Сварочные инверторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Назначение, устройство и классификация сварочных инверторов

2. Типичные схемы инверторов

2.1 Автономные однофазные мостовые инверторы

2.2 Резонансный последовательный инвертор

2.3 Трехфазные автономные инверторы

Заключение

Библиографический список

Введение

В настоящее время пользуются большим спросом инверторные сварочные выпрямители. Относятся к наиболее перспективным и интенсивно развивающимся сварочным источникам питания. Такие выпрямители экономичны (их cosц близок к 1, КПД - не ниже 0,7), имеют малые габаритные размеры и массу. Характеризуются чрезмерно сложным устройством и, следовательно, низкой надежностью и ограниченной ремонтопригодностью, повышенным шумом, высокой стоимостью. Применяют в производстве сварочных работ на монтаже, в быту, на ремонтных работах, в тех случаях, где особое значение имеют малые масса и габариты сварочного источника.

1. Назначение, устройство и классификация сварочного инвертора

Основным отличием инверторных источников питания от традиционных сварочных выпрямителей является наличие в его конструкции специальных устройств - инверторов (рис. 1).

а)

б)

Рис. 1 Блок-схемы: а - инвертора; б - конвертора; И - инвертор; Тр - трансформатор; V - выпрямитель; L-С - фильтр

Инверторы - это устройства, которые преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока с заданной формой импульсов, частотой, амплитудой и выходным напряжением (рис. 1, а). На практике в сварочных источниках питания наиболее часто применяются однофазные инверторы. Частота переменного тока инвертора f = 1/Т, где Т - длительность его периода, ограничивается динамическими характеристиками применяемых электронных элементов. Она задается устройством (блоком) управления и устанавливается обычно 1...60 кГц. Поскольку частота на выходе инвертора не зависит от частоты питающей сети, то такой инвертор называют автономным.

Конверторы - устройства, которые понижают или повышают постоянное напряжение с применением с промежуточного высокочастотного звена (рис. 1, б). Для этого инвертор И конструктивно объединяют с трансформатором Тр, выпрямительным блоком V и фильтром L-С. У конвертора на выходе, как и на входе, постоянное напряжение, но величина его меньше.

Иногда на входе инвертора устанавливают накопительный конденсатор (или их батарею) С1. В этом случае напряжение на выходе инвертора имеет прямоугольную форму (см. рис. 1, а). Такую конструкцию преобразователя называют автономным инвертором напряжения.

В некоторых случаях на входе инвертора устанавливают мощный дроссель, а обмотку трансформатора шунтируют конденсатором. В этом случае сглажен будет уже ток. Такой преобразователь называют автономным инвертором тока.

Возможен и такой вариант, когда конструкция инвертора содержит соединенные последовательно индуктивность и емкость, которые образуют колебательный контур с синусоидальным током. Такую конструкцию преобразователя называют автономным резонансным инвертором.

Изменения полярности, необходимые для преобразования в инверторе напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока, осуществляются электронными коммутационными элементами. Наиболее часто для этого используются тиристоры. Тиристор может работать в качестве электронного ключа только в том случае, если обеспечено его включение и выключение в моменты времени начала и окончания импульсов, определяемые обусловленной частотой.

Обеспечение надежного выключения тиристора для прекращения каждого импульса представляет основную трудность при конструировании тиристорных инверторов, поскольку в них применяют в основном однооперационные тиристоры. Как известно, однооперационный тиристор, установленный в цепи постоянного тока, невозможно выключить снятием сигнала управления. Для его выключения анодный ток необходимо не только снизить до нуля, но и после этого некоторое время поддерживать обратное напряжение для восстановления запирающих свойств тиристора. Это можно сделать, если энергию, необходимую для выключения тиристоров, запасать в конденсаторах, которые следует включать параллельно или последовательно с тиристором. Конденсаторы, разрядом или зарядом которых прекращается ток в анодной цепи тиристоров, называют коммутирующими. В зависимости от того, как включены коммутирующие конденсаторы (параллельно или последовательно с тиристором), инверторы разделяют на параллельный и последовательный типы.

Известно очень много схем автономных инверторов с тиристорами. Ниже будут рассмотрены только примеры наиболее общих, типичных схем инверторов, часто встречающихся в эксплуатации.

2. Типичные схемы инверторов

2.1 Автономные однофазные мостовые инверторы

сварочный инвертор выпрямитель

Автономные однофазные мостовые инверторы (рис. 4.20) имеют следующие особенности. Нагрузка Rн к инверторам может присоединяться либо через трансформатор Тр с первичной w1 и вторичной w2 обмотками, либо непосредственно к инвертору. Каждая из этих схем включает коммутирующие конденсаторы Ск, осуществляющие выключение тиристоров, и коммутирующие индуктивности LК, обеспечивающие правильную работу цепи выключения. Частота выходного переменного напряжения инвертора определяется частотой включения коммутирующих групп тиристоров Т1...Т1* и T2...Т2*, которые осуществляются подачей сигналов на управляющие электроды тиристоров от блока управления (блок управления на рис. 2 не показан).

Рис. 2. Однофазные мостовые инверторы: а - со схемой параллельного включения тиристоров; б - со схемой последовательного включения тиристоров

Схема включения групп тиристоров Т1...Т1* и T2...Т2* может быть параллельного типа, где конденсатор присоединен к отключаемому вентилю параллельно, или последовательного типа, где конденсатор соединен с коммутирующей индуктивностью Lк последовательно. В схему инвертора обычно входят обратные диоды Д1...Д1* и Д2...Д2*, которые обеспечивают работу инвертора без нагрузки или при индуктивной нагрузке, создавая путь для обратного потока энергии от инвертора к источнику постоянного тока.

Инвертор параллельного типа, собранный по мостовой двухполупериодной схеме (рис. 2, а), работает следующим образом.

При включении тиристоров Т1...Т1* по первичной обмотке w1 трансформатора Тр протекает ток, показанный тонкой сплошной линией 1. С этого момента начинается первый полупериод высокочастотного тока, протекающего по нагрузке Rн. Одновременно заряжается конденсатор Ск полярностью 1 (). По истечении полупериода заданной частоты включаются тиристоры T2...Т2*. Это приводит к разряду конденсатора Ск на тиристоры Т1...Т1* в обратном направлении и уменьшению в них тока до нуля. Вследствие этого они запираются, и первый полупериод заканчивается. Именно поэтому конденсатор Ск в схемах инверторов называется коммутирующим (переключающим). Кроме того, включение тиристоров T2...Т2* приводит к тому, что по первичной обмотке w1 трансформатора Тр протекает ток противоположного направления, показанный тонкой штриховой линией 2. С этого момента начинается второй полупериод высокочастотного тока. Одновременно конденсатор Ск заряжается полярностью 2 (). По истечении второго полупериода опять включаются тиристоры Т1...Т1* и цикл включения и выключения тиристоров
Т1...Т1* > T2...Т2* повторяется.

Инвертор последовательного типа чаще, чем инвертор параллельного типа, используется в сварочных источниках питания. Например, инвертор, собранный по мостовой двухполупериодной схеме (рис. 2, б), работает следующим образом.

Как и в инверторе параллельного типа, при включении тиристоров Т1...Т1* по первичной обмотке w1 трансформатора Тр протекает ток, показанный тонкой сплошной линией 1. С этого момента начинается первый полупериод высокочастотного тока, протекающего по нагрузке Rн. Одновременно заряжается конденсатор Ск полярностью 1 (). Когда напряжение на конденсаторе Ск достигнет величины постоянного напряжения источника питания Uи.п., анодное напряжение на тиристорах Т1...Т1* снизится до нуля, и они закроются. Во втором полупериоде при включении тиристоров T2...Т2* по трансформатору Тр пойдет ток противоположного направления, показанный тонкой штриховой линией 2, а конденсатор Ск перезарядится полярностью 2 (). Как и в инверторе параллельного типа, по истечении второго полупериода опять включаются тиристоры Т1...Т1* и цикл работы тиристоров Т1...Т1* > T2...Т2* повторяется.

Для всех схем характерно то, что при перезарядке конденсатора Ск (во время процесса коммутации) в коммутирующей цепи накапливается энергия. Эта дополнительная энергия при отсутствии обратных диодов вызывает повышение напряжения на коммутирующем конденсаторе после каждой коммутации. Обратные диоды Д1...Д1* и Д2...Д2* препятствуют повышению напряжения на коммутирующих конденсаторах сверх уровня, определяемого параметрами схемы.

Однако если не предусмотрено достаточного затухания, то поступление энергии во время коммутаций вызовет непрерывный рост тока, циркулирующего в цепи, которая состоит из проходящего тиристора, обратного диода и коммутирующей индуктивности Lк. В инверторах низкой частоты (до 100 Гц) падение напряжения на полупроводниковых вентилях обеспечивает достаточное затухание. Во всех остальных случаях затухание может быть обеспечено резисторами, включенными последовательно с обратными диодами. В схемах с присоединением нагрузки через трансформатор затухание может быть обеспечено без увеличения потерь в инверторе - за счет присоединения обратных диодов к отпайкам трансформаторов. Можно также ввести в цепи циркулирующих токов такие напряжения соответствующей полярности, которые смогут эффективно компенсировать рост циркулирующего тока. При этом часть энергии возвращается в нагрузку или в источник питания, что улучшает КПД инвертора.

2.2 Резонансный последовательный инвертор

Наиболее распространен в сварочных источниках питания резонансный последовательный инвертор, собранный по симметричной полумостовой схеме (рис. 3, а). По сравнению с мостовой схемой здесь меньше тиристоров, что удешевляет источник, и проще система управления. В L-С колебательном контуре при работе инвертора возникает синусоидальный ток и резонанс напряжений (поэтому такой инвертор и называют резонансным инвертором). Моменты отпирания тиристоров и частота инвертирования задаются блоком управления, а параметры синусоидального тока определяются параметрами элементов колебательных контуров.

Рис. 3. Схема резонансного инвертора последовательного типа (а) и осциллограммы работы в режиме прерывистого (б) и непрерывного (в) тока

С момента t1 включения тиристора Т1 по первичной обмотке w1 трансформатора Тр пойдет ток по цепи, изображенной на рис. 3, а тонкой линией 1. При этом конденсатор Ск , ранее заряженный полярностью (), помеченной позицией 1*, сначала разряжается на трансформатор Тр по цепи, показанной линией 1*, а затем перезаряжается на противоположную полярность () (позиция 1). Одновременно к моменту t2 конденсатор Ск , коммутирующий цепь тиристора Т1, зарядится полярностью (), показанной позицией 1. При достижении равенства напряжений между обкладками конденсатора Ск и источника питания Uи.п. ток в цепи тиристора Т1 станет равным нулю, и он выключится. В интервале t1…t2 через первичную обмотку трансформатора ток IT2 протекает по кривой, близкой к синусоиде (рис. 3, б).

Рис. 4. Естественные жесткие (а) и крутопадающие (б) внешние характеристики тиристорных выпрямителей

С момента t2 выключения тиристора Т1 конденсатор Ск2 разряжается на первичную обмотку трансформатора через ранее шунтированный диод Д1 по цепи, изображенной на рис. 4, а тонкой линией 1**. Этим обратный диод Д1 предотвращает чрезмерное накопление энергии на конденсаторе Ск2. Вследствие разряда конденсатора Ск2 в интервале t2…t3 по первичной обмотке w1 трансформатора Тр проходит обратная полуволна тока IД1 (рис. 3, б). На этом период работы плеча с тиристором Т1 завершается.

С момента t4 включения тиристора Т2 по первичной обмотке w1 трансформатора Тр пойдет ток по цепи, изображенной на рис. 4, а пунктирной линией 2. При этом в плече с тиристором Т2 полумостового инвертора протекают такие же процессы, как и в плече с тиристором Т1. В результате, в интервале t4…t6 через обмотку w1 трансформатора Тр в течение периода tТ2, протекает ток IT2 , а в течение tД2 - обратный ему ток IД2 (рис. 3, б).

Очевидно, что в соответствии с формулой В. Томсона длительности tT1 и tД1 полупериодов свободных колебаний токов IТ1 и IД1 будут равны.

Тогда длительности интервалов tT1 включенного состояния тиристора Т1 и tД1 включенного состояния обратного диода Д1 равны полупериоду свободных колебаний для контура, состоящего из коммутирующего конденсатора Ск1 с емкостью С, трансформатора Тр и дросселя L1 с индуктивностями Lтр и L соответственно. В результате период T0 свободных колебаний рассматриваемого инвертора и собственная частота f0 его колебательного контура Ск1 - Тр - L1 соответственно равны:

Поскольку емкости конденсаторов Ск1 и Ск2, а также индуктивности дросселей L1 и L2 равны, то и периоды T0 и частоты f0 свободных колебаний в обоих плечах инвертора будут одинаковы.

Частота переменного тока инвертора задается блоком управления, и она всегда меньше частоты его колебательного контура, а период включения тиристоров Tв = T/2, наоборот, больше периода свободных колебаний T0. Это связано с обязательностью существования периода tв, необходимого для восстановления запирающих свойств тиристоров. Поэтому длительность паузы tп между периодами работы двух тиристоров всегда больше периода tв восстановления их запирающих свойств.

В то же время вполне допустимо включение тиристора T2 до момента t3, т. е. в интервале работы обратного диода Д1 при условии, что tп > tв (рис. 3, в). При наложении импульсов токов, протекающих через тиристор T2 и диод Д1, возникает режим непрерывного тока инвертора, вполне допустимый и к тому же облегчающий сглаживание сварочного тока.

Резонансный инвертор, в отличие от автономных инверторов напряжения или тока, устойчиво работает в режиме короткого замыкания. И даже в режиме холостого хода инверторного выпрямителя собственно инвертор все же может работать устойчиво, т.к. он нагружен небольшим намагничивающим током первичной обмотки трансформатора. Однако в этом случае в нем возникает опасность перенапряжений.

2.3 Трехфазные автономные инверторы

Трехфазные инверторы, которые преобразуют постоянный ток в трехфазный переменный, в сварочных источниках питания пока широко не применяются в основном по экономическим соображениям. Однако их широкое применение в будущем, особенно в конструкциях конверторов, весьма перспективно.

В трехфазных инверторах полярности фазных напряжений на стороне переменного тока должны циклически изменяться. Эта задача может быть решена, например, при помощи трех однофазных инверторов, работающих со взаимными сдвигами по фазе на 120°. Могут быть составлены и трехфазные схемы.

В трехфазных схемах тиристоры, используемые в качестве коммутационных элементов, обычно устанавливаются в плечах трехфазного моста. Различия между отдельными решениями в основном относятся к схемам выключения тиристоров.

Трехфазный инвертор (рис. 5) содержит три группы тиристоров: Т1...Т1*, Т2...Т2* и Т3...Т3*, в каждой из которых тиристоры включаются и выключаются поочередно, а их включение и выключение в различных группах происходит со смещением на 120°.

Рис. 5. Трехфазный инвертор со схемой включения тиристоров:

а - параллельного типа; б - последовательного

В схему трехфазных инверторов обычно входят обратные диоды Д1...Д1*, Д2...Д2* и Д3...Д3*, которые выполняют те же функции, что и в однофазных инверторах.

Трехфазные инверторы с параллельной схемой включения тиристоров (рис. 5, а) и инверторы с последовательной схемой включения тиристоров (рис. 5, б) представляют собой соединенные параллельно три однофазных инвертора соответственно с параллельной и последовательной схемой выключения тиристоров.

Заключение

Схемы инверторов классифицируются в зависимости от того, используется ли в инверторе всего по одному конденсатору на каждую фазу или по одному конденсатору на каждое плечо, в зависимости от специфических требований на практике могут широко использоваться и другие решения с некоторыми дополнительными элементами. Например, иногда конденсаторы отделяются от нагрузки при помощи диодов, чтобы предотвратить их разряд через нагрузку.

Известно множество различных схем инверторов, которые могут удовлетворять самым разным требованиям. Использование инверторов в сварочных источниках питания в ближайшей перспективе будет определяться техническими характеристиками, надежностью и стоимостью их элементной базы - силовых тиристоров и транзисторов.

Библиографический список

Еремин Е. Н. Е70 Источники питания для сварки: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. 294 с.

Размещено на Allbest.ru