Stellen Sie sich vor, Sie verwandeln schwere, sperrige Schweißgeräte in leichte, tragbare Kraftpakete. Dieser Artikel befasst sich mit der Funktionsweise von Inverter-Stromquellen für das Lichtbogenschweißen und zeigt, wie sie Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, um effizient zu schweißen. Erfahren Sie, wie diese innovativen Geräte Energie sparen, stabile Lichtbögen liefern und sich nahtlos in automatisierte Systeme integrieren lassen. Entdecken Sie die wichtigsten Vorteile und technologischen Fortschritte, die Inverterschweißgeräte in modernen Schweißanwendungen unverzichtbar machen. Am Ende werden Sie verstehen, warum diese Geräte die Schweißindustrie revolutionieren.
Die Inverter-Stromquelle für das Lichtbogenschweißen, auch bekannt als Lichtbogenschweißinverter, ist eine neue Art von Schweißstromquelle. Dieser Stromquellentyp nimmt im Allgemeinen die dreiphasige Netzwechselspannung (50 Hz) auf, gleichrichtet und filtert sie durch einen Eingangsgleichrichter und wandelt sie in Gleichstrom um.
Dann werden elektronische Hochleistungsschaltkomponenten (wie Thyristoren SCR, GTO-Transistoren, MOSFETs oder IGBTs) verwendet, um den Schaltzustand zu ändern und in eine mittelfrequente Wechselspannung von einigen kHz bis zu einigen zehn kHz umzuwandeln, die dann durch einen Transformator auf eine zum Schweißen geeignete Spannung reduziert wird.
Nach der Gleichrichtung und der Filterung durch eine Induktivität liefert er einen stabilen Gleichstrom zum Schweißen.
Ein Inverter ist ein hochentwickeltes elektronisches Gerät, das Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. Im Zusammenhang mit Stromquellen für das Lichtbogenschweißen hat die Invertertechnologie die Branche revolutioniert, da sie effizientere, kompaktere und vielseitigere Schweißgeräte bietet.
Die Umwandlungssequenz in einer Inverter-Lichtbogenschweißstromquelle kann wie folgt dargestellt werden:
Symbolisch kann dieser Prozess wie folgt ausgedrückt werden:
AC → DC → AC → DC
Dieses mehrstufige Umwandlungssystem wird aus mehreren entscheidenden Gründen eingesetzt:
Die endgültige Gleichstromleistung ist für Lichtbogenschweißanwendungen entscheidend. Es ist zwar theoretisch möglich, mit Hochfrequenz-Wechselstrom zu schweißen, aber die Verwendung von Gleichstrom bietet mehrere Vorteile:
Moderne Inverter-Schweißstromquellen verfügen häufig über eine Mikroprozessorsteuerung und fortschrittliche Leistungselektronik, die Funktionen wie gepulste Ausgabe, synergetische Steuerung und Multiprozess-Fähigkeiten ermöglichen, was ihre Vielseitigkeit und Leistung bei verschiedenen Schweißanwendungen weiter erhöht.
Die grundlegende Funktion des Wechselrichters Lichtbogenschweißen ist, dass es mit einer hohen Frequenz arbeitet, was viele Vorteile mit sich bringt.
Denn das Potenzial E des Transformators, unabhängig davon, ob es sich um die Primär- oder die Sekundärwicklung handelt, steht in folgender Beziehung zur Frequenz f des Stroms, zur magnetischen Flussdichte B, zur Fläche S des Eisenkerns und zur Anzahl der Windungen W der Wicklung:
E = 4,44fBSW
Und die Klemmenspannung U der Wicklung ist ungefähr gleich E, d.h.:
U ≈ E = 4,44fBSW
Wenn U und B bestimmt sind und die Frequenz f erhöht wird, nimmt S ab und W wird kleiner. Daher können das Gewicht und das Volumen des Transformators stark reduziert werden. Dadurch werden das Gewicht und das Volumen der gesamten Maschine erheblich verringert.
Darüber hinaus bringt sie aufgrund der höheren Frequenz und anderer Faktoren viele Vorteile im Vergleich zum traditionellen Lichtbogen Schweißleistung Quellen. Die wichtigsten Merkmale sind wie folgt:
(1) Geringe Größe, geringes Gewicht, materialsparend, leicht zu tragen und zu bewegen.
(2) Hohe Effizienz und energiesparend, mit einer Effizienz von bis zu 80% bis 90%, spart mehr als ein Drittel der Elektrizität im Vergleich zu herkömmlichen Schweißmaschinen.
(3) Gute dynamische Eigenschaften, leichter Lichtbogenstart, stabiler Lichtbogen, schöne Schweißnahtbildung und weniger Spritzer.
(4) Geeignet für die Kombination mit Robotern zur Bildung eines automatischen Schweißproduktionssystems.
(5) Kann für mehrere Zwecke verwendet werden, um verschiedene Schweiß- und Schneidverfahren zu vervollständigen.
Aufgrund der oben genannten Vorteile von Wechselrichterstromquellen hat sich diese Technologie seit ihrem Erscheinen in den späten 1970er Jahren rasch entwickelt. In Industrieländern wie den Vereinigten Staaten und Japan ist ihr Anwendungsbereich recht groß.
Zu den in Wechselrichterstromquellen verwendeten Schaltelementen gehören heute SCR (Thyristor), GTR (Transistor), MOSFET (Feldeffekttransistor) und IGBT (eine Art elektronisches Element, das die Vorteile von GTR und MOSFET vereint).
IGBT hat das Potenzial, andere Schaltelemente zu ersetzen. Die IGBT-Inverter-Schweißmaschine ist ein bedeutender Fortschritt in Schweißtechnik und einen neuen Trend der Entwicklung.
Der Schweißmaschinenkopf wandelt die von der Schweißstromquelle abgegebene Energie in Schweißwärme um und leitet sie kontinuierlich in die Schweißmaterial während sich der Maschinenkopf zum Schweißen vorwärts bewegt.
Die elektrische Schweißzange, die beim Lichtbogenhandschweißen verwendet wird, muss manuell nach unten gedrückt und vorwärts bewegt werden, um eine Schweißraupe zu bilden, während die Schweißdraht schmilzt. Automatische Schweißmaschinen verfügen über automatische Drahtvorschubmechanismen und Mechanismen zum Bewegen des Maschinenkopfes, um den Maschinenkopf vorwärts zu bewegen.
Es gibt zwei gebräuchliche Typen: Schlitten- und Aufhängungstypen.
Die Schweißköpfe für Punktschweißen und Buckelschweißen sind Elektroden und deren Pressmechanismen, die dazu dienen, Druck und Strom auf das Werkstück auszuüben.
Für Nahtschweißengibt es einen Übertragungsmechanismus, um das Werkstück in Bewegung zu setzen. Für StumpfschweißenEs werden statische und dynamische Vorrichtungen und Spannvorrichtungen sowie bewegliche Vorrichtungen und Stauchvorrichtungen benötigt.
Die Entwicklung von Inverter-Stromquellen in der Schweißtechnik ist durch einen vielschichtigen Ansatz gekennzeichnet, der sich auf erhöhte Kapazität, Gewichtsreduzierung, verbesserte Effizienz, Modularisierung und intelligente Steuerungssysteme konzentriert. Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Zuverlässigkeit und Leistung zu verbessern und die Anwendungsmöglichkeiten für verschiedene Schweißverfahren, einschließlich Lichtbogenschweißen, Widerstandsschweißen und Schneiden, zu erweitern.
Die Optimierung des Wirkungsgrads und eine hohe Leistungsdichte (Miniaturisierung) sind nach wie vor die Hauptziele der internationalen Hersteller von Lichtbogenschweißinvertern. Um diese Ziele zu erreichen, werden zwei technische Schlüsselstrategien angewandt:
Die Reifung der Invertertechnologie für das Lichtbogenschweißen, die mit Frequenzen um 20 kHz arbeitet, ist besonders in Regionen wie Japan und Europa zu beobachten. Das Ergebnis sind hochwertige, serienmäßig hergestellte Produktlinien mit den folgenden Merkmalen:
Zu den sich abzeichnenden Trends, die die Technologie weiter voranbringen, gehören:
1.1 Gründe für die Erzeugung von Oberwellen
Seit dem ersten 300A Thyristorlichtbogen Schweißinverter Stromversorgungen haben sich die Inverter-Stromversorgungen für das Lichtbogenschweißen erheblich weiterentwickelt, wobei Thyristor-Inversion, Hochleistungstransistor-Inversion, Feldeffekt-Inversion und IGBT-Inversion zum Einsatz kommen. Seine Kapazität und Leistung wurden erheblich verbessert.
Derzeit, Lichtbogenschweißen Inverter-Stromversorgung hat sich die Mainstream-Produkt der Schweißgeräte in den Industrieländern.
Als typisches leistungselektronisches Gerät hat die Lichtbogenschweiß-Inverterstromversorgung zwar die Vorteile der geringen Größe, des geringen Gewichts und der guten Regelungsleistung, aber ihr Schaltkreis enthält Gleichrichtungs- und Umkehrglieder, die eine Verzerrung der Stromwellenform verursachen und eine große Anzahl von Oberwellen hoher Ordnung erzeugen.
Es gibt eine starke Phasenverschiebung zwischen den Oberschwingungen der Spannung und des Stroms, was zu einem sehr niedrigen Leistungsfaktor des Schweißgeräts führt. Die Hauptgründe für die Entstehung von Oberschwingungen sind die folgenden:
(1) Interne Störquellen der Wechselrichter-Stromversorgung
Das Wechselrichter-Netzteil ist ein System, das Stark- und Schwachstrom kombiniert. Während die Schweißverfahrenkann der Schweißstrom mehrere Hundert oder sogar Tausende von Ampere erreichen. Da der Strom ein großes elektromagnetisches Feld erzeugt, kommt es vor allem in Schweißstromversorgungssystemen mit hoher Umkehrfrequenz, Gleichrichterröhren, Hochfrequenztransformatoren, Schwingungen des Steuersystems, Hochfrequenz-Lichtbogenzündung und Leistungsröhrenschaltern zu starken harmonischen Störungen.
Wenn das Wolfram zusätzlich Argon-Lichtbogen-Schweißmaschine Bei der Hochfrequenz-Lichtbogenzündung wird eine Frequenz von bis zu mehreren Hunderttausend Hertz und eine Hochspannung von mehreren Kilovolt verwendet, um den Luftspalt zu durchbrechen und einen Lichtbogen zu bilden, so dass die Hochfrequenz-Lichtbogenzündung auch eine starke Quelle für Oberschwingungsstörungen ist.
Bei intelligenten, computergesteuerten Inverterstromversorgungen für das Lichtbogenschweißen ist die Steuerplatine selbst zu einer Quelle von Oberschwingungsstörungen geworden, da die Betriebsgeschwindigkeit des verwendeten Computersteuerungssystems zunimmt, und es wurden höhere Anforderungen an die Verdrahtung der Steuerplatine gestellt.
(2) Externe Störquellen der Wechselrichterstromversorgung
Die Verschmutzung des Stromnetzes stellt eine schwere Störung für das Stromversorgungssystem dar, da die auf das Stromnetz einwirkenden Lasten ständig schwanken und mehr oder weniger starke Oberschwingungsstörungen im Stromnetz verursachen.
Große Stromerzeugungsanlagen können die Spannungswellenform des Stromnetzes verzerren, zufällige Faktoren können kurzzeitige Stromausfälle verursachen, und Hochfrequenzanlagen können Hochfrequenzimpulse und Spitzenimpulsanteile in der Spannungswellenform des Stromnetzes erzeugen.
Außerdem können in der Schweißwerkstatt aufgrund der Möglichkeit, dass sich die Erdungsleitungen verschiedener Schweißstromversorgungen während des Betriebs miteinander verbinden, ohne entsprechende Maßnahmen leicht Oberschwingungssignale mit hochfrequenten Anteilen in das Steuerungssystem gelangen, was zu Fehlfunktionen oder sogar zu Schäden an der Stromversorgung führen kann.
1.2 Merkmale und Gefahren von Oberschwingungen
Lichtbogenschweiß-Inverterstromversorgungen sind für ihre hocheffiziente Energieumwandlung bekannt. Mit der Entwicklung von Leistungssteuerungsgeräten in Richtung praktischer und leistungsstarker Geräte werden auch die Lichtbogenschweiß-Inverterstromversorgungen in eine Ära hoher Frequenz und großer Kapazität eintreten.
Für das Stromnetz ist die Stromversorgung des Lichtbogenschweißinverters im Wesentlichen eine große Gleichrichterstromversorgung. Aufgrund der stark ansteigenden und abfallenden Impulse, die von den leistungselektronischen Bauteilen während der Kommutierung erzeugt werden, kommt es zu ernsthaften Oberschwingungsstörungen.
Der Eingangsstrom der Wechselrichterstromversorgung ist eine Art Spitzenwellenform, die eine große Anzahl von Oberschwingungen höherer Ordnung im Stromnetz enthält.
Es gibt eine gravierende Phasenverschiebung zwischen Spannungs- und Stromoberschwingungen hoher Ordnung, was zu einem sehr niedrigen Leistungsfaktor des Schweißgeräts führt. Niederfrequente Verzerrungen sind derzeit ein häufiges Problem bei leistungselektronischen Geräten, das in der Kommunikations- und Haushaltsgeräteindustrie große Beachtung findet.
Darüber hinaus verwenden Inverter-Schweißgeräte derzeit meist harte Schaltmethoden, die während des Schaltvorgangs der Leistungskomponente unweigerlich Oberschwingungsstörungen im Raum verursachen.
Diese Störungen bilden durch Nah- und Fernfeldkopplung leitungsgebundene Interferenzen, die die umgebende elektromagnetische Umgebung und die Stromversorgungsumgebung ernsthaft verschmutzen und nicht nur die Zuverlässigkeit des Wechselrichterschaltkreises selbst verringern, sondern auch die Betriebsqualität des Stromnetzes und der angrenzenden Geräte stark beeinträchtigen.
2.1 Passive Filter (PF)
Die traditionelle Methode zur Oberwellenunterdrückung und Blindleistungskompensation ist die elektrische passive Filtertechnik, auch bekannt als indirekte Filtermethode. Bei dieser Methode werden elektrische Kondensatoren oder andere passive Vorrichtungen verwendet, um einen passiven Filter mit parallel geschalteten nichtlinearen Lasten, die kompensiert werden müssen, zu konstruieren, der einen niederohmigen Pfad für Oberschwingungen bietet und gleichzeitig die erforderliche Blindleistung für die Last liefert.
Konkret wird die verzerrte 50-Hz-Sinuswelle in die Grundwelle und verschiedene damit zusammenhängende Hauptoberschwingungskomponenten zerlegt. Dann wird nach dem Serienresonanzprinzip jeder Filterzweig, der aus L, C (oder R) besteht, auf verschiedene Hauptoberschwingungsfrequenzen abgestimmt (oder vorgespannt), um einen niederohmigen Pfad zu bilden und sie herauszufiltern [2-3]. Es schützt passiv vor den bereits erzeugten Oberschwingungen und reduziert deren Schäden an elektrischen Geräten.
Passive Filterverfahren sind kostengünstige und ausgereifte Technologien, haben aber auch die folgenden Nachteile:
(1) Die Filterwirkung wird durch die Systemimpedanz beeinflusst;
(2) Aufgrund der festen Resonanzfrequenz ist es bei Frequenzabweichungen wenig wirksam;
(3) er kann aufgrund von Serien- oder Parallelresonanzen mit der Systemimpedanz zu Überlastungen führen. Bei kleinen und mittleren Leistungen werden die passiven Filter nach und nach durch aktive Filter ersetzt.
2.2 Aktive Filter (AF)
Bereits in den frühen 1970er Jahren wurde von Wissenschaftlern das Grundprinzip aktiver Leistungsfilter vorgeschlagen. Da es damals jedoch noch keine Hochleistungsschaltgeräte und entsprechende Steuerungstechnologien gab, konnten nur durch lineare Verstärker und andere Methoden erzeugte Kompensationsströme verwendet werden, deren fatale Schwächen in der geringen Effizienz, den hohen Kosten und den Schwierigkeiten bei großen Kapazitäten lagen.
Mit der Verbesserung der Leistung von Leistungshalbleiter-Schaltgeräten und der Entwicklung der entsprechenden PWM-Technologie wurde es möglich, einen leistungsstarken und verlustarmen Oberschwingungsstromgenerator zu entwickeln, der die Technologie der aktiven Filterung praktikabel macht.
Wenn eine Oberschwingungsquelle im System auftritt, wird ein Kompensationsstrom in gleicher Größe und entgegengesetzter Phase zum Oberschwingungsstrom durch eine Methode erzeugt und parallel zu dem Stromkreis geschaltet, der zur Oberschwingungsquelle wird, um die Oberschwingungskomponente der Oberschwingungsquelle auszulöschen, so dass der gleichstromseitige Strom nur die Grundschwingungskomponente ohne Oberschwingungskomponenten enthält.
Wenn der von der Oberschwingungsquelle erzeugte Oberschwingungsstrom nicht vorhersagen kann, um welchen Oberschwingungsstrom höherer Ordnung es sich handelt, oder sich jederzeit ändert, wird das Oberschwingungsstromsignal ih aus dem Laststrom il ermittelt und dann vom Modulator moduliert und gemäß einem festgelegten Verfahren in einen Schaltsteuerstrom umgewandelt, um den Stromwechselrichter so zu betreiben, dass er einen Kompensationsstrom ifm erzeugt und ihn in den Stromkreis einspeist, um den Oberschwingungsstrom ih auszulöschen.
Der Hauptschaltkreis des Wechselrichters verwendet im Allgemeinen einen DC/AC-Vollbrücken-Wechselrichterschaltkreis, bei dem die Schaltgeräte GTO, GTR, SIT oder IGBT und andere steuerbare Hochleistungs-Leistungshalbleitergeräte sein können, um die Ausgangsstromwellenform durch den Ein-Aus-Zustand des Schaltgeräts zu steuern und den erforderlichen Ausgleichsstrom zu erzeugen.
Elektrische Aktivfilter sind die vielversprechendsten Geräte zur Unterdrückung von Oberschwingungen im Stromnetz und zur Kompensation von Blindleistung, wodurch die Qualität der Stromversorgung verbessert wird.
Im Vergleich zu elektrischen passiven Filtern haben sie folgende Vorteile:
(1) Es wird eine dynamische Kompensation erreicht, und Änderungen der Frequenz und des Betrags von Oberschwingungen und Blindleistung können kompensiert werden, wobei eine sehr schnelle Reaktion auf Änderungen des Kompensationsobjekts möglich ist;
(2) Die gleichzeitige Kompensation von Oberschwingungen und Blindleistung ist möglich, wobei die Größe der kompensierten Blindleistung stufenlos einstellbar ist;
(3) Bei der Blindleistungskompensation ist kein Energiespeicher erforderlich, und bei der Kompensation von Oberschwingungen ist die erforderliche Kapazität des Energiespeichers nicht groß;
(4) selbst wenn der kompensierte Strom zu groß ist, wird der elektrische Aktivfilter nicht überlastet und kann normal zur Kompensation funktionieren;
(5) es wird nicht leicht von der Impedanz des Stromnetzes beeinflusst und schwingt nicht leicht mit der Impedanz des Stromnetzes mit;
(6) es kann Änderungen der Netzfrequenz verfolgen, und die Kompensationsleistung wird durch Frequenzänderungen nicht beeinträchtigt;
(7) sie kann eine einzelne Oberschwingung und Blindleistung kompensieren oder sich auf die Kompensation mehrerer Oberschwingungen und Blindleistungen konzentrieren.
Da sich die Leistungselektronik in Richtung Hochfrequenz und hohe Leistungsdichte entwickelt, treten die Schaltverluste und Oberwellenstörungen beim harten Schalten immer stärker in den Vordergrund.
Die Soft-Switching-Technologie ist für jeden Schaltstromrichter von Vorteil, da sie den Umwandlungswirkungsgrad, die Geräteauslastung, die elektromagnetische Verträglichkeit und die Zuverlässigkeit der Geräte verbessert.
Dies ist vor allem in einigen Sonderfällen erforderlich (z. B. bei Anforderungen an die Leistungsdichte oder bei eingeschränkter Wärmeableitung). Von den beiden Arten der Soft-Switching-Technologie hat die passive Soft-Switching-Technologie ohne zusätzliche Schaltgeräte, Erkennungsmethoden und Steuerstrategien viele Vorteile, wie z. B. geringe zusätzliche Kosten, hohe Zuverlässigkeit, hohe Umwandlungseffizienz und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.
Auf dem Gebiet der Herstellung von Single-Ended-Wandlern hat es sich im Grunde genommen eine Mainstream-Position erarbeitet.
Was die Topologie betrifft, so ist die Methode der Reiheninduktivität und Parallelkapazität das einzige passive Soft-Switching-Verfahren, und die davon abgeleitete so genannte passive Soft-Switching-Technologie ist eigentlich eine verlustfreie Absorptionstechnologie.
Die Brückenwechselrichterschaltungen, von den frühen energieabsorbierenden Schaltungen über die später vorgeschlagenen partiellen Vorwärtsschaltungen bis hin zu den verlustfreien Lösungen, weisen alle Probleme auf, wie z. B. eine starke Lastabhängigkeit, einen engen Arbeitsfrequenzbereich, eine hohe zusätzliche Belastung, ein übermäßig komplexes Netzwerk usw., was ihre Praxistauglichkeit relativ schlecht macht.
Gleichzeitig wird durch den Trend zur Modularisierung von Schaltnetzteilen der verfügbare Platz für die Platzierung von Absorptionselementen immer kleiner, und eine verlustfreie Absorptionstechnologie, die für Wechselrichtermodule geeignet ist, findet sich in der Literatur nur selten.
Insgesamt befindet sich die passive Absorptionstechnologie, die sich für Wechselrichtermodule eignet, aufgrund ihres besonderen Aufbaus und ihrer Schwierigkeit noch in der weiteren Forschung und Entwicklung.
Inverterstromversorgungen für das Lichtbogenschweißen erzeugen eine große Menge an Oberwellen, die ernsthafte Schäden verursachen können.
Um Oberschwingungen zu unterdrücken und den Leistungsfaktor zu verbessern, müssen entsprechende Unterdrückungsmaßnahmen getroffen werden. Die traditionelle passive Filtermethode hat offensichtliche Grenzen, was ihre Anwendung einschränkt, während die aktive Filtermethode die Mängel der passiven Filter ausgleichen kann und Oberschwingungen in Lichtbogenschweiß-Inverterstromversorgungen wirksam unterdrückt und weit verbreitet ist. Auch mit der Soft-Switching-Technologie lassen sich bis zu einem gewissen Grad gute Filtereffekte erzielen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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