исток И — сток С, поэтому мощность управления транзистором ничтожно мала. Эти транзисторы имеют очень малое время включения и выключения, что позволяет использовать их при частоте до 100 кГц, притом с низкими динамическими потерями. Пока еще полевые транзисторы уступают биполярным по значениям рабочего тока и напряжения.
Наиболее перспективным силовым переключающим прибором является биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — InsulatedGateBipolarTransistor) (рис.4, б), удачно сочетающий достоинства биполярных и полевых транзисторов. Он может работать при частоте до 75 кГц, передавая одним прибором мощность до 10 кВт. Для передачи большей мощности транзисторы соединяют параллельно, при этом важно обеспечить равномерное распределение тока между ними, что достигается, например, тщательным подбором приборов с одинаковыми характеристиками. Рационально использование комплектных транзисторно-диодных модулей — чопперов (chopper — прерыватель) (рис.4, в).
В них уже при изготовлении подобраны на одинаковые токи и напряжения транзистор VT и высокочастотный обратный диод VD1, а также на меньший ток — защитный диод VD 2. Тенденция к объединению в одном корпусе силовых переключающих приборов, схем их управления, пуска, защиты, регулирования и диагностики проявилась в разработке и внедрении разумных силовых модулей (IPM — IntelligentPowerModule) (рис.4, г).
[3]
Рис. 4. Современные переключающие приборы:
а — МОП-транзистор; б — биполярный транзистор с изолированным затвором; в — транзисторно-диодный модуль — чоппер; г — разумный силовой модуль
Тиристоры как переключающие приборы сварочных инверторных источников применяются с 80-х годов, т.е. раньше транзисторов. Они обладают высокой мощностью и надежностью, и в отличие от транзисторов допускают значительные перегрузки по току, но как неполностью управляемым вентилям им присущ очень важный недостаток — их невозможно выключить простым снятием сигнала с управляющего электрода. Поэтому их схему приходится дополнять мощным конденсатором, включаемым последовательно или параллельно с тиристором. В последовательном инверторе отпирание тиристора происходит при подаче сигнала на управляющий электрод, а запирание — в результате полной зарядки конденсатора. Такие инверторы работают с частотой не более 20 кГц. С появлением надежных транзисторов они повсеместно вытеснены как менее эффективные. Однако разработка специальных запираемых тиристоров может вернуть им эту область применения.
Приведем несколько примеров силовых переключающих приборов, используемых в сварочных инверторных источниках. Биполярный транзистор (ВРТ) марки КТ-847А (Россия) на ток 15 А и допустимое напряжение коллектора 650 В с временем коммутации не более 5 мкс. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) марки IRGPH50K (InternationalRectifier, США) на ток 45 А и допустимое напряжение 1200 В с частотой переключения 10-75 кГц. Транзисторно-диодный модуль (чоппер) марки МТКИД100-12 (Россия) на ток 2 х 100 А и допустимое напряжение 1200В. Разумный силовой модуль PM15RSp20 (Mitsubishi, Япония) на ток 14 А мощностью 2,2 кВт. [4]
Импульсные устройства на транзисторах
... обратный ток коллекторного перехода и напряжение запирания транзистора, ... замкнутых в кольцо инвертора. Такое же ... импульсные устройства с транзисторными ключами, используя для простоты изложения работы импульсных схем модели транзистора, ... управления работой электромагнитных реле. Схема и принцип работы. Для выявления особенностей работы воспользуемся схемой одновибратора с двумя источниками напряжения, ...
Регулирование режима сварки осуществляется несколькими способами. Например, если входной выпрямительный блок выполнить тиристорным, то при увеличении напряжения Uвс увеличивается и амплитуда высокочастотного напряжения U2 и среднее значение U выпрямленного напряжения (рис.5а):
Uвс ^ => U1 ^ => U2 ^ =>Uв ^
Возможно также регулирование изменением частоты импульсов (рис.5б):
f ^ => T v =>Uв ^
Но наибольшее распространение получил способ широтно-импульсного регулирования (рис.5в):
t ^ =>Uв ^,
Поскольку при постоянной частоте облегчается выбор параметров выходного фильтра, а также снижается спектр электромагнитных помех, которые легче устранить входным фильтром.
Рис. 5 — Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (б), частоты (в) и ширины импульсов (г).
В выпрямителе с инвертором используется амплитудное, частотное и широтное регулирование режима.
Естественные внешние характеристики выпрямителя зависят от конструкции инвертора и трансформатора. Искусственные характеристики формируются с помощью обратных связей по току и напряжению. [3]
Сварочные свойства выпрямителей с инвертором, как правило, лучше, чем у конвенциональных источников, и объясняется это высоким быстродействием инвертора. Если у неинверторного однофазного выпрямителя длительность переходного процесса составляет не менее полупериода стандартного переменного тока, т.е. около 0,01 с, то у выпрямителя с инвертором быстродействие характеризуется значениями 0,0005 с и меньше. При механизированной сварке в углекислом газе такой выпрямитель способен обеспечить сложный алгоритм изменения тока с целью управления переносом электродного металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высокие динамические свойства выпрямителя с инвертором проявляются и в случае программного управления процессом ручной дуговой сварки, например по циклограмме. В этом случае легко обеспечивается горячий пуск в начале сварки, быстрый переход от одного из заранее настроенных режимов к другому при попеременной сварке то нижних, то вертикальных швов, сварка пульсирующей дугой с регулируемой формой импульса и т.д.
1.2 Схемы инверторов
1.2.1 Параллельные инверторы
Для получения импульса (рис. 6, а) в первоначальный момент ток нагрузки протекает через последовательно включенные тиристоры VSI, VS3, при этом коммутирующий конденсатор С заряжается, как показано на рисунке 6. При отирании тиристора VS4 конденсатор начинает разряжаться и запирает тиристор VS3, по окончании перезарядки конденсатора С наступает пауза.
Следующий импульс начинается при отпирании тиристоров VS2, VS4. Данная схема позволяет регулировать как длительность импульса, гак и длительность импульса независимо друг от друга.
Сплошной стрелкой показано протекание тока во время отпирания одного тиристора, а штриховой — отпирание другого тиристора и запирание первого.
На рисунке 6, б ток импульса протекает через левое плечо трансформатора при отпирании тиристора VS1, при этом коммутирующий конденсатор заряжается, как показано на рисунке 6.
При отпирании тиристора VS2 конденсатор С начинает разряжаться и запирает тиристор VS1, и ток протекает через правое плечо трансформатора.
а) б) в) г)
Рис. 6. Схема тиристорных звеньев промежуточной частоты: а) и б) параллельные инверторы, в) и г) последовательные инверторы
1.2.2 Последовательные инверторы
Последовательный инвертор представлен на рисунке 6, в. Ток нагрузки в первоначальный момент протекает через последовательно включенные конденсатор С и тиристор VS1 и первичную обмотку трансформатора TV1. Таким образом, время протекания тока ограничено временем зарядки коммутирующего конденсатора. Затем открывается тиристор VS2 и энергия, накопленная на конденсаторе, протекает через первичную обмотку трансформатора, наводя в ней ЭДС. На рисунке 6, г ток нагрузки протекает встречно сначала VS1-VS4, а затем через VS2-VS3. На рисунке показано сплошной стрелкой протекание тока через первый тиристор, а штриховой — через второй.
Схемное решение транзисторного инвертора проще, чем у тиристорного, так как запирание транзистора происходит естественным образом после снятия сигнала.
1.2.3 Двухтактный мостовой инвертор
Двухтактный мостовой инвертор показан на рисунке 7, а. В первом полупериоде (такте) система управления запускает транзисторы VT1 и VT4, и ток идет по первичной обмотке трансформатора в направлении, показанном сплошной линией. Во втором полупериоде путь тока через транзисторы VT2 и VT3 показан пунктирной линией. Таким образом, по первичной обмотке трансформатора TV1 протекает переменный ток.
Рис. 7. Схема транзисторного инвертора: а) двухтактный мостовой; б) однотактный полумостовой; в) диаграмма тока для схемы (б)
1.2.4 Однотактный полумостовой инвертор
Однотактный полумостовой инвертор (рис.7, б) приведем в составе конвертора, он имеет половинное количество транзисторов. В начальный момент () при отпирании транзисторов VT1 и VT2 по первичной обмотке трансформатора идет импульс тока, показанный сплошной линией, а на диаграмме (рис.7, в) отрезок ().
Затем следует пауза, (), во время которой все индуктивные процессы в магнитопроводе прекращаются. После чего в этом же направлении проходит следующий импульс тока. Таким образом, в однотактном инверторе ток оказывается переменным только по величине, но не по направлению. Недостатком такой схемы являются значительные перенапряжения на транзисторах в момент их выключения. Этот дефект устраняется при установке защиты в виде диодов VD1, VD2. С момента выключения транзисторов () энергия, запасенная в индуктивности первичной цепи, возвращается в сеть через диоды. При этом по первичной обмотке идет ток но пути, показанному пунктирной линией, постепенно снижаясь к моменту ().
1.2.5 Резонансные преобразователи
В резонансных преобразователях меньше динамических потерь и они создают гораздо меньше помех, поскольку переключение происходит не прямыми фронтами, богатыми гармониками, а импульсами с гладкой формой сигнала, близкой к синусоидальной. С точки зрения построения силовой схемы резонансные преобразователи более простые и надежные. Но они до сих нор не смогли вытеснить обычные полумостовые и мостовые преобразователи из-за принципиальных проблем с регулированием выходного напряжения. В обычных инверторных преобразователях используют принцип регулирования на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), и здесь не возникает никаких сложностей. В резонансных же преобразователях использование ШИМ и других специальных методов (например, частотного регулирования в результате изменения частоты коммутации) приводит к увеличению динамических потерь, которые в некоторых случаях становятся соразмерными или даже превышающими потери в классических преобразователях. Использование формирующих цепей оправдывает себя в ограниченном диапазоне частот и при очень небольшой глубине регулирования.
Использование дополнительного импульсного регулятора, устанавливаемого на выходе, приводит к необходимости использования еще одного звена преобразования, а значит, снижает КПД. Конструкция с переключением витков трансформатора значительно усложняет преобразователь, повышает его стоимость и делает невозможным использование в областях широкого потребления.
Схема промежуточного резонансного звена высокой частоты показана на рисунке 8.
В первоначальный момент открывается транзистор VT2 и ток протекает в направлении, показанном сплошной линией через резонансный конденсатор С1. При этом резонансный конденсатор заряжается до напряжения питания, как показано на рисунке 8 сплошной линией, и формируется первый полупериод. При открывании транзистора VT1, резонансный конденсатор С1 разряжается в направлении, показанном пунктирной линией, и формируется второй полупериод.
Рис. 8. Схема резонансного инвертора
Резонансные преобразователи более надежны, им не требуется быстродействующая защита от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке, потому что ограничение тока КЗ происходит естественным образом. Но из-за синусоидальной формы тока несколько возрастают статические потери в силовых элементах, поскольку резонансные преобразователи не столь требовательны к динамике переключения силовых элементов, могут быть использованы транзисторы standard-класса, у которых напряжение насыщения меньше, чем у быстродействующих транзисторов
В инверторном выпрямителе для регулирования выходных параметров используются следующие виды модуляции:
1) амплитудная;
2) частотная.
Регулирование режима сварки с помощью амплитудной модуляции (AM) осуществляется следующим образом: при увеличении напряжения сетевого выпрямителя увеличивается и амплитуда высокочастотного напряжения, и среднее значение выпрямленного напряжения. Но так как регулирование напряжения осуществляется с помощью фазового регулятора, то, соответственно, увеличиваются пульсации на выходе выпрямителя, что потребует увеличения массы сетевого фильтра. Поэтому данный способ регулирования не нашел широкого применения. [2]
1.3 Конструкции инверторных источников
1.3.1 Выпрямитель с однотактным транзисторным преобразователем марки ДС.250.33 (НПП «Технотрон», Чебоксары)
Предназначен для ручной сварки покрытым. В его состав входят автоматический выключатель OF (рис.9), фильтр А1, входной выпрямительный блок А2, сглаживающий фильтр АЗ, инвертор А4, трансформатор Т и выходной выпрямительный блок А5. На схеме не показаны вентилятор, плата управления, плата драйвера и приборы управления и контроля.
Рис.9. Выпрямитель ДС.250.33
Входной фильтр А1 защиты от радиопомех имеет П-образную конструкцию из конденсаторов С1 — С8 и дросселей L1 — L3 и обеспечивает электромагнитную совместимость источника с чувствительными к помехам производственными системами автоматизации. Входной выпрямительный блок А2 представляет собой комплектную схему трехфазного мостового выпрямления из шести диодов VD 1 — VD6. Сглаживающий фильтр L4 — L5 — C9 — C10 обеспечивает качественное питание инвертора. Пуск последнего с помощью тиристора VS выполняют только после полной зарядки конденсаторов С9, С10 через балластный реостат R. Инвертор собран из восьми транзисторов VT 1 — VT8 и двух высокочастотных диодов VD7, VD8. Транзисторы образуют два плеча по четыре штуки в каждом: VT1 — VT4 и VT5-VT8. Каждый такт работы инвертора начинается с включения транзисторов. После выключения транзисторов частичное размагничивание магнитопровода обеспечивается рекуперированием (возвратом) части энергии первичной обмотки через обратные диоды VD7, VD8 в фильтр АЗ. Понижающий трансформатор Т выполнен на сердечнике из аморфного железа. Выходной выпрямительный блок А5 представляет собой набор из пяти высокочастотных диодов VD9-VD13 со сглаживающим дросселем L6. Таким образом, конвертор, состоящий из элементов АЗ, А4, T, А5, представляет собой однотактный преобразователь высокого постоянного напряжения в низкое постоянное на зажимах Х5 и Х6. Чтобы слабым сигналом системы управления запускать мощные транзисторы VT1 — VT8, используется драйвер, выполняющий функцию промежуточного усиления и гарантирующий равномерную загрузку транзисторов и безопасную траекторию их переключения, т.е. плавное изменение тока при включении и выключении транзисторов.
Микропроцессорная система управления обеспечивает широтное регулирование инвертора с постоянной частотой 30 кГц; плавную, в том числе дистанционную, настройку сварочного тока в широком диапазоне в пределах 25.250 А; формирование крутопадающих внешних характеристик с регулируемым наклоном в пределах — 0,4. — 1,4 В/А за счет обратных связей по напряжению с зажимов XI, Х2 и по току — с зажимов ХЗ, Х4 на шунте RS. Его схемой предусмотрены также специальные функции:
- ограничение начального напряжения холостого хода значением 12 В;
- горячий пуск с возможностью его отключения;
- защита от прилипания электрода;
- форсирование дуги, зависящее от типа электродного покрытия;
- возможность работы от дизель-генераторных установок;
- стабилизация тока при колебаниях напряжения сети и использовании сварочного провода длиной до 50 м;
- автоматическое выключение при перегреве, понижении сетевого напряжения на 15 % и отсутствии одной из фаз;
- пригодность для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом;
комплектование при необходимости блоком импульсного
режима.
1.3.2 Выпрямитель с двухтактным транзисторным преобразователем
Выпрямитель марки Invertec V350-PRO (LincolnElectric, США) показан на рис.10. В его составе имеются автоматический выключатель QF, входной фильтр RU1-RUЗ, входной выпрямительный блок VD1, электромагнитный контактор К, переключатель S1, два транзисторных инвертора VT1, VT2, С1, С2 и VT3, VT4, СЗ, С4, трансформатор T, выходной выпрямительный блок VD2-VD1, LI, L2, а также сглаживающий дроссель L3.
Рис.10. Выпрямитель Invertec V35Q-PRO
Предусмотрена возможность питания выпрямителя как от однофазной сети 220 В, так и от трехфазной 3 х 380 В. При напряжении 220 В и установке переключателя S1 в положение, показанное на схеме, когда замкнуты контакты Sl. l hS1.3, входные конденсаторы С1, С2иСЗ, С4 соединены параллельно и после включения контактора К заряжаются почти до амплитудного напряжения входного выпрямительного блока VD 1 — около 310 В, от которого и питается каждый из инверторов. При напряжении 3 х 380 В и установке переключателя S1 в другое положение, когда замкнут только контакт S1.2, конденсаторы С1-С4 соединены последовательно, так что для питания каждого инвертора используется напряжение 270 В, т.е. половина амплитудного напряжения входного выпрямительного блока VD1, составляющего около 540 В. К достоинствам инверторного источника относится высокая стабильность выходного напряжения не только в таком широком диапазоне напряжения на входе инверторов (270 — 310 В), но и при гораздо более значительных отклонениях от номинального от — 10 до +50 %. Поэтому источник устойчиво работает в диапазоне питающего напряжения от 210 до 575 В. Это особенно важно при питании от слабых сетей, например, дизель-генераторных станций ограниченной мощности с нестабильным напряжением.
Инверторы работают поочередно. В первом такте идет ток от конденсаторов С1, С2 через транзисторы VT1, VT2 и первичные обмотки Т.11 и T14 трансформатора Т, так что, например, обмоткой T11 намагничивается стержень А трансформатора, а обмоткой Т.14 перемагничивается обратной полярностью стержень Б. Во втором такте идет ток от конденсаторов СЗ, С4 через транзисторы VT3, VT4, при этом обмоткой Т.12 перемагничивается стержень А, а обмоткой Т1З намагничивается прямой полярностью стержень В. Как видно, в приведенной конструкции используются два однотактных инвертора, и поэтому нет проблемы сквозных токов через транзисторы. В то же время трансформатор работает в симметричном режиме, присущем двухтактным преобразователям, при котором предотвращается насыщение и уменьшается сечение магнитопровода.
Если колебательный LC-контур имеет небольшую мощность, то он действует только часть времени, сглаживая ток в начале и конце периода инвертирования. Такой преобразователь называется квазирезонансным. Иногда для этих целей оказываются достаточны даже индуктивность сварочного трансформатора и паразитная емкость транзистора. Резонансный источник обладает своими достоинствами: малые динамические потери и хорошо сглаженный сварочный ток.
1.3.3 Выпрямитель с квазирезонансным преобразователем марки Форсаж-160
(Рязанский приборный завод) имеет в своем составе (рис.11) входной выпрямительный блокА1, устройство плавного включения и выключения А2, входной фильтр АЗ и высокочастотный преобразователь А4. Инвертор собран по схеме двухтактного мостового преобразования из четырех IGBТ-транзисторов VT1 — VT4 с четырьмя обратными диодами VD1-VD4 и четырьмя конденсаторами С1 — С4 для формирования благоприятной траектории переключения транзисторов. Отпирание транзисторов происходит при работе обратных диодов, включившихся еще в предыдущем такте и возвращающих энергию резонансного контура L1, С5 в фильтр АЗ. Это снижает динамические потери в транзисторах на стадии их включения. Динамические потери на стадии выключения также снижаются, но уже путем уменьшения скорости нарастания напряжения «коллектор-эмиттер» транзисторов благодаря конденсаторам С1-С4. Высокочастотное напряжение понижается трансформатором TV, выпрямляется диодами VD5, VD6 и после сглаживания дросселем L2 подается на дугу.
Рис. 11. Выпрямитель Форсаж-160
В источнике используется частотный принцип регулирования. Трансформаторный датчик ТА подает в систему управления сигнал обратной связи по току, который сравнивается с сигналом задания, сформированного переменным резистором на лицевой панели источника, либо на дистанционном пульте. Сигнал системы управления усиливается с помощью драйверов и подается на затворы транзисторов VT1-VT4. В результате формируется падающая внешняя характеристика и настраивается ток источника в интервале 40-160 А. Система управления также обеспечивает защиту при возникновении нештатных режимов и при перегреве, а также индикацию состояний «сеть», «авария» и «перегрев».
1.3.4 Модульная организация высокочастотных преобразователей
При недостаточной мощности отдельных переключающих полупроводниковых элементов принято соединять их на параллельную работу. Еще эффективней параллельное соединение силовых модулей. Наивысшей степенью интеграции следует считать силовой модуль, состоящий из входного выпрямительного блока с фильтром, инвертора, трансформатора, выходного выпрямительного блока с фильтром и блока управления — фактически комплектного инверторного источника.
Двухмодульный многофункциональный инверторный источник марки Корал-301 (ЭПИС, Киев) показан на рис.12. Он имеет два одинаковых силовых модуля СМ1 и СМ2 с однотактным высокочастотным преобразователем, каждый с собственным блоком управления БУ1 и БУ2. Блок управления за счет внутренних обратных связей по току и напряжению формирует необходимую внешнюю характеристику для ручной дуговой сварки (ММА) или механизированной сварки в углекислом газе (MAG), обеспечивает настройку режима и другие функции, каждый для своего модуля.
Рис. 12. Выпрямитель Корал-301
Общий блок управления БУО выполняет с помощью блока коммутации режимов БКР необходимое соединение модулей друг с другом, а также обеспечивает согласование их режимов. Если БКР не подает команду на включение коммутаторов К1-КЗ, то два модуля обеспечивают независимую работу двух постов сварки по 150 А от одного источника. Если БКР замыкает коммутаторы К1 и К2, то осуществляется питание одной дуги большим током до 300 А от параллельно соединенных модулей СМ1 и СМ2. В этом случае БУО управляет работой отдельных блоков БУ1 и БУ2, обеспечивая равномерное распределение нагрузки между модулями. Наконец, по команде БКР может быть включен один коммутатор КЗ, выполняющий последовательное соединение модулей, в результате чего напряжение холостого хода источника увеличивается вдвое — до 150 В, что позволяет использовать источник для питания плазменной резки (PC).
Другие варианты организации модульных структур могут содержать три и более силовых модулей. В этом случае следует предусмотреть равномерную загрузку ими питающей сети. На рис.12 показано одинаковое подключение двух однофазных модулей к сети — от фазы А и нулевого провода N, что не обеспечивает равномерной загрузки фаз. Три однофазных модуля рационально запитать каждый от своей фазы: A-N, B-N, С-N. При отсутствии нулевого провода равномерную нагрузку обеспечат такие подключения трех модулей: А-В, В-С и С-A. Подключение модулей с трехфазным входом проблем с точки зрения загрузки фаз не вызывает. Для многомодульных систем имеет также значение последовательность запуска модулей в работу. Обычно в полном цикле Т работы выпрямителя блок БУО сдвигает такты работы п отдельных модулей на интервал Т/n. В этом случае обеспечиваются хорошее сглаживание сварочного тока и более равномерная загрузка сети.
В некоторых источниках используют кроме силовых и специальные модули: модуль возбуждения дуги, модуль импульсной подачи энергии в дугу и т.д.
Важным достоинством модульной организации является возможность неограниченного наращивания мощности источников из типовых или серийных модулей. При этом повышается уровень технологичности и унификации источников разного назначения, повышается ремонтопригодность, а также надежность, поскольку при наличии резервного модуля выход из строя одного из модулей не приведет к остановке источника.
К недостаткам многомодульных источников следует отнести громоздкость и усложнение системы управления. [4]
1.3.5 Универсальный выпрямитель с последовательным резонансным инвертором марки ВДУЧ-315
Инвертор ВДУЧ-315 (Коммунар, Харьков) продолжает линию популярных с 80-х годов тиристорных инверторных источников (рис.13).
Длительный опыт разработки и эксплуатации таких источников вместе с выбором отечественных быстродействующих тиристоров обеспечивают достаточные надежность и ремонтопригодность. Напряжение сети 3 х 380 В через автоматический выключатель QF и плавкие предохранители F 1, F2 передается на сетевой фильтр А1, а затем выпрямляется вентильным блоком А2 и через сглаживающий фильтр АЗ поступает на инвертор А4, после чего переменное высокочастотное напряжение понижается трансформатором Т, выпрямляется вентильным блоком А5 и подается на нагрузку.
А2 А3 А4
Рис. 13. Выпрямитель ВДУЧ-315
Фильтр А1, состоящий из конденсаторов С1-С6 и резисторов R1-R3, снижает уровень высокочастотных помех, наводимых инвертором в сети. Входной вентильный блок А2 собран из шести диодов VD1-VD6 по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Фильтр АЗ, состоящий из варисторов RU 1, RU2 , конденсаторов С 7, С 8 и дросселя L1, частично шунтированного диодом VD 7, обеспечивает питание инвертора сглаженным напряжением. Резонансный инвертор А4 собран из тиристоров VS1, FS2 марки ТБ251-50-12-652 (50 А, 1200 В, 10 кГц), обратных диодов VD8 , VD9 , дросселей L2-L4 и коммутирующих конденсаторов С9-С12, т.е. имеет типовое устройство, описанное выше с помощью рис.4.55. Предусмотрена защита инвертора от длительного сквозного тока при аварийном одновременном включении тиристоров VS 1 и VS2. ТрансформаторТ имеет два сердечника из феррита М2500НМС, две первичные Т.11, Т.12 и четыре вторичные обмотки Т.21-Т.24. Выходной вентильный блок А5 собран из высокочастотных диодов VD 10, VD 11 и вместе со сглаживающим дросселем L5 образует однофазную нулевую схему двухполупериодного выпрямления.
В выпрямителе ВДУЧ-315 используется частотное регулирование, в номинальном режиме частота около 5 кГц, так что масса выпрямителя составляет 48 кг. Это в 2-4 раза меньше, чем у конвенциональных выпрямителей, но все же в 2-2,5 раза больше, чем у транзисторных инверторных источников. С помощью обратных связей по току и напряжению формируются разнообразные внешние характеристики, обеспечивающие универсальность, т.е. пригодность для ручной сварки покрытым электродом, аргоно-дуговой сварки и механизированной сварки в защитном газе (рис. 14).
Напряжение холостого хода перед ручной сваркой ограничено безопасной величиной 12 В, это ограничение снимается через 30 мс после касания электродом детали, и после окончания сварки напряжение холостого хода 72 В удерживается не более 1 с, а затем снова ограничивается величиной 12 В. Системой управления предусмотрено защитное отключение источника при различных аварийных ситуациях: отсутствие одной из фаз, повышение питающего напряжения более 15 %, перегрев тиристоров или диодов.
Рис. 14. Внешние характеристики выпрямителя ВДУЧ-315 при ручной (а), аргоно-дуговой (б) и полуавтоматической сварке (в)
Вентиляторы включаются только при появлении сварочного токаи выключаются через 1-3 с после окончания сварки, что снижает мощность при холостом ходе до 50 Вт и уменьшает засорение пылью силовых элементов и плат управления. Коэффициент полезного действия выпрямителя при номинальном режиме достигает 0,8.
Сварочные свойства выпрямителей с тиристорным инвертором, как правило, довольно высокие. Однако стремление к снижению массы и габаритов приводит к некоторому ухудшению сварочно-технологических свойств от высокого до приемлемого уровня. Так, у выпрямителя ВДУЧ-315 при ручной сварке электродами с основным и рутиловым покрытием диаметром 2-6 мм надежность зажигания характеризуется предельной начальной длиной дуги от 6 до 13 мм, а эластичность — разрывной длиной дуги от 9 до 16 мм, что в 1,5-2 раза хуже, чем у диодного выпрямителя. Это объясняется сравнительно низким у ВДУЧ-315 значением напряжения пологопадающего участка — 35-45 В, что было вызвано именно стремлением снизить массу и габариты. Справедливости ради отметим, что для компенсации вредного действия снижения напряжения введены специальные функции: горячий пуск c1,5-3,8, а также ограничение длительности короткого замыкания величиной около 2 с, что предотвращает прочное прилипание электрода. Устойчивость процесса сварки в нижнем положении — абсолютная (ни одного обрыва при полном расплавлении электрода), в вертикальном положении, т.е. при пониженном на 15-20 % токе — достаточная (1-2 обрыва).
Устойчивое горение дуги наблюдается при снижении тока до 40-50 А, а для электродов диаметром 2-3 мм даже до 35 А, т.е. при минимальной уставке регулятора. Повышению устойчивости при таких пониженных режимах служит форсирование дуги, т.е. увеличение пикового значения тока короткого замыкания до I ПК = (1,4-1,7 ) Iд Перенос электродного металла происходит более энергично, чем у простейших диодных выпрямителей, с частотой 1-5 Гц и длительностью короткого замыкания каплей 8-13 мс. Это предотвращает прилипание капли к ванне на пониженных токовых режимах, но несколько увеличивает разбрызгивание. [4]
