Реферат: Инверторные источники питания для электродуговой сварки

--PAGE_BREAK--1.7 Трехфазный инвертор тока

<img width=«265» height=«176» src=«ref-1_732310328-9471.coolpic» v:shapes="_x0000_s1038">
Электрическая схема и рабочие фазы трехфазного инвертора тока изображены на рис.10. Этот тип инвертора называется инвертором К. Филипса. Его работа основана на коммутировании напряжения. Большая индуктивность, включенная последовательно с источником напряжения, работает как источник тока. Схема работает в 120-градусном режиме.

Рис.10а — Схема трехфазного инвертора тока

Чтобы выключить шесть тиристоров, требуются шесть конденсаторов. Диоды D1 — D6 предотвращают разряд конденсаторов через нагрузку. Эти диоды называются изолирующими. Тиристоры в этой схеме запускаются в последовательности 12-23-34-45-56-61. Если схема переходит из состояния 12 в состояние 23, тиристор Т2 продолжает оставаться в проводящем состоянии, следовательно, тиристор Т2, запирается, а ток продолжает протекать через включенный тиристор Т2.

Фаза I. Конденсатор С, заряжен с левой стороны до напряжения +ve, а с правой — до напряжения -ve. Тиристоры Т1 и Т2 запускаются согласно диаграмме 120-градусного режима работы. Схема остается в этом состоянии от 0 до 60°.

Фаза П. В следующий 60-градусный интервал тиристоры Т1 и Т2 должны находиться в проводящем состоянии. Тиристор Т1 запускается начиная с 60-градусного интервала. Тиристор Т1, выключается коммутирующим напряжением. Ток протекает через D1 фазу А и фазу С. Напряжение на конденсаторе С, меняет полярность.

<img width=«373» height=«423» src=«ref-1_732319799-18691.coolpic» v:shapes="_x0000_s1039">
Фаза III. Диод D1 продолжает оставаться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток через него протекает в том же самом направлении. Диод D3 находится в проводящем состоянии, так как он смещен в прямом направлении присутствующим на конденсаторе С, напряжением. В этой фазе все три ветви нагрузки являются потребителями мощности. Эта фаза называется периодом перекрытия.

Рис.10б — Фазы работы схемы

Фаза IV. Диод D1 находится в проводящем состоянии до тех пор, пока энергия, запасенная на индуктивности нагрузки в фазе А, не уменьшится до нуля. Далее ток протекает через тиристоры Т2 и Т3 согласно диаграмме управления при 120-градусном режиме работы инвертора.

Формы фазовых токов трехфазного инвертора тока эквивалентны формам фазовых напряжений трехфазного инвертора напряжения при 120-градусном режиме работы.

1.8 Управление выходным напряжением инвертора

Выходным напряжением инвертора требуется управлять в таких устройствах, как регулятор скорости, источники бесперебойного питания и

т. д.

Управлять выходным напряжением можно тремя способами:

1) регулированием входного напряжения инвертора;

2) регулированием выходного напряжения инвертора;

3) регулированием выходного напряжения самим инвертором.

Входное напряжение можно регулировать с помощью фазоуправляемого преобразователя или коммутатора, включенного на входе инвертора. Недостатком фазоуправляемого преобразователя является низкий коэффициент мощности со стороны входа инвертора. Недостатком коммутатора постоянного тока являются высокие коммутационные потери.

Выходное переменное напряжение инвертора можно регулировать с помощью трансформатора с коммутируемыми отводами от вторичной обмотки. Недостатком коммутации отводов является необходимость в обслуживании размыкателей.

Регулирование выходного напряжения самим инвертором называется широтно-импульсной модуляцией. Различают два типа широтно-импульсных модуляторов:

1) однократные;

2) многократные.

1.8.1 Однократный широтно-импульсный модулятор

Электрическая схема инвертора и формы сигналов однократного широтно-импульсного модулятора изображены на рис.11. Однократный широтно-импульсный модулятор вырабатывает один управляющий импульс за полупериод цикла преобразования. Выходное напряжение инвертора регулируется за счет изменения длительности управляющего импульса в каждом полупериоде цикла преобразования. Эпюры управляющих импульсов однократного широтно-импульсного модулятора изображены на Рис.11б. На выходе инвертора присутствует напряжение, только если транзисторы Т1 и Т2 (или) Т3 и Т4 находятся в проводящем состоянии одновременно.

<img width=«426» height=«221» src=«ref-1_732338490-15368.coolpic» v:shapes="_x0000_s1040">
В промежутке времени от t0 до t1 в проводящем состоянии находятся транзисторы Т1 и Т1. В это время на нагрузке положительное напряжение. В промежутке времени от t2 до t3 проводящем состоянии находятся транзисторы Т3 и Т4, на нагрузке при этом отрицательное напряжение. Выходным напряжением инвертора можно управлять, изменяя угол 9. Чем больше значение 9, тем меньше выходное напряжение инвертора, и наоборот. Недостатком этого способа регулирования является присутствие в выходном напряжении большого количества высших гармоник.

Рис.11 — а) Схема мостового инвертора;

б) Формы сигналов широтно-импульсного модулятора

1.8.2 Многократный широтно-импульсный модулятор

Многократный широтно-импульсный модулятор вырабатывает серию управляющих импульсов за полупериод цикла преобразования. Существуют два типа многократных широтно-импульсный модуляторов: а) широтно-импульсный модулятор с равными длительностями управляющих импульсов и б) синусоидальный широтно-импульсный модулятор.

Широтно-импульсный модулятор с равными длительностями управляющих импульсов

Формы сигналов симметричного широтно-импульсного модулятора или широтно-импульсного модулятора с равными длительностями управляющих импульсов изображены на рис.12а. Допустим, что V1 -напряжение треугольной формы, Vc — управляющее напряжение и Vo — выходное напряжение компаратора

<img width=«412» height=«105» src=«ref-1_732353858-7587.coolpic» v:shapes="_x0000_s1041">
Рис.12а — Формы сигналов симметричного широтно-импульсного модулятора

В схеме управления опорное напряжение высокой частоты VT (треугольной формы) сравнивается с напряжением управления Vc. Выходное напряжение компаратора Vo высокое, когда больше Vc, и низкое, если Кт меньше Vc. Таким образом, выходное напряжение компаратора представляет собой последовательность импульсов. Сформированные таким образом импульсы можно использовать для управления мощными транзисторами. Если в инверторе используются тиристоры (инвертор Мак-Мюррея), основной тиристор запускается передним фронтом импульса, а вспомогательный тиристор — задним. Таким образом, многократный широтно-импульсный модулятор вырабатывает серию управляющих импульсов за полупериод цикла преобразования. Гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут намного меньше, чем в инверторе с однократным широтно-импульсным модулятором.

Синусоидальный широтно-импульсный модулятор

Формы сигналов синусоидального широтно-импульсного модулятора изображены на рис.12б. В этой схеме напряжение треугольной формы сравнивается с синусоидальным управляющим напряжением. Входные напряжения компаратора Vc и VT. Выходное напряжение компаратора высокое, когда величина синусоидального управляющего напряжения больше, чем величина напряжения треугольной формы. Отношение величины управляющего напряжения к величине напряжения треугольной формы определяется как коэффициент модуляции. Следует заметить, что выходное напряжение компаратора представляет собой последовательность импульсов неравной длительности. В течение полупериода цикла преобразования длительность центрального импульса максимальна, а длительность крайних импульсов уменьшается. Длительность управляющих импульсов изменяется синусоидально. Этот тип широтно-импульсного модулятора называется асимметричным, так как длительности его управляющих импульсов неравны. Гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут меньше, чем в инверторе с симметричным широтно-импульсным модулятором.

<img width=«381» height=«111» src=«ref-1_732361445-8971.coolpic» v:shapes="_x0000_s1042">
Рис.12б — Формы сигналов синусоидального широтно-импульсного модулятора

1.9 Управление гармоническими составляющими (управление формой напряжения)

Формы выходных напряжений инверторов могут быть прямоугольными, квазипрямоугольными, треугольными или в виде шестиступенчатых последовательностей импульсов. В выходном напряжении содержатся основная гармоника и ее высшие компоненты. Если инвертор используется в качестве источника питания асинхронного электродвигателя, высшие гармоники питающего напряжения вносят потери в виде дополнительного выделения тепла. Например, пятая гармоника питающего электродвигатель напряжения производит крутящий момент в противоположном направлении по отношению к основному крутящему моменту. Поэтому предпочтительно минимизировать коэффициент гармоник в выходном напряжении. Методы уменьшения гармоник следующие:

коммутация промежуточных отводов в трансформаторе;

подключение нагрузки через трансформатор;

использование фильтров;

использование широтно-импульсной модуляции.

1.9.1 Коммутация промежуточных отводов в трансформаторе

Электрическая схема инвертора с коммутацией промежуточных отводов в трансформаторе изображена на рис.13а. Схема этого инвертора похожа на схему параллельного инвертора. Когда один из тиристоров слева находится в проводящем состоянии, выходное напряжение инвертора -положительное, если же один из тиристоров справа находится в проводящем состоянии, выходное напряжение — отрицательное. Когда тиристор 1 запускается, напряжение источника питания прикладывается к половине первичной обмотки трансформатора. Выходное напряжение инвертора в этом случае минимальное, поскольку отношение «вольт/виток» минимальное.

<img width=«425» height=«112» src=«ref-1_732370416-9942.coolpic» v:shapes="_x0000_s1043">


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°.

<img width=«433» height=«417» src=«ref-1_732380358-24578.coolpic» v:shapes="_x0000_s1044">
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

<img width=«419» height=«94» src=«ref-1_732404936-6923.coolpic» v:shapes="_x0000_s1045">
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

Аппарат, фирма-изготовитель, страна

Диапазон регулирования сварочного тока, А

Габаритные размеры, мм

Масса, кг

ПВ,%

Master-1500, Kemppi, Финляндия

15-150

390x155x285

10

20

Mmarc-140, Kemppi, Финляндия

10-140

305x123x250

4,8

80

InvertecV 160-S, Lincoln Electric, США

5-160

320x200x430

10,5

-

Caddy Tig 150, ESAB, Швеция

3-150

310x130x250

5,5

25

Tecnica 1600, Telwin, Италия

5-150

280x150x195

3,3

10

Mito 160 MMA, Mito, Италия

5-160

175x430x245

14

60

TINY 150, Kjellberg, Германия

5-150

320x110x260

5,4

35

SI601, Cemont, Италия

5-150

145x235x340

7,7

35

Topyc-200, OOO „TOP“, Россия

40-200

115 x 185 x 280

5

40

Форсаж-160, Государственный Рязанский приборный завод, Россия

40-315

410x180x390

10

60

ВДУ4-1371, АО „Спецэлектромаш“, Россия

5-130

365x139x196

8

100

BME-160, ОООНПЦ»ПромЭл-2000", Россия ЭЛ-2000", Россия

15-160

175x300x86

3,6

80

Примечание. Напряжение питающей сети 220 В.

Таблица № 2

Аппарат

Напряжение питающей сети, В

Диапазон регулирования сварочного тока, А

Напряжение холостого хода, В

Габаритные размеры, мм

Масса, кг

ВМЕ-120

220

10-120

60-80

140x250x65

2,2

ВМЕ-140

220

10-140

60-80

140x250x65

2,3

ВМЕ-160

220

10-160

60-80

175x300x86

3,6

ВМ-300

380

50-300

50-70

406x310x90

8,0

ВМ-420

380

50-420

60-80

540x314x90

12,0

Примечание Для всех аппаратов ПВ = 80 %

Таблица № 3

Источник

Напряжение питающей сети, В

Диапазон регулирования длительности действия прямого и обратного тока, с

Диапазон регулирования амплитуды прямого и обратного тока, А

ПВ, %

Габаритные размеры, мм

Масса, кг

ВМ 120

220

-

20-120

100

276x270x65

2,2

ВМ 120Р

220

6-600

Плавно

Плавно

100

276x270x65

3,7

ООО НПЦ «ПромЭл-2000» уже три года работает на российском рынке. За это время разработаны и запущены в серийное производство малогабаритные инверторные сварочные аппараты, технические характеристики которых приведены в таблице № 2.

Разработаны и внедрены в производство также малогабаритные гальванические источники питания инверторного типа (таблица № 3).

Малогабаритные сварочные аппараты серии ВМЕ на основе высокочастотных транзисторных инверторов предназначены для высококачественной ручной дуговой сварки покрытыми электродами диаметром 1,6-6 мм током прямой и обратной полярности. Аппараты обеспечивают легкий поджиг, устойчивое горение и эластичность дуги, минимальное разбрызгивание металла, надежность и высокое качество сварных швов, сварку большинства углеродистых, легированных и коррозионно-стойких сталей. Их применение гарантирует безопасность работы согласно международным нормам IEC 974.

Соответствуя по основным параметрам сварки аналогичным зарубежным изделиям таких ведущих производителей, как Telwin, Fronius, EWM, аппараты серии ВМЕ имеют меньшие массу и габаритные размеры, высокую продолжительность включения и значительно меньшую стоимость.

Силовые источники питания для сварки и в дальнейшем будут совершенствоваться, что расширит их функциональные возможности.

    продолжение
--PAGE_BREAK--2.2 Особенности работы сварочных инверторов от автономных источников питания

В последнее время возрастает применение автономных установок, оборудованных сварочными постами — передвижных ремонтных мастерских, аварийных машин и т. п. В них на шасси установлена коробка отбора мощности с генератором или дизель-генератор и различные потребители, в том числе сварочные посты. Нередко предпочтение отдается инверторным сварочным аппаратам из-за их сравнительно высокого КПД (10-15 кВт при токе сварки до 250 А) и небольших габаритных размерах и массы. К сожалению, производители подобных машин часто ограничиваются подбором генератора и сварочных источников исходя только из мощностных характеристик, что приводит к выходу из строя сварочных аппаратов, а нередко и самих генераторов.

При работе сварочных инверторов от автономных источников питания необходимо учитывать особенности и тех, и других. Так, при индуктивной нагрузке (сварочный трансформатор) внешняя характеристика синхронного генератора имеет резко падающий характер, причем с уменьшением cosφ падение напряжения усиливается (рис 14, кривые 1, 2). При активно-емкостной нагрузке (сварочный инвертор) cosφ опережающий и с ростом потребляемого тока напряжение возрастает тем сильнее, чем меньше cosφ (см рис 14, кривые 4, 5). При U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока трехфазного короткого замыкания.

Поскольку в основном характер потребляемого тока активно-индуктивный, изготовители генераторов вводят дополнительную положительную обратную связь по току для компенсации падения напряжения на нагрузке, тес ростом тока в нагрузке генератор повышает напряжение.

Инверторные источники имеют емкостной характер нагрузки, поэтому с ростом тока напряжение возрастает, а наличие положительной обратной связи по току приводит к еще большему росту напряжения. Результатом может быть выход из строя инвертора или самого генератора из-за перенапряжений.

Структурная схема типичного инверторного сварочного источника приведена на рис 15. Трехфазное напряжение выпрямляется выпрямителем В и сглаживается емкостным фильтром Сф. Инвертор И преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты, которое понижается трансформатором и выпрямляется выпрямителем В и далее через индуктивный фильтр Сф поступает в нагрузку RH.

На рис. 16 приведены осциллограммы линейного напряжения на входе обычного инверторного источника (ток сварки 150 А) при питании от синхронного генератора АД-30 мощностью 30 кВт. Емкость конденсатора фильтра Сф равна 40 мкФ. Видно, что кривая линейного напряжения имеет значительные искажения, а амплитуда превышает 700 В. Уменьшение емкости фильтра в 4 раза снижает амплитуду линейного напряжения до 610 В, но в кривой потребляемого тока появляется высокочастотная составляющая, равная частоте инвертирования, что нежелательно.

<img width=«262» height=«226» src=«ref-1_732411859-6726.coolpic» v:shapes="_x0000_s1046">


Рис.14 — Внешние характеристики синхронного генератора

(3 -cos(φ= 1)

<img width=«293» height=«79» src=«ref-1_732418585-3315.coolpic» v:shapes="_x0000_s1047">


Рис.15 — Структурная схема инверторного сварочного источника

<img width=«302» height=«260» src=«ref-1_732421900-13188.coolpic» v:shapes="_x0000_s1048">


Рис.16 — Линейное напряжение генератора АД-30: 1- холостой ход, 2 -при питании обычного инвертора

С ростом потребляемого тока возрастает действующее значение напряжения генератора, причем приращение напряжения зависит от соотношения потребляемой и номинальной мощностей генератора. Так, при питании четырех обычных сварочных инверторов с суммарной потребляемой мощностью 34 кВт от генератора БГ-100 оно составило 10 В, а при питании такого же числа инверторов от генератора БГ -60 — 40 В. При этом амплитудное значение линейного напряжения возросло от 540 до 696 В. Применение генератора БГ-30 обеспечивает нормальную работу только одного обычного инверторного источника без проведения дополнительных мероприятий.

Именно по этой причине многие изготовители инверторных источников указывают, что суммарная потребляемая мощность не должна быть больше 50 % номинальной мощности автономного генератора. Это обусловливает необходимость либо заказывать генераторы с корректорами напряжения, адаптированными для работы с активно-емкостной нагрузкой, либо использовать серийно выпускаемые генераторы с двойным запасом мощности, либо приспосабливать инверторы для обеспечения нормальной работы. В первом случае требуется значительное время, во втором — возникают неоправданные затраты. Ниже приведены варианты решения этой проблемы.

Снижение напряжения холостого хода генератора с 380 до 350-360 В и повышение частоты до 52 Гц позволяют обеспечить нормальную работу источников. Например, при питании четырех источников с потребляемой мощностью по 12-15 кВт от генератора БГ-60 линейное напряжение возрастает до 380 В. Это решение приемлемо для генераторов мощностью от 60 кВт, но не всегда подходит для генераторов меньшей мощности.

Включение дополнительной нагрузки в виде сушильных шкафов мощностью 4 кВт снижает приращение напряжения на 4 В при питании от генератора БГ-100, а при питании от генератора БГ -60 — на 74 В. При этом лучше иметь на каждый сварочный пост свою электропечь, а работу организовать так, чтобы электроэнергия потреблялась от генератора непрерывно, когда выключение терморегулятором одной электропечи сопровождалось бы включением другой. Такой способ несколько ограничен в применении.

Включение последовательно в каждый сетевой провод индуктивности и увеличение емкости Сф позволяет обеспечить работу двух источников с потреблением 12-15 кВт от генератора мощностью 30 кВт. Такой вариант решения требует дополнительных фильтров и вмешательства в электрическую схему сварочного источника.

Для устранения искажений напряжения генератора и уменьшения высокочастотных гармонических составляющих необходимо введение радиофильтра и сглаживающих конденсаторов в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя генератора и работы.

<img width=«320» height=«246» src=«ref-1_732435088-12426.coolpic» v:shapes="_x0000_s1049">
В ряде случаев необходимо модернизировать регулятор напряжения генератора (блок корректора напряжения), так как при дуговой сварке могут возникнуть низкочастотные колебания напряжения, при которых мгновенные значения напряжения генератора превысят допустимые для данного типа инверторного источника. Например, вместо положительной обратной связи по току ввести отрицательную и изменить параметры корректирующих звеньев регулятора. Это требует вмешательства в электрическую схему генератора и не всегда приводит к желаемому результату.

Рис.17 — Линейное напряжение генератора БГ-30:1 — холостой ход, 2 -при питании ДС 250.33

Использование в инверторе LC-фильтра вместо емкостного благоприятно сказывается на работе генератора позволяет исключить перенапряжения и полностью использовать мощность.

Инверторный источник ДС 250 33 для сварки покрытыми электродами предназначен для работы в тяжелых трассовых условиях, снабжен встроенными LC-фильтрами и адаптирован для работы от автономных генераторов. На рис 17 приведены осциллограммы линейного напряжения генератора БГ-30 при питании от него двух источников ДС 250 33 Видно, что перенапряжения отсутствуют.

2.3 Инверторный аппарат ДС 250.33 для сварки покрытыми электродами

В НПП «ТЕХНОТРОН» разработан новый аппарат ДС 250.33 для сварки покрытыми электродами.

15-летний опыт производства и эксплуатации инверторных сварочных аппаратов, освоение новых производственных технологий и элементной базы с учетом современных мировых тенденций развития сварочного оборудования, а также опыт передовых компаний послужили основой для создания инверторного аппарата нового поколения.

Главными требованиями при разработке аппарата были надежность работы источника, высокий ПВ, простота эксплуатации, широкий температурный диапазон работы, возможность работы от автономных источников питания, хорошая ремонтопригодность.

Корпус аппарата выполнен из литых алюминиевых панелей, обеспечивающих жесткость каркаса. Порошковая покраска панелей и стенок предохраняет поверхность от коррозии и мелких повреждений. Выступающие на 15 мм панели защищают органы управления от случайных повреждений.

При разработке органов управления и отработке режимов разработчики столкнулись с противоречием: одна часть потребителей сварочного оборудования хотела бы иметь максимум функций в аппарате, в том числе и импульсный режим работы, удобный при сварке тонких деталей или в потолочном положении; другая, не менее значительная часть — только необходимый минимум ручек и регулировок. Задача была решена следующим образом. В базовом варианте (рис.18, а) имеется регулировка тока сварки и «форсирования» дуги. Кроме того, можно отключить «горячий старт» и выбрать наклон ВАХ.

При необходимости в источник вставляется блок импульсного режима (вместо заглушки), в котором предусмотрены регулировки тока пауза, времени импульса и паузы. Время снятия — установки блока 1 мин (рис.18, б).

Новый аппарат ДС 250.33 имеет следующие преимущества: в плавное регулирование сварочного тока в диапазоне от 25 до 250 А, точность задания тока — до 1 А, контролируется цифровым индикатором.

Таблица № 4. Технические характеристики аппарата ДС 250.33

Напряжение питания, В

380, -15/+10%

Потребляемая мощность, кВА

Не более 12

Сварочный ток (плавно регулируемый), А

25-250

Номинальный режим работы ПН,%

При 400 С

При 200 С



65

100

Максимальный ток при ПН=100%, А

200

Диапазон рабочих температур, 0С

-40 – 40

Масса, кг

29

Габаритные размеры, мм

505х225х435



<img width=«443» height=«261» src=«ref-1_732447514-26651.coolpic» v:shapes="_x0000_s1050">
Рис.18 — Базовый вариант аппарата (а) и новый вариант ДС 250.33 с импульсным блоком (б)

• дистанционное управление сварочным током,

• цифровую индикацию параметров сварки тока сварки (А) и степени «форсирования дуги» (в относительных единицах);

• пониженное напряжение холостого хода 12В,

• систему «горячего старта», обеспечивающую легкое возбуждение сварочной дуги;

• устройство «антистик», защищающее от прилипания электрода;

• возможность регулировки «форсирования» сварочной дуги, определяющей поведение сварочного тока в момент уменьшения и замыкания дугового промежутка (рис.19), уменьшение «форсирования» снижает разбрызгивание металла, а увеличение — уменьшает вероятность «прилипания» электрода, увеличивает проплавление и давление дуги;

• возможность выбора наклона ВАХ (0,4 или 1,25 В/А), позволяет управлять переносом металла в зависимости от конкретных условий сварки и типа электрода, что особенно важно при сварке целлюлозными электродами;

• автоматическое отключение при перегреве, пониженном напряжении и отсутствии одной из фаз питающего напряжения;

• заданный ток поддерживается вне зависимости от колебаний напряжения сети;

• в высокое выходное напряжение позволяет вести сварку при суммарной длине кабелей до 100 м;

• возможна поставка с блоком импульсного режима (исполнение 01) В этом случае цифровой индикатор отображает значение тока паузы (А), времени протекания тока импульса и тока паузы (с). Импульсный режим работы облегчает ведение процесса в различных пространственных положениях, сварку деталей малой толщины и снижает требования к квалификации сварщика, например при сварке вертикальных и потолочных швов. Управление тепловой мощностью дуги позволяет регулировать в широких пределах глубину проплавления и скорость кристаллизации металла шва при сварке труб и металлоконструкций в любом пространственном положении. Во время импульса тока мощность дуги нарастает, соответственно увеличивается количество расплавленного электродного и основного металлов. Снижение мощности дуги во время паузы способствует ускоренной кристаллизации жидкого металла сварочной ванны с одновременным снижением количества основного и электродного металлов. Используя импульсный режим, можно обеспечить требуемую проплавляющую способность дуги без опасности прожогов и получить большее количество наплавленного металла в единицу времени. При этом упрощается технология однопроходной сварки и выполнение корневых проходов при многослойной сварке труб и металлоконструкций без подкладок даже при больших допусках на сборку, повышается эффективность процесса сварки и улучшается формирование швов. Плавное очертание и мелкая чешуйчатость

швов соответствуют выбранному режиму пульсации дуги.

Питание источника осуществляется от стационарной трехфазной сети напряжением 380 В (50 Гц). Возможны колебания напряжения -15/+10 % (от 320 до 420 В) и колебания частоты -5/+15 Гц (от 45 до 65 Гц). Кпд источника около 85 %.

Предусмотрено питание источника от генератора (в составе передвижных машин). При этом аппарат потребляет не более 12 кВ • А на максимальном токе (250 А). И если при питании от стационарной сети это означает просто экономию электроэнергии, то при питании от дизель-генератора существенный выигрыш в количестве постов.

Возможно использование двух аппаратов при питании от генератора мощностью 30 кВт и четырех-пяти аппаратов — от генератора на 60 кВт.

Питание обычного инверторного источника от генератора имеет некоторые особенности.

<img width=«234» height=«138» src=«ref-1_732474165-2870.coolpic» v:shapes="_x0000_s1051">


Рис.19 — ВАХ источника при слабом (1) и сильном (2) «форсировании» сварочной дуги

Большинство генераторов рассчитано на активно-индуктивную нагрузку, при которой с ростом потребления напряжение питания падает. Поэтому производители устанавливают на генераторе корректор напряжения, который создает положительную обратную связь по току, компенсируя падение напряжения на нагрузке. Обычный инверторный источник имеет емкостной характер потребления, поэтому с ростом нагрузки напряжение на генераторе возрастает, а наличие корректора напряжения приводит к еще большему его росту. Результатом может быть выход из строя и инвертора, и самого генератора от перенапряжений. Чтобы избежать этого, приходится снижать напряжение холостого хода генератора, использовать его не на полную мощность или ставить дополнительные фильтры.

Аппарат ДС 250 33 полностью лишен указанных недостатков. Встроенный LC-фильтр обеспечивает питание источника от генератора. Аппарат адаптирован к работе с любым генератором, обеспечивающим необходимые напряжение, частоту и мощность.

Источники используются в составе передвижных ремонтных мастерских на базе автомобилей «КамАЗ» «УРАЛ», тракторов ДТ-75 ТТ-4М и ТДТ-55А. При этом аппарат ДС 250 33 комплектуется набором амортизаторов, силовыми кабелями и дистанционным управлением на 25м. Возможно удлинение кабелей до 50 м (суммарная длина 100 м).

Конструктивно внутреннее оснащение источника элементами выполнено по принципу «трубы», через которую воздух прогоняется вентилятором. Дном и боковыми стенами служат соответственно «трубы», дно и боковые стенки источника верхняя же стенка представляет собой «гребенку» радиатора. На радиаторе в верхней части источника находятся силовые элементы и система управления в нижней части внутри «трубы» силовой трансформатор выходной дроссель и другие элементы. Таким образом источник как бы разделен на две части. Такая компоновка дает явные преимущества, во-первых резко возрастает интенсивность охлаждения радиаторов во-вторых, пыль, которая, учитывая возможные места использования источника, может иметь и металлическую составляющую не попадает в верхнюю часть источника, где находится наиболее чувствительная к ней система управления.

Аппарат имеет микропроцессорное управление. Электронные платы собраны по технологии поверхностного монтажа, имеют защитную маску и покрыты двойным слоем лака. Все элементы рассчитаны на температурный диапазон работы от -40 до 40 °С.

Электронные платы не требуют дополнительной настройки имеют быстроразъемные соединения и могут быть заменены в течение 30 мин.

Аппараты проходят периодические испытания в камере тепла и холода при температуре от -40 до 40 °С на вибростенде, стенде радиопомех и при питании дизель-генератора мощностью 30 кВт. Перед отправкой потребителю все аппараты испытывают на полигоне.

Инверторный аппарат ДС 250 33 для сварки покрытыми электродами предназначен для работы в цеховых и трассовых условиях при питании как от стационарной сети, так и от генератора. Он сочетает в себе современные достижения в области техники и технологии сварки с простотой и удобством эксплуатации.

2.4 Универсальный сварочный инверторный источник общего назначения Invertec V300-1

В отечественном сварочном производстве давно существует потребность в надежном инверторном источнике на ток 300 А. При этом с точки зрения потребительских свойств (массы, минимума пульсаций, отсутствия неприятного звука) это должен быть высокочастотный, т.е. транзисторный инвертор. Основными недостатками выпускаемых в настоящее время машин такого класса являются низкая ПВ и недостаточный диапазон рабочих температур. Это в сочетании с высокой ценой сдерживает массово применение инверторных источников.

Сегодня на российском рынке появилась машина без указанных недостатков, учитывающая все тонкости эксплуатации сварочного оборудования на российских предприятиях.

Инверторный источник питания Invertec V300-1 является базовым для целой серии инверторов фирмы The Lincoln Electric Company и предназначен для ручной дуговой сварки штучным электродом, аргонодуговой неплавящимся электродом, механизированной сплошной или порошковой проволокой. Основные технические характеристики машины приведены в таблице №5.

Таблица № 5

Сеть питания

Номинальные выходные параметры

Выходной ток, А при напряжении, В

Сварочный ток, А

Габаритные размеры, мм

Масса, кг



Ток, А

Напряжжение, В

ПВ, %

200

220

380

415

440



Трёхфазная

300

32

60

43

39

25

25

22

5-300

475х274х564

29

50/60 Гц

250

30

100

34

41

20

20

8

Однофазная

300

32

60

53

47

32

32

29

50/60 Гц

250

30

100

42

39

25

25

22



В основе конструкции лежит транзисторный инвертор с частотой преобразования 20 кГц. Высокая частота позволяет исключить характерное для источников такого рода неприятное звучание, особенно на больших токах, а также дает исключительно гладкую выходную характеристику и большие возможности для управления основными сварочными параметрами током (падающая характеристика) или напряжением (жесткая).

Установку режимов и параметров сварки выполняют с помощью органов управления, расположенных на передней панели источника (рис 20).

Тип используемого процесса устанавливают с помощью пятипозиционного переключателя:

1. GTAW — аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. Позволяет легко возбуждать дугу путем касания электродом изделия либо с помощью высокочастотного устройства.

2 СС SOFT — крутопадающая характеристика, «мягкая» дуга. Рекомендуется для ручной дуговой сварки электродами с основным покрытием типа ЕХХ18-ЕХХ28 по AWS;

3. СС CRISP — пологопадающая характеристика, «жесткая» дуга. Используется для ручной дуговой сварки электродами с целлюлозным покрытием типа ЕХХ10-ЕХХ14 по AWS. Данный режим можно также применять для разогрева изделия электрическим током и выполнения теста работоспособности аппарата подачей активных нагрузок.

4. CV FCAW — жесткая характеристика Рекомендуется для механизированной сварки газозащитной или самозащитной порошковой проволокой.

5. CV GMAW — жесткая характеристика Применяется при механизированной сварке сплошной проволокой в защитном газе. Сварку можно вести в режимах переноса металла сериями в процессе коротких замыканий, а также капельного или струйного переноса. При сварочном напряжении ниже 16 В сварку сплошной проволокой в защитном газе рекомендуется выполнять в режиме CV FCAW.

Регулировку выходной мощности во всем диапазоне обеспечивает плавный регулятор Заданные значения напряжения или тока (в зависимости от выбранного режима) индицируются на жидкокристаллическом дисплее. Во время сварки дисплей показывает реальные значения тока или напряжения, измеряемые на выходных клеммах источника. Для выбора индицируемого параметра достаточно установить в необходимое положение специальный тумблер, расположенный рядом с индикатором Для установки правильной полярности измеряемого напряжения используют двухпозиционный переключатель, расположенный на задней стенке корпуса машины.

Источник оснащен специальным регулятором форсирования дуги или индуктивности сварочного контура Arc Fcrce / Inductance Control (рис.21), который применяют во всех указанных сварочных процессах за исключением аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW). При крутопадающей вольт-амперной характеристике регулятор изменяет ток короткого замыкания, управляя степенью активности сварочной дуги в момент закорачивания дугового промежутка. Дуга становится «мягкой» при установке регулятора на минимальные значения по относительной шкале. При максимальных значениях давление проплавления) дуги увеличивается, она становится более подвижной. При этом увеличивается разбрызгивание.

<img width=«342» height=«322» src=«ref-1_732477035-18939.coolpic» v:shapes="_x0000_s1052">
При жесткой вольт-амперной характеристике регулятор изменяет количество индуктивности вводимой в сварочную цепь. При этом изменяется динамика роста или снижается сварочный ток при изменении напряжения вследствие влияния так называемого 'Пинч-эффекта". Последнее наиболее ощутимо при сварке на режиме переноса металла сериями коротких замыканий.

Рис.20 – Панель управления источника Invertec V300-1

При сварке порошковой проволокой рекомендуется устанавливать регулятор в положение, соответствующее максимуму. Для сварки сплошной проволокой в СО2 или смеси газов с большим содержанием СО2 на шкале устанавливают одно из значений верхней половины диапазона. При использовании в качестве защитной среды смеси инертных газов рекомендуется первая половина шкалы.

Источник имеет возможность дистанционного управления путем подачи напряжения на выходные терминалы и регулировки выходной мощности с помощью двух двухпозиционных переключателей установки режима дистанционного управления. Один из них управляет подачей напряжения на выходные клеммы источника. При этом возможны два положения: на клеммах постоянно присутствует потенциал (ручная дуговая сварка штучными электродами, аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом, воздушная строжка) и потенциал подается на клеммы только при нажатии кнопки на горелке (механизированная сварка).

Другой тумблер выбирает режим регулировки выходной мощности, управление которой может происходить либо с помощью регулятора, установленного непосредственно на источнике, либо со специального пульта дистанционного управления Длина стандартных кабелей пульта ДУ составляет 7,6 или 30,2 м. Допускается параллельная работа двух источников для увеличения выходной мощности.

Такое разнообразие режимов и функций предполагает использование источника питания lnvertecV300-1 с большим количеством дополнительного оборудования. Далее рассматриваются примеры наиболее распространенного применения источника.

Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. Для использования вместе с источником разработан специальный блок DC TIG Starter, крепящийся под источником и увеличивающий его высоту на 20 см. При этом полностью сохраняется легкость и удобство при переноске. Блок обеспечивает следующие функции: высокочастотный старт дуги без касания электродом детали; управление подачей инертного газа, фиксированную предварительную подачу и программируемую задержку отключения газа; регулировку спада тока при заварке кратера; выбор двух или четырехшагового сварочного цикла.

Механизированная сварка в цеховых условиях. Источник питания Invertec V300-1 обеспечивает использование практически всех подающих устройств производства The Lincoln Electric Companv. Также возможно подключение подающих механизмов, работающих на переменном токе при 42 или 115 В. Диапазон тока, равный 5-350 А, позволяет использовать проволоку диаметром 0,6-1,6 мм э функция управления индуктивностью — точно подстроить сварочную систему для конкретного применения.

<img width=«344» height=«119» src=«ref-1_732495974-5682.coolpic» v:shapes="_x0000_s1053">


Рис.21 – а) жёсткие выходные характеристики при различном положении регулятора Inductance Control; б) падающие выходные характеристики при различном положении регулятора Arc Force.

Механизированная сварка в монтажных условиях. Для этого рекомендуется применять подающии механизм LN-25, который не требует кабеля управления и питания, а работает при включении в сварочную цепь. Комплект Invertec V300-1/LN-25 зарекомендовал себя при использовании на открытых строительных площадках, стапелях, при проведении ремонтных работ на открытом воздухе, т е везде, где требуется максимальная мобильность и транспортабельность.

Механизированная сварка цветных металлов и сложных сталей. Специальный блок MIG Pulser позволяет применять источник питания Invertec V300-1 для импульсной сварки. Блок включается в цепь кабеля управления между источником и подающим механизмом. Диапазон частотного регулирования 20-300 Гц. Допускается раздельная установка базового и пикового тока. Применение блока позволяет выполнять импульсную сварку алюминия и коррозионно-стойкой стали с высоким качеством. Для сварки алюминия, особенно в монтажных условиях, рекомендуется использовать в комплекте с источником питания Invertec V300-1 специализированный полуавтомат COBRAMATIC, оборудованный системой горелок Push-Pull. Эта система позволяет использовать горелки со шлангами длиной до 15 м для подачи алюминиевой проволоки диаметром 0,8-1,6 мм. При этом возможна сварка алюминиевых конструкций практически любых формы и размеров.

    продолжение
--PAGE_BREAK--