3.7 Принцип действия и режимы инверторного источника

3.7.1 Транзисторный инверторный источник

Схема транзисторного инверторного источника (рисунок 3.10) наи­более удобна для объяснения процесса инвертирования. Сетевой выпря­мительный блок V1 преобразует переменное напряжение сети в постоян­ное, которое сглаживается с помощью низкочастотного фильтра L1—С1. Затем выпрямленное напряжение U_вс преобразуется в однофазное пере­менное u₁ высокой частоты с помощью инвертора на двух транзисторах VT1 и VT2. Далее напряжение понижается трансформатором Т до u₂, вы­прямляется блоком вентилей V2, проходит через высокочастотный фильтр L2—С2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения и_в.

Рисунок 3.10 – Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжений (б) выпрямителя с транзисторным инвертором

Подробнее рассмотрим процесс инвертирования. При подаче сигна­ла на базу транзистора VT1 отпирается его коллекторная цепь и по пер­вичной обмотке трансформатора T в интервале времени t₁ идет ток в на­правлении, показанном тонкой линией. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. С некоторой задержкой отпирается транзистор VT2, при этом в интервале времени t₂ ток по трансформатору идет уже в другом направлении, показанном пунктиром. Таким образом, по пер­вичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Длительность его периода Т и частота переменного тока f=1/Т зависят от частоты запуска транзисторов, определяемой системой управления. Обычно ча­стота устанавливается на уровне 1– 100 кГц. Поскольку эта частота не зависит от частоты сети, такой инвертор называют автономным. Иногда инвертор конструктивно объединяют с трансформатором Т, выпрями­тельным блоком V2 и фильтром L2—С1. Такое устройство называют конвертором, у него на выходе, как и на входе, постоянное напряжение, но меньшей величины.

Если на входе инвертора установлен мощный накопительный кон­денсатор (или их батарея) С1, то напряжение инвертора и₁ имеет пря­моугольную форму, как показано на рисунок 3.10, б. Такую конструкцию на­зывают автономным инвертором напряжения (АИН). Напротив, если на входе инвертора установить мощный дроссель L1, а обмотку трансфор­матора Т шунтировать конденсатором, то сглажен будет уже ток. Такой преобразователь называется инвертором тока (АИТ). Наконец, возмож­на конструкция, в которой благодаря наличию последовательно соеди­ненных индуктивности и емкости образуется колебательный контур с синусоидальным током, она названа резонансным инвертором (АИР).

Инвертор — это устройство, преобразующее постоянное напря­жение в высокочастотное переменное. Конвертор — устройство для понижения или увеличения постоянного напряжения с проме­жуточным высокочастотным звеном.

Регулирование режима сварки осуществляется несколькими спосо­бами. Например, при увеличении напряжения сетевого выпрямителя U_вс увеличивается и амплитуда высокочастотного напряжения U₂ среднее значение U_в выпрямленного напряжения (рисунок 3.11, а). С этой же целью изменяют ширину импульсов инвертора (рисунок 3.11, б). Одна­ко более удобным и распространенным способом является изменение частоты импульсов (рисунок 3.11, в)

В инверторном выпрямителе используется амплитудное, ши­ротное и частотное регулирование режима.

Рисунок 3.11 – Осциллограммы инверторного выпрямителя при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), ширины (б) и частоты (в) импульсов

Внешние характеристики инверторного выпрямителя зависят глав­ным образом от конструктивных особенностей инвертора и трансформа­тора (рисунок 3.12, а). Естественная внешняя характеристика собственно инвертора АИН почти жесткая (линия 1). Но поскольку индуктивное со­противление трансформатора Х_Т, пропорциональное частоте инвертиро­вания f велико даже при небольшом магнитном рассеянии, то характе­ристика выпрямителя в целом получается падающей (линия 3). Обычно же внешние характеристики формируются искусственно с помощью системы управления. Например, для получения крутопадающих характеристик вводится отрицательная обратная связь по току, при которой с увеличением сварочного тока частота инвертирования снижается, что приводит к уменьшению выпрямленного напряжения (линия 2):

Подобным же образом для получения жестких характеристик вво­дится обратная связь по выпрямленному напряжению:

Рисунок 3.12 – Внешние характеристики инверторных выпрямителей

В инверторном выпрямителе сравнительно легко получить ломаную внешнюю характеристику (рисунок 3.12, б), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для задания сравни­тельно высокого напряжения холостого хода, что полезно при зажига­нии дуги. Пологопадающий основной участок 2 обеспечивает эффек­тивное саморегулирование при механизированной сварке в углекислом газе. Вертикальный участок 3 ограничивает сварочный ток, что предот­вратит прожог при сварке тонкого металла. Последний участок 4 зада­ет величину тока короткого замыкания. Разумеется, положение каждо­го участка настраивается с помощью отдельных регуляторов. Так, при сварке в углекислом газе перемещением по вертикали участка 2 регули­руется сварочное напряжение, а при сварке покрытыми электродами перемещением участка 3 устанавливается сила тока.

Естественные внешние характеристики выпрямителя зависят от конструкции инвертора и трансформатора. Искусственные ха­рактеристики формируются с помощью обратных связей по току и напряжению.

Схемное решение транзисторного инвертора проще, чем у тиристорного. Разумеется, это относится только к мощным транзисторам, когда в каждом плече инвертора установлено не более одного вентиля. Ранее на рисунок 3.10 была пояснена работа двухтактного инвертора с нулевым выводом. Самые распространенные в сварочных выпрямителях схемы приведены на рисунок 3.13.

Двухтактный мостовой инвертор показан на рисунок 3.13, а. В первом полупериоде (такте) система управления запускает транзисторы VT1 и VT4, и ток идет по первичной обмотке трансформатора в направлении, показанном тонкой линией. Во втором полупериоде путь тока через транзисторы VT2 и VT3 показан пунктирной линией.

Однотактный полумостовой инвертор на рисунке 3.13, б приведен в составе конвертора, он имеет половинное количество транзисторов. В момент t₁ при отпирании транзисторов VT1 и VT2 по первичной обмотке трансформатора идет импульс тока, показанный тонкой линией. Затем следует пауза t₁-t₄, после чего в этом же направлении прохо­дит такой же импульс тока (рисунок 3.13, в). 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 диодов VD1, VD2. С момента t₂ выключения транзисторов энергия, запасенная в индуктивности первичной цепи, возвращается в сеть. При этом по первичной обмотке через диоды по пути, показанному пунктирной линией, идет ток, постепенно снижаясь к моменту t₃.

Рисунок 3.13 – Схемы транзисторных инверторов

Теперь обратимся к процессам в сварочной цепи. Импульс тока, трансформированный во вторичной обмотке с момента t₁, передается нагрузке через диод VD3 по пути, показанному тонкой линией. С мо­мента t₂ ток в нагрузке поддерживается в основном за счет энергии, за­пасенной в индуктивности L. С этой целью используется обратный диод VD4, ток по которому показан пунктиром. При достаточно большой индуктивности L выпрямленное напряжение U_B может быть сглажен­ным до уровня, приемлемого по условиям технологического процесса (рисунок 3.13, в).

Надежность транзисторного инвертора пока еще невелика, здесь са­мым уязвимым элементом являются именно транзисторы. При конструи­ровании сварочного выпрямителя стремятся к снижению числа вентилей, снижению тока и напряжения на них. При недостаточном допустимом токе приходится в каждое плечо устанавливать несколько параллельно со­единенных транзисторов. В этом случае усложняется система управления и возникает проблема подбора вентилей с близкими характеристиками. Поэтому рационально параллельное соединение не транзисторов, а транзисторных модулей, каждый из которых снабжен собственными элемен­тами управления и защиты. В этом случае может быть реализован и принцип резервирования, по которому неисправные модули отключают­ся без ущерба для общей работоспособности всего выпрямителя. В ка­честве примера можно привести модуль МТКД-40-7, специально пред­назначенный для применения в ключевых схемах преобразователей. Его предельный ток коллектора 40 А, а максимальное обратное напряжение цепи «коллектор—эмиттер» 700 В. Он представляет собой со­ставной транзистор с резисторами и диодами в цепях управления и за­щиты, его коэффициент передачи по току может достигать 100.

Таблица 3.1 – Сравнительные характеристики

малогабаритных сварочных инверторов

Модель	Страна изготовитель	Напряжение питания	Потребляемая мощность	Диапазон сварочного тока, А	ПВ, %	Габаритные размеры, мм	Масса, кг
Master-1600 MLS (Kemppi)	Финляндия	230	4,8	10-160	40	410x180x390	14,0
Minar-140 (Kemppi)	Финляндия	230	4,1	10-140	35	305x123x250	4,2
Invertec V 140-S (Lincoln Electric)	США	230	6,2	5-140	35	254x145x350	6,0
OrigoArc 150 (ESAB)	Швеция	230	5,0	4-150	25	380x180x300	6,9
ТЕ 161 (Merkle)	Германия	230	3,7	3-150	35	290х152х235	5,3
MOS 138 E (Deka)	Италия	230	2,5	5-130	15	310x120x160	4,0
Tecnica 140 (Telwin)	Италия	230	4,2	5-130	25	315x135x210	5,1
Technology 150 (Telwin)	Италия	230	4,2	5-130	60	430x170x290	9,2
Discovery 140 (Weco)	Италия	230	6,9	5-140	35	120x310x215	4,3
Handy S 200 (Lorch)	Германия	230	4,5	10-140	60	280x138x220	4,5
S 1601 (Cemont)	Италия	230	4,5	5-150	35	235x145x340	7,7
Transpoket 1500 (Fronius)	Австрия	230	7,0	10-150	35	315x110x200	4,7
Piko 140 (EWM)	Германия	230	6,0	5-140	35	335x110x220	4,5
DC 140 («Технотрон»)	Россия	220	6,9	10-140	35	310x120x215	4,0
Торус-200 (Тор)	Россия	220	5,0	40-200	40	115x185x280	5,0
Форсаж-125 (ГРПЗ)	Россия	220	4,0	40-125	40	330x142x245	6,7
Прогресс-130 («Электрик»)	Россия	220	5,0	3-130	35	367x266x163	6,0
Адонис-2 («Корд»)	Россия	220	5,1	35-160	60	165x360x370	14,5
ВДУЧ-1371 («Спецэлектромаш»)	Россия	220	4,0	5-130	100	365x140x196	8,0
ВМЕ-120 («ПромЭл»)	Россия	220	2,7	10-120	80	140x240x65	2,2
ВМЕ-140 («ПромЭл»)	Россия	220	3,2	10-140	80	147x250x65	2,3
ВМЕ-160 («ПромЭл»)	Россия	220	3,7	10-160	80	170x296x90	3,6

Сварочные свойства инверторных выпрямителей существенно луч­ше, чем у всех современных источников, и объясняется это высоким быстродействием инвертора. Если у других источников длительность переходного процесса не менее периода стандартного переменного тока, т.е. около 0,02 с, то у инверторного выпрямителя быстродействие харак­теризуется значениями 0,001 с и меньше. При механизированной свар­ке в углекислом газе инверторный выпрямитель способен обеспечить сложный алгоритм изменения тока с целью управления переносом электродного металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высокие динамические свойства инверторного выпрямителя проявляются и в случае программного управления процессом ручной дуговой сварки. 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.

Достоинства и недостатки инверторного источника тесно связаны друг с другом. Здесь энергия претерпевает по крайней мере 4 ступени преобразования. Тем не менее такой выпрямитель экономичен и весьма перспективен. Дело в том, что сердечник высокочастотного трансформатора имеет очень малые сечение и массу. Обычно сердечник весит почти в 10-20 раз меньше, чем сердечник трансформатора на 50 Гц. В це­лом выпрямитель также имеет замечательные массо-энергетические характеристики: 0,1-0,3 кг на 1 А сварочного тока и 4-8 кг на 1 кВт потребляемой мощности, т.е. весит в 3-5 раз меньше других выпрями­телей. И все же инверторный выпрямитель дороже других источников, поэтому его рекомендуют использовать в тех случаях, где имеют значение малые масса и габариты — при сварке на монтаже, в быту, на ремонтных работах. В эксплуатации такой источник чрезвычайно экономичен. Его КПД не ниже 0,7. а иногда достигает 0,9. Главный недо­статок инверторного выпрямителя заключается в чрезмерной сложности устройства и связанной с этим низкой надежности и ремонтопригодности.

К основным преимуществам инверторных источников можно отнести:

1. Экономия металла трансформаторного железа в 10 и более раз по сравнению с трансформатором 50 Гц.

2. Хорошие характеристики по массово-энергетическим показателям (0,1...0,2 кг/А, 4..8 кг/кВт).