Представьте себе, что тяжелые и громоздкие сварочные аппараты превратились в легкие и портативные электростанции. Эта статья посвящена механике инверторных источников питания для дуговой сварки, демонстрируя их преобразование переменного тока в постоянный для эффективной сварки. Узнайте, как эти инновационные устройства экономят энергию, обеспечивают стабильную дугу и легко интегрируются в автоматизированные системы. Откройте для себя основные преимущества и технологические достижения, которые делают инверторные сварочные аппараты незаменимыми в современных сварочных приложениях. В конце вы поймете, почему эти аппараты совершают революцию в сварочной индустрии.
Инверторный источник питания для дуговой сварки, также известный как инвертор для дуговой сварки, представляет собой новый тип сварочного источника питания. Этот тип источника питания обычно принимает трехфазное сетевое напряжение переменного тока частотой 50 Гц, выпрямляет и фильтрует его через входной выпрямитель, преобразуя в постоянный ток.
В нем используются мощные переключающие электронные компоненты (такие как тиристоры SCR, транзисторы GTO, MOSFET или IGBT) для изменения состояния переключателя, инвертируя его в среднечастотное переменное напряжение в диапазоне от нескольких кГц до десятков кГц, которое затем понижается трансформатором до напряжения, подходящего для сварки.
После выпрямления и фильтрации через индуктивность он выдает стабильный постоянный сварочный ток.
Инвертор - это сложное электронное устройство, преобразующее постоянный ток (DC) в переменный (AC). В контексте источников питания для дуговой сварки инверторная технология произвела революцию в отрасли, предложив более эффективное, компактное и универсальное сварочное оборудование.
Последовательность преобразования в инверторном источнике питания для дуговой сварки может быть представлена следующим образом:
Символически этот процесс можно выразить так:
AC → DC → AC → DC
Эта многоступенчатая система преобразования используется по нескольким важным причинам:
Конечный выход постоянного тока имеет решающее значение для дуговой сварки. Хотя теоретически возможна сварка высокочастотным переменным током, использование постоянного тока дает ряд преимуществ:
Современные инверторные источники сварочного тока часто оснащаются микропроцессорным управлением и передовой силовой электроникой, что позволяет реализовать такие функции, как импульсный выход, синергетическое управление и многопроцессные возможности, что еще больше повышает их универсальность и производительность в различных областях сварки.
Основные характеристики инвертора дуговая сварка Он работает на высокой частоте, что дает множество преимуществ.
Это объясняется тем, что потенциал E трансформатора, будь то первичная или вторичная обмотка, имеет следующую зависимость от частоты тока f, плотности магнитного потока B, площади сечения железного сердечника S и числа витков W обмотки:
E = 4.44fBSW
А напряжение на клеммах обмотки U примерно равно E, то есть:
U ≈ E = 4,44fBSW
Когда U и B определены, при увеличении частоты f уменьшается S и уменьшается W. Таким образом, вес и объем трансформатора могут быть значительно уменьшены. Таким образом, вес и объем всей машины значительно уменьшается.
Кроме того, благодаря увеличению частоты и другим факторам, она имеет множество преимуществ по сравнению с традиционной дугой сварочная мощность источники. Основные характеристики следующие:
(1) Небольшой размер, легкий вес, экономия материала, удобство переноски и перемещения.
(2) Высокая эффективность и энергосбережение, с эффективностью до 80% до 90%, экономия более одной трети электроэнергии по сравнению с традиционными сварочными аппаратами.
(3) Хорошие динамические характеристики, легкий запуск дуги, стабильная дуга, красивое формирование шва и меньшее количество брызг.
(4) Подходит для комбинации с роботами для создания автоматической системы сварочного производства.
(5) Может использоваться для различных целей, выполняя различные процессы сварки и резки.
Благодаря ряду преимуществ инверторных источников питания, упомянутых выше, они быстро развиваются с момента своего появления в конце 1970-х годов. В промышленно развитых странах, таких как США и Япония, сфера его применения весьма обширна.
В настоящее время в инверторных источниках питания используются такие коммутационные элементы, как SCR (тиристор), GTR (транзистор), MOSFET (полевой транзистор) и IGBT (разновидность электронного элемента, сочетающего в себе преимущества GTR и MOSFET).
IGBT имеет потенциал для замены других коммутационных элементов. Инверторный сварочный аппарат IGBT - это значительный прогресс в технология сварки и новое направление развития.
Головка сварочного аппарата преобразует энергию, выделяемую источником сварочного тока, в сварочное тепло и непрерывно подает его в сварочный материал В то время как головка машины движется вперед для выполнения сварки.
Электрические сварочные клещи, используемые при ручной дуговой сварке, необходимо вручную толкать вниз и перемещать вперед для формирования сварочного пучка, так как сварочный пруток плавится. Автоматические сварочные аппараты оснащены механизмами автоматической подачи проволоки и механизмами перемещения головки аппарата вперед.
Существует два распространенных типа: кареточный и подвесной.
Сварочные головки для точечной сварки и проекционная сварка Электроды и их прижимные механизмы, которые используются для подачи давления и электричества на заготовку.
Для сварка швомДля приведения заготовки в движение имеется передаточный механизм. Для стыковая сваркаНеобходимы статические и динамические приспособления и механизмы фиксации, а также подвижные приспособления и механизмы расстроповки.
Эволюция инверторных источников питания в сварочных технологиях характеризуется многогранным подходом, направленным на увеличение мощности, снижение веса, повышение эффективности, модульность и интеллектуальные системы управления. Эти усовершенствования направлены на повышение надежности, производительности и расширение областей применения в различных сварочных процессах, включая дуговую сварку, контактную сварку и резку.
Оптимизация эффективности и высокая плотность мощности (миниатюризация) остаются основными целями для международных производителей инверторов для дуговой сварки. Для достижения этих целей используются две ключевые технические стратегии:
Развитие технологии инверторов для дуговой сварки, работающих на частотах около 20 кГц, особенно заметно в таких регионах, как Япония и Европа. Это привело к появлению высококачественных, серийно выпускаемых линий продукции со следующими характеристиками:
По мере развития технологии появляются новые тенденции:
1.1 Причины возникновения гармоник
С момента появления первой тиристорной дуги на 300 А сварочный инвертор Источник питания, инверторный источник питания для дуговой сварки претерпел значительное развитие, пережив инверсию тиристоров, инверсию мощных транзисторов, инверсию полевых эффектов и инверсию IGBT. Его мощность и производительность были значительно улучшены.
В настоящее время инверторный источник питания для дуговой сварки стал основным продуктом сварочного оборудования в промышленно развитых странах.
Как типичное силовое электронное устройство, инверторный источник питания для дуговой сварки обладает такими преимуществами, как малые размеры, небольшой вес и хорошие характеристики управления, однако его схема содержит звенья выпрямления и инвертирования, которые вызывают искажение формы волны тока и генерируют большое количество гармоник высокого порядка.
Между гармониками напряжения и тока высокого порядка существует серьезный сдвиг фаз, что приводит к очень низкому коэффициенту мощности сварочного аппарата. Основными причинами возникновения гармоник являются следующие:
(1) Источники внутренних помех в источнике питания инвертора
Инверторный источник питания представляет собой систему, в которой сочетаются сильные и слабые токи. Во время процесс сваркиПри этом сварочный ток может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Поскольку ток генерирует большое электромагнитное поле, особенно в системах сварочного питания с высокой частотой инверсии, выпрямительные трубы, высокочастотные трансформаторы, колебания системы управления, высокочастотный поджиг дуги и переключатели силовых труб будут создавать сильные гармонические помехи.
Кроме того, когда вольфрам аппарат аргонодуговой сварки При высокочастотном зажигании дуги используется частота до нескольких сотен тысяч герц и высокое напряжение в несколько киловольт, чтобы пробить воздушный зазор и образовать дугу, поэтому высокочастотное зажигание дуги также является сильным источником гармонических помех.
В инверторных источниках питания для интеллектуальной дуговой сварки, управляемых компьютерами, с увеличением скорости работы используемой компьютерной системы управления сама плата управления становится источником гармонических помех, поэтому к проводке платы управления предъявляются повышенные требования.
(2) Источники внешних помех для источника питания инвертора
Загрязнение электросети является серьезной помехой для системы электроснабжения, поскольку нагрузка на электросеть постоянно меняется, вызывая более или менее сильные гармонические помехи в электросети.
Крупное энергетическое оборудование может вызвать искажение формы волны напряжения электросети, случайные факторы могут вызвать кратковременные отключения электроэнергии, а высокочастотное оборудование может генерировать высокочастотные импульсы и пиковые импульсные составляющие в форме волны напряжения электросети.
Кроме того, в сварочной мастерской из-за возможности перемыкания заземляющих проводов различных сварочных источников питания в процессе эксплуатации, если не принять соответствующих мер, гармонические сигналы с высокочастотными составляющими могут легко проникнуть в систему управления, вызывая сбои в работе источника питания или даже его повреждение.
1.2 Характеристики и опасность гармоник
Инверторные источники питания для дуговой сварки известны своей высокой эффективностью преобразования энергии. С развитием устройств управления питанием в направлении практичности и большой мощности, инверторные источники питания для дуговой сварки также вступят в эру высокой частоты и большой мощности.
Для электросети инверторный источник питания для дуговой сварки по сути является большим выпрямительным источником питания. Из-за резкого нарастания и спада импульсов, генерируемых силовыми электронными компонентами во время коммутации, возникают серьезные гармонические помехи.
Входной ток инверторного источника питания представляет собой вид скачкообразной формы волны, которая содержит большое количество гармоник высокого порядка в электросети.
Имеется серьезный сдвиг фаз между гармониками напряжения и тока высокого порядка, что приводит к очень низкому коэффициенту мощности сварочного аппарата. Низкочастотные искажения в настоящее время являются распространенной проблемой силового электронного оборудования, привлекающей значительное внимание в отраслях связи и бытовой техники.
Кроме того, в настоящее время инверторные сварочные аппараты в основном используют жесткие методы переключения, что неизбежно приводит к появлению гармонических помех в пространстве в процессе переключения силовых компонентов.
Эти помехи формируют наведенные помехи через связь ближнего и дальнего поля, серьезно загрязняя окружающую электромагнитную обстановку и среду электропитания, не только снижая надежность самой схемы инвертора, но и серьезно влияя на качество работы электросети и смежного оборудования.
2.1 Пассивные фильтры (PF)
Традиционным методом подавления гармоник и компенсации реактивной мощности является технология электрических пассивных фильтров, также известная как метод косвенной фильтрации. Этот метод предполагает использование электрических конденсаторов или других пассивных устройств для создания пассивного фильтра с нелинейными нагрузками, нуждающимися в компенсации, соединенными параллельно, обеспечивая низкоомный путь для гармоник и одновременно поставляя необходимую реактивную мощность для нагрузки.
В частности, искаженная синусоидальная волна 50 Гц разлагается на основную волну и различные связанные с ней основные гармонические компоненты, затем, используя принцип последовательного резонанса, каждая фильтрующая ветвь, состоящая из L, C (или R), настраивается (или настраивается со смещением) на различные основные гармонические частоты, чтобы сформировать низкоомный тракт и отфильтровать их [2-3]. Он пассивно защищает электрооборудование от уже возникших гармоник и уменьшает их вред.
Пассивные схемы фильтрации - это недорогие и отработанные технологии, однако они имеют следующие недостатки:
(1) на эффект фильтрации влияет импеданс системы;
(2) из-за фиксированной резонансной частоты он малоэффективен в случаях отклонения частоты;
(3) он может вызвать перегрузку из-за последовательного или параллельного резонанса с импедансом системы. В системах малой и средней мощности пассивные фильтры постепенно заменяются активными.
2.2 Активные фильтры (AF)
Еще в начале 1970-х годов ученые предложили основной принцип работы активных фильтров мощности. Однако из-за отсутствия мощных коммутационных устройств и соответствующих технологий управления в то время можно было использовать только компенсационные токи, генерируемые линейными усилителями, и другие методы, которые имели фатальные недостатки - низкую эффективность, высокую стоимость и сложность в использовании большой мощности.
С улучшением характеристик силовых полупроводниковых переключающих устройств и развитием соответствующей технологии ШИМ стало возможным создание генератора гармонического тока большой мощности с низкими потерями, что сделало технологию активной фильтрации практичной.
Когда в системе появляется источник гармоник, компенсирующий ток, равный по величине и противоположный по фазе току гармоник, генерируется определенным способом и подключается параллельно цепи, являющейся источником гармоник, чтобы погасить гармоническую составляющую источника гармоник, позволяя току на стороне постоянного тока содержать только основную составляющую без гармонических компонентов.
Когда гармонический ток, генерируемый источником гармоник, не может предсказать, какой гармонический ток более высокого порядка он представляет собой, или изменяется в любой момент времени, сигнал гармонического тока ih определяется из тока нагрузки il, а затем модулируется модулятором и преобразуется в ток управления режимом переключения в соответствии с заданным методом для управления инвертором тока для генерирования компенсирующего тока ifm и подачи его в цепь для гашения гармонического тока ih.
Основная схема инвертора обычно использует схему полномостового инвертора DC/AC, где переключающими устройствами могут быть GTO, GTR, SIT или IGBT и другие мощные управляемые силовые полупроводниковые приборы для управления формой волны выходного тока по состоянию включения-выключения переключающего устройства, генерируя необходимый компенсирующий ток.
Электрические активные фильтры являются наиболее перспективными энергетическими устройствами для подавления гармоник электрической сети и компенсации реактивной мощности, улучшения качества электроснабжения.
По сравнению с электрическими пассивными фильтрами они имеют следующие преимущества:
(1) достигается динамическая компенсация, и изменения частоты и величины гармонической и реактивной мощности могут быть скомпенсированы, с очень быстрой реакцией на изменения в объекте компенсации;
(2) возможна одновременная компенсация гармоник и реактивной мощности, при этом величина компенсируемой реактивной мощности плавно регулируется;
(3) При компенсации реактивной мощности накопитель энергии не требуется, а при компенсации гармоник емкость накопителя энергии невелика;
(4) Даже если компенсируемый ток слишком велик, активный электрический фильтр не перегружается и может нормально функционировать для компенсации;
(5) он не подвержен влиянию сопротивления электросети и не вступает в резонанс с сопротивлением электросети;
(6) он может отслеживать изменения частоты электросети, и на эффективность компенсации не влияют изменения частоты;
(7) он может компенсировать одну гармонику и реактивную мощность или сконцентрироваться на компенсации нескольких гармоник и реактивной мощности.
По мере развития технологии силовой электроники в направлении высоких частот и высокой плотности мощности, потери на коммутацию и гармонические помехи при жесткой коммутации становятся все более заметными.
Технология плавного переключения выгодна для любого импульсного преобразователя мощности с точки зрения повышения эффективности преобразования, использования устройства, улучшения электромагнитной совместимости и надежности устройства.
Это особенно необходимо в некоторых особых случаях (например, при требованиях к плотности мощности или ограниченных условиях теплоотвода). Среди двух типов технологий плавного переключения пассивное плавное переключение без дополнительных коммутационных устройств, методов обнаружения и стратегий управления имеет много преимуществ, таких как низкая дополнительная стоимость, высокая надежность, высокая эффективность преобразования и высокое соотношение производительности и цены.
В области производства односторонних преобразователей она заняла ведущее положение.
Что касается топологии, то метод последовательной индуктивности и параллельной емкости является единственным средством пассивной мягкой коммутации, а так называемая технология пассивной мягкой коммутации, полученная на ее основе, на самом деле является технологией поглощения без потерь.
Что касается схем мостовых инверторов, от ранних энергопоглощающих до более поздних, предложенных с частичным усилением, и решений без потерь, то все они имеют такие проблемы, как сильная зависимость от нагрузки, узкий диапазон рабочих частот, высокое дополнительное напряжение, слишком сложная сеть и т.д., что делает их практичность относительно низкой.
В то же время, в связи с тенденцией к модулизации коммутационных силовых устройств, места для размещения поглощающих элементов становится все меньше и меньше, и технология поглощения без потерь, подходящая для инверторных модулей, редко встречается в литературе.
В целом, технология пассивного поглощения, подходящая для применения в инверторных модулях, все еще находится в стадии дальнейших исследований и разработок из-за своей особой структуры и сложности.
Инверторные источники питания для дуговой сварки генерируют большое количество гармоник, которые могут нанести серьезный вред.
Чтобы подавить гармоники и улучшить коэффициент мощности, необходимо принять соответствующие меры по подавлению. Традиционный метод пассивного фильтра имеет очевидные недостатки, что ограничивает его применение, в то время как метод активного фильтра может компенсировать недостатки пассивных фильтров, эффективно подавляя гармоники в инверторных источниках питания для дуговой сварки, и получил широкое распространение. Технология плавного переключения также может в определенной степени обеспечить хороший эффект фильтрации.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO