zdg_konspect

високу динамiчну характеристику i якісні зварювальнi властивостi.

Якщо на вході інвертора встановлено потужний накопичувальний конденсатор, то напруга інвертора має прямокутну форму. Таку конструкцію називають автономним інвертором напруги (АІН). Якщо на вході інвертора встановити потужний дросель L, а обмотку трансформатора Т шунтувати конденсатором, то згладженим буде вже струм. Такий перетворювач називають інвертором струму (АІС). Конструкція, в якій завдяки наявності послідовно з’єднаних індуктивності та ємності створюється коливальний контур із синусоїдним струмом, то такий перетворювач називають резонансним інвертором (АІР).

Інвертор – це пристрій, який перетворює постійну напругу у високочастотну змінну. Конвертор – пристрій для зниження або підвищення постійної напруги з проміжною високочастотною ланкою.

Регулювання режиму зварювання здійснюється декількома способами. При збільшенні напруги випрямляча мережі збільшується і амплітуда високочастотної напруги, і, відповідно, середнє значення випрямленої напруги. З тією ж метою змінюють ширину імпульсів інвертора. Однак більш поширеним способом є зміна частоти імпульсів. При цьому f - Þ UB -. В інверторному випрямлячі використовується амплітудне, широтне та частотне регулювання режиму (рис.13.2).

Рис. 13.2. Регулювання напруги (а) інверторного випрямляча зміною амплітуди (б), ширини (в) і частоти (г) імпульсів

Зовнішні характеристики інверторного випрямляча залежать головним чином від конструктивних особливостей інвертора та трансформатора. Природна зовнішня характеристика інвертора АІН майже жорстка. Але оскільки індуктивний опір трансформатора ХТ, пропорційний частоті інвертування f, великий навіть при невеликому магнітному розсіянні, то характеристика випрямляча в цілому виходить спадною. Зазвичай зовнішні характеристики формуються штучно за допомогою системи керування. Для отримання крутоспадних характеристик вводиться від’ємний зворотний зв’язок за струмом, при якому із збільшенням зварювального

121

струму частота інвертування знижується, що призводить до зменшення випрямленої напруги.

Подібним чином для отримання жорстких характеристик вводиться зворотний зв’язок за випрямленою напругою:

ІД - Þ f ¯ Þ UB ¯,

UB ¯ Þ f - Þ UB - Þ UB = const.

Зварювальні властивості інверторних випрямлячів кращі порівняно із джерелами традиційного типу за рахунок швидкодії інвертора. Якщо у звичайних джерел тривалість перехідного процесу близько 0,02 с, то у інверторного випрямляча швидкодія характеризується значеннями порядку 0,001 с. Високі динамічні властивості інверторного випрямляча виявляються у випадку програмного керування процесом дугового зварювання. Легко забезпечується “гарячий пуск” на початку зварювання, швидкий перехід від одного із зазделегіть налагоджених режимів до іншого, зварювання пульсуючою дугою з регульованою формою імпульса і т.д.

До переваг інверторного випрямляча належить його економічність. Осердя високочастотного трансформатора має малі масо-габаритні показники, оскільки його маса пов’язана з частотою співвідношенням m 1/ f і тому осердя важить майже у 8-10 разів менше, ніж осердя трансформатора частоту на у 50 Гц. Крім того, випрямляч має високі масо-енергетичні характеристики, що складають 0,1 – 0,3 кг на 1А зварювального струму та 4 – 8 кг на 1 кВт споживаної потужності.

Інверторні випрямлячі рекомендують використовувати там, де необхідно застосовувати джерела з малими масо-габаритними показниками – при зварюванні на монтажі, в побуті, в робототехнічних комплексах. В експлуатації таке джерело дуже економічне.Його коефіцієнт потужності cosj наближений до 1, ККД 0,7 – 0,9. Головним недоліком інверторного випрямляча є складність його будови, відповідно низька надійність та висока вартість. Крім того, при роботі він створює підвищений шум, що генерується високочастотним трансформатором, вихідним фільтром та дугою.

13.2. Інвертори тиристорного типу

Паралельний інвертор, зібраний за двопівперіодною схемою з нулевою точкою трансформатора, наведено на рис. 13.3 (вторинна обмотка трансформатора не зображена). Перший півперіод високочастотного струму починається при

122

увімкненні тиристора VS1. З цього моменту по первинній обмотці трансформатора Т йде струм, зображений тонкою суцільною лінією. Одночасно йде заряд конденсатора С полярністю “+” та “-”. Другий півперіод починається при відмиканні тиристора VS2, в результаті чого по трансформатору іде струм в іншому напрямку, зображений пунктиром. Але відмикання тиристора VS2 призводить ще й до розряду конденсатора С на тиристор VS1 у зворотному напрямку так, як показано пунктирною лінією. Це призводить до запирання тиристора VS1, тому конденсатор С в такій схемі називають комутуючим (перемикаючим). Паралельний інвертор з великою індуктивністю L на вході є автономним інвертором струму (АІС). Він стійко працює в режимі навантаження, гірше – в режимі короткого замикання, а в режимі неробочого ходу на його елементах виникають великі перенапруження, що обмежує його використання.

Рис. 13.3. Схема паралельного тиристорного інвертора

Послідовні інвертори частіше використовуються в зварювальних випрямлячах. Принцип роботи інвертора такого типу, зібраного на двох тиристорах за несиметричною півмостовою схемою (рис.13.4). У першому півперіоді при відпиранні тиристора VS1 по первинній обмотці трансформатора Т йде струм по колу, вказаному суцільною лінією. Цей струм заряджає конденсатор С полярністю «+» та «-». Коли напруга максимального заряду конденсатора досягне величини напруги живлення від мережевого випрямляча, анодна напруга на тиристорі VS1 зменшиться до 0 і він закривається. У другому півперіоді при відпиранні тиристора VS2 по трансформатору піде струм розряду конденсатора в напрямку, вказаному пунктирною лінією. Робота симетричного послідовного інвертора зрозуміла з рис.13.5.

123

Рис. 13.4. Схема послідовного несиметричного інвертора

Рис.13.5. Схема послідовного симетричного інвертора

Резонансний послідовний інвертор, зібраний за симетричною півмостовою схемою (рис.13.6), найбільш поширений.

Порівняно з мостовою схемою тут не тільки досягається економія тиристорів, але й спрощується система керування. В L–C коливальному контурі під час роботи інвертора виникає синусоїдний струм та резонанс напруг, тому такий інвертор називають резонансним (АІР). Моменти відпирання тиристорів та частота інвертування задаються системою керування, а параметри синусоїдного струму визначаються параметрами силових елементів коливальних контурів.

З моменту t1 при відпиранні тиристора VS1 по первинній обмотці трансформатора Т піде струм, зображений тонкою суцільною лінією. Одночасно конденсатор С2, раніше заряджений полярністю, вказаною знаками + та – без дужок, спочатку розряджається на трансформатор по колу, вказаному тонкою лінією, а потім за інерцією перезаряджається так, що його полярність змінюється на протилежну, вказану знаками «+» та «–» з дужками. До моменту t2 конденсатор

124

С1, що комутує коло тиристора VS1, зарядиться полярністю, вказаною знаками + та -, що призведе до зникнення струму (рис.13.6 б).

Рис. 13.6. Резонансний послідовний інвертор: а – спрощена принципова схема; б – осцилограми при роботі в режимі переривчастого струму; в – в

режимі безперервного струму

125

На осцилограмі струму первинної обмотки трансформатора Т1 в проміжку t1– t2 спостерігається крива iVS1, близька до синусоїди. З моменту t2 як тільки закриється тиристор VS1, відкривається раніше шунтований діод VD1 і конденсатор С2 розряджається на первинну обмотку трансформатора по колу, вказанному пунктиром. Таким чином, зворотний діод VD1 запобігає надмірному накопиченню заряду на конденсаторі С2, що при резонансі може призвести до небезпечних перенапруг. Отже, в проміжку t2–t3 до трансформатора проходить зворотня півхвиля струму іVD1, і на цьому перший цикл роботи інвертора завершується. З моменту t4 схожі процеси відбуваються в іншому плечі інвертора, починаючи з відпирання VS2. Тривалість проміжку tТ= t2–t1 увімкненого стану тиристора VS1 рівна півперіоду вільних коливань для контуру, складеного з комутуючого конденсатора С1 з ємністю С, а також трансформатора Т та дроселя L1 індуктивністю LT та L. Така ж і тривалість tЗД = t3 – t2 увімкненого стану зворотного діода VD1.

Частота змінного струму f інвертора задається системою керування. Вмикати тиристор VS2 безпосередньо в момент t2 вимикання VS1 не можна, доки у останнього ще не поновились запираючі властивості, щоб не сталося внутрішне коротке замикання в інверторі. Обов’язковим є виконання умови, щоб тривалість затримки tЗВ між періодами роботи двох тиристорів була більше часу відновлення їх запираючих властивостей. У той же час цілком припустиме вмикання тиристора VS2 до моменту t3, тобто в проміжку роботи діода VD1. При накладанні імпульсів струму через тиристор VS2 та діод VD1 виникає режим неперервного струму інвертора, який цілком припустимий що полегшує згладжування зварювального струму (рис.13.6 в).

Плавне регулювання режиму резонансного інвертора виконується зміною частоти інвертування f, тобто частоти запуска тиристорів від системи керування. Як вже було відзначено, зі зростанням частоти f збільшується середнє значення зварювального струму ІД. Ступінчасте регулювання часто виконується зміною ємності комутуючих конденсаторів.

Зовнішня характеристика послідовного резонансного інвертора – крутоспадна. Резонансний інвертор, на відміну від АІН та АІС, стійко працює в режимі короткого замикання. У режимі неробочого ходу інверторного випрямляча власне інвертор все ж навантажений хоч і невеликим намагнічувальним струмом первинної обмотки трансформатора, тобто може працювати стійко. Однак у цьому випадку в інверторі виникають небезпечні перенапруги.

Процес iнвертування в iнверторi транзисторного типу представлений на рис.13.7.

126

Рис. 13.7. Спрощена електрична схема випрямляча з транзисторним інвертором

При подачi сигналу на базу транзистора VT1 вiн вiдкривається i по первиннiй обмотцi трансформатора Т протiкає струм, напрямок якого вказаний суцiльною лiнiєю. При знiманнi сигналу протiкання струму припиняється. З деякою затримкою, що визначається блоком керування, вiдкривається VT2 i струм навантаження протiкає по обмотцi трансформатора вже в протилежному напрямку, що позначено пунктиром. Таким чином, по первиннiй обмотцi Т проходить змiнний струм, форма кривої якого залежить вiд параметрiв кола iнвертора. При достатнiй iндуктивностi вона може мати синусоїдну форму. Тривалiсть перiоду Т або частота змiнного струму f залежить вiд частоти вмикання транзисторiв, що визначається системою керування i може встановлюватись вiд 1 до 60 кГц.

13.3. Випрямляч з транзисторним інвертором

Двотактний мостовий інвертор зображено на рис.13.8 а. У першому півперіоді (такті) система керування запускає транзистори VT1 та VT4, струм іде по первинній обмотці трансформатора в напрямку, вказаному тонкою лінією. У другому півперіоді шлях струму через транзистори VT2 та VT3 вказано пунктирною лінією.

Однотактний півмостовий інвертор (рис.13.8 б) входить до складу конвертора і має лише два транзистори. У момент t1 при відпиранні транзисторів VT1 і VT2 по первинній обмотці трансформатора проходить імпульс струму, напрямок якого вказано тонкою лінією. Потім іде пауза t2 – t4, після чого в тому ж напрямку проходить такий самий імпульс струму (рис.13.8 в). Таким чином, в однотактному інверторі струм виявляється змінним тільки за величиною, але не за напрямком. Недоліком схеми є значні перенапруги на транзисторах у момент їх увімкнення. Для усунення такого недоліка встановлюються діоди VD1, VD2, в результаті чого

127

з моменту t2 вимикання транзисторів, енергія, що накопичена в індуктивності первинного кола, повертається в мережу. При цьому по первинній обмотці через діоди проходить струм (пунктирна лінія), поступово знижуючись до моменту t3.

Рис. 13.8. Схеми транзисторних інверторів

Імпульс струму, трансформований у вторинній обмотці з моменту t1, передається навантаженню через діод VD3. З моменту t2 струм у навантаженні підтримується в основному завдяки енергії, накопиченій в індуктивності L. З цією метою використовується зворотний діод VD4. При достатньо великій індуктивності L випрямлена напруга UB може бути зглажена до рівня, прийнятного за умовами технічного процесу.

Надійність транзисторного інвертора невелика, оскільки найвразливішим елементом є транзистори. При конструюванні випрямляча прагнуть знизити кількість вентилів, понизити струм та напругу на них. При недостатньо припустимому струмі потрібно в кожне плече встановлювати декілька паралельно з’єднаних транзисторів. При цьому ускладнюється система керування і виникає проблема підбору вентилів з близькими характеристиками. Тому раціональним є паралельне з’єднання не транзисторів, а транзисторних модулів, кожен з яких споряджений власними елементами керування і захисту. У цьому випадку може бути реалізовано і принцип резервування, за яким несправні модулі відмикаються без збитку для загальної працездатності всього випрямляча.

Випрямляч зварювальний ВД-150 “MiniSELMA-150”, в подальшому іменуємий “випрямляч”, призначений для зварювання вуглецевих, легованих і

128

корозіонностійких сталей на постійному струмі (MMA-DC) металевими електродами з покриттям, а також зварювання неплавким електродом на постійному струмі в середовищі агону (ТИГ-DC) всіх металів, за виключенням алюмінія та його сплавів. Випрямляч має спадні зовнішні характеристики. Він виготовлений за технічними умовами ТУ У 20732066.063-99.

Працездатність випрямляча забезпечується при коливаннях напруги живильної мережі від мінус 10% до плюс 10% від номінального.

Охолодження випрямляча здійснюється за допомогою вмонтованого вентилятора. На охолоджувачі силових транзисторів встановлено датчик контролю температури з метою захисту випрямляча від перегрівання. При спрацьовуванні датчика запалюється індикатор в миготливому режимі.

Випрямляч в режимі ММА має автоматичні функції “гарячий старт” і “протиприлипання”.

“Гарячий старт”- для покращення запалювання дуги, на початку зварювання джерело формує імпульс струму тривалістю 0,3 секунди. Величина імпульса перевищує на 30% величину попередньо встановленого зварювального струму.

“Протиприлипання”- за 1-2 секунди після виникнення короткого замикання між електродом і деталлю зварювання випрямляч припиняє подавання струму в зварювальне коло. Працездатність випрямляча відновлюється автоматично після зняття короткого замикання.

Спосіб збудження дуги при зварюванні в режимі ТИГ-DC -контактний. Тобто на початку зварювання необхідно короткочасно доторкнутися вольфрамовим електродом до зварювальної деталі, після чого відвести пальник від основного металу.Технічні характеристики ВД-150 “MiniSELMA-150” наведено в табл.3.

Інверторний випрямляч LHL-315 шведської фірми «ЕСАБ» призначений для ручного дугового зварювання покритими електродами і має крутоспадну зовнішню характеристику, сформовану системою керування. Він має два однакових паралельно з’єднаних конвертори. Інвертор у складі конверторів зібраний за однотактною півмостовою схемою, при цьому в кожне плече встановлено по шість швидкодіючих МДП – транзисторів.

Конструкція випрямляча LUC-500 фірми «ЕСАБ» з транзисторним інвертором універсальна тому, що придатна для ручного дугового зварювання, механізованого в захисних газах та імпульсно-дугового зварювання. У джерелі використовується інвертор з частотою 48 кГц на потужних МОП – транзисторах. З випрямлячем постачається мікропроцесорний прилад, що реалізує принцип синергетичного

129

керування, тобто автоматичного налагоджування режиму за математичною моделлю. Із запропонованого приладом меню, зварювальник обирає тип переносу електродного металу (з короткими замиканнями крапель, струменевий чи керований імпульсами), марку та діаметр дроту та тип захисного газу, а мікропроцесор за програмою обчислює і передає джерелу задані значення напруги неробочого ходу, індуктивності, частоти, амплітуди та тривалості імпульсів і пауз. Передбачено, щоб зварювання завжди закінчувалось потужним імпульсом, який скидає останню краплю з електрода. Мікропроцесор забезпечує індикацію та зберігання інформації про режими. Зварювальник може вручну скоректувати параметри процесу, а підібраний режим зберігати в пам’яті мікропроцесора.

Випрямляч TS-330 “Транссинергетик” австрійскої фірми «Фроніус» із транзисторним інвертором на 60 кГц також є універсальним синергетичним джерелом. Установка режиму виконується за допомогою регуляторів, на яких вказані марка зварюваного металу та діаметр електродного дроту. У пам’яті машини є широкий вибір варіантів програмного керування процесом зварювання. Та ж фірма виготовляє компактне джерело ТР-200 “Транспокет” для ручного дугового зварювання з транзисторним інвертором з частотою 30 кГц.

Гарними зварювальними властивостями володіє також інверторний випрямляч “Мастер - 3500” фінської фірми “Кемппі”, призначений для ремонтних та монтажних робот з використанням покритих електродів. У ньому застосовуються біполярні транзистори з покращеним охолодженням, що значно підвищує їх надійність.

Із джерел з транзисторним інвертором слід також відзначити випрямлячі ДС140.3 та ДС250.3. Останній зібраний за однотактною півмостовою схемою з широтно-імпульсним регулюванням та призначений для ручного дугового зварювання, в тому числі на імпульсному режимі. Він має окрім плавного регулювання зварювального струму ще й незалежне налагоджування струму короткого замикання. Передбачено також форсування режиму при запалюванні дуги та зниження напруги неробочого ходу до безпечного значення.

13.4. Конструкцiя i робота джерела живлення з тиристорним iнвертором

Джерело мiстить у собi вхiдний випрямляч, зiбраний за трифазною мостовою схемою випрямлення (VD1...VD6), вхiдний фiльтр (L1, C1), який слугує для згладжування пульсацiй випрямленої напруги (рис.13.9).

130