6.11. Расчет дросселя фильтра.

На конструкцию и электрические параметры дросселя влияют несколько факторов: толщина немагнитного зазора ∆z, lm, w, Sc.

Здесь Bm – амплитудное значение магнитной индукции, Тл, L1 - индуктивность дросселя, Гн, Id – максимальное значение тока нагрузки, w – количество витков обмотки дросселя, lm – средняя длина линии магнитного потока, Sc – площадь сечения магнитопровода, м², µr, µ0, µe соответственно относительная магнитная проницаемость, магнитная постоянная, эквивалентная магнитная проницаемость изделия, Гн/м.

Приравняем выражения Bm и L1 к заданным (рассчитанным) значениям 1,2 Тл и 1,6 млГн соответственно, решим полученные уравнения относительно количества витков w обмотки дросселя.

После подстановки значений констант, площади сечения магнотопровода Sc (принята равной площади сечения магнитопровода СТ: 36 см², амплитудного значения подмагничивающего тока с учетом возможного отклонения напряжения сети на +10% 110 А, получим 2 зависимости количества витков обмотки от длины магнитной силовой линии lm и толщины немагнитного зазора ∆z.

(пунктирные линии) показаны на рис. 6.10.

Рис. 6.10

Графики соответствующих функций расположены снизу вверх, т.к. с увеличением размера зазора растет необходимое число витков w (рис. 6.10). Решение следует искать на пересечении пар линий с одинаковыми номерами.

Только одно решение, соответствующее 4-й паре линий (∆z = 4 мм, отмечено точкой) технически реализуемо: w = 40 витков, lm = 0,6 м.

Размеры шины обмотки дросселя определим по выражению и выберем близкие к стандартным: 3 х 12 мм.

7. Инверторные источники питания для сварки

Такие ИП называют также источниками питания с промежуточным звеном повышенной частоты (ПЗПЧ).

В отличие от рассмотренных выше трансформаторов и выпрямителей для дуговой сварки такие ИП в своей структурной схеме (рис. 6.1) содержат промежуточный преобразователь постоянного тока в переменный ток, частота которого значительно превышает частоту промышленной сети (50 Гц) и может составлять в зависимости от элементной базы преобразователя, технико-экономических требований, прочих соображений разработчика десятки и даже сотни кГц.

Рис. 7.1

На рис. 7.1: В1 – входной неуправляемый выпрямитель; Ф1 – первый фильтр; АИ – автономный инвертор; Т – трансформатор; В2 – выходной неуправляемый выпрямитель; Ф2 – второй (выходной) фильтр; Н – нагрузка (сварочная цепь); СУ – система управления автономным инвертором.

В качестве ПЗПЧ применяются разные виды автономных инверторов, отличающиеся схемными решениями, типами силовых ключей (вентилей), принципами управления и пр.

Наличие высокочастотного управляемого преобразователя значительно улучшает массогабаритные показатели оборудования, приближает к единице коэффициент мощности установки, придает ей подвижность, экономит электротехнические материалы.

Самым существенным достоинством такой структуры источника энергии является приобретение им новых технологических свойств и, зачастую, многофункциональности. Это достигается возможностью формирования оптимальных для конкретного процесса статических внешних характеристик, легкостью реализации во времени оптимального закона управления энергией.

С помощью инверторной техники эти задачи решаются вполне успешно. Производятся и пользуются спросом как источники питания на номинальный сварочный ток до 160 А, масса которых составляет менее 10 кг, так и установки большой мощности, реализующие функции «горячего старта», целый ряд разнообразных режимов.

Пример – установка FRONIUS TRANSPOCKET 450 для ручной и TIG сварки, воздушно-дуговой строжки.

Деформация статических характеристик придает им вид, оптимальный для типа электрода, материала и формы изделия, положения шва по желанию сварщика и осуществляется им с помощью органов управления на передней панели.

Статической характеристике может быть придан произвольный наклон. Полого падающие характеристики применяют при сварке электродами с целлюлозным покрытием, а также для выполнения узких, выпуклых и корневых швов основными электродами, для дуговой строжки деталей.

В динамике реализуется функция «горячего старта», причем возможно плавное изменение как амплитуды импульса стартового тока, так и его длительности. Технологический эффект заключается в легкости зажигания дуги с электродами любого состава, устранении холодного спая и шлаковых включений.

Применение инверторов в системах электропитания открыло совершенно новые технологические возможности. Управление процессом на стадиях плавления металла и его переноса в сварочную ванну, длительность которых измеряется сотнями мкс – единицами млс, достижимо уже при частотах инвертирования в несколько кГц.

Технологический эффект – отсутствие брызг и дефектов швов в начале и в конце прохода, легкость перенастройки в условиях сварочного производства изделий из различных материалов.

Пример - установка ARISTO 2000 (ESAB, Швеция) .

Сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом (TIG) цветных металлов. Качество сварного шва зависит от формы тока, особенно касается это сплавов алюминия. Скорость нарастания и окончания сварочного цикла, частота знакопеременных импульсов «очистка-плавление», соотношение их длительностей часто являются решающими факторами.

Инверторные источники тока способны обеспечить любую его форму на «медленных» стадиях (старт, нарастание тока до номи-

Рис. 7.2

нального, сварка с модуляцией значений тока или без нее, заварка кратера, баланс в периоде очистка – плавление) и «быстрых» (в частности, получение импульсов, близких по форме к прямоугольной). Формирование специальных статических характеристик также проблем не вызывает. Пример – установка FRONIUS MW 2600 (Австрия).

Встроенный компьютер позволяет программировать работу установки на разных уровнях: диагностика, виды сварки и пр.

На рис.7.2 представлен вариант сварки алюминиевого сплава – 4-х тактный режим с осциллятором.

Особенности работы преобразователя на высокой частоте учитываются при проектировании выбором специальных материалов для магнитопровода трансформатора и быстродействующих силовых полупроводниковых приборов (тиристоров или транзисторов).

На частотах более 2 кГц применение стальных магнитопроводов не оправдано. С увеличением частоты растут потери на вихревые токи, требующие снижения рабочей индукции и соответствующего увеличения площади сечения стали и массы трансформатора.

Рекомендуемые материалы для частот до 100 кГц – ферриты, например 2500НМС1, а также сплавы на основе аморфного железа, например, ГМ515В. Снижению массы трансформатора на более высоких частотах главным образом препятствуют потери в медных обмотках за счет поверхностного эффекта, которые уже на частоте 50 кГц возрастают примерно в 4 раза по отношению к потерям на частоте промышленной сети.

Другая проблема – выбор силовых полупроводниковых приборов, применяемых в ПЗПЧ и его схемы.

В большинстве автономных инверторов современных источников питания применяются полевые транзисторы (MOSFET) или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Последние работают в ограниченном частотном диапазоне (около 50 кГц), но им свойственны низкие статические потери.

Для полевых транзисторов характерны малые потери в динамике на высоких частотах (100 кГц и более), однако сопротивление канала этой структуры приводит к росту потерь в статике.

Полная управляемость транзисторов позволяет создавать интеллектуальные силовые модули, в которых объединены силовой ключ, элементы управления и защиты.

Таблица 7.1

Основные параметры источников питания для дуговой сварки с инверторным звеном, разработанных в России и ведущими зарубежными фирмами

Страна	Фирма	Функциональные возможности			Марка	Св.ток при (ПВ),А	Масса, кг	Технические Особенности (схема ИП, сеть)
		MMA (ø эл, мм)	MAG/ MIG (ø пров., мм)	TIG
Россия	ФЕБ	+(1,5-6)	+	-	ФЕБ350М	350 (0,4)	45	Тиристорный Инвертор, 3ф
Россия	ВИГ	+	-	+	TIG1 DAC/DC	150 (0,35)	26	Транзисторный Инвертор, 1ф
Россия	Техно-трон	+	+ (0,6-1,2)	-	DC250	80-250 (0,6)	25	Транзисторный Инвертор, 3ф
Россия	Феникс	+ (<3)	+	-	ИИП-100	100 (0,6)	11	Транзисторный Инвертор, 1ф
Россия	Русич	+ (<=5)	+	-	Русич-200	205 (0,45)	15	Транзисторный Инвертор, 1ф
Украина	Комму- нар	+	-	+	Вдуч-16	160 (0,6)	20	Тиристорный Инвертор, 1ф
Украина	Сэлма	+ (2-4)	+	-	Вдуч-161	160 (0,35)	25	Тиристорный Инвертор, 1ф
США	LINCOLN	+	+	-	Invertec V130-S	130	5,5	Транзисторный Инвертор, 1ф
США	LINCOLN	+	-	+	Sqare wave TIG 355	400	232	Транзисторный Инвертор, 3ф
Финлян-дия	KEMPPI	+ (<=6)	+	-	PS5000	500 (0,6)	92	Тиристорный Инвертор, 3ф
Финлян-дия	KEMPPI	+	+	+	PRO5000	500 (0,6)	48	Тиристорный Инвертор, 3ф
Герма-ния	MESSER	-	+	-	MIG250	250 (0,6)	38	Транзисторный Инвертор, 3ф
Австрия	FRONIUS	+	+	+	TRANSARC 500	500 (0,6)	107	Транзисторный Инвертор, 3ф
Австрия	FRONIUS	+	-	+	MAGIC WAVE 450	450 (0,6)	134	Транзисторный Инвертор, 3ф
Австрия	FRONIUS	+	+	+	MAGIC WAVE 2600	300 (0,65)	30	Транзисторный Инвертор, 3ф
Австрия	FRONIUS	+	-	+	TRANSPO- CKET 1400	140 (0,6)	4,2	Транзисторный Инвертор, 1ф
Швеция	ESAB	+	-	-	CADDY	140 – 250	120	Транзисторный Инвертор, 1ф
Швеция	ESAB	+	+	+	ARISTO 2000	450 (0,6)	125	Транзисторный Инвертор, 3ф

Основной недостаток транзисторов всех типов – низкая перегрузочная способность по току. Специфика сварочного оборудования, в особенности, MIG/MAG сварки с короткими замыканиями заставляет вводить избыточную мощность. Кроме того, усложняется система защиты от перегрузок, что в совокупности увеличивает себестоимость.

Применение тиристоров в качестве ключевых элементов сглаживает некоторые технические проблемы, но требует введения пассивных или активных цепей принудительной коммутации.

Узкий частотный диапазон современных тиристоров (12-15 кГц) делает необоснованным применение сложных компьютерных систем управления, однако простота и надежность тиристорных инверторов и сварочных источников питания на их основе могут создать конкуренцию сложным транзисторным преобразователям.

В транзисторной инверторной технике в настоящее время наиболее распространена двойная несимметричная схема (рис. 7.3).

Ее достоинства: простота, отсутствие сквозных токов в плечах моста, не ограниченных реактивными элементами, возможность реализации любого закона регулирования (ЧИМ, ШИМ, ФИМ), инвариантность к типу силовых транзисторов. Недостаток – наличие 2 секций первичных обмоток трансформатора Т1: W1-1 и W1-2.

Принцип действия схемы аналогичен принципу мостового инвертора с обратными вентилями. Это положение становится очевидным, если считать связь между секциями первичной обмотки идеальной. Такое допущение позволяет заменить 2 секции одной первичной обмоткой.

Диоды VD5,..VD8 включаются в схему как самостоятельные элементы только в случае применения биполярных или IGBT транзисторов. Если VT1,..VT4 – транзисторы технологии MOSFET, то указанные диоды уже присутствуют в их структуре.

Рис. 7.3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное электросварочное оборудование (ЭСО) в своем составе содержит сложные аппаратные средства. Это касается как информационного обеспечения, так и силовых преобразовательных устройств.

Последние являются сложными динамическими нелинейными импульсными системами.

Их анализ, синтез и оптимизация не вызывают серьезных проблем у специалиста, владеющего современным математическим аппаратом и программным обеспечением.

В результате освоения данной дисциплины специалисты должны приобрести навыки проектирования электросварочного оборудования для различных применений и условий производства, с разнообразными технологическими возможностями.

Более подробные сведения о процессах и оборудовании для дуговой электросварки специалист может найти в литературе [3,4,5].

Список литературы

1. Кошелев П.А., Овчаренко А.Е. Проектирование источников питания технологических установок с промежуточным звеном повышенной частоты: Учеб. Пособие. Л. РИО ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина), 1990.

2. Кошелев П.А., Парамонов С.В. Проектирование источников питания автоматизированных электротехнологических установок: Учеб. пособие. СПб. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999.

3. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. – М.: Машиностроение, 1989.

4. Оборудование для дуговой сварки: Справ. пособие. / Под ред. В.В.Смирнова. – Л.: Энергоатомиздат, 1986.

5. Оборудование для контактной сварки: Справ. пособие. / Под ред. В.В.Смирнова. – СПб.: Энергоатомиздат,Санкт-Петербургское отд-ние 2000.

Содержание

Введение……………………………………………………………………..….3

1. Процессы электросварки…………………………………………….….…4

1.1. Процессы дуговой сварки их классификация………………….….…4

1.2. Процессы контактной электросварки……………………………….…6

1.3. Режимы работы источников питания……………………………….…8

2. Требования к источникам питания для дуговой сварки………………9

3. Внешние статические характеристики источников питания

для дуговой сварки ………………………………………………………10

4. Трансформаторы контактных сварочных машин……………………..15

4.1 Особенности трансформаторов машин контактной сварки……….15

4.2 Расчет трансформаторов машин контактной сварки……………….18

4.3 Трансформаторы машин для импульсной контактной сварки…….19

4.4. Трансформаторы конденсаторных машин ………………….………21

4.5. Трехфазные сварочные трансформаторы………………….………22

4.6. Трансформаторы трехфазных машин постоянного тока…………23

5. Трансформаторы (СТ) для дуговой сварки……………………………25

5.1.СТ с подвижными обмотками…………………………………………..25

5.2. СТ с подвижным магнитным шунтом…………………………………29

6. Выпрямители для дуговой сварки……………………………………..31

6.1 Выбор принципиальной схемы силовой части………………….….31

6.2. Расчет вторичных напряжений трансформатора…………………35

6.3. Расчет токов трансформатора…………………………………………35

6.4. Расчет трансформатора (предварительный) ……………………..37

6.5. Определение значений входных переменных………………………38

6.6. Расчет электрических параметров………………………………….40

6.7. Оптимизация силового трансформатора…………………………….42

6.8. Расчет сглаживающего фильтра………………………………………50

6.9. Расчет RC-цепей………………..……………………………………….51

6.10. Подготовка данных для модели……………………………………...51

6.11. Расчет дросселя фильтра…………………………………………….55

7.Инверторные источники для дуговой сварки…………………………..57

Заключение…………………………………………………………….………64

Список литературы……………………………………………………………65

Редактор

ЛР № 020617 от 24.06.98

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. печ. л. Уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. Заказ

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»