Onduleur de soudage à l'arc à base de thyristors Qu'est-ce qu'un onduleur de soudage à l'arc à base de thyristors ? Le tube de commutation haute puissance et haute tension qui utilise des thyristors rapides (SCR) comme circuit d'inversion principal et qui est contrôlé par son angle de déclenchement pour le soudage à l'arc est communément appelé onduleur de soudage à l'arc à base de thyristors. Il est contrôlé par l'angle de déclenchement et peut également [...]
Le tube de commutation haute puissance et haute tension qui utilise des thyristors rapides (SCR) comme circuit onduleur principal et qui est contrôlé par son angle de déclenchement pour le soudage à l'arc est communément appelé "tube de commutation à thyristors". onduleur pour le soudage à l'arc. Il est contrôlé par l'angle de déclenchement et peut également être appelé inverseur de soudage à l'arc contrôlé par l'angle de déclenchement.
La recherche sur les onduleurs de soudage à l'arc à base de thyristors avait déjà produit des résultats et fait l'objet de rapports à la fin des années 1970. Entre le début et le milieu des années 1980, elle a connu un développement significatif en termes de capacité, passant d'une capacité moyenne à une capacité importante ; du soudage à l'arc à l'électrode au soudage CO2/MAG, au soudage à l'arc submergé et au soudage à l'arc à l'électrode. soudage par résistanceLes domaines d'application n'ont cessé de s'étendre : du soudage en courant continu au soudage en courant alternatif à ondes carrées, de la commande électronique à la commande par micro-ordinateur et à la commande numérique.
La fréquence de l'onduleur varie de quelques kilohertz à des dizaines de kilohertz (avec résonance).
Toutefois, à la fin des années 1980, il a été progressivement remplacé par des technologies plus récentes telles que les convertisseurs de soudage à l'arc basés sur les transistors à effet de champ et les IGBT, en raison de sa faible fréquence, de ses performances de contrôle médiocres et des interférences sonores qu'il génère.
Sa proportion d'application a progressivement diminué, mais il occupe toujours une certaine place dans le monde.
Il convient de noter que l'émergence de nouveaux types de thyristors, tels que le thyristor à induction statique (SITH) et le thyristor à extinction de porte (GTO), modifiera sa position et contribuera à la poursuite de son développement et de sa promotion.
Les principaux composants et le schéma de principe de base de l'onduleur de soudage à l'arc à base de thyristors sont présentés dans la figure 1.
Les principaux composants du circuit et leurs fonctions sont les suivants :
(1) Redresseur d'entrée (UR1) : Il s'agit d'un pont redresseur commun monophasé ou triphasé. Il convertit la tension alternative de 50 Hz ou 60 Hz en tension continue.
(2) Filtre d'entrée (LC1) : Le filtre est composé d'une inductance de type gap et d'un condensateur, ce qui rend la tension continue d'entrée relativement lisse.
(3) Groupe de thyristors rapides à haute puissance VH : il agit comme un commutateur électronique à haute puissance et à haute tension, inversant la tension (le courant) continue en tension (courant) de fréquence intermédiaire de plusieurs kilohertz.
(4) Transformateur de fréquence intermédiaire (T) : Il convertit une tension élevée et un courant faible en une tension faible et un courant élevé qui conviennent à l'appareil. processus de soudage. Le matériau de base est généralement constitué de ferrite, d'un alliage amorphe, d'un alliage nanocristallin ou d'un acier au silicium à haute valeur ρ.
(5) Redresseur de sortie (UR2) : Il redresse le courant alternatif basse tension de fréquence intermédiaire en courant continu.
(6) Filtre de sortie (LC2) : Il rend la tension continue avec un coefficient d'ondulation élevé relativement lisse. Cependant, il est différent du filtre d'entrée car la fréquence d'ondulation du filtre d'entrée est de 100 Hz à 300 Hz, alors que la fréquence d'ondulation du filtre de sortie est de plusieurs kilohertz à des dizaines de kilohertz, de sorte qu'un dispositif de filtrage à fréquence intermédiaire est nécessaire.
(7) Circuit de commande de déclenchement (ZD) : Il génère des signaux d'impulsion de commande de déclenchement pour le groupe de thyristors VH.
(8) Alimentation stabilisatrice de tension et circuit de fonctionnement (MZ) : Il fournit une alimentation stabilisatrice de tension pour le circuit de commande de déclenchement, le circuit de fonctionnement et le circuit de comparaison à rétroaction donnée.
(9) Circuit de comparaison de rétroaction (MG) : Il prend un signal de rétroaction négatif de tension d'arc et de courant provenant du circuit de sortie dans une certaine proportion, le compare et l'amplifie avec la tension (standard) donnée, et fournit des signaux de commande au circuit de commande de déclenchement pour modifier la tension et le courant de sortie afin de répondre aux exigences de l'appareil de commande. processus de soudage.
L'utilisation de thyristors à haute puissance comme éléments de commutation : Auparavant, des thyristors à haute capacité, à haute tension et à haute performance étaient déjà produits, ne nécessitant généralement qu'un ou deux thyristors à faible coût.
Cependant, en raison de la limitation du temps de coupure du thyristor, la fréquence de fonctionnement nominale de l'onduleur n'est généralement comprise qu'entre 2000 Hz et 5000 Hz. Dans cette plage de fréquences, le bruit est important, en particulier pendant le soudage à l'arc en courant alternatif, où le bruit de l'arc a un certain impact sur le corps humain.
Caractéristiques communes avec les onduleurs de soudage à l'arc généraux : Comparé aux générateurs et redresseurs de soudage à l'arc, l'onduleur de soudage à l'arc à base de thyristors présente les avantages d'un rendement élevé, d'une économie d'énergie, d'un poids léger, d'un faible volume, d'un facteur de puissance élevé et d'une bonne performance en matière de soudage à l'arc.
Un onduleur de soudage à l'arc transistorisé est un type d'onduleur de soudage à l'arc qui utilise des transistors comme interrupteurs de puissance. Il appartient au type d'onduleur de soudage à l'arc contrôlé par le courant. L'apparition de l'onduleur de soudage à l'arc à commande par angle de phase a sans aucun doute contribué à la révolution du soudage à l'arc. puissance de soudage sources. Toutefois, comme indiqué précédemment, les limites des thyristors en tant que commutateurs électroniques de haute puissance, telles qu'une vitesse de commutation lente, une faible fréquence d'inversion, des performances de contrôle médiocres et du bruit, ont restreint leur développement.
C'est pourquoi les scientifiques et les techniciens en ingénierie ont commencé à chercher un composant de commutation électronique à haute puissance avec une vitesse de commutation rapide et de bonnes performances de contrôle pour surmonter les lacunes des onduleurs de soudage à l'arc à base de thyristors. Ainsi, dans l'histoire du développement des sources d'énergie de soudage à l'arc à onduleur, les composants de commutation de l'onduleur ont évolué des thyristors aux GTR, puis aux MOSFET et aux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), entre autres.
Un onduleur qui utilise des transistors (ou des groupes de transistors) comme composants de commutation électronique de haute puissance et qui utilise le contrôle du courant tout en possédant les propriétés électriques requises pour les processus de soudage à l'arc est appelé un onduleur de soudage à l'arc contrôlé par le courant, communément appelé onduleur de soudage à l'arc transistorisé.
Principaux composants et leurs fonctions
Les principaux composants et principes de fonctionnement d'un circuit de convertisseur de soudage à l'arc transistorisé sont illustrés à la figure 2. L'ensemble du circuit principal peut être divisé en deux grandes parties : le circuit principal de l'onduleur et le circuit de commande de l'entraînement.
(1) Circuit principal de l'onduleur : Il comprend le système d'alimentation électrique, le système d'alimentation électronique et l'arc de soudage, qui convertissent et transfèrent l'énergie du réseau électrique au circuit de charge (arc) (y compris le circuit principal de l'onduleur).
(2) Circuit de commande de l'entraînement : Il comprend le système de commande électronique (circuit de commande électronique, pilote de groupe de transistors, régulateur de tension, circuit de commande de programme) et le circuit caractéristique de soudage à l'arc (circuit de détection de rétroaction M, circuit donné G, circuit de comparaison, amplificateur N).
Le circuit de commande de l'entraînement fournit une tension d'impulsion à onde rectangulaire, qui est amplifiée par le circuit d'entraînement pour garantir que le commutateur haute tension, un groupe de transistors haute puissance, a un courant de base suffisamment important pour atteindre la conduction de saturation et réduire la chute de tension. Ce point est crucial pour les transistors commandés par le courant.
La tension d'impulsion rectangulaire est fournie par un circuit d'oscillateur d'horloge ou un générateur de largeur d'impulsion constante. Avec l'aide du circuit de détection de rétroaction, du circuit donné, du circuit de comparaison et du circuit d'amplification, etc., le contrôle en boucle fermée de l'onduleur de soudage à l'arc transistorisé est réalisé, et les caractéristiques externes et les caractéristiques d'ajustement requises (ajustement des paramètres du processus), les caractéristiques dynamiques et la forme d'onde de l'impulsion de sortie sont obtenues.
Essentiellement, un onduleur de soudage à l'arc transistorisé est également un type de source d'énergie de soudage à tension et courant constants (CV/CC) à mode de commutation.
Du point de vue du principe de base, il peut être ramené aux redresseurs de soudage à l'arc à commande de phase par thyristor, de type amplificateur magnétique, et aux redresseurs de soudage à l'arc à commutation par transistor présentés précédemment, qui sont tous des sources d'énergie à mode de commutation.
Cependant, leurs composants de commutation à haute puissance sont connectés en série avec le circuit de charge, et la régulation et la stabilisation de la tension et du courant de sortie sont obtenues en ajustant la chute de tension et le rapport de temps de marche et d'arrêt (rapport de temps) du groupe de transistors de puissance.
Par conséquent, dans les conditions de soudage où la tension de sortie est faible et le courant élevé, une grande quantité d'énergie est supportée par le groupe de transistors de puissance, ce qui se traduit par un faible rendement. En outre, la fréquence de fonctionnement du transformateur principal est de 50 Hz, ce qui se traduit par une taille et un poids importants.
En revanche, l'onduleur de soudage à l'arc transistorisé est une nouvelle source d'énergie à mode de commutation, avec le groupe de transistors de puissance fonctionnant du côté primaire avec une tension élevée et un faible courant. La fréquence de fonctionnement du transformateur principal peut atteindre 16-25 kHz, ce qui se traduit par un rendement beaucoup plus élevé et une taille considérablement réduite.
La fréquence de l'onduleur la plus couramment utilisée est de 20 kHz, ce qui en fait un autre exemple de la "révolution de la technologie de l'énergie à 20 kHz".
La principale caractéristique du convertisseur de soudage à l'arc transistorisé est l'utilisation d'un "groupe de transistors de commutation à haute puissance" au lieu de "thyristors à haute puissance" comme composants de commutation à haute puissance du convertisseur, et l'utilisation d'un "oscillateur d'horloge" et d'un "circuit V/W" au lieu d'un "générateur de largeur d'impulsion constante" et d'un "circuit V/F".
La modulation de largeur d'impulsion est utilisée pour le contrôle et la modulation, et le contrôle en boucle fermée de l'inverseur de soudage à l'arc transistorisé est réalisé par des circuits de détection de rétroaction, des circuits donnés, des circuits de comparaison, des circuits d'amplification, etc.
Les caractéristiques externes et de réglage souhaitées (réglage des paramètres du processus), les caractéristiques dynamiques et la forme d'onde de l'impulsion de sortie sont obtenues en conséquence.
Classification
La technologie de l'onduleur pour le soudage à l'arc par transistor peut être classée sous différents angles.
Selon la forme de la courbe caractéristique externe, elle peut être divisée en caractéristique à tension constante, caractéristique à courant constant, caractéristique à chute lente, caractéristique à double étape, caractéristique à courant constant plus traînée externe, etc.
En fonction de la tension d'arc et de la forme d'onde du courant de sortie, il peut être divisé en DC, impulsion, onde rectangulaire AC, etc.
Selon la forme du circuit principal de l'inverseur, il peut être divisé en circuit principal d'inverseur positif à simple extrémité, circuit principal d'inverseur positif à double extrémité, circuit principal d'inverseur en demi-pont, circuit principal d'inverseur en pont complet et circuit principal d'inverseur parallèle (push-pull), rarement utilisé.
Caractéristiques
Comparé à l'onduleur de soudage à l'arc à thyristor, l'onduleur de soudage à l'arc à transistor présente les caractéristiques et avantages suivants, grâce aux meilleures performances des transistors de commutation à haute puissance :
Bien que l'apparition des convertisseurs de soudage à l'arc à transistors ait permis d'augmenter la fréquence d'inversion jusqu'à 20 kHz, ce qui contribue à améliorer l'efficacité et à réduire le volume et le poids, ces convertisseurs souffrent d'un claquage secondaire et nécessitent un entraînement à courant élevé (type de contrôle du courant).
Par conséquent, les techniciens ont activement recherché un interrupteur de puissance plus performant pour le remplacer, à savoir le transistor à effet de champ à haute puissance (MOSFET).
Il appartient au type de contrôle de tension, connu sous le nom d'onduleur de soudage à l'arc à contrôle de tension, communément appelé onduleur de soudage à l'arc à transistor à effet de champ (MOSFET). Seule la tension de commande et un minuscule courant instantané sont nécessaires pour réaliser la commande de commutation des transistors à effet de champ de puissance, et la vitesse de commutation est plus rapide sans claquage secondaire.
Les principaux composants et les principes de base de l'onduleur de soudage à l'arc MOSFET sont similaires à ceux des onduleurs de type transistor. Son schéma de principe est illustré à la figure 3.
Il utilise également la méthode de régulation "modulation de largeur d'impulsion à fréquence fixe (PWM)". La fréquence de l'onduleur de type transistor est généralement fixée à environ 20 kHz, tandis que l'onduleur de type MOSFET utilise habituellement 40 à 50 kHz, mais il existe également des fréquences supérieures à 50 kHz.
Les méthodes d'acquisition de ses caractéristiques externes et de ses caractéristiques de régulation (réglage des paramètres de régulation) sont également réalisées en contrôlant la variation (réglage) de la largeur de l'impulsion de commande, y compris la modulation à basse fréquence de la forme d'onde de l'impulsion de sortie.
En outre, le circuit de filtrage du redresseur d'entrée, les types de base du circuit principal de l'onduleur, le circuit de filtrage de sortie, le circuit de contrôle en boucle fermée avec rétroaction et son principe sont tous fondamentalement identiques. Ils ne seront pas développés davantage ici.
Caractéristiques de l'onduleur de soudage à l'arc MOSFET
Les caractéristiques de l'utilisation du transistor à effet de champ (MOSFET) comme interrupteur électronique sont analysées. Comparé au transistor, le MOSFET confère à l'onduleur de soudage à l'arc les avantages et caractéristiques suivants :
(1) Puissance de contrôle extrêmement faible : Le MOSFET a une résistance d'entrée élevée en courant continu de la grille-source, et le contrôle de la tension est adopté. Du point de vue du couplage de puissance, l'onduleur de soudage à l'arc à MOSFET peut être contrôlé directement par un micro-ordinateur via les interfaces A/N et N/A, et le circuit de contrôle peut être simplifié, ce qui est l'objectif des circuits de contrôle modernes.
(2) Large plage de travail fiable.
(3) Temps de commutation extrêmement court.
(4) Réalisation relativement facile du fonctionnement en parallèle de plusieurs tubes : Le MOSFET ayant un coefficient de température positif, le fonctionnement en parallèle ne nécessite pas de résistance de partage du courant en série.
Classification et application
L'onduleur de soudage à l'arc MOSFET peut être classé en fonction de ses caractéristiques externes, ainsi que des types de sortie CC, d'impulsion et d'onde rectangulaire CA.
Ce type d'inverseur de soudage à l'arc a une portée universelle et peut être utilisé non seulement pour le soudage manuel de baguettes de soudage à l'arc, le soudage à l'arc au tungstène et à l'argon, la fusion d'électrodes. soudage sous protection gazeuseLe soudage et le découpage à l'arc plasma, mais aussi le soudage de haute performance et de précision, comme le soudage mécanisé, le soudage automatisé et le soudage robotisé, en obtenant diverses caractéristiques externes grâce à différentes tensions d'arc, à la rétroaction du courant et aux rapports d'appariement.
En outre, ses performances de soudage et sa multifonctionnalité peuvent être grandement améliorées grâce à un contrôle numérique et intelligent.
En raison de la puissance limitée du MOSFET, il est généralement utilisé dans des situations de faible et moyenne puissance, en particulier pour les faibles puissances. En augmentant la fréquence de l'onduleur à 100-200kHz, un onduleur de soudage à l'arc MOSFET de 100A peut être fabriqué avec un poids de seulement 3,4kg.
Il s'agit d'un véritable format de poche alimentation pour le soudage à l'arc qui ressemble à une œuvre d'art.
Un onduleur de soudage à l'arc IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est un type d'onduleur de soudage à l'arc à base de transistors qui utilise des transistors à effet de champ à la place des transistors traditionnels comme commutateur électronique de puissance. Il offre plusieurs avantages, tels qu'un contrôle minimal de la puissance, une vitesse de commutation rapide, l'absence de claquage secondaire et une fréquence d'onduleur plus élevée.
Cependant, l'utilisation de transistors à effet de champ présente également certains inconvénients, notamment une capacité de production plus faible, une résistance de canal plus élevée, une résistance à la tension plus faible et un courant de fonctionnement nominal plus faible. Pour résoudre ces problèmes, les fabricants et les unités de recherche ont développé des transistors de commutation de puissance IGBT en combinant la capacité élevée des transistors traditionnels et le contrôle de la tension des transistors à effet de champ.
Les transistors de commutation de puissance IGBT ont des transistors de plus grande capacité et sont relativement plus faciles à produire et à déboguer, ce qui leur a valu d'être rapidement adoptés et appliqués à grande échelle dans l'industrie. Les onduleurs de soudage qui utilisent des transistors de commutation de puissance IGBT sont également connus sous le nom d'onduleurs de soudage à l'arc IGBT, qui sont un type d'onduleur contrôlé par la tension. Toutefois, la fréquence des onduleurs de soudage à l'arc à IGBT n'est pas aussi élevée que celle des onduleurs à base de MOSFET.
Les onduleurs de soudage à l'arc à base de MOSFET et d'IGBT ont chacun leurs propres caractéristiques et sont devenus de nouveaux systèmes de soudage à l'arc. les types de soudage les sources d'énergie qui sont largement développées et promues.
Les principaux composants et le principe de fonctionnement de base d'un onduleur de soudage à l'arc à IGBT sont illustrés à la figure 4. Par rapport aux onduleurs de soudage à base de MOSFET et aux onduleurs de soudage traditionnels à base de transistors, le Onduleur IGBT ont une taille et une structure de base différentes, mais ils utilisent tous la méthode de contrôle PWM (modulation de largeur d'impulsion à fréquence fixe).
La principale différence réside dans l'utilisation de transistors IGBT au lieu de transistors MOSFET ou traditionnels, et la fréquence de l'onduleur est d'environ 20-25 kHz (alors que les onduleurs à base de MOSFET peuvent atteindre 50 kHz ou plus). Les transistors IGBT utilisent le contrôle de la tension, et un seul transistor a une capacité suffisante, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de faire fonctionner plusieurs transistors en parallèle.
Les caractéristiques externes de l'onduleur IGBT, les caractéristiques de régulation (régulation des paramètres standard) et l'acquisition et le contrôle de la forme d'onde de sortie sont également obtenus par des changements (conversion, modulation) de la largeur d'impulsion, y compris la modulation à basse fréquence de la forme d'onde de l'impulsion de sortie.
En ce qui concerne les types de base du circuit de filtrage du redresseur d'entrée, le circuit principal de l'onduleur (plusieurs types), le circuit de filtrage de sortie, le circuit de contrôle en boucle fermée avec rétroaction négative, et leurs principes, ils sont essentiellement les mêmes que les onduleurs de soudage à base de MOSFET.
Les onduleurs de soudage à l'arc à base d'IGBT peuvent être classés en fonction de leurs caractéristiques externes ou de leurs types de sortie, tels que le courant continu, les impulsions et les ondes carrées en courant alternatif.
Les deux types d'onduleurs de soudage ont une portée universelle et peuvent être utilisés non seulement pour des procédés de soudage à grande échelle et de grande portée tels que le soudage à l'arc en bâton, le soudage à l'arc au tungstène et à l'argon, le soudage à l'électrode fondante sous protection gazeuse, le soudage et le découpage à l'arc plasma, mais aussi pour des procédés de soudage automatique à l'arc submergé à un ou deux fils de grande puissance allant de 1250 A à 2000 A, le gougeage à l'arc à l'air et le soudage à l'arc robotisé, ainsi que le soudage MIG/MAG/impulsion à deux fils et le soudage à l'arc submergé à trois fils, entre autres.
Les dispositifs de puissance de l'alimentation pour le soudage à l'arc fonctionnent et sont contrôlés en mode analogique ou en mode de commutation. Il existe deux types d'alimentation pour le soudage à l'arc en mode commutation : la commutation dure et la commutation douce. Le premier utilise principalement la technologie de contrôle par modulation de largeur d'impulsion (PWM), et les dispositifs de puissance fonctionnent dans un état d'arrêt forcé (courant non nul) ou d'enclenchement forcé (tension non nulle).
En raison de l'existence d'une capacité et d'une inductance parasites dans le circuit, les dispositifs de commutation de puissance s'allument et s'éteignent à des valeurs de courant et de tension de travail qui ne sont pas nulles ou même supérieures, ce qui entraîne des pertes de commutation élevées. Ces pertes augmentent proportionnellement à la fréquence, ce qui réduit considérablement l'efficacité du circuit et peut même entraîner son dysfonctionnement.
Les onduleurs de soudage à l'arc de conception traditionnelle ont du mal à résoudre fondamentalement ces problèmes. Cependant, les onduleurs de soudage à l'arc à commutation douce utilisent la technologie de conversion du courant résonant, où les dispositifs d'alimentation s'allument ou s'éteignent naturellement dans des conditions de tension ou de courant nul.
Cette technologie permet essentiellement de surmonter les inconvénients des blocs d'alimentation pour le soudage à l'arc à commutation dure, de réduire considérablement les pertes de commutation et de minimiser les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radioélectriques (RFI).
Il permet également de réduire le poids de l'onduleur, d'augmenter la fréquence, de diminuer le volume des transformateurs, des inductances et des condensateurs dans le circuit, de réduire l'ondulation de sortie et d'améliorer la densité de puissance et les performances dynamiques du système.
Par conséquent, l'application de la technologie de commutation douce, en particulier dans les onduleurs de soudage à l'arc, est de plus en plus répandue, ce qui porte l'alimentation électrique du soudage à l'arc à un niveau supérieur. Les onduleurs de soudage à l'arc à commutation souple constituent un développement prometteur dans ce domaine, et cette section se concentre sur leur analyse.
Les principaux composants et les principes de base de l'onduleur de soudage à l'arc à commutation douce sont similaires à ceux de l'onduleur de soudage à l'arc à commutation dure. La principale différence réside dans les détails de la structure du circuit principal de l'onduleur et dans la méthode de réglage du circuit de commande et d'entraînement.
La technologie de conversion du courant résonant avec un mode de fonctionnement à commutation douce peut être contrôlée par deux méthodes : la commande à fréquence variable et la commande à fréquence constante. L'analyse et la conception du circuit de commande à fréquence variable sont complexes et sensibles aux interférences, et la plage de sortie est réduite avec une faible utilisation des composants magnétiques.
La commande à fréquence constante est basée sur la MLI couramment utilisée, dans laquelle une inductance et un condensateur résonnants sont connectés en série dans le circuit principal de l'onduleur. Le système de commande utilise une onde carrée déphasée pour piloter les dispositifs de commutation, en s'appuyant sur la diode de roue libre pour réaliser une commutation douce des dispositifs de puissance.
Dans le circuit principal de l'onduleur à pont complet, les dispositifs de commutation de puissance sur les lignes diagonales ne sont pas activés et désactivés en même temps, mais sont décalés avec un intervalle de temps pour obtenir une coupure de courant nulle ou une activation de tension nulle. Le contrôle de la tension ou du courant de sortie est réalisé en ajustant le rapport cyclique du pont.
Cette méthode de contrôle est relativement facile à concevoir, a une plus grande plage de sortie et une structure de circuit relativement simple, ce qui la rend plus adaptée aux applications de l'onduleur de soudage à l'arc.
Forme de base du circuit principal de l'onduleur à commutation douce
Actuellement, il existe plusieurs formes de base communes de circuit principal d'onduleur à commutation douce, notamment :
Principe de fonctionnement du circuit principal de l'onduleur à commutation douce
Pour choisir le bon circuit principal d'onduleur à commutation progressive pour l'alimentation du soudage à l'arc, il est nécessaire de présenter en détail les quatre circuits principaux d'onduleur à commutation progressive suivants :
(1) Circuit principal de l'onduleur résonant à commutation de courant zéro (ZCS)
Comme le montre la figure 6a, le ZCS consiste à utiliser la forme d'onde du courant sur l'élément résonnant LC auxiliaire et les dispositifs de puissance pour que ces derniers s'éteignent naturellement dans des conditions de courant nul, ce qui permet d'obtenir une commutation naturelle des dispositifs.
(2) Circuit principal de l'onduleur résonant à commutation de tension nulle (ZVS)
Comme le montre la figure 6b, le ZVS fait référence à l'utilisation de la forme d'onde de tension sur l'inducteur et le condensateur de l'élément résonnant auxiliaire et les dispositifs de puissance pour réduire la tension de la capacité de sortie des dispositifs de puissance à zéro avant d'allumer les dispositifs, créant ainsi des conditions de tension nulle pour allumer les dispositifs et éliminant les pertes de commutation liées à la capacité de sortie parasite des dispositifs, ce qui augmente considérablement la fréquence de commutation.
Cependant, le ZVS présente deux inconvénients. L'un d'eux est l'importante contrainte de tension sur le dispositif, qui est proportionnelle à la plage de charge, ce qui rend difficile la réalisation du ZVS pour une large gamme de charges. L'autre est dû au fait que la diode de redressement oscille avec le condensateur résonant.
S'il s'agit d'une oscillation amortissante, elle entraînera une perte de puissance importante à haute fréquence. S'il s'agit d'une oscillation non amortissante, elle aura un effet désavantageux sur le gain de tension de l'onduleur et peut provoquer une oscillation en boucle fermée.
(3) Circuit principal de l'onduleur multirésonant
Comme le montre la figure 6c, le circuit principal de l'onduleur multi-résonant combine les caractéristiques du ZVS et du ZCS dans une structure de commutation unique. Le condensateur résonant est à la fois en parallèle avec le dispositif de commutation et en parallèle avec la diode, ce qui fait du dispositif de commutation et de la diode des commutateurs à tension nulle.
Le principal avantage est que tous les principaux paramètres parasites (capacité de sortie du dispositif de puissance, capacité de jonction de la diode, inductance de fuite du transformateur, etc.) sont intégrés dans le circuit résonant, ce qui fait que tous les dispositifs du circuit conduisent lorsque la tension est nulle, réduisant ainsi les pertes de commutation et améliorant l'efficacité du travail.
L'inconvénient des trois circuits ci-dessus est qu'ils fonctionnent à une fréquence variable, ce qui entraîne des tensions et des courants élevés sur les dispositifs.
Le circuit principal de l'onduleur à résonance en série, le circuit de l'onduleur à demi-pont et à pont complet en parallèle et le circuit principal de l'onduleur de classe E sont plus étroitement liés à la structure du circuit principal de l'onduleur de soudage à l'arc à commutation douce.
Le circuit principal de l'inverseur de classe E est une version améliorée du circuit de l'amplificateur de classe E et est modifié à partir de l'inverseur résonant en série. Son circuit est illustré à la figure 7.
L'avantage du circuit principal de l'onduleur de classe E est qu'il élimine les pertes de commutation et réduit les interférences électromagnétiques. Le principal inconvénient est qu'un courant de pointe important traverse le commutateur et que le dispositif de commutation subit une tension importante.
(4) Circuit principal de l'onduleur en pont complet avec commande de déphasage
Depuis sa proposition à la fin des années 1980, le circuit de commutation douce en pont complet contrôlé par déphasage a fait l'objet d'une attention croissante et est devenu un sujet brûlant dans la recherche et l'application. Le circuit de commutation souple en pont complet à déphasage combine parfaitement deux topologies de circuit, la commutation souple résonante et la modulation de largeur d'impulsion.
La commutation résonante est réalisée pendant le processus de commutation du dispositif de commutation de puissance, ce qui permet de réduire les pertes de commutation, tandis qu'après la mise en marche du dispositif de commutation, une tension et un courant rectangulaires sont fournis à l'aide d'une modulation MLI. En fonction des caractéristiques de la forme d'onde de commutation, le circuit de commutation douce en pont complet contrôlé par déphasage peut être divisé en commutation douce à tension nulle en pont complet et en commutation douce à tension et courant nuls.
Le circuit principal et la synchronisation du signal de commande du circuit inverseur en pont complet commandé par déphasage sont illustrés à la figure 8 :
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