9.2 Основные теоретические уравнения работы блоков.
Если на входе инвертора установлен мощный накопительный конденсатор С1, то напряжение инвертора u1 имеет прямоугольную форму, как показано на рис. 9.1,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 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 тоном, она названа резонансным инвертором (АИР).
Инвертор – это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Конвертор – устройство для понижения или увеличения постоянного напряжения, иногда с промежуточным высокочастотным звеном.
С появлением инверторных источников более простые неинверторные стали называть конвенциональными, т.е. традиционными.
Регулирование режима сварки осуществляется несколькими способами. Например, если входной выпрямительный блок выполнить тиристорным, то при увеличении напряжения Uвс увеличивается и амплитуда высокочастотного напряжения U2 и среднее значение UB выпрямленного напряжения (рис. 9.2а).
Возможно также регулирование изменением частоты импульсов (рис. 9.2б).
Но наибольшее распространение получил способ широтно-импульсного регулирования (рис. 9.2в), поскольку при постоянной частоте облегчается выбор параметров выходного фильтра, а также снижается спектр электромагнитных помех, которые легче устранить входным фильтром.
Рисунок 9.2 – Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов
В выпрямителе с инвертором используется амплитудное, частотное к широтное регулирование режима.
Внешние характеристики выпрямителя с инвертором зависят главным образом от конструктивных особенностей инвертора и трансформатора (рис.9.3,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):
Рисунок 9.3 – Внешние характеристики выпрямителей с инвертором
Подобным же образом для получения жестких характеристик вводится обратная связь по выпрямленному напряжению:
В выпрямителе с инвертором сравнительно легко получить комбинированную внешнюю характеристику (рис. 9.3б), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для задании сравнительно высокого напряжения холостого хода, что полезно при зажигании дуги. Пологопадающий основной участок 2 обеспечивает эффективное саморегулирование при механизированной сварке в угле кислом 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.
Сварочные свойства выпрямителей с инвертором, как правило, лучше, чем у конвенциональных источников, и объясняется это высоким быстродействием инвертора. Если у неинверторного однофазного выпрямителя длительность переходного процесса составляет не менее полупериода стандартного переменного тока, т. е. около 0,01 с, то у выпрямителя с инвертором быстродействие характеризуется значениями 0,0005 с и меньше. При механизированной сварке в углекислом газе такой выпрямитель способен обеспечить сложный алгоритм изменения тока (рис. 9.3) с целью управления переносом электродного металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высокие динамические свойства выпрямители с инвертором проявляются и в случае программного управления процессом ручной дуговой сварки, например по циклограмме. 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 пyльсирующей дугой с регулируемой формой импульса и т. д.
Достоинства и недостатки выпрямителя с инвертором тесно связаны друг с другом. Здесь энергия претерпевает по крайней мере четыре ступени преобразования. Тем не менее, такой выпрямитель экономичен и весьма перспективен. Дело в том, что сердечник высокочастотного трансформатора имеет очень малые сечение и массу. Поскольку масса связана с частотой, то обычно сердечник весит в десятки раз меньше, чем сердечник трансформатора на 50 Гц. В целом выпрямитель также имеет замечательные массоэнергетические характеристики: 0,02-0,1 кг на 1 А сварочного тока и 1-4 кг на 1 кВт потребляемой мощности, т. е. весит в 5-15 раз меньше других выпрямителей. И все же выпрямитель с инвертором дороже конвенциональных 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 коэффициент мощности близок к 1, КПД не ниже 0,7, а иногда достигает 0,9. Главный недостаток выпрямителя с инвертором заключается в чрезмерной сложности устройства и связанных с этим низких надежности и ремонтопригодности. Специфическим недостатком является также повышенный шум, издаваемый высокочастотным трансформатором, выходным фильтром и дугой. Радикальный способ борьбы с шумом заключается в повышении рабочей частоты сверх 20 кГц, что выводит акустический эффект за пределы слышимого звука. Элементная база выпрямителей с инвертором
Силовые элементы выпрямителей с инвертором существенно отличаются от конвенциональных прежде всего малыми габаритами и массой, что связано с высокой частотой преобразования энергии. Миниатюризации не подвергаются только входной выпрямительный блок и его фильтр.
Понижающий трансформатор, как уже отмечалось, дает самый большой выигрыш в массе. Например, при мощности трансформатора 20 кВА увеличение частоты с 50 Гц до 50 кГц приводит к снижению его массы со 120 до 7 кг. Пропорционально снижается и масса сглаживающего дросселя. Магнитопроводы на электротехнической стали используют только при частотах до 10 кГц, при большей частоте рационально применение ферритов, т.е. спеченных порошков из смеси оксидов железа и других металлов, у которых потери на перемагничивание меньше, чем у стали. При высокой частоте в обмоточном проводе усугубляется поверхностный эффект – вытеснение тока к периферии, что вынуждает к увеличению сечения провода. Поэтому для уменьшения потерь в обмотках используют литцендрат – многожильный провод из изолированных жил. Конденсаторы, входящие в состав резонансных инверторов, как правило, с оксидным диэлектриком (полярные электролитические) на несколько тысяч мкФ, при частотах более 20 кГц – с органическим или керамическим диэлектриком.
Наиболее ответственными и уязвимыми элементами выпрямителя с инвертором являются силовые переключающие полупроводниковые приборы. Здесь используются мощные высокочастотные биполярные транзисторы, полевые транзисторы, в последнее время также биполярные транзисторы с изолированным затвором. Ранее в этих же целях использовались высокочастотные тиристоры.
Контрольные вопросы
1) Изобразите блочно-функциональную схему инверторных источников питания.
2) Поясните принципы работы блоков инверторного источника питания.
3) Основные теоретические уравнения работы блоков?
4) Почему масса инверторного источника питания значительно меньше, чем масса обычных выпрямителей и трансформаторов?
5) Каким образом можно снизить шум при работе инверторного источника питания?