Инверторные источники питания для электродуговой сварки

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

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.

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.

Рис.14 -  Внешние характеристики синхронного генератора

(3 -cos(φ= 1)

Рис.15 - Структурная схема инверторного сварочного источ­ника

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.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4