9.3. Тиристорный сварочный выпрямитель как замкнутая система автоматического регулирования

Параметры сварочного выпрямителя можно регулировать вручную или по заданному закону от автоматического регулятора. Если угол регулирования в управляемом выпрямителе задавать вручную и не изменять в процессе нагрузки, то выпрями­тель будет работать на естественных внешних характеристиках, приведенных для одной из схем выпрямления на рис. 3-6. Такие характеристики могут найти в сварке очень ограниченное при­менение, например для сварки в углекислом газе без стабилиза­ции режима при колебаниях напряжения сети.

В большинстве случаев возникает необходимость получения различных внешних характеристик (жестких, полого- и крутопадающих, с регулируемой крутизной наклона и др.), стабилиза­ции режима при колебаниях напряжения сети, автоматического и программного изменения тока и напряжения во времени.

Эти задачи могут быть решены, если сварочный выпрямитель снабдить автоматическим регулятором. Автоматический регулятор АР (рис. 5-6), система импульсно-фазо­вого управления СФУ и непосредственно тиристорный выпрямитель В составляют замк­нутую систему автоматического регулиро­вания. Нагрузкой сварочного выпрямителя является сварочная дуга СД. Система СФУ является исполнительным органом системы авторегулирования.

Автоматический регулятор (рис. 5-7), в свою очередь, состоит из датчика регули­руемой величины Д, блока задания БЗ тре­буемого значения регулируемой величины, элемента сравнения ЭС и усилительного элемента У. В сварочных выпрямителях элемент сравнения и уси­литель обычно объединены.

Тема 10.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ. НАЗНАЧЕНИЕ, КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЦИП РАБОТЫ. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ИНВЕРТОРОМ. МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА.

3.1. Функциональные возможности инверторных источников питания. Объем наплавленного металла, полученный дуго­вой сваркой, во всем мире превышает 90 %. Ис­точники питания (ИП) сварочной дуги являются одним из основных элементов технологической це­пи, в значительной степени влияющим на качество получаемых сварных соединений, а также на тех­нико-экономические показатели процесса дуговой сварки в целом.

Полупроводники открыли конструкторам возмож­ность создать новые сварочные источники. Сначала в сварочных выпрямителях были примене­ны кремниевые диоды, затем появились тиристоры и, наконец, транзисторы, используемые в современ­ных инверторных источниках. Однако не смотря на применение новой элементной базы, сварочные источники питания оставались по прежнему достаточно тяжелыми и громоздкими, т.к. их основной вес был сосредоточен в трансформаторе. Из электротехники известна формула, по которой определяется размер сердечника трансформатора

, (1)

где U₂₀ - напряжение холостого хода трансформатора;

w₂ - количество витков вторичной обмотки;

В - индукция в сердечнике;

f - частота.

Из формулы видно, что уменьшить сечение сердечника, а следовательно и вес трансформатора, можно за счет снижения U₂₀ или увеличения w₂, В, f. По пути уменьшения U₂₀ шли разработчики традиционных бытовых трансформаторов. Однако, при U₂₀50В зажигание дуги становится практически невозможным, поэтому уменьшение U₂₀ дает относительно небольшое снижение веса, причем в ущерб стабильности при зажигании дуги. Увеличение w₂ также практически ничего не дает т.к. одновременно увеличивается w₁ и снижая вес сердечника, мы увеличиваем вес отмоток. Увеличить индукцию В не позволяют характеристики современных трансформаторных сталей. Практически единственным путем уменьшения размеров сердечника явилось увеличение частоты - f. Именно по этому пути пошли разработчики инверторных источников питания.

В 1984 году шведский концерн ЭСАБ разработал свой первый инверторный выпрямитель «Caddy», весящий всего 8 кг. Новая система ЭСАБ «New Aristo System» является примером новейших разработок в области сварочного оборудования, предоставляющих все необходимые функции без усложнения ввода сварочных программ.

Первое поколение аппаратов серии Aristo появилась в 1988 году. Были пред­ложены новые возможности:

- программируемое микропроцессорное управле­ние сварочным током и всем процессом сварки;

- возможность использовать одно и то же оборудова­ние для различных видов сварки (MIG, TIG, ММА);

- «синергетические линии», оптимизирующие процесс сварки

- импульсный режим МИГ сварки;

- обратная связь управления сварочными пара­метрами, что гарантирует лучшую точность и повторяемость;

- улучшенные функции начала и конца сварки.

Очевидно, что отличные сварочные характеристики и возможность оптимизировать процесс в каждой конкретной ситуации улучшают качество сварки. Уменьшается разбрызгивание и улучшается внеш­ний вид шва.

3.2.Принцип работы инверторных источников питания. Функциональная схема инверторного источника сварочного тока показана на рис.1. Напряжение сети промышленной частоты (в данном примере трехфазной, 380В) преобразуется входным выпрямителем в постоянное порядка 500В. Это напряжение в свою очередь преобразуется с помощью инвертора в переменное повышенной частоты (от единиц до десятков кГц), которое затем поступает на понижающий высокочастотный трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора нагружена на диодный выпрямитель, к выходу которого через сглаживающий дроссель подключены электрод и изделие.

Рис.1. Функциональная схема инверторного источника питания

Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить расход материалов, идущих на его изготовление. Так, при частоте питающего напряжения 10кГц по сравнению с частотой 50Гц масса трансформатора и его габаритные размеры уменьшаются примерно в 3 раза, а при частоте 50кГц - уже в 15-17 раз. Например, расчетная масса трансформатора мощностью 20кВА при питании напряжением частотой 50Гц составляет 120кг, а при 50кГц составляет 7кг. Такое уменьшение массы активных материалов способствует существенному снижению (в 25 раз) потерь мощности, а значит, росту КПД.

3.3. Схема выпрямителя с двухтактным транзисторным инвертором (рис. 2) 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 T до u₂, выпрямляется блоком вентилей V2, проходит через высокочастотный фильтр L2 — С2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения u_в.

Рис.2. Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжений (б) выпрямителя с двухтактным транзисторным инвертором

Инвертор — это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Процесс инвертирования происходит следующим образом. При подаче сигнала на базу транзистора VT1 отпирается его коллекторная цепь, и по пер­вичной обмотке трансформатора Т в интервале времени t ₁ протекает 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 t ₂ 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.

Если на входе инвертора установлен мощный накопительный кон­денсатор С1, то напряжение инвертора u₁ имеет прямоугольную форму, как показано на рис. 4.42,6. 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 входной 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).

В выпрямителе с инвертором используется амплитудное, частотное и широтное регулирование режима сварки.

Например, если входной выпрямительный блок выполнить тиристорным, то при увеличении напряжения U_BC увеличивается и амплитуда высокочастотного напряжения U₂ и среднее значение U_B выпрямленного напряжения (рис. 3,а):

U_BC↑U₁ ↑U₂↑ U_B↑

Возможно также регулирование изменением частоты импульсов (рис. 3,б):

f ↑ T↓ U_B↑

Но наибольшее распространение получил способ широтно-импульсного регулирования (рис. 3,в):

t ↑ U_B↑,

поскольку при постоянной частоте облегчается выбор параметров выход­ного фильтра, а также снижается спектр электромагнитных помех, кото­рые легче устранить входным фильтром.

Рис. 3. Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов

3.4. Внешние характеристики выпрямителя с инвертором зависят глав­ным образом от конструктивных особенностей инвертора и трансформа­тора (рис. 4,а). Естественная внешняя характеристика собственно ин­вертора АИН почти жесткая (линия 1). Но поскольку индуктивное со­противление трансформатора Хт, 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):

I_д↑ f ↓ U_B↓

Рис. 4. Внешние характеристики выпрямителей с ин­вертором

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

U_B↓ f ↑ U_B ↑U_B = const.

В выпрямителе с инвертором сравнительно легко получить комби­нированную внешнюю характеристику (рис. 4,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. 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.

3.5 Однотактный инверторный преобразователь с прямым включением диода VD3 в составе выходного выпрямительного блока показан на рис. 5. С момента t ₁ при отпирании транзисторов VT1 и VT2 по первичной обмотке трансформатора идет импульс тока, показан­ный тонкой линией (рис. 5,а). Затем следует пауза t ₂ - t ₄, после чего в этом же направлении проходит такой же импульс тока. 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 рекуперационных (обратных) ди­одов VD1, VD2. благодаря которым с момента t ₂ выключения транзисто­ров энергия, запасенная в индуктивности первичной цепи, возвращается во входной фильтр. При этом по первичной обмотке через диоды по пу­ти, показанному пунктирной линией, идет ток, постепенно снижаясь к моменту t ₃.

Рис. 5. Однотактный преобразователь с прямым включением диода

Теперь обратимся к процессам в сварочной цепи. Импульс тока, транс­формированный во вторичной обмотке с момента t ₁, передается нагрузке через диод VD3 по пути, показанному тонкой линией. С момента t ₂ 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_В может быть сглаженным до уровня, прие­млемого по условиям технологического процесса (рис. 5,в).

Регулирование выходного напряжения U_В осуществляется изменени­ем интервала включенного состояния транзисторов t _Т по соотношению

(2)

так что с увеличением t _Т возрастает и U_В:

t _Т ↑ I_VT↑ U_B↑

Достоинствами однотактного преобразователя с прямым включением диода являются относительная простота схемы и малое число полупро­водниковых элементов, а также довольно большая мощность. Существенным недостат­ком схемы следует считать сравнительно большие размеры магнитопровода и обмоток у трансформатора, так как в этой конструкции маг­нитный поток трансформатора не меняет направления, поэтому размах колебаний магнитной индукции не превышает 20-30 % от индукции на­сыщения В_НАС. Это вынуждает к существенному увеличению сечения магнитопровода и размеров обмоток. С целью уменьшения насыщения магнитопровода ограничивают коэффициент заполнения импульсов t _Т/Т величиной менее 0,5, а в конструкции магнитопровода предусматривают немагнитный зазор.