Пособие по источникам питания

индуктивностью 300 мкГн, включаемыми последовательно с балластными реостатами.

При наличии на цеховом шинопроводе одного неизменного напряжения применение балластных реостатов ограничивает диапазон регулирования и сварочные посты вынуждены работать в близких по току режимах. Для расширения диапазона регулирования система питания должна иметь в цехе распределительные шинопроводы низкого и повышенного напряжения. На каждый шинопровод в этом случае будут работать выпрямители со своим выходным напряжением. Рассмотренная система питания также имеет повышенный расход электроэнергии и невысокий КПД сварочного поста.

Наряду с многопостовыми системами питания, имеющими общий шинопровод и постовые балластные реостаты, существуют многопостовые сварочные выпрямители с тиристорным регулированием тока и напряжения на каждом посту. В этом случае выпрямительные установки могут размещаться на различных сварочных участках, образуя при необходимости местные системы многопостового питания. При сохранении всех преимуществ однопостовых выпрямителей снижаются масса и габариты установок, повышается КПД поста, улучшаются эксплуатационные возможности. Многопостовые источники питания с тиристорным регулированием имеют единый трансформатор питания и независимые тиристорные выпрямительные блоки с самостоятельными устройствами фазового управления.

Система с параллельно работающими тиристорными блоками налагает дополнительные требования к схеме выпрямления сварочного поста. В этом случае работающий тиристор одного выпрямительного блока не должен шунтировать тиристор другого. В связи с этим становится невозможным использование широко распространенной трехфазной мостовой схемы выпрямления с шестью управляемыми вентилями. Выпрямители могут быть выполнены по трем известным схемам: двойной трехфазной схеме с самостоятельными уравнительными реакторами в катодных цепях тиристоров каждого сварочного поста, трехфазной несимметричной мостовой схеме с тремя управляемыми вентилями катодной группы и простой шестифазной схеме выпрямления.

Выпрямитель имеет падающие и жесткие внешние характеристики. Падающие характеристики получаются в результате введения обратной связи по току, жесткие - при совместном действии обратной связи по напряжению и току. Таким образом, один и тот же источник питания может быть использован одновременно для сварки в среде углекислого газа и ручной дуговой сварки штучными электродами.

101

Рис. 43. Схема многопостового источника питания с универсальными характеристиками

Выпрямители обеспечивают стабилизацию параметров при колебаниях напряжения сети, дистанционное регулирование тока и напряжения и включение сварочного режима.

Вопросы

1.Каков состав однопостового сварочного выпрямителя?

2.Перечислите многофазные схемы выпрямления.

3.Какая роль сварочного дросселя в процессе сварки?

4.Объясните роль блока подпитки.

5.Перечислите датчики тока.

6.Какую роль играет блок фазового регулирования?

7.В каких случаях экономически целесообразно применять многопостовые источники питания?

102

Глава 5. ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

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 составляющей 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)

		U20	104	2
S	м				, м ,	(65)
			w2
		4.44 f		Bм

где U20 – вторичное напряжение трансформатора, В; f – частота питающей 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 трансформатора.

Поэтому для снижения массогабаритных характеристик применяются 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

103

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 высокочастотный 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 44.

104

Рис. 44. Блок-схема инверторного источника питания: 1 – сетевой выпрямитель со встроенной системой защиты; 2 – фильтр сетевого напряжения; 3 – промежуточное звено 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. 45) 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 44, 45.

105

Рис. 45. Инверторный источник питания: а) электрическая схема;

б) диаграммы напряжений каждого из представленных узлов

1.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 тиристорных.

4.Высокочастотный сварочный трансформатор понижает высокочастотное высокое напряжение в более низкое, требуемое для процесса сварки. Магнитопровод таких трансформаторов для уменьшения

106

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 простая двуполупериодная и двуполупериодная 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 46 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. 46. 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-

107

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. 46. Схема тиристорных звеньев промежуточной частоты:

а) и б) параллельные инверторы, в) и г) последовательные инверторы

5.1. Параллельные инверторы

Для получения импульса (рис. 46, а) в первоначальный момент ток нагрузки протекает через последовательно включенные тиристоры VS1, VS3, при этом коммутирующий конденсатор C заряжается, как показано на рисунке 46. При отпирании тиристора VS4 конденсатор начинает разряжаться и запирает тиристор VS3, по окончании перезарядки конденсатора С наступает пауза. Следующий импульс начинается при отпирании тиристоров VS2, VS4. Данная схема позволяет регулировать как длительность импульса, так и длительность импульса независимо друг от друга. Сплошной стрелкой показано протекание тока во время отпирания одного тиристора, а штриховой – отпирание другого тиристора и запирание первого. На рисунке 46, б ток импульса протекает через левое плечо трансформатора при отпирании тиристора VS1,

108

при этом коммутирующий конденсатор заряжается, как показано на рисунке 46. При отпирании тиристора VS2 конденсатор С начинает разряжаться и запирает тиристор VS1, и ток протекает через правое плечо трансформатора.

5.2. Последовательные инверторы

Последовательный инвертор представлен на рисунке 46, в. Ток нагрузки в первоначальный момент протекает через последовательно включенные конденсатор C и тиристор VS1 и первичную обмотку трансформатора TV1. Таким образом, время протекания тока ограничено временем зарядки коммутирующего конденсатора. Затем открывается тиристор VS2 и энергия, накопленная на конденсаторе, протекает через первичную обмотку трансформатора, наводя в ней ЭДС. На рисунке 46, г ток нагрузки протекает встречно сначала VS1–VS4, а затем через VS2–VS3. На рисунке показано сплошной стрелкой протекание тока через первый тиристор, а штриховой – через второй.

Схемное решение транзисторного инвертора проще, чем у тиристорного, так как запирание транзистора происходит естественным образом после снятия сигнала.

5.3. Двухтактный мостовой инвертор

Двухтактный мостовой инвертор показан на рисунке 47, а. В первом полупериоде (такте) система управления запускает транзисторы VT1 и VT4, и ток идет по первичной обмотке трансформатора в направлении, показанном сплошной линией. Во втором полупериоде путь тока через транзисторы VT2 и VT3 показан пунктирной линией. Таким образом, по первичной обмотке трансформатора TV1 протекает переменный ток.

Рис. 47. Схема транзисторного инвертора: а) двухтактный мостовой; б)

однотактный полумостовой; в) диаграмма тока для схемы(б)

109

5.4. Однотактный полумостовой инвертор

Однотактный полумостовой инвертор (рис. 47, б) приведен в составе конвертора, он имеет половинное количество транзисторов. В начальный момент (t1) при отпирании транзисторов VT1 и VT2 по первичной обмотке трансформатора идет импульс тока, показанный сплошной линией, а на диаграмме (рис. 47, в) отрезок (t1–t2). Затем следует пауза, (t2–t4), во время которой все индуктивные процессы в магнитопроводе прекращаются. После чего в этом же направлении проходит следующий 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 защиты в виде диодов VD1, VD2. С момента выключения транзисторов (t2) энергия, запасенная в индуктивности первичной цепи, возвращается в сеть через диоды. При этом по первичной обмотке идет ток по пути, показанному пунктирной линией, постепенно снижаясь к моменту (t3).

5.5.Резонансные преобразователи

Врезонансных преобразователях меньше динамических потерь

иони создают гораздо меньше помех, поскольку переключение происходит не прямыми фронтами, богатыми гармониками, а импульсами с гладкой формой сигнала, близкой к синусоидальной. С точки зрения построения силовой схемы резонансные преобразователи более простые и надежные. Но они до сих пор не смогли вытеснить обычные полумостовые и мостовые преобразователи из-за принципиальных проблем с регулированием выходного напряжения. В обычных преобразователях используют принцип регулирования на основе широтноимпульсной модуляции (ШИМ), и здесь не возникает никаких сложностей. В резонансных же преобразователях использование ШИМ и других специальных методов (например, частотного регулирования в результате изменения частоты коммутации) приводит к увеличению динамических потерь, которые в некоторых случаях становятся соразмерными или даже превышающими потери в классических преобразователях. Использование формирующих цепей оправдывает себя в ограниченном диапазоне частот и при очень небольшой глубине регулирования.

Использование дополнительного импульсного регулятора, устанавливаемого на выходе, приводит к необходимости использования еще одного звена преобразования, а значит, снижает КПД. Конструк-

110