Инверторный источник питания для сварки

Одно из перспективных направлений совершенствования сварочного оборудования — создание энергосберегающих источников питания со звеном повышенной частоты, или инверторных. У этих источников масса и габариты в

6-9 раз меньше по сравнению с выпускавшимися ранее. Они имеют коэффициент мощности 0,95-0,98, более высокий кпд, высокие динамические свойства.

Инверторные источники обеспечивают легкое зажигание и эластичность дуги; мелкокапельный и струйный перенос металла; минимальное разбрызгивание расплавленного металла; понижение напряжения холостого хода до 36 В; экономию электроэнергии на 30-40%; плавную дистанционную регулировку параметров тока и напряжения.

История развития регулируемых сварочных источников питания начинается с 1905 г., когда австрийский профессор Розенберг создал генератор поперечного поля, у которого с ростом сварочного тока изменялось напряжение на дуге. В 1927 г. русскому ученому В.П. Никитину был выдан патент на первый в мире комбинированный однокорпусный трансформатор-регулятор для ручной дуговой сварки.

В 50-х годах прошлого столетия появились сварочные выпрямители на основе селеновых диодов, а затем, в 70-е годы- на основе силовых кремниевых тиристоров. Их применение позволило плавно регулировать величину сварочного тока и менять выходные вольт-амперные характеристики сварочных аппаратов не за счет трансформатора, а на основе обратных связей и фазовой регулировки угла включения тиристоров.

Однако, несмотря на применение новой элементной базы, сварочные источники питания оставались по-прежнему достаточно тяжелыми и громоздкими, поскольку их основная масса была сосредоточена в трансформаторе.

Из электротехники известна формула, по которой определяется размер сечения S сердечника трансформатора

напряжение холостого хода трансформатора; f — частота; W₂ — количество витков вторичной обмотки; В — индукция в сердечнике.

Из формулы видно, что уменьшить сечение сердечника, а следовательно и массу трансформатора, можно за счет снижения U20 или увеличения W₂, В, f. По пути уменьшения U20 шли разработчики традиционных бытовых трансформаторов. Однако при U20 U₂q дает относительно небольшое снижение массы, причем в ущерб стабильности при зажигании дуги. Увеличение W2 также практически ничего не дает, так как одновременно увеличивается W. Снижение массы сердечника увеличивает массу обмоток. Увеличить индукцию В не позволяют характеристики современных трансформаторных сталей. Практически единственным путем уменьшения размеров сердечника явилось увеличение частоты /. Именно по этому пути пошли разработчики инверторных источников питания.

Понятие «инвертор» происходит от латинского inverto — переворачиваю, изменяю. Блок-схема инверторного источника питания показана на рис. 13.21. Напряжение сети промышленной частоты преобразуется входным выпрямителем в постоянное напряжение порядка 500 В. Оно в свою очередь преобразуется с помощью инвертора в переменное напряжение повышенной частоты (20-100 кГц), которое затем поступает на понижающий высокочастотный трансформатор. К вторичной обмотке трансформатора подключен диодный выпрямитель, к которому через сглаживающий дроссель подсоединен электрод.

Рис. 13.21. Блок-схема инверторного источника питания

Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить его размеры и массу. Так, при частоте 10 кГц по сравнению с частотой 50 Гц масса трансформатора и его габариты уменьшаются в 3 раза, а при частоте 50 кГц уже в 15-17 раз.

Одним из первых тиристорных инверторов был источник питания LUA-400 Шведской фирмы ESAB. Он имеет шесть различных вольт-амперных характеристик, что позволяет использовать его при ручной дуговой сварке, сварке в углекислом газе, аргонодуговой сварке, сварке порошковой проволокой и сварке алюминиевой проволокой пульсирующей дугой.

Вторая стадия развития инверторной сварочной техники связана с появлением модульных биполярных транзисторов с изолированным затвором серии IGBT (Insulated Gate Bipolar Transister). IGBT-транзисторы позволили повысить частоту работы сварочного трансформатора до 20 кГц. При этом отношение сварочного тока к единице массы источника питания стало 8-10 А/кг, что в 2 раза выше, чем тиристорных инверторов.

С уменьшением массы и габаритов, а также с увеличением сварочных возможностей инверторных преобразователей расширились их области применения. На базе IGBT-транзисторов стали выпускаться небольшие «бытовые» источники для ручной дуговой сварки и аргонодуговой сварки, источники для импульсно-дуговой и механизированной сварки в защитных газах, плазменной резки.

Для дальнейшего снижения массы инверторных источников питания и расширения их функциональных возможностей необходимо было увеличить частоту работы транзисторов. Однако низкая скорость переключения IGBT-транзисторов и повышенный теплоотвод на высоких частотах не давали возможности использовать их на частотах свыше 20 кГц.

Третья стадия развития сварочных инверторов связана с появлением в 90-х годах полевых МОП-транзис- торов серии MOSFET (Metal Ocside Semiconductor Field Effect Transistor). Силовые полевые транзисторы позволили повысить частоту работы сварочных трансформаторов до нескольких десятков килогерц. На базе MOSFET-транзисторов в начале 90-х годов фирма ESAB стала выпускать установки для ручной дуговой сварки «Power Inverter-315», работавшие на частоте 24 кГц, и малогабаритные источники серии Caddy, работавшие на частоте 36 кГц. Масса «Power Inverter» — 28кг, Caddy- 11кг. Отношение сварочного тока к массе — 11-18 А/кг.

Дальнейшее развитие инверторной техники пошло по пути повышения частоты работы MOSFET-транзисторов.

Выпущенный фирмой ESAB Caddy-250 стал работать на частоте 48,5 кГц при массе 11 кг.

Источники питания Caddy-110, Caddy-115 и Caddy Tig- 150 имеют массу 6,5 кг, отношение сварочного тока к массе стало 17-23 А/кг благодаря повышению частоты работы трансформатора до 70 кГц.

Появление инверторных источников, в которых формирование выходной частоты обеспечивается собственным генератором на основе электронной схемы, дало возможность управлять формой выходного напряжения и тока. А это в свою очередь позволило создать сварочные аппараты, которые взяли на себя функции контроля сварочного процесса.

Известно, что правильный выбор режимов сварки и их контроль на протяжении всего процесса являются одними из главных факторов, определяющих качество сварного соединения. В связи с многообразием свариваемых сталей и сварочных материалов становится достаточно трудно точно подобрать сварочные режимы для качественного выполнения шва. Необходима система, способная выбрать оптимальный режим сварки и управлять им с учетом основных особенностей процесса. Источник питания должен обеспечивать функцию контроля над дугой и регулировать сварочный ток в зависимости от условий протекания сварочного процесса. Только инверторные преобразователи на основе мощных МОП-тран- зисторов с высокой скоростью переключения в сочетании с микропроцессорным управлением позволили реализовать вышеуказанные требования. Такого типа источники были разработаны рядом ведущих производителей сварочной техники: «Lincoln», «Electric», «Кешр- pi», ESAB, которые имеют синергетическую систему управления.

Синергетическая система означает, что в аппарате имеются синергетические линии для наиболее часто применяемых комбинаций проволок и газа для MIG-сварки, TIG- сварки (при обычной и импульсной сварке), а также для наиболее часто применяемых типов электродов для ручной дуговой сварки.

Таким образом, оптимальная рабочая точка по каждому типу и диаметру проволоки, виду газа задана в компьютере и по ее положению имеется возможность регулировать соотношение тока, напряжения и скорость подачи проволоки. В то же время это позволяет перейти на ручной режим, задать свои собственные параметры, а затем ввести их в запоминающее устройство компьютера. В память машины могут быть введены до 200 программ со сварочными режимами различных процессов сварки. Все процессы запрограммированы в виде оптимальной комбинации сварочных параметров, диаметра и типа проволоки, типа и состава защитного газа. Сварщик формирует лишь сварочный шов. Неоспоримым преимуществом такой техники является ее способность достигать хороших результатов при сварке нержавеющих сталей, цветных металлов и их сплавов, представляющих определенную проблему для традиционных способов сварки.

Инверторный тиристорный источник ВДУЧ-301 с пологопадающими и крутопадающими внешними характеристиками — универсальный выпрямитель для механизированной сварки в среде защитных газов и для ручной дуговой сварки.

Структуру источника можно представить состоящей из двух основных узлов: сетевого выпрямителя и конверторного преобразователя. Сетевой выпрямитель выполнен по мостовой схеме на оптотиристорах и диодах. Кроме выполнения основной функции — выпрямления напряжения сети — он сглаживает пульсации входного напряжения, обеспечивает плавную зарядку накопительного конденсатора при включении источника, контроль величины входного напряжения, отключение выпрямителя при аварийных режимах.

Инверторный преобразователь преобразует выпрямленное напряжение в напряжение сварочного контура с гальванической развязкой контуров. В его состав входит высокочастотный регулируемый инвертор, трансформаторно-выпрямительное устройство, работающее на высокой частоте, и выходной сглаживающий дроссель. Полу- мостовой тиристорный инвертор с резонансной коммутацией и диодами обратного тока содержит высокочастотные конденсаторы, катушки индуктивности и тиристорнодиодные ячейки. Выпрямительное устройство выполнено на стержневом трансформаторе с ферритовым сердечником.

С целью повышения сварочных показателей схема инвертора обеспечивает кратковременное форсирование режимов работы при зажигании дуги и капельных коротких замыканиях в процессе сварки. Частота пульсаций выходного напряжения источника в номинальном режиме 5 кГц.

Инверторный транзисторный источник ВДУЧ-251 предназначен для ручной дуговой сварки штучными электродами на постоянном токе неповоротных стыков магистральных трубопроводов в непрерывном и импульсном режимах. Диапазон регулирования длительности импульса и паузы 0,1-0,9 с. Амплитуда тока импульса может быть установлена в пределах 30-250 А, тока паузы — 30-100 А. Выпрямитель имеет падающие внешние характеристики с возможностью изменения наклона (0,2; 0,4 и 0,7 В/А). Частота пульсации выходного напряжения источника в номинальном режиме 16 кГц.

Принцип работы сварочного инвертора

В настоящее время стали очень популярны и доступны по цене сварочные аппараты инверторного типа.

Несмотря на свои положительные качества, они, как и любое другое электронное устройство, временами выходит из строя.

Чтобы отремонтировать инвертор сварочного аппарата нужно хотя бы поверхностно знать его устройство и основные функциональные блоки.

В первых двух частях будет рассказано об устройстве сварочного аппарата модели TELWIN Tecnica 144-164. В третьей части будет рассмотрен пример реального ремонта сварочного инвертора модели TELWIN Force 165. Информация будет полезна всем тем начинающим радиолюбителям, которые хотели бы научиться самостоятельно ремонтировать сварочные аппараты инверторного типа.

Дальше будет много букв – наберитесь терпения .

Сам инверторный сварочный аппарат представляет не что иное, как довольно мощный блок питания. По принципу действия он очень схож с импульсными блоками питания, например, компьютерными блоками питания AT и ATX. Вы спросите: «Чем они похожи? Это ведь абсолютно разные устройства…». Схожесть заключается в принципе преобразования энергии.

Основные этапы преобразования энергии в инверторном сварочном аппарате:

1. Выпрямление переменного напряжения электросети 220V;

2. Преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты;

3. Понижение высокочастотного напряжения;

4. Выпрямление пониженного высокочастотного напряжения.

Это кратко, так сказать, на пальцах . Такие же преобразования происходят в импульсных блоках питания для ПК.

Спрашивается, а зачем нужны эти пляски с бубном (несколько ступеней преобразования напряжения и тока)? А дело тут вот в чём.

Ранее основным элементом сварочного аппарата являлся мощный силовой трансформатор. Он понижал переменное напряжение электросети и позволял получать от вторичной обмотки огромные токи (десятки – сотни ампер), необходимых для сварки. Как известно, если понизить напряжение на вторичной обмотке трансформатора, то можно во столько же раз увеличить ток, который может отдать нагрузке вторичная обмотка. При этом уменьшается число витков вторичной обмотки, но и растёт диаметр обмоточного провода.

Из-за своей высокой мощности, трансформаторы, которые работают на частоте 50 Гц (такова частота переменного тока электросети), имеют весьма большие размеры и вес.

Чтобы устранить этот недостаток были разработаны инверторные сварочные аппараты. За счёт увеличения рабочей частоты до 60-80 кГц и более, удалось уменьшить габариты, а, следовательно, и вес трансформатора. За счёт увеличения рабочей частоты преобразования в 4 раза удаётся снизить габариты трансформатора в 2 раза. А это приводит к уменьшению веса сварочного аппарата, а также к экономии меди и других материалов на изготовление трансформатора.

Но где взять эти самые 60-80 кГц, если частота переменного тока электросети всего 50 Гц? Тут на выручку приходит инверторная схема, которая состоит из мощных ключевых транзисторов, которые переключаются с частотой 60-80 кГц. Но чтобы транзисторы работали, необходимо подать на них постоянное напряжение. Его получают от выпрямителя. Напряжение электросети выпрямляется мощным диодным мостом и сглаживается фильтрующими конденсаторами. В результате на выходе выпрямителя и фильтра получается постоянное напряжение величиной более 220 вольт. Это первая ступень преобразования.

Вот это напряжение и служит источником питания для инверторной схемы. Мощные транзисторы инвертора подключены к понижающему трансформатору. Как уже говорилось, транзисторы переключаются с огромной частотой в 60-80 кГц, а, следовательно, трансформатор работает также на этой частоте. Но, как уже говорилось, для работы на высоких частотах требуются менее громоздкие трансформаторы, ведь частота то уже не 50 Гц, а все 65000 Гц! В результате трансформатор «сжимается» до весьма малых размеров, а мощность его такая же, как и у здоровенного собрата, который работает на частоте 50 Гц. Думаю, идея понятна.

Вся эта петрушка с преобразованием привела к тому, что в схемотехнике сварочного аппарата появляется куча всяких дополнительных элементов, служащих для того, чтобы аппарат стабильно работал. Но, хватить теории, перейдём к "мясу", а точнее к реальному железу и тому, как оно устроено.

Устройство сварочного аппарата инверторного типа. Часть 1. Силовой блок.

Разбираться в устройстве сварочного инвертора желательно по схеме конкретного аппарата. К сожалению, схемы на TELWIN Force 165 я не нашёл, поэтому нагло позаимствуем схему из руководства по ремонту другого аппарата – TELWIN Tecnica 144-164. Фотографии аппарата и его начинки будут от TELWIN Force 165, так как именно он оказался в моём распоряжении. Исходя из анализа схемотехники и элементной базы, особых отличий между этими моделями практически нет, если не учитывать мелочи.

Внешний вид платы сварки TELWIN Force 165 с указанием расположения некоторых элементов схемы.

Принципиальная схема сварочного аппарата инверторного типа TELWIN Tecnica 144-164 состоит из двух основных частей: силовой и управляющей.

Сначала разберёмся в схемотехнике силовой части. Вот схема. Картинка кликабельна (нажмите для увеличения – откроется в новом окне).

Сетевой выпрямитель.

Как уже говорилось, сначала переменный ток электросети 220V выпрямляется мощным диодным мостом и фильтруется электролитическими конденсаторами. Это нужно для того, чтобы переменный ток электросети частотой 50 герц стал постоянным. Конденсаторы С21, С22 нужны для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, которые всегда присутствуют после диодного выпрямителя. Выпрямитель реализован по классической схеме диодный мост. Он выполнен на диодной сборке PD1.

Следует знать, что на конденсаторах фильтра напряжение будет больше в 1,41 раза, чем на выходе диодного моста. Таким образом, если после диодного моста мы получим 220V пульсирующего напряжения, то на конденсаторах будет уже 310V постоянного напряжения (220V * 1,41 = 310,2V). Обычно же рабочее напряжение ограничивается отметкой в 250V (напряжение в сети ведь может быть и завышенным). Тогда на выходе фильтра мы получим все 350V. Именно поэтому конденсаторы имеют рабочее напряжение 400V, с запасом.

На печатной плате сварочного аппарата TELWIN Force 165 элементы сетевого выпрямителя занимают довольно большую площадь (см. фото выше). Выпрямительный диодный мост установлен на охлаждающий радиатор. Через диодную сборку протекают большие токи и диоды, естественно, нагреваются. Для защиты диодного моста на радиаторе установлен термопредохранитель, который размыкается при превышении температуры радиатора выше 90С 0 . Это элемент защиты.

В выпрямителе применяются диодные сборки (диодный мост) типа GBPC3508 или аналогичный. Сборка GBPC3508 рассчитана на прямой ток (I) — 35А, обратное напряжение (V_R) — 800V.

После диодного моста установлены два электролитических конденсатора (здоровенькие бочонки) ёмкостью 680 микрофарад каждый и рабочим напряжением 400V. Ёмкость конденсаторов зависит от модели аппарата. В модели TELWIN Tecnica 144 – 470 мкф., а в TELWIN Tecnica 164 – 680 мкф. Постоянное напряжение с выпрямителя и фильтра подаётся на инвертор.

Помеховый фильтр.

Для того чтобы высокочастотные помехи, которые возникают из-за работы мощного инвертора, не попадали в электросеть, перед выпрямителем устанавливается фильтр ЭМС – электромагнитной совместимости. На английский манер аббревиатура ЭМС обозначается как EMC (ElectroMagnetic Compatibility). Если взглянуть на схему, то фильтр EMC состоит из элементов С1, C8, C15 и дросселя на кольцевом магнитопроводе T4.

Инвертор.

Схема инвертора собрана по схеме так называемого "косого моста". В нём используется два мощных ключевых транзистора. В сварочном инверторе ключевыми транзисторами могут быть как IGBT-транзисторы, так и MOSFET. Например, в моделях Telwin Tecnica 141-161 и 144-164 используются IGBT-транзисторы (HGTG20N60A4, HGTG30N60A4), а в модели Telwin Force 165 применены высоковольтные MOSFET-транзисторы (FCA47N60F). Оба ключевых транзистора устанавливаются на радиатор для отвода тепла. Фото одного из двух транзисторов MOSFET типа FCA47N60F на плате TELWIN Force 165.

Снова взглянем на принципиальную схему и найдём на ней элементы инвертора.

Постоянное напряжение коммутируется транзисторами Q5 и Q8 через обмотку импульсного трансформатора T3 с частотой гораздо большей, чем частота электросети. Частота переключений может составлять несколько десятков килогерц! По сути, создаётся переменный ток, как и в электросети, но только он имеет частоту в несколько десятков килогерц и прямоугольную форму.

Для защиты транзисторов от опасных выбросов напряжения используются демпфирующие RC-цепи R46C25, R63C30.

Для понижения напряжения используется высокочастотный трансформатор T3. С помощью транзисторов Q5, Q8 через первичную обмотку трансформатора T3 (обмотка 1-2) коммутируется напряжение, которое поступает от сетевого выпрямителя (DC+, DC-). Это то самое постоянное напряжение в 310 – 350V, которое было получено на первом этапе преобразования.

За счёт коммутирующих транзисторов постоянное напряжение преобразуется в переменное. Как известно, трансформаторы постоянный ток не преобразуют. Со вторичной обмотки трансформатора T3 (обмотка 5-6) снимается уже намного меньшее напряжение (около 60-70 вольт), но максимальный ток может достигать 120 – 130 ампер! В этом и заключается основная роль трансформатора T3. Через первичную обмотку течёт небольшой ток, но большого напряжения. Со вторичной обмотки уже снимается малое напряжение, но большой ток.

Размеры этого самого трансформатора невелики.

Его вторичная обмотка выполнена несколькими витками ленточного медного провода в изоляции. Сечение провода внушительное, да и не мудрено, ток в обмотке может достигать 130 ампер!

Далее со вторичной обмотки импульсного трансформатора переменный ток высокой частоты выпрямляется мощными диодными выпрямителями. С выхода выпрямителя (OUT+, OUT-) снимается электрический ток с нужными параметрами. Это и необходимо для проведения сварочных работ.

Выходной выпрямитель.

Выходной выпрямитель собран на базе мощных сдвоенных диодов с общим катодом (D32, D33, D34). Эти диоды обладают высоким быстродействием, т. е. они могут быстро открываться и также быстро закрываться. Время восстановления t_rr of your page —>

Наиболее прогрессивен вид нового сварочного оборудования, выполняемого в настоящее время по инверторной схеме. В большинстве случаев оборудование неразрывно связано с конкретным типом проволокоподающего устройства. В наиболее простом варианте это источник, позволяющий выполнять механизированную сварку плавящимся электродом в защитных газах низколегированных и коррозионно-стойких сталей и алюминия. Используется также при сварке порошковой и самозащитной проволоками. Особенностью высокочастотных инверторов являются высокая стабильность и качество сварки различных материалов в широком диапазоне толщин с минимальным разбрызгиванием металла. Такое оборудование в ряде случаев обеспечивает высококачественную сварку и покрытыми электродами со всеми видами покрытий. Сварка неплавящимся электродом является обычно дополнительной функцией. При импульсной сварке плавящимся электродом в смеси газов появляется возможность получения импульсов тока различной частоты и формы. При достаточной технологической проработке это свойство может улучшить качество сварных соединений. Например, введение функции двойного импульса улучшило очистку металла при сварке алюминия, в результате чего сварной шов формируется того же вида, что и при сварке вольфрамовым электродом.

Все источники питания снабжены цифровыми дисплеями, в отдельных применена система "Минилог", обеспечивающая возможность переключения двух режимов сварки на сварочной горелке. Это важно при разной форме разделки или смене пространственного положения шва. В настоящее время наиболее распространена сварка плавящимся электродом конвекционным способом с раздельным регулированием скорости подачи проволоки и сварочного напряжения. В то же время, значительно расширяется область применения синергетического способа регулирования одной кнопкой. Такой режим решает проблему установки правильного соотношения подачи проволоки и напряжения для каждого вида сварки в зависимости от ряда исходных параметров (диаметра электродной проволоки, свариваемого материала, вида защитных газов, функции заварки кратера, параметров импульсной сварки и др.). Контроль за сваркой и все виды регулирования осуществляются с панели управления или специальных пультов. Например, установка "AnstoMig Universal" фирмы ESAB имеет 200 программ для обычной импульсной сварки. Полуавтомат фирмы KEMPPI выполняет 20 программ. Существует возможность создания собственных программ, необходимых заказчику.

Инверторы для сварки плавящимся электродом выпускает ряд фирм (во многих из них реализованы решения на принципах синергетики): ESAB — "Anston Mig" на ток 320-500 A, Fronius — "Trans Puls Synergic" на ток 210-450 A, KEMPPI — "PRO" на ток 300, 420 и 520 А и др.

Универсальные транзисторные инверторы начали выпускать Санкт-Петербургская фирма "ФЕБ" — "Магма-315" и "Магма-500" и ООО "ПТК" -"Инверт-400" (ручная сварка, механизированная сварка плавящимся электродом, сварка неплавящимся электродом — 400 А, ПН — 80 %).

Инвертором называется прибор, схема, или система, которая создает переменное напряжение при подключении источника постоянного напряжения. Существует другой способ определения: инверсия — функция обратная выпрямлению. Выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное, а инверторы наоборот, превращают постоянное напряжение в переменное.

Инверторы совсем не редкие устройства. Под другими названиями они появляются в многочисленных приложениях. Инверторами, конечно, можно назвать и вибропреобразователи, и генераторы с обратной связью, и релаксационные генераторы. Разве они не превращают постоянное напряжение в переменное? Фактически, использование названий «инвертор» и «генератор» несколько произвольно. Инвертор может быть генератором, а генератор можно использовать как инвертор. Обычно предпочитали использовать термин «инвертор», когда рабочая частота была меньше чем 100 кГц, и выполняемая им операция обеспечивала переменным напряжением некоторую другую схему или оборудование. Современные инверторы не имеют ограничений по частоте.

Поскольку нет четко установленной границы между инверторами и генераторами, можно сказать, что многие инверторы являются генераторами специального типа. Другие инверторы могут по существу быть усилителями или управляемыми переключателями. Выбор термина фактически определяется тем, как расставлены акценты. Схема создающая радиочастотные колебания с относительно высокой стабильностью частоты традиционно назвалась генератором. Схему генератора, в которой основное внимание обращается на такие параметры как к.п.д., возможность регулирования и способность выдерживать перегрузки, и которая работает в диапазоне звуковых или инфразвуковых частот, можно назвать инвертором.

На практике, когда мы рассматриваем конечное назначение схемы, различия между инверторами и генераторами, становятся достаточными очевидными. Назначение схемы тут же подскажет нам как более правильно ее называть: генератором или инвертором. Обычно инвертор применяется в качестве источника питания.

Инвертор питается энергией от источника постоянного напряжения и выдает переменное напряжение, а выпрямитель подключен к источнику переменного напряжения и имеет на выходе постоянное напряжение. Имеется третий вариант — схема или система потребляет энергию от источника постоянного напряжения и выдает также постоянное напряжение в нагрузку. Устройство, осуществляющее эту операцию, называется преобразователем. Но не любую схему, имеющую постоянное напряжение на входе и постоянное напряжение на выходе, можно считать преобразователем. Например, потенциометры, делители напряжения, и аттенюаторы действительно «преобразуют» один уровень постоянного напряжения в другой. Но их вообще нельзя назвать преобразователями. Здесь в процессе выполнения преобразования отсутствует такой элемент как инвертор, вибропреобразователь, или генератор. Другими словами, последовательность процессов в настоящем преобразователе такова: постоянное напряжение — переменное напряжение — постоянное напряжение. Удобным является следующее определение преобразователя: схема или система, потребляющая и выдающая мощность в виде постоянного напряжения, в которой в качестве промежуточного процесса в передаче энергии используется генерирование переменного напряжения (иногда используется выражение dc-to-dc преобразователь).

Практическое значение определения преобразователя состоит в том, что преобразователь по существу работает как трансформатор постоянного напряжения. Это свойство позволяет манипулировать уровнями постоянного напряжения и тока также, как это делается при использовании трансформаторов в системах с переменным напряжением. Кроме того, такой трансформатор-преобразователь обеспечивает изоляцию между входными и выходными цепями. Это способствует электрической безопасности и значительно упрощает ряд проблем при проектировании систем.

Рассмотрим преобразователь с дополнительной операцией. Предположим, что полная последовательность операций такова: переменное напряжение, постоянное напряжение, переменное напряжение, постоянное напряжение. Это означает, что устройство получает энергию от сети переменного напряжения, выпрямляет это напряжение, инвертирует его в переменное напряжение, и снова выпрямляет. Таков основной принцип построения многих источников питания. Не является ли это неоправданно избыточным? Нет, поскольку для выполнения инверсии формируемое переменное напряжение имеет намного более высокую частоту, чем частота сети, что позволяет избавиться от массивного и дорогостоящего трансформатора, рассчитанного на частоту сети. Трансформатор инвертора (работающий на частотах от 20 кГц до нескольких МГц) бывает очень небольшим и обеспечивает полную изоляцию.

1 Инвертор. (Принцип работы, разновидность, область применения)

1.1 Последовательный инвертор

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов последовательного инвертора изображены на рис. 1. Такая схема называется последовательным инвертором, поскольку в ней нагрузочное сопротивление включено последовательно с емкостью. R — нагрузочное сопротивление, L и С — коммутационные элементы. Такой тип инвертора содержит два тиристора. Рассмотрим подробнее фазы работы такой схемы.

Фаза I. Тиристор Т1 включается в момент времени to. Начинается заряд конденсатора от источника питания. Последовательная цепь R, L и С формирует синусоидальный ток через нагрузочное сопротивление и выполняет функцию демпфирующей цепи. Когда ток в цепи уменьшается до нуля, тиристор Т1 запирается. Напряжение на нагрузочном сопротивлении находится в фазе с током тиристора. Формы напряжений VL и Vc можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (VL+ Vc = E), величины VL и Vc должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Фаза II. Тиристор Т2 не должен включаться сразу после того, как ток через тиристор Г, уменьшится до нуля. Для лучшего запирания тиристора Т1, к нему необходимо приложить небольшое обратное напряжение. Если тиристор Т2 включается без запаздывания, или мертвая зона отсутствует, напряжение источника питания замыкается через открытые тиристоры Т1 и Тг.. Если оба тиристора находятся в закрытом состоянии, то VR = 0, VL= 0, следовательно, L di/dt = 0 и конденсатор С остается незаряженным.

Фаза III. В момент времени t2 тиристор Т2 включается и инициирует отрицательный полупериод. Конденсатор разряжается через L, R и Т2. Следует заметить, что электрический ток через нагрузочное сопротивление R протекает в противоположном направлении. В момент времени, когда этот ток уменьшается до нуля, тиристор Т2 выключается. Формы напряжений VL и Vc можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (VL + Vc = 0), величины VL и Vc должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Название: Инверторные источники питания для электродуговой сварки Раздел: Промышленность, производство Тип: реферат Добавлен 01:53:07 26 февраля 2008 Похожие работы Просмотров: 30917 Комментариев: 16 Оценило: 11 человек Средний балл: 4.8 Оценка: 5 Скачать

Рис.1 — Последовательный инвертор:

а) Электрическая схема;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях последовательного

Если тиристор Т1 запустить с задержкой на величину мертвого времени, вышеупомянутые процессы повторятся.

1. Простая конструкция.

2. Выходное напряжение близко к синусоидальному.

1. Индуктивность L и конденсатор С имеют большие габариты.

2. Источник питания используется только в течение положительного полупериода.

3. В выходном напряжении имеются высшие гармоники из-за наличия мертвой зоны.

Последовательный инвертор лучше всего подходит для высокочастотных устройств, так как для требуемых значений 1 и С уменьшаются их габариты. Время периода для одного цикла составляет:

T0=T + 2td. где Г = l/ft и t6 — мертвое время.

Выходная частота последовательного инвертора всегда меньше резонансной частоты вследствие наличия мертвой зоны. Значение выходной частоты может варьироваться путем изменения мертвого времени.

Рис.1г. -Форма выходного напряжения последователного инвертора

1.2 Параллельный инвертор

Базовая схема параллельного инвертора изображена на рис.2а. Когда ключ 1 замкнут, помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют положительный потенциал. Выходное напряжение — положительное. Во второй половине периода ключ 1 размыкается и замыкается ключ 2. Помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют отрицательный потенциал и выходное напряжение — отрицательное.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов параллельного инвертора изображены на рис.2. Параллельные инверторы применяются в низкочастотных устройствах. В них используются трансформатор с отводом из центра первичной обмотки, два тиристора и коммутирующий конденсатор. Источник питания включается между центральным выводом и общей точкой катодов тиристоров. Эквивалентное нагрузочное сопротивление, пересчитанное в цепь первичной обмотки, подключено параллельно коммутационному конденсатору. Следовательно, инвертор такого типа является параллельным.

В момент времени t= tx тиристор Т1 включается. Напряжение источника питания Е приложено к обмотке трансформатора А. Согласно закону самоиндукции такое же напряжение Е индуцируется на обмотке трансформатора В, но противоположной полярности. Поскольку обмотки А и В соединены последовательно, на них будет суммарное напряжение 2Е. Этим напряжением конденсатор предварительно заряжается до напряжения +2Е.

В момент времени t= t2 тиристор Т2 включается. Полярность напряжений на обмотках А и В меняется на обратную, к конденсатору, и тем самым к тиристору Т1, прикладывается обратное напряжение, за счет чего тиристор Т1 выключается. Полярность напряжения на конденсаторе меняется, и он перезаряжается до напряжения — 2Е. Также меняет на обратное направление ток во вторичной обмотке, то есть через нагрузочное сопротивление протекает переменный ток прямоугольной формы. Форма выходного напряжения аналогична форме напряжения на конденсаторе.

Рис.2 — а) Базовая схема параллельного инвертора;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях параллельного инвертора

Номинальное напряжение конденсатора должно быть 2Е.

Ток источника питания не является чистым постоянным током.

Колебания тока источника питания, являются причиной дополнительного выделения тепла в первичной цепи параллельного инвертора.

1.3 Мостовые инверторы

Однофазный полумостовой инвертор

Однофазный полумостовой инвертор состоит из двух источников питания и двух коммутаторов. Нагрузка подключена между общим выводом источников питания и общей точкой коммутаторов.

1.3.1 Резистивная нагрузка

Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с резистивной нагрузкой изображены на рис.3. Тиристор Т1 находится в проводящем состоянии в течение периода Т0/2 (Г0 = 1//о). Тиристор Т2 включается в момент времени Т0/2 и инициирует отрицательный полупериод тока нагрузки, за счет чего тиристор Т1, выключается. В момент времени То снова включается тиристор T1 а тиристор Т2 выключается. Этот процесс повторяется, тем самым обеспечивается непрерывное прямоугольное напряжение на нагрузке. Это возможно, так как тиристоры T1 и Т2 одновременно не запускаются.

Рис.3 — а) Схема полумостового инвертора с резистивной нагрузкой;

б) Фазы работы схемы,

в) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

1.3.2 Индуктивная нагрузка

Принцип действия схемы можно объяснить, рассмотрев четыре фазы ее работы. Диоды Dx и D2называются возвратными диодами. Инвертор не может управлять индуктивной нагрузкой без возвратных диодов. Без диодов в схеме имеются большие выбросы напряжения при переключении тиристоров, поскольку нагрузка индуктивная. Эти выбросы напряжения могут разрушить тиристоры. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с индуктивной нагрузкой изображены на рис.4.

Фаза I. Тиристор Т1 находится в проводящем состоянии, и через нагрузку протекает ток положительного полупериода. Ток через индуктивную нагрузку линейно увеличивается. В момент времени t= t2 тиристор Т1 принудительно закрывается за счет изменения полярности напряжения на нагрузке. Направление тока при этом сохраняется.

Рис.4 — а) Схема полумостового инвертора с индуктивной нагрузкой;

б) Фазы работы схемы,

в) Форма напряжения полумостового инвертора

Фаза II. Ток со стороны нагрузки смещает в прямом направлении диод D2, и он переходит в состояние проводимости. Мощность со стороны нагрузки передается в источник питания V2. Когда величина тока падает до нуля, диод D2 запирается.

Фаза III. Пока диод D2 проводит ток, тиристор Т2 не может находиться в состоянии проводимости, поскольку он смещен в обратном направлении. Как только диод D2 запирается, можно включить тиристор Т2. На промежутке времени t2 — t3 напряжение и ток отрицательные, а мощность — положительная, то есть мощность передается от источника питания к нагрузке. В момент времени t= t4 тиристор Т2 принудительно включается.

Фаза IV. На индуктивной нагрузке изменяется полярность напряжения, но направление тока через нее сохраняется. За счет изменения полярности напряжения диод D1, смещается в прямом направлении. Ток теперь течет по направлению к источнику питания Vv, имеет место рециркуляция мощности. Этот процесс продолжается до тех пор, пока диод D1 не перейдет в закрытое состояние в момент времени t5. Если тиристор Т1 снова включить, вышеупомянутые процессы повторятся.

При работе инвертора на RL-нагрузку ток в цепи изменяется экспоненциально. Площади положительных и отрицательных периодов не равны, так как на резистивной компоненте нагрузки в противофазные периоды рассеиваются разные мощности.

1.3.3 Полумостовой инвертор с RLC – нагрузкой

Рис.5 — а) Схема полумостового инвертора с RLC-нагрузкой, б) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

Электрическая схема и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с RLС-нагрузкой изображены на рис.5. Если инвертор питает RLС-нагрузку, отдельная цепь коммутирования не требуется. Это можно объяснить с помощью символического изображения на рис.5б. Рабочая частота инвертора должна быть выбрана такой, чтобы Хс > XL. При этих условиях в этой схеме ток опережает по фазе напряжение. Ток в нагрузке изменяется синусоидально. В промежутке времени от t0 до tl тиристор Т1 находится в проводящем состоянии. В момент времени t1 = t2 тиристор Т1, выключается, так как ток в цепи уменьшается до нуля. В промежутке времени от t1 до t2 диод D1 находится в проводящем состоянии и мощность передается от нагрузки к источнику питания. Диод D1 находится в проводящем состоянии до тех пор, пока на конденсаторе присутствует напряжение. Когда диод D1 находится в состоянии проводимости, тиристор Т1 смещен в обратном направлении. Таким образом, специальная цепь принудительной коммутации в этом случае не требуется. В этой схеме RLC-нагрузка обеспечивает коммутацию тиристоров. В течение отрицательного полупериода тиристор Т2 находится в проводящем состоянии, через некоторое время диод D2 начинает проводить, вследствие этого тиристор Т2 смещается в обратном направлении и запирается.

1.4 Инвертор Мак-Мюррея (инвертирующий преобразователь)

Принцип работы инвертора Мак-Мюррея основан на коммутировании тока. Полумостовой инвертор работает на индуктивную нагрузку, как изображено на рис.6. Тиристоры ТА1 и ТА2 в этой схеме являются вспомогательными. Они используются для коммутации основных тиристоров Т1 и Т2. Индуктивность L и емкость С являются коммутирующими элементами. Конденсатор предварительно заряжен слева отрицательно, а справа -положительно. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т1 запускается, тем самым инициируется положительный полупериод преобразования. Постоянный ток нагрузки протекает через тиристор Т1.