Какой сварочный источник имеет наибольший кпд

Зависимость КПД сварочного инвертора от характеристик тока

В последние два десятилетия в области сварочного приборостроения четко прослеживается тенденция перехода от громоздких трансформаторно-дроссельных аппаратов переменного и постоянного тока к малогабаритным и эффективным транзисторным инверторным сварочным аппаратам (ИСА). Абсолютное большинство представленных в настоящее время на рынке отечественных и зарубежных ИСА предназначены для осуществления сварки только на постоянном токе. На кафедре радиотехники Мордовского государственного университета ведутся активные работы по созданию приборов нового класса — сварочных инверторов знакопеременного тока частоты ультразвукового диапазона. Результаты разрушающих испытаний нескольких партий образцов, полученных путем сварки на постоянном токе, на переменном токе промышленной частоты и на знакопеременном токе частоты 25 кГц, показали, что в последнем случае прочность соединений повышается на 8–10% [1, 2].

Однако появление ИСА переменного тока частоты 25–50 кГц вызвало и появление новых вопросов, требующих ответа. Одним из таких вопросов является оценка КПД ИСА и связь этого показателя с рабочей частотой тока и его спектром. Дело в том, что ток ИСА имеет форму знакопеременных импульсов, а его стабилизация и регулирование осуществляются путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, такая форма тока при изменении рабочей частоты и скважности импульсов приводит к формированию широкого спектра составляющих, что может стать проблемой при обеспечении требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) аппарата.

Для получения ответов на эти вопросы было проведено исследование ИСА, выполненного по схеме сдвоенного полумоста (рис. 1) [3, 4].

Рис. 1. Упрощенная схема инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока

Спектральный состав тока анализировался на компьютерной модели ИСА в среде MATLAB Sym Power System и на функциональном макете аппарата. При построении модели были учтены основные параметры входящих в нее элементов:

  • внутреннее сопротивление источника питания 0,1 Ом;
  • сопротивление VT во включенном состоянии 61 мОм;
  • индуктивность VT во включенном состоянии 12 нГн;
  • падение напряжения на VT в прямом направлении 1 В;
  • время спада тока VT до уровня 0,1 от тока в момент выключения — 1 мкс;
  • сопротивление демпфирующей цепи VT 22 Ом;
  • емкость демпфирующей цепи 3300 пФ;
  • номинальная полная мощность трансформатора 3 кВА;
  • номинальная частота трансформатора 25 кГц;
  • сопротивление цепи намагничивания 500 о.е.;
  • индуктивность цепи намагничивания 500 о.е.;
  • действующее значение напряжения первичной обмотки 310 В;
  • активное сопротивление первичной обмотки 0,002 о.е.;
  • индуктивность рассеяния первичной обмотки 0,001 о.е.;
  • действующее значение напряжения вторичной обмотки 40 В;
  • активное сопротивление вторичной обмотки 0,002 о.е.;
  • индуктивность рассеяния вторичной обмотки 0,001 о.е.;
  • индуктивность выводов входных конденсаторов, распределенная индуктивность силовых шин и силовых проводников 0,1 мкГн.

В модель введена индуктивность, которая включает в себя распределенную паразитную индуктивность выводов конденсаторов и распределенную индуктивность проводников. Ее величина оказывает существенное влияние на характер процессов, поскольку при коммутации больших токов с высокой скоростью наличие этой индуктивности приводит к возникновению перенапряжений на силовых ключах [5].

При исследовании компьютерной модели были заданы следующие исходные параметры: рабочая частота — 25 кГц, нагрузка — 0,3 Ом, скважность — 2–10. На рис. 2 приведена временная диаграмма выходного тока, полученная путем компьютерного моделирования, а на рис. 3 — осциллограмма выходного напряжения (пропорционального току нагрузки) макетного образца, измеренная на нагрузке 0,3 Ом. (В компьютерной модели и в макетном образце присутствует выходной дроссель L1.)

Рис. 2. Временная диаграмма тока в нагрузке, полученная в модели при скважности 10, частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом

Рис. 3. Осциллограмма напряжения на нагрузке реального аппарата при скважности 10, частоте 25 кГц, нагрузке 0,3 Ом. Делитель 1/10

На рис. 4 отображен полученный на компьютерной модели спектр выходного тока инвертора, из которого следует, что в нем отсутствует постоянная составляющая, а ширина достигает 400–500 кГц. Измерения, выполненные на физическом макете, подтвердили эти результаты.

Рис. 4. Спектр выходного тока при скважности 10, частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом

На рис. 5 приведена зависимость ширины спектра тока от скважности импульсов.

Рис. 5. Характер изменения ширины спектра импульсов тока в зависимости от скважности

Функциональные блоки приложения MATLAB Sym Power System позволяют измерять и вычислять действующее значение напряжения и тока (RMS), а также активную мощность (Р) и КПД. Для этого использовались следующие выражения:

Величина сварочного тока, энергетическая мощность спектра и КПД связаны при ШИМ-регулировании с величиной скважности импульсов тока транзисторов инвертора. Соответствующая зависимость приведена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость КПД ИСА переменного тока от скважности импульсов при частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом

На рис. 7 показана зависимость КПД от частоты импульсов сварочного тока при фиксированной скважности, равной 2.

Рис. 7. Зависимость КПД от частоты импульсов при скважности 2, нагрузке 0,3 Ом, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Первоначально в модели ИСА на выходе был установлен дроссель величиной 1 мкГн. На рис. 7 видно, что при наличии выходного дросселя с увеличением частоты импульсов выходного тока от 25 кГц до 200 кГц КПД аппарата резко падает. При 25 кГц η = 0,9; а при 200 кГц η = 0,29. Очевидно, что в этом случае на КПД влияют потери в выходном дросселе, которые увеличиваются с ростом частоты.

Если исключить из модели выходной дроссель и вновь оценить КПД на разных частотах (прерывистая линия на рис. 7), то в данном случае КПД также снижается с ростом частоты импульсов выходного тока, но менее резко. При 25 кГц η=0,94, а при 200 кГц η = 0,61. Установка выходного дросселя существенно сужает выходной спектр ИСА. На рис. 8 приведен характер изменения спектра в зависимости от частоты импульсов сварочного тока при наличии и при отсутствии выходного дросселя. Видно, что ширина спектра при отсутствии выходного дросселя в два раза больше, чем при его наличии.

Рис. 8. Характер изменения спектра в зависимости от частоты при скважности 2, нагрузке 0,3 Ом, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Помимо выходного дросселя, на КПД ИСА с ростом частоты влияют динамические и статические потери в ключевых элементах, а также потери в трансформаторе. Для выявления цепочки потерь в инверторном сварочном аппарате в модели ИСА была измерена мощность на входе аппарата, на первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке трансформатора при наличии и отсутствии выходного дросселя. На рис. 9 показана зависимость от частоты мощности, рассеиваемой на транзисторах, а на рис. 10 — зависимость от частоты мощности, рассеиваемой на трансформаторе.

Рис. 9. Зависимость мощности, рассеиваемой на транзисторах, от частоты при фиксированной скважности, равной 2, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Рис. 10. Зависимость мощности, рассеиваемой на трансформаторе, от частоты при фиксированной скважности, равной 2, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Анализ зависимостей (рис. 9 и 10) показывает, что с ростом частоты наибольшую долю в потери мощности вносит мощность, рассеиваемая на транзисторах. Так, например, при параметрах транзисторов, указанных в начале статьи, мощность, рассеиваемая на транзисторах при частоте 100 кГц, при наличии дросселя составляет 35% от потребляемой мощности, в то время как на трансформаторе рассеивается лишь 1,2% потребляемой мощности. При отсутствии выходного дросселя на частоте 100 кГц на транзисторах рассеивается 14% потребляемой мощности. При замене моделей транзисторов моделью идеальных ключей мощность рассеивается только на трансформаторе и составляет 1,2% на частоте 100 кГц.

На основании полученных результатов можно сделать ряд выводов:

  • С точки зрения КПД нецелесообразно переходить на частоты выше 25–30 кГц, поскольку современные IGBT не используются на частотах выше 30–35 кГц ввиду увеличения потерь. Этот факт также хорошо виден в результатах моделирования: с ростом частоты КПД ИСА резко падает, и наибольшую долю в потери мощности вносит именно мощность, рассеиваемая на транзисторах.
  • С точки зрения оптимальной зоны КПД на частоте 25 кГц выходной дроссель с индуктивностью 10 мкГн не оказывает на него существенного влияния (при наличии дросселя КПД равен 0,9; при отсутствии выходного дросселя — 0,94). Но в то же время при отсутствии выходного дросселя происходит расширение выходного спектра в два раза.
Читайте также  Как сделать сварочный аппарат в домашних условиях

Таким образом, для получения высокого КПД и ограничения спектра целесообразно использовать частоту 25–30 кГц и устанавливать в ИСА выходной дроссель величиной порядка 10 мкГн.

Особенности и технические характеристики видов сварочных аппаратов

Сварочным аппаратом принято называть устройство для соединения металлических деталей путем нагрева до высокой температуры.

Температуру дополняют контактом свариваемых элементов до плотности, при которой начинают действовать силы межатомного сцепления.

Классификация методов сварки

Виды сварочных аппаратов, а также разновидности способов сварки составляют немалый перечень:

  1. Электрическая.
  2. Газовая.
  3. Лазерная.
  4. Механическая.
  5. Диффузная.
  6. Плазменная.
  7. Электронно-лучевая.
  8. Сварка взрывом.

Сами эти разделы, делятся на подразделы, под-подразделы. Скажем, электрическая подразделяется на контактную (точечную), ручную, полуавтоматическую. Механическая на: давлением, ковкой, взрывом, трением.

Хотя называться они могут по-разному, принцип процесса остается неизменным. Кроме того, независимо от типа сварочного оборудования, большая часть списка эффективна при использовании в условиях предприятия.

Как работают?

При разнообразии способов, видов соединений два:

  1. С дополнительной присадкой, образующей сварной шов.
  2. За счет металла самих деталей.

Соединение без промежуточного шва сегодня используют устройства контактной, лазерной и диффузной сварки. А также основанные на механических воздействиях (трением, давлением, взрывом).

Газовые и плазменные аппараты используют плавящийся в струе раскаленного газа или плазмы присадочный материал образующий соединительный шов.

Типы: характеристики, их достоинства и недостатки

Устройства для сварки трением, давлением, диффузной и лазерной будет точнее назвать станками. Это стационарные машины, задача которых обработка серийных изделий.

При том, что само сварочное оборудование и характеристика принципов во многом совпадают.

Трансформаторы переменного тока

«Классический» тип электродугового сварочного аппарата. Сварка ведется плавящимися электродами, образующими соединительный шов.

Управление процессом ведется в ручном режиме.

Главный недостаток, сильная зависимость качества стыка от квалификации сварщика. Кроме того, высокая температура перекаливает метал, снижая прочность. Плюс — высокая надежность и простота.

Аппараты постоянного тока

Постоянный ток удобнее переменного для сварки. Для удержания дуги нужна меньшая плотность тока. Меняя полярность варят алюминий, другие цветные металлы.

Могут отличаться по способу создания постоянного тока. Одни используют выпрямитель, другие представляют собой сварочный генератор с двигателем.

Существуют генераторы, приводимые в движение дизелем, ДВС либо газовым мотором, не требующие эл. сети.

Из недостатков — сложность, громоздкость оборудования, высокая стоимость.

Инверторы

Изобретенные еще в прошлом веке долгое время не получали применения, из-за капризности и высокой стоимости. Сейчас с большей частью недостатков удалось справиться, а инверторные заметно теснят «классические» трансформаторные схемы.

Внешне инвертор выглядит как обычный аппарат. Но в его основе лежит использование мощных полупроводниковых приборов (тиристоров), а главное тока высокой частоты. В результате аппараты дают устойчивую дугу с точно регулируемыми параметрами, а вес некоторых устройств удалось свести к паре килограммов.

Из минусов — ограниченность применения при низких температурах. Кроме того, при повышении мощности устройства резко возрастает его стоимость, а также габариты.

Полуавтоматы

Следующий шаг развития видов сварочных аппаратов для ручной сварки. Практически это тот же инвертор или трансформатор с выпрямителем, однако отдельный электрод заменила катушка с проволокой. Скорость подача последней в зону горения дуги регулируется в зависимости от толщины металла.

Дополнительное улучшение — подача в сварочную зону углекислого газа. Защищая металл от окисления, он к тому же охлаждает свариваемые детали, не давая им перекаливаться.

На сегодня применяют два основных типа полуавтоматов:

У второго типа создание защитного слоя флюса обеспечивает специальная сварочная проволока. Могут существовать и универсальные устройства, способные работать в обоих режимах.

Аргоновый дуговой

К недостаткам можно отнести относительно высокую стоимость, сложность обслуживания, многочисленные настройки.

Эти устройства обеспечивают сварку в среде инертных либо активных газов (так называемая сварка TIG — аббревиатура сочетания Tungsten Inert Gas, или «вольфрам с инертным газом»). Для создания соединительного шва использую сварочный пруток либо проволоку.

Сама дуга создается с помощью неплавящегося тугоплавкого электрода из вольфрама.

[stextbox помощью этих устройств, используя соответствующие присадочные металлы оказалось возможным выполнять сварку цветных металлов, а также специальных легированных сталей.[/stextbox]

При этом работа аппаратами, работающими на этом принципе, требует высокой квалификации, а использование дорогостоящих расходных (газ, прутки) делает сварочный процесс весьма затратным.

Точечный

Наиболее простой и экономичный тип. Соединение создается локальным нагревом при сжатии деталей. При этом не образуется дуги, вести работы можно без защитного щитка.

Различают два типа оборудования:

  1. Сварочные клещи.
  2. Споттер.

Существенным минусом является необходимость для клещей доступа с двух сторон. Что касается одностороннего споттера, его настройка и использование требует высокой квалификации. Получаемое соединение не обеспечивает герметичность шва. Контактная сварка не требует дополнительных расходников (без электродов или газа) как другие типы

Газовый

Простота процесса, универсальность аппарата, надежность стыка делают этот тип конкурентно способным несмотря на развитие электросварочных устройств.

Из минусов — громоздкость. Требует небезопасных газовых баллонов, шлангов, регулировочных редукторов.

Плазменная сварка

При ряде преимуществ (низкий ток дуги, высокая температура) имеет ограничения, связанные со сложностью процесса, а также высокой стоимостью профессионального оборудования.

[stextbox успехом используется для сварки тугоплавких нержавеющих сталей, таких металлов как вольфрам или молибден.[/stextbox]

Комплектация и аксессуары

Из перечисленных устройств только точечная сварка практически не требует дополнительных составляющих, не считая СИЗ (перчаток, защитных очков, плотной одежды).

Все виды аппаратов, использующих вольтову дугу, нуждаются в специальных сварочных масках, защищающих лицо и глаза от излучения.

[stextbox очки необходимы даже при газовой сварке. Хотя дуга и отсутствует, свечение раскаленного металла способно повредить сетчатку глаза.[/stextbox]

К дополнительным устройства относятся струбцины, фиксаторы, прочий крепеж, который создает точное взаимное расположении свариваемых деталей.

Производители

Для домашнего использования стоит выбрать небольшие удобные инверторы. Профессионалы предпочитают полуавтоматические системы, дополняя их оборудованием для газовой и аргонодуговой. Если выбор основан на том, какой сварочный источник имеет наибольший КПД, стоит предпочесть трансформаторы переменного тока, либо газовые аппараты.

По качеству ведущие места занимают европейские компании. Однако высокая цена их оборудования в ряде случае делает более привлекательным выбор не столь надежных, но недорогих изделий из Южной Кореи и Китая.

Восстановили былой авторитет и набирают популярность сварочные аппараты отечественного производства. По соотношению цена/качество на сегодня российские аппараты набирают все больше очков.

На этом наша мини презентация завершена. Осталось сказать, что в любом случае выбор устройства полностью зависит от предстоящих ему задач, а также бюджета.

Классификация источников питания сварочной дуги

Для электродуговой сварки нужно электричество определенных параметров: большой силы (ампеража), низкого напряжения (вольтажа). Под воздействием тока между концом электрода и свариваемым металлом формируется мощный электрический разряд, выделяется большое количество теплоты. В качестве источников питания сварочной дуги применяются различные преобразователи. За историю существования ручной электросварки для розжига дуги созданы устройства, генерирующие переменный и постоянный ток. Сначала были трансформаторы, после появления полупроводников были созданы выпрямители. Генераторы преобразуют в электроток энергию сжигания жидкого или сухого топлива. Инверторы – источники нового поколения, у них возможности питания дуги гораздо шире, чем у трансформаторов. При выборе сварочного аппарата желательно учитывать преимущества и недостатки устройств.

Требования к источникам питания сварочной дуги

Любой источник питания при дуговой сварке выбирается, исходя из эксплуатационных свойств:

  • Электрод должен разжигаться при соприкосновении с металлической заготовкой, контакты замыкают электрическую цепь.
  • Когда присадка плавится, по капле возможно короткое замыкание. Сварочный аппарат в такой ситуации не должен выходить из строя, сварочная дуга должна поддерживаться стабильно.
  • До вспышки дуги между деталью и электродом возникает краткосрочное короткое замыкание длиной в доли секунды. От скорости восстановления первоначального напряжения зависит динамическая характеристика источника питания.
  • От режима холостого хода сварочное оборудование должно быстро переходить в рабочий ход, то есть напряжение с 60–80 вольт должно упасть до требуемых 18–20 В.
Читайте также  Каким сверлом сверлить бетонную стену

Требования ко всем источникам, применяемым для питания сварочной дуги, одинаковые. Напрашивается вывод, что эффективность работы сварочного оборудования зависит от способности поддерживать стабильное горение дуги, начиная с момента розжига. Последний момент – регуляторы, сварочные аппараты предназначены для большого диапазона рабочего тока, устанавливать нужные параметры тока должно быть удобно.

Классификация

Общепринята градация блоков питания по нескольким признакам, обусловленным электромеханическими свойствами источников электротока. Начинающим сварщикам достаточно знать основные критерии классификации:

Для питания сварочной дуги возможно два способа получения рабочего тока:

  • преобразованием энергии из силовой электросети (выделяют однофазные и трехфазные сварочники);
  • генерацией электричества рабочих параметров из другого вида энергии.

Группировка по виду вырабатываемого тока:

  • переменного;
  • комбинированные, которые можно переключать с постоянного на переменный и наоборот;
  • постоянного.

Способ преобразования электричества: изменением вольтажа и ампеража, выпрямлением – переменный ток преобразуется в постоянный.

Мобильность источников, питание дуги бывает стационарным (подключение к магистральным электросетям) и автономным (использование переносных генераторов или аккумуляторов).

Способ регулировки рабочих параметров дуги (напряжения, ампеража). В трансформаторах меняется число задействованных витков: положением шунта, подвижностью катушки, секционированием вторичной обмотки.

Градация источников питания по внешним характеристикам тока сварочной дуги – это оценка зависимости среднего напряжения на контактах (держателе электрода и клемме, закрепляемой на металле) от ампеража. Параметры вольт-амперной характеристики оборудования бывают двух видов:

  • Падающая ВАХ характеризуется высоким напряжением холостого хода, превышающим рабочее до 2,5 раз.
  • Жесткая отличается стабильностью напряжения на клеммах в процессе сварки. Ампераж короткого замыкания превышает номинальный сварочный в 2 или 3 раза.

Вольт-амперная характеристика источника определяется экспериментально. Когда подключают питание, измеряют напряжение на клеммах.

Выбор источника питания для дуговой сварки

Разумеется, помимо силовых характеристик сварочное оборудование выбирают по мобильности, габариту, весу. Говоря о достоинствах и недостатках источников питания, стоит начать с самого первого вида сварочников.

Трансформатор

Оборудование с вторичной обмоткой преобразует напряжение, за счет индуктивных полей с 80 вольт можно опустить напряжение до 20-ти. Это самый простой и громоздкий тип сварочного аппарата. Зато очень надежный, мало зависит от условий внешней среды, не боится влажности, запыленности. Трансформатор можно соорудить самостоятельно, нужный вольтаж получают за счет определенного числа витков вторичной обмотки. Коэффициент полезного действия оборудования довольно высокий, стоимость небольшая. Когда объем работы небольшой, сварщики с опытом работы предпочитают для гаража, дома приобретать трансформаторы.

Выпрямитель

Уже из названия ясно, что речь пойдет об источнике постоянного тока. Для преобразования используются полупроводники, они пропускают электричество только в верхнем диапазоне синусоиды. Благодаря использованию полупроводников, наличию электросхемы, возможности у выпрямителей шире, чем у трансформаторов. При смене полярности можно регулировать температуру на контактах: при прямой полярности сильнее греется электрод, при обратной – металл. КПД у выпрямителей выше, чем у трансформаторов, малые потери на холостом ходу.

Большой минус – сварочные аппараты очень греются, им периодически требуется передышка, чтобы прийти в норму или дополнительная система охлаждения.

Генератор

Электричество вырабатывается вращением вала в постоянном магнитном поле. Работают устройства на бензине, дизтопливе, есть стационарные установки на угле, брикетированном топливе. Главные достоинства:

  • электричество со стабильными характеристиками;
  • большой ампераж, до 1000 А.

Минусы – изрядные габариты, низкий КПД, плюс выхлопные газы, шум, вибрация.

Инвертор

Инверторный тип источников – самый технологичный. Небольшие размеры, высокая мощность, дополнительные функции: быстрый розжиг, стабильная дуга и другие. Бытовые устройства работают от сети 220 В, мощные установки подключают к трехфазным 380 В. Инверсия улучшает частотные характеристики до 50 кГц. Недостатки тоже есть: оборудование боится высокой влажности, низких температур, запыленности. Корпус профессиональных источников дополнительно оснащают защитой.

Источники питания для сварки

Основная задача источников питания сварочной дуги – это получение электрического тока, по своим характеристикам подходящего для выполнения сварочных работ, путём преобразования тока промышленной частоты.

Использовать на прямую из сети напряжение у нас не получится, в связи с тем, что ток у нас в сети переменный и маленький по величине, а напряжение большое. За частую необходим постоянный ток с возможностью выбора полярности. Для таких целей и необходим источник питания сварочной дуги.

Основные требования

На сегодняшний день все источники питания должны соответствовать следующим основным требованиям:

  • иметь в наличии плавную регулировку режимов сварки во всём диапазоне;
  • иметь в наличии приборы для контроля режимов сварки;
  • обеспечивать стабильное горение дуги;
  • иметь высокие динамические характеристики;
  • соответствовать основным требованиям по электробезопасности.

Наличие плавной регулировки и приборов контроля, обеспечивает точную настройку необходимых режимов сварки.

Динамические свойства сварочного аппарата определяются временем восстановления напряжения холостого хода после короткого замыкания в процессе сварки. Чем быстрее восстанавливается напряжение, тем лучше его динамические характеристики. Восстановление не должно превышать 0,05с.

Для повышения стабильности горения дуги дополнительно могут применяться осцилляторы. Они преобразующие низкое напряжение промышленной частоты в импульсы высокого напряжения и высокой частоты. Наложение этих импульсов на дуговой промежуток повышает устойчивость горения дуги.

Классификация источников питания сварочной дуги

Источники питания сварочной дуги имеют множество классификаций, а именно:

  • по напряжению питающей сети:
  1. однофазные (220В);
  2. трёхфазные (380В).
  • по внешней статической характеристики:
  1. падающие;
  2. жёсткие;
  3. штыковые.
  • по числу питаемых постов:
  1. однопостовые;
  2. многопостовые.
  • по роду тока:
  1. переменный;
  2. постоянный.

Виды источников питания

К источнику питания с переменным тока относят сварочный трансформатор.

К источникам питания с постоянным током относят преобразователи, выпрямители, сварочные агрегаты и инверторы.

Трансформатор

На сегодняшний день это самый простой источник питания сварочной дуги который выдаёт на выходе только переменный ток.

Плавное регулирование сварочного тока осуществляется за счёт изменения зазора в катушке дросселя или между обмотками. Ступенчатое – за счёт переключения числа витков первичной и вторичной обмотки.

Трансформаторы очень просты, что даёт возможность изготовить его самостоятельно. В настоящее время трансформаторы не актуально.Это связано с тем, что постоянный ток не даёт стабильного горения дуги, а применение его при сварке нержавеющих сталей невозможно.

Выпрямитель

Преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный, необходимый для сварки.

Выпрямители бывают однофазные и трехфазные, стационарные или мобильные. Иметь возможность изменять вольт-амперную характеристику на жёсткую или падающую, а также полярность при сварке.

Плавное регулирование сварочного тока осуществляется блоком управления, а ступенчатое за счёт переключения обмоток.

Массовое применение их на производстве говорит о их универсальности и производительности. Высокое КПД и возможность применения при сварки различных металлов делает их одними из популярнейших источников питания.

Преобразователь

Работа преобразователя заключается в преобразовании переменного ток сети в механическую энергию электрического двигателя. В результате вращения вала генератора механическая энергия преобразовывается в электрическую энергию постоянного тока.

Большим плюсом является нечувствительность к перепадам напряжения, поэтому на выходе получается постоянный ток имеющий стабильными ВАХ.

Из-за большой массы, практически всегда их делают стационарными. Минусом является низкое КПД и большой износ движущихся деталей.

На данный момент преобразователи утратили свою актуальность.

Инвертор

Принцип действия этих устройств заключается в преобразовании переменного тока сети в постоянный. Далее постоянный ток опять преобразуется в переменный, но только высокой частоты. После этого переменный ток подаётся на высокочастотный сварочный трансформатор который понижает напряжение и преобразует переменный ток в постоянный.

Инверторы на сегодняшний день одни из самых популярных источников питания сварочной дуги. Это обусловлено рядом преимуществ:

  • постоянный ток с плавным регулированием;
  • доступная цена;
  • стабильное горение сварочной дуги и её лёгкое зажигание;
  • малые габаритные размеры;
  • малое энергопотребление
  • малый вес.

Всё это делает инверторные источники питания незаменимыми в быту, а также на больших предприятиях.

Зависимость КПД сварочного инвертора от характеристик тока

В последние два десятилетия в области сварочного приборостроения четко прослеживается тенденция перехода от громоздких трансформаторно-дроссельных аппаратов переменного и постоянного тока к малогабаритным и эффективным транзисторным инверторным сварочным аппаратам (ИСА). Абсолютное большинство представленных в настоящее время на рынке отечественных и зарубежных ИСА предназначены для осуществления сварки только на постоянном токе. На кафедре радиотехники Мордовского государственного университета ведутся активные работы по созданию приборов нового класса — сварочных инверторов знакопеременного тока частоты ультразвукового диапазона. Результаты разрушающих испытаний нескольких партий образцов, полученных путем сварки на постоянном токе, на переменном токе промышленной частоты и на знакопеременном токе частоты 25 кГц, показали, что в последнем случае прочность соединений повышается на 8–10% [1, 2].

Читайте также  Пильные диски по дереву для циркулярной пилы

Однако появление ИСА переменного тока частоты 25–50 кГц вызвало и появление новых вопросов, требующих ответа. Одним из таких вопросов является оценка КПД ИСА и связь этого показателя с рабочей частотой тока и его спектром. Дело в том, что ток ИСА имеет форму знакопеременных импульсов, а его стабилизация и регулирование осуществляются путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, такая форма тока при изменении рабочей частоты и скважности импульсов приводит к формированию широкого спектра составляющих, что может стать проблемой при обеспечении требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) аппарата.

Для получения ответов на эти вопросы было проведено исследование ИСА, выполненного по схеме сдвоенного полумоста (рис. 1) [3, 4].

Рис. 1. Упрощенная схема инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока

Спектральный состав тока анализировался на компьютерной модели ИСА в среде MATLAB Sym Power System и на функциональном макете аппарата. При построении модели были учтены основные параметры входящих в нее элементов:

  • внутреннее сопротивление источника питания 0,1 Ом;
  • сопротивление VT во включенном состоянии 61 мОм;
  • индуктивность VT во включенном состоянии 12 нГн;
  • падение напряжения на VT в прямом направлении 1 В;
  • время спада тока VT до уровня 0,1 от тока в момент выключения — 1 мкс;
  • сопротивление демпфирующей цепи VT 22 Ом;
  • емкость демпфирующей цепи 3300 пФ;
  • номинальная полная мощность трансформатора 3 кВА;
  • номинальная частота трансформатора 25 кГц;
  • сопротивление цепи намагничивания 500 о.е.;
  • индуктивность цепи намагничивания 500 о.е.;
  • действующее значение напряжения первичной обмотки 310 В;
  • активное сопротивление первичной обмотки 0,002 о.е.;
  • индуктивность рассеяния первичной обмотки 0,001 о.е.;
  • действующее значение напряжения вторичной обмотки 40 В;
  • активное сопротивление вторичной обмотки 0,002 о.е.;
  • индуктивность рассеяния вторичной обмотки 0,001 о.е.;
  • индуктивность выводов входных конденсаторов, распределенная индуктивность силовых шин и силовых проводников 0,1 мкГн.

В модель введена индуктивность, которая включает в себя распределенную паразитную индуктивность выводов конденсаторов и распределенную индуктивность проводников. Ее величина оказывает существенное влияние на характер процессов, поскольку при коммутации больших токов с высокой скоростью наличие этой индуктивности приводит к возникновению перенапряжений на силовых ключах [5].

При исследовании компьютерной модели были заданы следующие исходные параметры: рабочая частота — 25 кГц, нагрузка — 0,3 Ом, скважность — 2–10. На рис. 2 приведена временная диаграмма выходного тока, полученная путем компьютерного моделирования, а на рис. 3 — осциллограмма выходного напряжения (пропорционального току нагрузки) макетного образца, измеренная на нагрузке 0,3 Ом. (В компьютерной модели и в макетном образце присутствует выходной дроссель L1.)

Рис. 2. Временная диаграмма тока в нагрузке, полученная в модели при скважности 10, частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом

Рис. 3. Осциллограмма напряжения на нагрузке реального аппарата при скважности 10, частоте 25 кГц, нагрузке 0,3 Ом. Делитель 1/10

На рис. 4 отображен полученный на компьютерной модели спектр выходного тока инвертора, из которого следует, что в нем отсутствует постоянная составляющая, а ширина достигает 400–500 кГц. Измерения, выполненные на физическом макете, подтвердили эти результаты.

Рис. 4. Спектр выходного тока при скважности 10, частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом

На рис. 5 приведена зависимость ширины спектра тока от скважности импульсов.

Рис. 5. Характер изменения ширины спектра импульсов тока в зависимости от скважности

Функциональные блоки приложения MATLAB Sym Power System позволяют измерять и вычислять действующее значение напряжения и тока (RMS), а также активную мощность (Р) и КПД. Для этого использовались следующие выражения:

Величина сварочного тока, энергетическая мощность спектра и КПД связаны при ШИМ-регулировании с величиной скважности импульсов тока транзисторов инвертора. Соответствующая зависимость приведена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость КПД ИСА переменного тока от скважности импульсов при частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом

На рис. 7 показана зависимость КПД от частоты импульсов сварочного тока при фиксированной скважности, равной 2.

Рис. 7. Зависимость КПД от частоты импульсов при скважности 2, нагрузке 0,3 Ом, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Первоначально в модели ИСА на выходе был установлен дроссель величиной 1 мкГн. На рис. 7 видно, что при наличии выходного дросселя с увеличением частоты импульсов выходного тока от 25 кГц до 200 кГц КПД аппарата резко падает. При 25 кГц η = 0,9; а при 200 кГц η = 0,29. Очевидно, что в этом случае на КПД влияют потери в выходном дросселе, которые увеличиваются с ростом частоты.

Если исключить из модели выходной дроссель и вновь оценить КПД на разных частотах (прерывистая линия на рис. 7), то в данном случае КПД также снижается с ростом частоты импульсов выходного тока, но менее резко. При 25 кГц η=0,94, а при 200 кГц η = 0,61. Установка выходного дросселя существенно сужает выходной спектр ИСА. На рис. 8 приведен характер изменения спектра в зависимости от частоты импульсов сварочного тока при наличии и при отсутствии выходного дросселя. Видно, что ширина спектра при отсутствии выходного дросселя в два раза больше, чем при его наличии.

Рис. 8. Характер изменения спектра в зависимости от частоты при скважности 2, нагрузке 0,3 Ом, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Помимо выходного дросселя, на КПД ИСА с ростом частоты влияют динамические и статические потери в ключевых элементах, а также потери в трансформаторе. Для выявления цепочки потерь в инверторном сварочном аппарате в модели ИСА была измерена мощность на входе аппарата, на первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке трансформатора при наличии и отсутствии выходного дросселя. На рис. 9 показана зависимость от частоты мощности, рассеиваемой на транзисторах, а на рис. 10 — зависимость от частоты мощности, рассеиваемой на трансформаторе.

Рис. 9. Зависимость мощности, рассеиваемой на транзисторах, от частоты при фиксированной скважности, равной 2, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Рис. 10. Зависимость мощности, рассеиваемой на трансформаторе, от частоты при фиксированной скважности, равной 2, при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

Анализ зависимостей (рис. 9 и 10) показывает, что с ростом частоты наибольшую долю в потери мощности вносит мощность, рассеиваемая на транзисторах. Так, например, при параметрах транзисторов, указанных в начале статьи, мощность, рассеиваемая на транзисторах при частоте 100 кГц, при наличии дросселя составляет 35% от потребляемой мощности, в то время как на трансформаторе рассеивается лишь 1,2% потребляемой мощности. При отсутствии выходного дросселя на частоте 100 кГц на транзисторах рассеивается 14% потребляемой мощности. При замене моделей транзисторов моделью идеальных ключей мощность рассеивается только на трансформаторе и составляет 1,2% на частоте 100 кГц.

На основании полученных результатов можно сделать ряд выводов:

  • С точки зрения КПД нецелесообразно переходить на частоты выше 25–30 кГц, поскольку современные IGBT не используются на частотах выше 30–35 кГц ввиду увеличения потерь. Этот факт также хорошо виден в результатах моделирования: с ростом частоты КПД ИСА резко падает, и наибольшую долю в потери мощности вносит именно мощность, рассеиваемая на транзисторах.
  • С точки зрения оптимальной зоны КПД на частоте 25 кГц выходной дроссель с индуктивностью 10 мкГн не оказывает на него существенного влияния (при наличии дросселя КПД равен 0,9; при отсутствии выходного дросселя — 0,94). Но в то же время при отсутствии выходного дросселя происходит расширение выходного спектра в два раза.

Таким образом, для получения высокого КПД и ограничения спектра целесообразно использовать частоту 25–30 кГц и устанавливать в ИСА выходной дроссель величиной порядка 10 мкГн.