Инверторные источники питания для электродуговой сварки

Рис.13а - Электрическая  схема инвертора с коммутацией  промежуточных отводов в трансформаторе

В следующий  момент времени запускается тиристор 2, а тиристор 1 выключается. Отношение  «вольт/виток» увеличивается, и выходное напряжение инвертора также увеличивается. После запуска тиристора 3 тиристор 2 выключается, выходное напряжение инвертора становится максимальным. Для получения двенадцатиступенчатой формы выходного напряжения тиристоры должны запускаться в последовательности 1-2-3-2-1-1А-2А-ЗА-2А-1А. Недостатком этой схемы является сложность запуска и коммутирования тиристоров.

1.9.2 Подключение  через трансформатор

Схема компенсации  гармонических составляющих с помощью  двух трансформаторов изображена на рис.13б. Выходное напряжение в этой схеме является векторной суммой выходных напряжений двух инверторов. Этот метод применяется для компенсации конкретной гармонической составляющей в выходном напряжении (избирательное устранение гармоник). Вторичные обмотки этих двух трансформаторов включены последовательно таким образом, чтобы V1 + V2 = Vo. Запуск тиристоров второго инвертора запаздывает на угол θ по отношения к запуску тиристоров первого инвертора. Форма выходного напряжения V0 может быть получена суммированием напряжений V1 и V2. Форма выходного напряжения представляет собой 120-градусные квазипрямоугольные импульсы. На рис.13в показаны векторные диаграммы основных и третьих гармоник выходных напряжений инверторов при угле запаздывании 0 = 60°.

Рис.13 - б) Подключение  нагрузки через трансформатор в) Векторная диаграмма

Напряжения третьих  гармоник находятся в противофазе  друг к другу. Поэтому в суммарном  выходном напряжении инверторов третья гармоника отсутствует. Выбрав угол запаздывания θ = 36°, можно скомпенсировать в выходном напряжении пятую гармонику. Недостатком этой схемы является то, что требуются два инвертора и два одинаковых трансформатора.

1.9.3. Использование  фильтров

Различные типы используемых фильтров изображены на рис.13г. В однозвенном LС-фильтре  реактивное сопротивление индуктивности L с увеличением частоты увеличивается, то есть высокочастотные компоненты на выходе существенно ослабляются. С увеличением индуктивности L увеличиваются омические потери в фильтре. Конденсатор С обладает высоким реактивным сопротивлением на низких частотах, но при этом эффективно шунтирует высокочастотные компоненты. Оптимальный выбор элементов фильтра позволяет увеличить рабочий ток инвертора без существенного увеличения потерь в LC-фильтре

Рис.13г - Использование  фильтров

Некоторая часть  гармоник все же проходит через однозвенный LC-фильтр в нагрузку. Существенно улучшить фильтрацию гармоник можно с помощью использования многозвенных LC-фильтров. Размер индуктивности фильтра можно уменьшить, подключив его ко вторичной обмотке понижающего трансформатора.

Если инвертор работает на фиксированной частоте, можно использовать последовательный резонансный LС-фильтр. Значениях и С выбираются так, чтобы их собственная резонансная частота фильтра была равна выходной частоте инвертора. Фильтр и нагрузочное сопротивление работают как последовательный низкодобротный резонансный контур. Электрический ток в такой цепи находится в фазе с выходным напряжением, поэтому напряжение нагрузочного сопротивления синусоидально. Применение реактивных фильтров предпочтительно для высокочастотных устройств.

2 Инверторные  источники питания для дуговой  сварки

2.1 Начало развития  и внедрение в производство  инверторных источников питания 

В наступившем  веке бесспорным лидером в производстве сварочной техники становятся инверторные  источники питания. При их применении потери электроэнергии снижаются до 10 раз, материалоемкость оборудования - до 10-12 раз, а ПР источника повышается до 80-100 %. Уменьшаются размеры и масса сварочных аппаратов. Основным достоинством инверторной техники является ее мобильность, что позволяет использовать подобные агрегаты при выполнении монтажных работ в стационарных и полевых условиях.

В 1905 г. австрийский  профессор Розенберг разработал специальный сварочный генератор  поперечного поля, у которого с  ростом сварочного тока изменялось напряжение дуги. Это был, пожалуй, один из самых первых шагов в развитии регулируемых источников питания.

В 1907 г. на заводе Lincoln Electric был выпущен генератор  с изменяемым напряжением. Через 20 лет  русский ученый В. П. Никитин получил  патент на первый в мире однокорпусный комбинированный трансформатор-регулятор для дуговой сварки.

В начале 50-х  гг. появились полупроводниковые  селеновые диоды. Это позволило  разработчикам создать сварочные  выпрямители, состоящие из трансформатора и выпрямительного диодного блока.

Позже, в 70-е гг. с появлением силовых кремниевых тиристоров стало возможно плавно изменять сварочный ток и выходные ВАХ  сварочных аппаратов не за счет трансформатора, а на основе обратных связей и фазовой  регулировки угла включения тиристоров.

В 1977 г. на рынке сварочного оборудования появился источник питания Hiiark-250 финской фирмы Kemppi, собранный на базе "скоростных тиристоров", обеспечивших преобразование постоянного тока в переменный с частотой 2-3 кГц. Это стало началом развития инверторных источников питания в сварочной технике.

В обычных выпрямителях трансформатор работает на сетевой  частоте 50 Гц. Повышение частоты  до 2 кГц и более позволило существенно  уменьшить массу и габаритные размеры сварочного инвертора. Если у обычных сварочных выпрямителей отношение сварочного тока к единице массы около 1-1,5 А/кг, то у инверторов на "скоростных тиристорах" этот показатель равен 4-5 А/кг.

Смысл инвертирования заключается в поэтапном преобразовании энергии. Питающее сетевое напряжение выпрямляется на диодном мостике, затем преобразуется в переменное высокочастотное в блоке инвертора и понижается в трансформаторе до рабочего сварочного. А выходной выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное. Весь процесс регулируется за счет обратных связей блоком управления, который обеспечивает необходимые характеристики сварочного тока.

Инверторы также  отличаются низкой пульсацией выпрямленного  тока, высокой скоростью регулировки, возможностью получения разнообразных  ВАХ и высоким (до 90 %) КПД.

Сравнительные характеристики инверторных сварочных аппаратов приведены в таблице № 1.

Классическим  примером тиристорного инвертора является сварочный универсальный источник питания LUA-400 фирмы ESAB. Шесть различных  ВАХ позволяют использовать его  при сварке в углекислом газе, ручной дуговой, аргонодуговой и сварке алюминиевой проволокой пульсирующей дугой.

С появлением модульных  биполярных транзисторов с изолированным  затвором (IGBT) сварочные трансформаторы стали работать на частоте до 20 кГц. При этом отношение сварочного тока к единице массы источника питания повысилось вдвое. На базе IGBT-транзисторов стали выпускать маленькие бытовые источники питания для ручной дуговой сварки, а также импульснодуговой и механизированной сварки в защитных газах, плазменной резки.

Последующая стадия развития сварочных инверторов связана  с появлением в 90-х гг. полевых  МОП-транзисторов серии MOSFET. Частота  за счет силовых полевых транзисторов повысилась до нескольких десятков килогерц. На их базе фирма ESAB стала выпускать установки для ручной дуговой сварки Power lnvert-315 с частотой 24 кГц и малогабаритные источники Caddi-130, 140 и 200. Дальнейшее развитие инверторной техники пошло по пути совершенствования MOSFET-транзисторов. Выпущенный той же фирмой источник Caddi-250 массой 11 кг работает на частоте 49 кГц.

В 2001 г. в Эссене фирма Kemppi продемонстрировала малогабаритные переносные сварочные инверторы Minarc-110 и 140 массой 4,2 кг и рабочей частотой 80 кГц. При длине электрокабеля  до 50 м переносной Minarc -идеальный аппарат для работы в труднодоступных местах. Он предназначен для использования разнотипных электродов и имеет особый износостойкий корпус.

Современные инверторы lnvertec-140 и 160 американской фирмы Lincoln Electric - это аппараты со специальной схемой стабилизации питания для надежной работы от автономных генераторов мощности. При аргонодуговой сварке поджиг дуги осуществляется методом точечного касания.

К сожалению, следует  признать, что отечественные производители  сварочной техники намного отстали  от мирового уровня развития инверторных источников в связи с общим спадом экономики за последние 10 лет. И все-таки, общая тенденция сохраняется. Российские изготовители также предлагают инверторные источники.

Среди них сварочные  выпрямители серии "Форсаж" Государственного Рязанского приборного завода. Эти установки предназначены для сварки низкоуглеродистых, низколегированных и коррозионно-стойких сталей. Они имеют плавную регулировку сварочного тока, снабжены вентилятором и защитой от перегрева. Диапазон сварочного тока от 40 до 315 А, масса 6,7-12,5 кг.

Сварочный инверторный  аппарат "Торус-200" предназначен для  дуговой сварки постоянным током. Несмотря на маленький размер (115х185х280 мм) и  массу около 5 кг, диапазон сварочного тока у него 40-200 А. Этот сравнительно недорогой источник может работать от бытовой сети дома, на приусадебных участках, в гаражах и т. д.

В настоящее  время лучшими среди сварочных  аппаратов инверторного типа признаны самые малогабаритные в мире серии  ВМЕ, разработанные в ООО НПЦ "ПромЭл-2000" (изготовитель ОАО "Машиностроительный завод "Прогресс", Астрахань). Они удостоены Золотой медали Международного салона инноваций и инвестиций (Москва, 2002 г.), а также множества дипломов международных и региональных выставок.

Таблица № 1

Таблица № 2

Таблица № 3