Транзисторный инверторный источник
Схема транзисторного инверторного источника (рисунок 3.10) наиболее удобна для объяснения процесса инвертирования. Сетевой выпрямительный блок V 1преобразует переменное напряжение сети в постоянное, которое сглаживается с помощью низкочастотного фильтра L 1— С 1.Затем выпрямленное напряжение U вс преобразуется в однофазное переменное u 1высокой частоты с помощью инвертора на двух транзисторах VT 1 и VT 2. Далее напряжение понижается трансформатором Т до u 2, выпрямляется блоком вентилей V 2, проходит через высокочастотный фильтр L 2— С 2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения и в.
Рисунок 3.10 – Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжений (б) выпрямителя с транзисторным инвертором
Подробнее рассмотрим процесс инвертирования. При подаче сигнала на базу транзистора VT1 отпирается его коллекторная цепь и по первичной обмотке трансформатора T в интервале времени t 1идет ток в направлении, показанном тонкой линией. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. С некоторой задержкой отпирается транзистор VT 2,при этом в интервале времени t 2ток по трансформатору идет уже в другом направлении, показанном пунктиром. Таким образом, по первичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Длительность его периода Т и частота переменного тока f=1 /Т зависят от частоты запуска транзисторов, определяемой системой управления. Обычно частота устанавливается на уровне 1– 100 кГц. Поскольку эта частота не зависит от частоты сети, такой инвертор называют автономным. Иногда инвертор конструктивно объединяют с трансформатором Т, выпрямительным блоком V 2и фильтром L 2— С 1.Такое устройство называют конвертором, у него на выходе, как и на входе, постоянное напряжение, но меньшей величины.
|
|
Если на входе инвертора установлен мощный накопительный конденсатор (или их батарея) С 1, то напряжение инвертора и 1имеет прямоугольную форму, как показано на рисунок 3.10, б. Такую конструкцию называют автономным инвертором напряжения (АИН). Напротив, если на входе инвертора установить мощный дроссель L 1, а обмотку трансформатора Т шунтировать конденсатором, то сглажен будет уже ток. Такой преобразователь называется инвертором тока (АИТ). Наконец, возможна конструкция, в которой благодаря наличию последовательно соединенных индуктивности и емкости образуется колебательный контур с синусоидальным током, она названа резонансным инвертором (АИР).
Инвертор — это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Конвертор — устройство для понижения или увеличения постоянного напряжения с промежуточным высокочастотным звеном.
|
|
Регулирование режима сварки осуществляется несколькими способами. Например, при увеличении напряжения сетевого выпрямителя U всувеличивается и амплитуда высокочастотного напряжения U 2 среднее значение U ввыпрямленного напряжения (рисунок 3.11, а). С этой же целью изменяют ширину импульсов инвертора (рисунок 3.11, б). Однако более удобным и распространенным способом является изменение частоты импульсов (рисунок 3.11, в)
В инверторном выпрямителе используется амплитудное, широтное и частотное регулирование режима.
Рисунок 3.11 – Осциллограммы инверторного выпрямителя при
регулировании напряжения изменением амплитуды (а), ширины (б) и частоты (в) импульсов
Внешние характеристики инверторного выпрямителя зависят главным образом от конструктивных особенностей инвертора и трансформатора (рисунок 3.12, а). Естественная внешняя характеристика собственно инвертора АИН почти жесткая (линия 1).Но поскольку индуктивное сопротивление трансформатора Х Т,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):
Подобным же образом для получения жестких характеристик вводится обратная связь по выпрямленному напряжению:
Рисунок 3.12 – Внешние характеристики инверторных выпрямителей
В инверторном выпрямителе сравнительно легко получить ломаную внешнюю характеристику (рисунок 3.12, б), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для задания сравнительно высокого напряжения холостого хода, что полезно при зажигании дуги. Пологопадающий основной участок 2обеспечивает эффективное саморегулирование при механизированной сварке в углекислом 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.
Схемное решение транзисторного инвертора проще, чем у тиристорного. Разумеется, это относится только к мощным транзисторам, когда в каждом плече инвертора установлено не более одного вентиля. Ранее на рисунок 3.10 была пояснена работа двухтактного инвертора с нулевым выводом. Самые распространенные в сварочных выпрямителях схемы приведены на рисунок 3.13.
Двухтактный мостовой инвертор показан на рисунок 3.13, а. В первом полупериоде (такте) система управления запускает транзисторы VT 1и VT 4, и ток идет по первичной обмотке трансформатора в направлении, показанном тонкой линией. Во втором полупериоде путь тока через транзисторы VT 2и VT 3показан пунктирной линией.
Однотактный полумостовой инвертор на рисунке 3.13, б приведен в составе конвертора, он имеет половинное количество транзисторов. В момент t 1при отпирании транзисторов VT 1и VT 2по первичной обмотке трансформатора идет импульс тока, показанный тонкой линией. Затем следует пауза t 1 -t 4,после чего в этом же направлении проходит такой же импульс тока (рисунок 3.13, в). 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 диодов VD 1, VD 2. С момента t 2 выключения транзисторов энергия, запасенная в индуктивности первичной цепи, возвращается в сеть. При этом по первичной обмотке через диоды по пути, показанному пунктирной линией, идет ток, постепенно снижаясь к моменту t 3.
|
|
Рисунок 3.13 – Схемы транзисторных инверторов
Теперь обратимся к процессам в сварочной цепи. Импульс тока, трансформированный во вторичной обмотке с момента t 1,передается нагрузке через диод VD 3по пути, показанному тонкой линией. С момента t 2 ток в нагрузке поддерживается в основном за счет энергии, запасенной в индуктивности L. С этой целью используется обратный диод VD 4, ток по которому показан пунктиром. При достаточно большой индуктивности L выпрямленное напряжение UB может быть сглаженным до уровня, приемлемого по условиям технологического процесса (рисунок 3.13, в).
Надежность транзисторного инвертора пока еще невелика, здесь самым уязвимым элементом являются именно транзисторы. При конструировании сварочного выпрямителя стремятся к снижению числа вентилей, снижению тока и напряжения на них. При недостаточном допустимом токе приходится в каждое плечо устанавливать несколько параллельно соединенных транзисторов. В этом случае усложняется система управления и возникает проблема подбора вентилей с близкими характеристиками. Поэтому рационально параллельное соединение не транзисторов, а транзисторных модулей, каждый из которых снабжен собственными элементами управления и защиты. В этом случае может быть реализован и принцип резервирования, по которому неисправные модули отключаются без ущерба для общей работоспособности всего выпрямителя. В качестве примера можно привести модуль МТКД-40-7, специально предназначенный для применения в ключевых схемах преобразователей. Его предельный ток коллектора 40 А, а максимальное обратное напряжение цепи «коллектор—эмиттер» 700 В. Он представляет собой составной транзистор с резисторами и диодами в цепях управления и защиты, его коэффициент передачи по току может достигать 100.
|
|
Таблица 3.1 – Сравнительные характеристики
малогабаритных сварочных инверторов
Модель | Страна изготовитель | Напряжение питания | Потребляемая мощность | Диапазон сварочного тока, А | ПВ, % | Габаритные размеры, мм | Масса, кг |
Master-1600 MLS (Kemppi) | Финляндия | 4,8 | 10-160 | 410x180x390 | 14,0 | ||
Minar-140 (Kemppi) | Финляндия | 4,1 | 10-140 | 305x123x250 | 4,2 | ||
Invertec V 140-S (Lincoln Electric) | США | 6,2 | 5-140 | 254x145x350 | 6,0 | ||
OrigoArc 150 (ESAB) | Швеция | 5,0 | 4-150 | 380x180x300 | 6,9 | ||
ТЕ 161 (Merkle) | Германия | 3,7 | 3-150 | 290х152х235 | 5,3 | ||
MOS 138 E (Deka) | Италия | 2,5 | 5-130 | 310x120x160 | 4,0 | ||
Tecnica 140 (Telwin) | Италия | 4,2 | 5-130 | 315x135x210 | 5,1 | ||
Technology 150 (Telwin) | Италия | 4,2 | 5-130 | 430x170x290 | 9,2 | ||
Discovery 140 (Weco) | Италия | 6,9 | 5-140 | 120x310x215 | 4,3 | ||
Handy S 200 (Lorch) | Германия | 4,5 | 10-140 | 280x138x220 | 4,5 | ||
S 1601 (Cemont) | Италия | 4,5 | 5-150 | 235x145x340 | 7,7 | ||
Transpoket 1500 (Fronius) | Австрия | 7,0 | 10-150 | 315x110x200 | 4,7 | ||
Piko 140 (EWM) | Германия | 6,0 | 5-140 | 335x110x220 | 4,5 | ||
DC 140 («Технотрон») | Россия | 6,9 | 10-140 | 310x120x215 | 4,0 | ||
Торус-200 (Тор) | Россия | 5,0 | 40-200 | 115x185x280 | 5,0 | ||
Форсаж-125 (ГРПЗ) | Россия | 4,0 | 40-125 | 330x142x245 | 6,7 | ||
Прогресс-130 («Электрик») | Россия | 5,0 | 3-130 | 367x266x163 | 6,0 | ||
Адонис-2 («Корд») | Россия | 5,1 | 35-160 | 165x360x370 | 14,5 | ||
ВДУЧ-1371 («Спецэлектромаш») | Россия | 4,0 | 5-130 | 365x140x196 | 8,0 | ||
ВМЕ-120 («ПромЭл») | Россия | 2,7 | 10-120 | 140x240x65 | 2,2 | ||
ВМЕ-140 («ПромЭл») | Россия | 3,2 | 10-140 | 147x250x65 | 2,3 | ||
ВМЕ-160 («ПромЭл») | Россия | 3,7 | 10-160 | 170x296x90 | 3,6 |
Сварочные свойства инверторных выпрямителей существенно лучше, чем у всех современных источников, и объясняется это высоким быстродействием инвертора. Если у других источников длительность переходного процесса не менее периода стандартного переменного тока, т.е. около 0,02 с, то у инверторного выпрямителя быстродействие характеризуется значениями 0,001 с и меньше. При механизированной сварке в углекислом газе инверторный выпрямитель способен обеспечить сложный алгоритм изменения тока с целью управления переносом электродного металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высокие динамические свойства инверторного выпрямителя проявляются и в случае программного управления процессом ручной дуговой сварки. 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 пульсирующей дугой с регулируемой формой импульса и т.д.
Достоинства и недостатки инверторного источника тесно связаны друг с другом. Здесь энергия претерпевает по крайней мере 4 ступени преобразования. Тем не менее такой выпрямитель экономичен и весьма перспективен. Дело в том, что сердечник высокочастотного трансформатора имеет очень малые сечение и массу. Обычно сердечник весит почти в 10-20 раз меньше, чем сердечник трансформатора на 50 Гц. В целом выпрямитель также имеет замечательные массо-энергетические характеристики: 0,1-0,3 кг на 1 А сварочного тока и 4-8 кг на 1 кВт потребляемой мощности, т.е. весит в 3-5 раз меньше других выпрямителей. И все же инверторный выпрямитель дороже других 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 КПД не ниже 0,7. а иногда достигает 0,9. Главный недостаток инверторного выпрямителя заключается в чрезмерной сложности устройства и связанной с этим низкой надежности и ремонтопригодности.
К основным преимуществам инверторных источников можно отнести:
1. Экономия металла трансформаторного железа в 10 и более раз по сравнению с трансформатором 50 Гц.
2. Хорошие характеристики по массово-энергетическим показателям (0,1...0,2 кг/А, 4..8 кг/кВт).