Урок 27-28 Источники питания с частотными преобразователями

(инверторы)

В настоящее время источники питания для дуговой сварки промышленного применения, требуют оптимизации по таким критериям, как масса, габариты, коэффициент полезного действия, надежность, стоимость. В наибольшей степени данным требованиям удовлетворяют инверторные выпрямители, которые позволяют снизить массогабаритные размеры источника питания. Так как, учитывая, что основная масса и размеры сварочного выпрямителя определяются параметрами силового сварочного трансформатора, наиболее массивной составляю- щей частью, которого является магнитопровод. То, следовательно, для снижения массогабаритных размеров выпрямителя необходимо в первую очередь снизить его массу и размеры. Зная, что площадь магнитопровода определяется из выражения (65) 4 20 2 10 4.44 м м U S f w B, м 2, (65) где U20 – вторичное напряжение трансформатора, В; f – частота пи- тающей сети, Гц; w2 – число витков вторичной обмотки; Bм индуктивность магнитопровода, Тл, таким образом, можно сказать, что масса трансформатора, зависит от частоты питающего напряжения. Поэтому наиболее целесообразно для питания трансформатора использовать напряжение высокой частоты, так как повышение частоты в 100 раз снижает массогабаритные размеры источника в 4 раза, а повышение частоты в 400 раз снижает в 20 раз. Следовательно, для снижения массогабаритных размеров источника питания необходимо повысить частоту питания силового транс- форматора. Поэтому для снижения массогабаритных характеристик применятся инверторы. Инвертор – это устройство с двойным преобразованием:

1) преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное;

2) преобразование постоянного напряжения в высокочастотное переменное.

 Внешние характеристики инверторного выпрямителя зависят, главным образом, от конструктивных особенностей инвертора и трансформатора. Естественная внешняя характеристика собственно инвертора почти жесткая. Но поскольку индуктивное сопротивление 104 трансформатора, пропорциональное частоте инвертирования, велико даже при нормальном магнитном рассеянии, то характеристика выпрямителя в целом получается падающей. Поэтому внешние характеристики формируются искусственно с помощью обратных связей. В инверторном выпрямителе сравнительно легко получить ломаную внешнюю характеристику, сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок необходим для задания сравнительно высокого напряжения холостого хода, что улучшает первоначальное зажигание дуги. Пологопадающий рабочий участок обеспечивает эффективное саморегулирование при механизированной сварке в углекислом газе. Вертикальный участок ограничивает сварочный ток, что предотвратит прожог при сварке тонкого металла. Он же задает величину тока короткого замыкания. Положение каждого участка настраивается с помощью отдельных регуляторов. Так, при сварке в углекислом газе перемещением по вертикали участка регулируется сварочное напряжение, а при сварке покрытыми электродами перемещением вертикального участка устанавливается сила тока.

 Инверторный выпрямитель дороже других источников, поэтому его рекомендуют использовать в тех случаях, где имеют значение малые габариты и масса – при сварке на монтаже, в быту, на ремонтных работах. В эксплуатации такой источник чрезвычайно экономичен. Его коэффициент мощности cos φ близок к 1, т.к. он не потребляет реактивной мощности. Его КПД не ниже 0,7, а иногда достигает 0,9. Кроме того, схемное решение инверторного выпрямителя позволяет простыми способами снижать напряжение холостого хода время паузы.

  Главный недостаток инверторного выпрямителя заключается в чрезмерной сложности устройства и связанной с этим низкой надежностью и ремонтопригодностью. 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.

Работа инверторного выпрямителя проходит следующим образом:

сетевое переменное напряжение выпрямляется и фильтруется, затем преобразуется в высокочастотное, которое понижается через высоко- частотный трансформатор до уровня необходимого для проведения сварочных работ. После этого высокочастотное напряжение вновь выпрямляется, фильтруется и подается на сварочную дугу. В зависимости от применяемых силовых полупроводниковых приборов инверторные выпрямители делятся на транзисторные и Тиристорные. Блок-схема такого преобразователя представлена на рисунке 1.

Рис.1. Блок-схема инверторного источника питания: 1 – сетевой выпрямитель со встроенной системой защиты; 2 – фильтр сетевого напряжения; 3 – промежуточноезвено высокой частоты; 4 – высокочастотный трансформатор; 5 – высокочастотный выпрямитель; 6 – блок защиты; 7 – блок задания режима; 8 – блок управления; 9 – дроссель; 10 – сварочная дуга

Каждый блок несет определенную функциональную нагрузку. Для более полного рассмотрения работы инверторного выпрямителя (рис. 2) представлена упрощенная схема транзисторного инвертора и диаграммы напряжений в его узлах. Диаграмма напряжений позволяет понять работу каждого из блоков данного источника питания:

1) напряжение на входе источника питания;

2) напряжение на выходе выпрямительного блока (VD1-6);

3) напряжение после сглаживающего фильтра (L1, C1);

4) высокочастотное напряжение на базах транзисторов (VT1, VT2);

5) напряжение, пониженное до требуемого для сварки через (TV1) и выпрямленное с помощью (VD7-10);

6) выходное напряжение.

 

Рассмотрим функциональное и конструктивное исполнение блоков, представленных на рисунках 2, 3

 

Рис. 2. Инверторный источник питания: а) электрическая схема; б) диаграммы напряжений каждого из представленных узлов

Сетевой выпрямитель служит для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный. Схема выпрямления: для работы от трехфазной сети – трехфазная мостовая; при работе от однофазной сети – простая двухполупериодная. В состав сетевого выпрямителя обязательно входит узел защиты, который в случае превышения тока на промежуточном блоке высокой частоты или при пробое одного из силовых полупроводниковых вентилей отключает его от питающей сети.

 2. Фильтр сетевого напряжения служит для сглаживания пульсаций постоянного тока, он состоит из LC цепи. Для качественной работы преобразователя высокой частоты требуется уменьшение пульсаций промышленной частоты до 1 %, что влечет за собой применение большой конденсаторной батареи, размеры которой в большой мере влияют на массогабаритные характеристики источника питания.

 3. Промежуточное звено высокой частоты служит для преобразования постоянного тока в переменный ток высокой частоты и регулирования сварочного тока и напряжения. Как было сказано выше, по исполнению, в зависимости от типа полупроводниковых приборов, промежуточные звенья разделяются на Тиристорные и транзисторные. Частота работы первых ограничена временем запирания тиристоров и, как правило, не превышает 5 КГц, а частота преобразования вторых может колебаться от 20150 КГц. Поэтому массогабаритные характеристики транзисторных инверторов выше, чем у тиристорный.

 4. Высокочастотный сварочный трансформатор понижает высокочастотное высокое напряжение в более низкое, требуемое для процесса сварки. Магнитопровод таких трансформаторов для уменьшения 107 потерь изготавливают на основе ферритов. Используются все три типа магнитопроводов: броневые, стержневые и тороидальные. В основном изготавливают однофазные трансформаторы, хотя возможно использование трехфазных, но это усложняет схему управления.

5. Высокочастотный сварочный выпрямитель вновь преобразует переменное напряжение в постоянное. Схема выпрямления про- стая двухполупериодная и двухполупериодная со средней точкой. В схеме используются высокочастотные неуправляемые вентили.

 6. Блок защиты служит для отключения выпрямителя от сетевого напряжения при перегреве, перегрузке и резком изменении напряжения питающей сети. При изменении данных параметров он подает сигнал на узел защиты, входящий в сетевой выпрямитель.

 7. Блок задания режима задает технологические параметры, необходимые для процесса сварки.

8. Блок управления является не только задатчиком частоты промежуточного звена высокой частоты, но и блоком сравнения заданных режимов сварки с выходными параметрами инверторного источника и таким образом осуществляет обратную связь по напряжению и току.

На рисунке 3 представлена схема блока управления, основным узлом которого является мультивибратор, формирующий прямоугольные импульсы для управления звеном высокой частоты, в зависимости от заданных режимов и полученных выходных параметров. Для гальванической развязки в схеме применяются оптроны.

 

Рис. 3 Блок управления инверторного выпрямителя: ОС по I и U – обратная связь по току и напряжению; ЗПЧ – звено промежуточной частоты

9. Дроссель служит для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания при механизированной сварке в среде защит-108

ных газов и сглаживания пульсаций выходного напряжения. В связи с тем, что пульсации на выходе выпрямителя имеют высокую частоту он изготавливается на основе ферритов. При конструировании тиристорного инвертора главная трудность заключается в необходимости выключения тиристора для прекращения каждого импульса. Как известно, тиристор, установленный в цепи постоянного тока, невозможно выключить снятием сигнала управления (если не считать специальных запираемых тиристоров). Принципиально для его выключения необходимо снизить до нуля анодный ток, а после прекращения его протекания некоторое время поддерживать обратное напряжение для восстановления запирающих свойств. Это возможно, если параллельно или последовательно с тиристором включить конденсатор, с разрядом или зарядом которого прекращается ток в анодной цепи тиристора.

 Поэтому различают параллельный и последовательный тиристорные инверторы. Рис.4

Рис. 4.Схема тиристорных звеньев промежуточной частоты: а) и б) параллельные инверторы, в) и г) последовательные инверторы.