تخيل تحويل ماكينات اللحام الثقيلة والضخمة إلى ماكينات لحام خفيفة الوزن ومحمولة. يغوص هذا المقال في آليات مصادر طاقة اللحام بالقوس العاكس، ويعرض تحويلها من تيار متردد إلى تيار مستمر من أجل اللحام الفعال. تعلم كيف توفر هذه الأجهزة المبتكرة الطاقة وتوفر أقواسًا مستقرة وتتكامل بسلاسة مع الأنظمة الآلية. اكتشف المزايا الأساسية والتطورات التكنولوجية التي تجعل أجهزة اللحام العاكس ضرورية في تطبيقات اللحام الحديثة. في النهاية، ستفهم لماذا تُحدث هذه الماكينات ثورة في صناعة اللحام.
مصدر طاقة اللحام بالقوس العاكس، المعروف أيضًا باسم عاكس اللحام بالقوس، هو نوع جديد من مصادر طاقة اللحام. يأخذ هذا النوع من مصادر الطاقة بشكل عام جهد شبكة التيار المتردد ثلاثي الأطوار (50 هرتز) بتردد التيار المتردد (50 هرتز)، ويقوم بتصحيحه وترشيحه من خلال مقوم الإدخال، وتحويله إلى تيار مستمر.
ثم يستخدم بعد ذلك مكونات إلكترونية ذات تبديل عالية الطاقة (مثل الثايرستور SCR أو ترانزستورات GTO أو MOSFETs أو IGBTs) لتبديل حالة التبديل، وعكسها إلى جهد تيار متردد متوسط التردد يتراوح بين عدة كيلوهرتز وعشرات كيلوهرتز، والذي يتم تخفيضه بعد ذلك بواسطة محول إلى جهد مناسب للحام.
بعد التصحيح والتصفية من خلال محاثة، تقوم بإخراج تيار لحام تيار مستمر مستقر.
العاكس هو جهاز إلكتروني متطور يقوم بتحويل التيار المباشر (DC) إلى تيار متناوب (AC). وفي سياق مصادر طاقة اللحام بالقوس الكهربائي، أحدثت تكنولوجيا العاكس ثورة في هذه الصناعة من خلال توفير معدات لحام أكثر كفاءة وصغرًا وتنوعًا.
يمكن تمثيل تسلسل التحويل في مصدر طاقة اللحام بالقوس العاكس على النحو التالي:
ومن الناحية الرمزية، يمكن التعبير عن هذه العملية على النحو التالي:
تيار متردد → تيار متردد → تيار متردد → تيار مستمر
يتم استخدام نظام التحويل متعدد المراحل هذا لعدة أسباب حاسمة:
يعد خرج التيار المستمر النهائي أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات اللحام بالقوس الكهربائي. في حين أنه من الممكن نظريًا اللحام باستخدام تيار متردد عالي التردد، فإن استخدام التيار المستمر يوفر العديد من المزايا:
غالبًا ما تتضمن مصادر طاقة اللحام العاكس الحديثة التحكم في المعالجات الدقيقة وإلكترونيات الطاقة المتقدمة، مما يتيح ميزات مثل الإخراج النبضي والتحكم التآزري وقدرات المعالجات المتعددة، مما يعزز من تنوعها وأدائها في تطبيقات اللحام المختلفة.
الميزة الأساسية للعاكس اللحام بالقوس الكهربائي هو أنه يعمل بتردد عالٍ، وهو ما يجلب العديد من المزايا.
ويرجع ذلك إلى أن الجهد E للمحول الكهربائي، سواء كان الملف الابتدائي أو الثانوي، له العلاقة التالية مع التردد f للتيار، وكثافة التدفق المغناطيسي B، ومساحة مقطع القلب الحديدي S، وعدد لفات الملف W:
E = 4.44fBSW
والجهد الطرفي للملف الطرفي U يساوي تقريبًا E، أي
U ≈ E = 4.44fBSW
عندما يتم تحديد U وB، إذا زاد التردد f، سينخفض S وينخفض W. لذلك، يمكن تقليل وزن وحجم المحول بشكل كبير. وهذا يجعل وزن وحجم الماكينة بأكملها أصغر بكثير.
علاوة على ذلك، نظرًا للزيادة في التردد وعوامل أخرى، فإنه يجلب العديد من المزايا مقارنة بالقوس التقليدي طاقة اللحام المصادر. الخصائص الرئيسية هي كما يلي:
(1) صغيرة الحجم وخفيفة الوزن وموفرة للمواد وسهلة الحمل والحركة.
(2) كفاءة عالية وموفرة للطاقة، مع كفاءة تصل إلى 80% إلى 90%، مما يوفر أكثر من ثلث الكهرباء مقارنة بآلات اللحام التقليدية.
(3) خصائص ديناميكية جيدة، وبدء القوس بسهولة، وقوس مستقر، وتشكيل لحام جميل، وتناثر أقل.
(4) مناسبة للجمع مع الروبوتات لتشكيل نظام إنتاج اللحام الأوتوماتيكي.
(5) يمكن استخدامها لأغراض متعددة، وإتمام عمليات اللحام والقطع المختلفة.
نظرًا لسلسلة مزايا مصادر الطاقة العاكسة المذكورة أعلاه، فقد تطورت بسرعة منذ ظهورها في أواخر السبعينيات. وفي البلدان الصناعية مثل الولايات المتحدة واليابان، فإن نطاق تطبيقه واسع جدًا في البلدان الصناعية مثل الولايات المتحدة واليابان.
تشمل عناصر التبديل المستخدمة في مصادر طاقة العاكس الآن SCR (الثايرستور)، وGTR (ترانزستور)، وMOSFET (ترانزستور التأثير الميداني)، وIGBT (نوع من العناصر الإلكترونية التي تجمع بين مزايا GTR وMOSFET).
لدى IGBT القدرة على استبدال عناصر التحويل الأخرى. تعد آلة اللحام العاكس IGBT تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا اللحام واتجاه جديد للتنمية
يقوم رأس ماكينة اللحام بتحويل ناتج الطاقة من مصدر طاقة اللحام إلى حرارة لحام ويغذيها باستمرار في مواد اللحام بينما يتحرك رأس الماكينة للأمام لتحقيق اللحام.
يجب دفع ملقط اللحام الكهربائي المستخدم في اللحام القوسي اليدوي يدويًا لأسفل وتحريكه للأمام لتشكيل حبة اللحام حيث أن قضيب اللحام الذوبان. تحتوي ماكينات اللحام الأوتوماتيكية على آليات تغذية أوتوماتيكية للأسلاك وآليات تحريك رأس الماكينة لتحريك رأس الماكينة إلى الأمام.
هناك نوعان شائعان من الأنواع الشائعة الاستخدام: نوع النقل ونوع التعليق.
رؤوس اللحام الخاصة باللحام الموضعي و لحام الإسقاط هي الأقطاب الكهربائية وآليات الضغط الخاصة بها، والتي تُستخدم لتطبيق الضغط والكهرباء على قطعة العمل.
بالنسبة لـ لحام التماس، هناك آلية نقل لدفع قطعة العمل للتحرك. بالنسبة لـ اللحام التناكبيوالتَرْكِيبات الثابتة والديناميكية وآليات تشبيك التَرْكِيبات والتَرْكِيبات المتحركة وآليات الإزعاج.
يتسم تطور مصادر الطاقة العاكسة في تكنولوجيا اللحام بنهج متعدد الأوجه، مع التركيز على زيادة القدرة وخفض الوزن وتعزيز الكفاءة وتعزيز الكفاءة ووضع الوحدات النمطية وأنظمة التحكم الذكية. تهدف هذه التطورات إلى تحسين الموثوقية والأداء وتوسيع نطاق التطبيقات عبر عمليات اللحام المختلفة، بما في ذلك اللحام بالقوس واللحام بالمقاومة وعمليات القطع.
يظل تحسين الكفاءة وكثافة الطاقة العالية (التصغير) الهدفين الأساسيين لمصنعي محولات اللحام القوسي الدولية. ولتحقيق هذه الأهداف، يتم استخدام استراتيجيتين تقنيتين رئيسيتين:
كان نضج تكنولوجيا محول اللحام بالقوس الكهربائي التي تعمل بترددات حوالي 20 كيلوهرتز واضحًا بشكل خاص في مناطق مثل اليابان وأوروبا. وقد نتج عن ذلك خطوط إنتاج متسلسلة عالية الجودة ذات الخصائص التالية:
مع استمرار تقدم التكنولوجيا، تشمل الاتجاهات الناشئة ما يلي:
1.1 أسباب التوليد التوافقي
منذ أول قوس ثايرستور 300 أمبير عاكس اللحام لقد شهد مزود الطاقة ومزود طاقة عاكس اللحام القوسي تطورًا كبيرًا، حيث شهد انعكاس الثايرستور، وانعكاس الترانزستور عالي الطاقة، وانعكاس التأثير الميداني، وانعكاس IGBT. تم تحسين قدرتها وأدائها بشكل كبير.
في الوقت الحاضر، أصبح مزود طاقة عاكس اللحام بالقوس الكهربائي المنتج الرئيسي لمعدات اللحام في البلدان الصناعية.
وباعتباره جهازًا إلكترونيًا نموذجيًا للطاقة، على الرغم من أن مزود طاقة عاكس اللحام بالقوس الكهربائي يتميز بمزايا صغر الحجم وخفة الوزن وأداء التحكم الجيد، إلا أن دائرته تحتوي على وصلات تصحيح وانعكاس، والتي تسبب تشوهًا في شكل الموجة الحالية وتولد عددًا كبيرًا من التوافقيات عالية الترتيب.
هناك إزاحة خطيرة في الطور بين التوافقيات عالية الترتيب للجهد والتيار التوافقي، مما يؤدي إلى عامل طاقة منخفض جدًا للحام. الأسباب الرئيسية لتوليد التوافقيات هي كما يلي:
(1) مصادر التداخل الداخلي لمصدر الطاقة العاكس
مصدر الطاقة العاكس هو نظام يجمع بين التيارات القوية والضعيفة. خلال عملية اللحام، يمكن أن يصل تيار اللحام إلى عدة مئات أو حتى آلاف الأمبيرات. نظرًا لأن التيار يولد مجالًا كهرومغناطيسيًا كبيرًا، خاصة في أنظمة إمداد طاقة اللحام ذات التردد الانعكاسي العالي، فإن أنابيب المقومات، والمحولات عالية التردد، وتذبذبات نظام التحكم، وإشعال القوس عالي التردد، ومفاتيح أنبوب الطاقة ستنتج تداخلًا توافقيًا قويًا.
بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون التنجستن ماكينة لحام بقوس الأرجون يستخدم الإشعال القوسي عالي التردد، ويستخدم ترددًا يصل إلى عدة مئات الآلاف من الهرتز وجهدًا عاليًا يصل إلى عدة كيلوفولت لاختراق فجوة الهواء لتشكيل قوس، لذلك فإن الإشعال القوسي عالي التردد هو أيضًا مصدر قوي للتداخل التوافقي.
بالنسبة لإمدادات طاقة عاكس اللحام القوسي الذكي التي يتم التحكم فيها بواسطة أجهزة الكمبيوتر، نظرًا لزيادة سرعة تشغيل نظام التحكم بالكمبيوتر المستخدم، أصبحت لوحة التحكم نفسها مصدرًا للتداخل التوافقي، وتم وضع متطلبات أعلى على أسلاك لوحة التحكم.
(2) مصادر التداخل الخارجية لمصدر الطاقة العاكس
يعد التلوث على شبكة الطاقة تشويشًا شديدًا على نظام إمداد الطاقة لأن الأحمال المطبقة على شبكة الطاقة تتفاوت باستمرار، مما يسبب تشويشًا توافقيًا أكثر أو أقل على شبكة الطاقة.
يمكن أن تتسبب معدات الطاقة الكبيرة في تشويه شكل موجة جهد شبكة الطاقة، ويمكن أن تتسبب العوامل العرضية في حدوث انقطاعات مؤقتة في الطاقة، ويمكن أن تولد المعدات عالية التردد نبضات عالية التردد ومكونات ذروة النبض في شكل موجة جهد شبكة الطاقة.
وعلاوة على ذلك، في ورشة اللحام، نظرًا لإمكانية الربط البيني بين أسلاك التأريض لمصادر طاقة اللحام المختلفة أثناء الاستخدام، إذا لم يتم اتخاذ التدابير المناسبة، يمكن للإشارات التوافقية ذات المكونات عالية التردد أن تدخل بسهولة إلى نظام التحكم، مما يتسبب في تعطل مصدر الطاقة أو حتى تلفه.
1.2 خصائص التوافقيات ومخاطرها
يُعرف مزود طاقة عاكس اللحام بالقوس الكهربائي بتحويل الطاقة عالي الكفاءة. مع تطور أجهزة التحكم في الطاقة نحو الاتجاهات العملية وذات السعة الكبيرة، ستدخل أيضًا إمدادات طاقة عاكس اللحام بالقوس الكهربائي عصر التردد العالي والسعة الكبيرة.
بالنسبة لشبكة الطاقة، فإن مصدر طاقة عاكس اللحام القوسي هو في الأساس مصدر طاقة مقوم كبير. ونظرًا للارتفاع والانخفاض الحاد في النبضات الناتجة عن المكونات الإلكترونية للطاقة أثناء التبديل، يحدث تداخل توافقي خطير.
إن تيار الدخل لمصدر طاقة العاكس هو نوع من الشكل الموجي المرتفع، والذي يحتوي على عدد كبير من التوافقيات عالية الترتيب في شبكة الطاقة.
هناك تحول خطير في الطور بين التوافقيات عالية التردد والجهد والتيار التوافقي، مما يؤدي إلى عامل طاقة منخفض جدًا للحام. يعد التشوه منخفض التردد مشكلة شائعة حاليًا في المعدات الإلكترونية للطاقة، مما يجذب اهتمامًا كبيرًا في صناعات الاتصالات والأجهزة المنزلية.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم آلات اللحام العاكس في الوقت الحالي في الغالب طرق التبديل الصلب، مما يتسبب حتمًا في حدوث تداخل توافقي في الفضاء أثناء عملية تبديل مكون الطاقة.
وتشكل هذه التداخلات تداخلات موصولة من خلال اقتران المجال القريب والمجال البعيد، مما يؤدي إلى تلويث البيئة الكهرومغناطيسية المحيطة وبيئة إمداد الطاقة بشكل خطير، ولا يقلل فقط من موثوقية دائرة العاكس نفسها بل يؤثر أيضًا بشكل كبير على جودة تشغيل شبكة الطاقة والمعدات المجاورة.
2.1 المرشحات السلبية (PF)
إن الطريقة التقليدية لقمع التوافقيات وتعويض الطاقة التفاعلية هي تقنية المرشح السلبي الكهربائي، والمعروفة أيضًا باسم طريقة الترشيح غير المباشر. وتتضمن هذه الطريقة استخدام مكثفات كهربائية أو أجهزة سلبية أخرى لبناء مرشح سلبي مع أحمال غير خطية تحتاج إلى تعويض متصلة بالتوازي، مما يوفر مسارًا منخفض المقاومة للتوافقيات مع توفير الطاقة التفاعلية المطلوبة للحمل.
على وجه التحديد، تتحلل الموجة الجيبية المشوهة 50 هرتز إلى الموجة الأساسية ومختلف المكونات التوافقية الرئيسية ذات الصلة، ثم باستخدام مبدأ الرنين المتسلسل، يتم ضبط كل فرع ترشيح مكون من L أو C (أو R) (أو ضبط متحيز) على مختلف الترددات التوافقية الرئيسية لتشكيل مسار مقاومة منخفضة وترشيحها [2-3]. إنه يدافع بشكل سلبي ويقلل من ضرر التوافقيات على المعدات الكهربائية التي تم إنشاؤها بالفعل ويقلل من ضررها.
مخططات الترشيح السلبي هي تقنيات منخفضة التكلفة وناضجة ولكن لها أيضًا العيوب التالية:
(1) يتأثر تأثير الترشيح بمعاوقة النظام;
(2) بسبب تردد الرنين الثابت، فإن فعاليته ضعيفة في حالات انحراف التردد;
(3) قد يسبب الحمل الزائد بسبب الرنين المتسلسل أو المتوازي مع معاوقة النظام. في حالات الطاقة الصغيرة والمتوسطة، يتم استبدال المرشحات السلبية تدريجيًا بالمرشحات النشطة.
2.2 المرشحات النشطة (AF)
في وقت مبكر من أوائل السبعينيات، اقترح العلماء المبدأ الأساسي لمرشحات الطاقة النشطة. ومع ذلك، وبسبب عدم وجود أجهزة تبديل عالية الطاقة وتقنيات التحكم المقابلة في ذلك الوقت، لم يكن من الممكن استخدام سوى تيارات التعويض التي تولدها المضخمات الخطية وغيرها من الطرق، والتي كانت تعاني من نقاط ضعف قاتلة في الكفاءة المنخفضة والتكلفة العالية وصعوبة في السعة الكبيرة.
مع تحسين أداء جهاز تبديل أشباه موصلات الطاقة وتطوير تقنية PWM المقابلة، أصبح من الممكن تطوير مولد تيار توافقي كبير السعة ومنخفض الخسارة، مما يجعل تقنية الترشيح النشط عملية.
عند ظهور مصدر توافقي في النظام، يتم توليد تيار تعويضي مساوٍ في المقدار ومضاد في الطور للتيار التوافقي بطريقة ما، ويتم توصيله بالتوازي مع الدائرة التي أصبحت المصدر التوافقي لإلغاء المكون التوافقي للمصدر التوافقي، مما يسمح للتيار من جانب التيار المستمر أن يحتوي على المكون الأساسي فقط، دون المكونات التوافقية.
عندما لا يمكن التنبؤ بالتيار التوافقي الذي يولده المصدر التوافقي من المصدر التوافقي ما هو التيار التوافقي ذو الترتيب الأعلى أو يتغير في أي وقت، يتم اكتشاف إشارة التيار التوافقي ih من تيار الحمل il، ثم يتم تعديلها بواسطة المغير وتحويلها إلى تيار تحكم في وضع التبديل وفقًا لطريقة محددة لتشغيل عاكس التيار لتوليد تيار تعويضي ifm وحَقنه في الدائرة لإلغاء التيار التوافقي ih.
وتستخدم الدائرة الرئيسية للعاكس بشكل عام دائرة عاكس الجسر الكامل للتيار المستمر/التناوب الكامل، حيث يمكن أن تكون أجهزة التحويل من أجهزة تحويل التيار المتردد أو GTO أو GTR أو SIT أو IGBT وغيرها من أجهزة أشباه الموصلات ذات الطاقة العالية القابلة للتحكم في شكل موجة تيار الخرج من خلال حالة تشغيل جهاز التحويل وإيقاف تشغيله، مما يولد تيار التعويض المطلوب.
المرشحات الكهربائية النشطة هي أكثر أجهزة الطاقة الواعدة لقمع التوافقيات في شبكة الطاقة وتعويض الطاقة التفاعلية وتحسين جودة إمدادات الطاقة.
بالمقارنة مع المرشحات الكهربائية السلبية، فإنها تتمتع بالمزايا التالية:
(1) يتحقق التعويض الديناميكي، ويمكن تعويض التغيرات في التردد وحجم الطاقة التوافقية والتفاعلية مع استجابة سريعة جدًا للتغيرات في جسم التعويض;
(2) يمكن التعويض المتزامن لكل من التوافقيات والطاقة التفاعلية في وقت واحد، مع إمكانية تعديل حجم الطاقة التفاعلية المعوضة باستمرار;
(3) لا يلزم وجود جهاز لتخزين الطاقة عند تعويض الطاقة التفاعلية وسعة جهاز تخزين الطاقة المطلوبة عند تعويض التوافقيات ليست كبيرة;
(4) حتى لو كان التيار المعوض كبيرًا جدًا، فإن المرشح الكهربائي النشط لن يفرط في التحميل ويمكن أن يعمل بشكل طبيعي للتعويض;
(5) لا يتأثر بسهولة بمعاوقة شبكة الطاقة ولا يتأثر بسهولة بمعاوقة شبكة الطاقة;
(6) يمكنه تتبع التغيرات في تردد شبكة الطاقة، ولا يتأثر أداء التعويض بالتغيرات في التردد;
(7) يمكن أن تعوض طاقة توافقية وتفاعلية واحدة أو تركز على تعويض التوافقيات المتعددة والطاقة التفاعلية.
مع تطور تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة نحو الترددات العالية وكثافة الطاقة العالية، يصبح فقدان المفتاح والتداخل التوافقي للتبديل الصلب بارزًا بشكل متزايد.
تُعد تقنية التبديل الناعم مفيدة لأي محول طاقة تبديلي من حيث تحسين كفاءة التحويل واستخدام الجهاز وتعزيز التوافق الكهرومغناطيسي وموثوقية الجهاز.
وهي ضرورية بشكل خاص في بعض الحالات الخاصة (مثل متطلبات كثافة الطاقة أو ظروف تبديد الحرارة المحدودة). ومن بين هذين النوعين من تكنولوجيا التحويل الناعم، يتميز التحويل الناعم السلبي بدون أجهزة تحويل إضافية، وطرق الكشف، واستراتيجيات التحكم بالعديد من المزايا مثل التكلفة الإضافية المنخفضة، والموثوقية العالية، وكفاءة التحويل العالية، ونسبة الأداء إلى السعر العالية.
في مجال تصنيع المحولات أحادية الطرف، فقد أسست بشكل أساسي موقعًا رئيسيًا.
أما بالنسبة إلى الطوبولوجيا، فإن طريقة الحث المتسلسل والسعة المتوازية هي الوسيلة الوحيدة للتبديل الناعم السلبي، وما يسمى بتقنية التبديل الناعم السلبي المشتقة منها هي في الواقع تقنية امتصاص بدون خسارة.
فيما يتعلق بدوائر العاكس الجسرية، بدءًا من النوع الممتص للطاقة في وقت مبكر إلى النوع المقترح لاحقًا من النوع الجزئي المغذي الجزئي، والحلول الخالية من الخسارة، فإنها جميعًا تعاني من مشاكل مثل الاعتماد القوي على الحمل، ونطاق تردد العمل الضيق، والإجهاد الإضافي العالي، والشبكة المعقدة للغاية، وما إلى ذلك، مما يجعل قابليتها العملية ضعيفة نسبيًا.
وفي الوقت نفسه، في ظل الاتجاه نحو نمذجة أجهزة طاقة التبديل، تصبح المساحة المتاحة لوضع عناصر الامتصاص أصغر فأصغر، ونادرًا ما تظهر في الأدبيات تقنية الامتصاص بدون فقدان مناسبة لوحدات العاكس.
وعموماً، لا تزال تقنية الامتصاص السلبي المناسبة لتطبيقات وحدات العاكس تخضع لمزيد من البحث والتطوير بسبب بنيتها الخاصة وصعوبتها.
تولد إمدادات طاقة عاكس اللحام بالقوس الكهربائي كمية كبيرة من التوافقيات، والتي يمكن أن تسبب ضررًا خطيرًا.
من أجل قمع التوافقيات وتحسين عامل الطاقة، يجب اتخاذ تدابير القمع المقابلة. طريقة المرشح السلبي التقليدية لها قيود واضحة، مما يقيد تطبيقها، في حين أن طريقة المرشح النشط يمكن أن تعوض عن أوجه القصور في المرشحات السلبية، مما يؤدي إلى قمع التوافقيات بشكل فعال في إمدادات الطاقة العاكس لحام القوس الكهربائي وقد تم استخدامها على نطاق واسع. يمكن أن تحقق تقنية التبديل الناعم أيضًا تأثيرات ترشيح جيدة إلى حد ما.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO