Инверторные источники питания для электродуговой сварки

1. Простая конструкция.

2. Выходное напряжение  близко к синусоидальному.

Недостатки:

1. Индуктивность L и конденсатор С имеют большие габариты.

2. Источник питания  используется только в течение  положительного полупериода.

3. В выходном  напряжении имеются высшие гармоники  из-за наличия мертвой зоны.

Последовательный  инвертор лучше всего подходит для высокочастотных устройств, так как для требуемых значений 1 и С уменьшаются их габариты. Время периода для одного цикла составляет:

T0=T + 2td. где Г  = l/ft и t6 - мертвое время.

Выходная частота  последовательного инвертора всегда меньше резонансной частоты вследствие наличия мертвой зоны. Значение выходной частоты может варьироваться путем изменения мертвого времени.

Рис.1г. -Форма  выходного напряжения последователного инвертора

1.2 Параллельный  инвертор

Базовая схема  параллельного инвертора изображена на рис.2а. Когда ключ 1 замкнут, помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют  положительный потенциал. Выходное напряжение - положительное. Во второй половине периода ключ 1 размыкается и замыкается ключ 2. Помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют отрицательный потенциал и выходное напряжение - отрицательное.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов параллельного инвертора  изображены на рис.2. Параллельные инверторы применяются в низкочастотных устройствах. В них используются трансформатор с отводом из центра первичной обмотки, два тиристора и коммутирующий конденсатор. Источник питания включается между центральным выводом и общей точкой катодов тиристоров. Эквивалентное нагрузочное сопротивление, пересчитанное в цепь первичной обмотки, подключено параллельно коммутационному конденсатору. Следовательно, инвертор такого типа является параллельным.

В момент времени t= tx тиристор Т1 включается. Напряжение источника питания Е приложено к обмотке трансформатора А. Согласно закону самоиндукции такое же напряжение Е индуцируется на обмотке трансформатора В, но противоположной полярности. Поскольку обмотки А и В соединены последовательно, на них будет суммарное напряжение 2Е. Этим напряжением конденсатор предварительно заряжается до напряжения +2Е.

В момент времени t= t2 тиристор Т2 включается. Полярность напряжений на обмотках А и В меняется на обратную, к конденсатору, и тем  самым к тиристору Т1, прикладывается обратное напряжение, за счет чего тиристор Т1 выключается. Полярность напряжения на конденсаторе меняется, и он перезаряжается до напряжения - 2Е. Также меняет на обратное направление ток во вторичной обмотке, то есть через нагрузочное сопротивление протекает переменный ток прямоугольной формы. Форма выходного напряжения аналогична форме напряжения на конденсаторе.

Рис.2 - а) Базовая схема параллельного инвертора;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях параллельного  инвертора

Недостатки

Номинальное напряжение конденсатора должно быть 2Е.

Ток источника  питания не является чистым постоянным током.

Колебания тока источника питания, являются причиной дополнительного выделения тепла в первичной цепи параллельного инвертора.

1.3 Мостовые инверторы

Однофазный полумостовой инвертор

Однофазный полумостовой инвертор состоит из двух источников питания и двух коммутаторов. Нагрузка подключена между общим выводом источников питания и общей точкой коммутаторов.

1.3.1 Резистивная нагрузка

Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного  сигнала однофазного полумостового  инвертора с резистивной нагрузкой  изображены на рис.3. Тиристор Т1 находится в проводящем состоянии в течение периода Т0/2 (Г0 = 1//о). Тиристор Т2 включается в момент времени Т0/2 и инициирует отрицательный полупериод тока нагрузки, за счет чего тиристор Т1, выключается. В момент времени То снова включается тиристор T1 а тиристор Т2 выключается. Этот процесс повторяется, тем самым обеспечивается непрерывное прямоугольное напряжение на нагрузке. Это возможно, так как тиристоры T1 и Т2 одновременно не запускаются.

Рис.3 - а) Схема  полумостового инвертора с резистивной  нагрузкой;

б) Фазы работы схемы,

в) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

1.3.2 Индуктивная нагрузка

Принцип действия схемы можно объяснить, рассмотрев четыре фазы ее работы. Диоды Dx и D2называются возвратными диодами. Инвертор не может управлять индуктивной нагрузкой без возвратных диодов. Без диодов в схеме имеются большие выбросы напряжения при переключении тиристоров, поскольку нагрузка индуктивная. Эти выбросы напряжения могут разрушить тиристоры. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с индуктивной нагрузкой изображены на рис.4.

Фаза I. Тиристор Т1 находится в проводящем состоянии, и через нагрузку протекает ток  положительного полупериода. Ток через  индуктивную нагрузку линейно увеличивается. В момент времени t= t2 тиристор Т1 принудительно закрывается за счет изменения полярности напряжения на нагрузке. Направление тока при этом сохраняется.

Рис.4 - а) Схема  полумостового инвертора с индуктивной  нагрузкой;

б) Фазы работы схемы,

в) Форма напряжения полумостового инвертора

Фаза II. Ток со стороны нагрузки смещает в прямом направлении диод D2, и он переходит в состояние проводимости. Мощность со стороны нагрузки передается в источник питания V2. Когда величина тока падает до нуля, диод D2 запирается.

Фаза III. Пока диод D2 проводит ток, тиристор Т2 не может находиться в состоянии проводимости, поскольку он смещен в обратном направлении. Как только диод D2 запирается, можно включить тиристор Т2. На промежутке времени t2 - t3 напряжение и ток отрицательные, а мощность - положительная, то есть мощность передается от источника питания к нагрузке. В момент времени t= t4 тиристор Т2 принудительно включается.

Фаза IV. На индуктивной  нагрузке изменяется полярность напряжения, но направление тока через нее  сохраняется. За счет изменения полярности напряжения диод D1, смещается в прямом направлении. Ток теперь течет по направлению к источнику питания Vv, имеет место рециркуляция мощности. Этот процесс продолжается до тех пор, пока диод D1 не перейдет в закрытое состояние в момент времени t5. Если тиристор Т1 снова включить, вышеупомянутые процессы повторятся.

При работе инвертора  на RL-нагрузку ток в цепи изменяется экспоненциально. Площади положительных  и отрицательных периодов не равны, так как на резистивной компоненте нагрузки в противофазные периоды рассеиваются разные мощности.

1.3.3 Полумостовой  инвертор с RLC – нагрузкой

Рис.5 - а) Схема  полумостового инвертора с RLC-нагрузкой, б) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

Электрическая схема и форма выходного сигнала  однофазного полумостового инвертора  с RLС-нагрузкой изображены на рис.5. Если инвертор питает RLС-нагрузку, отдельная  цепь коммутирования не требуется. Это  можно объяснить с помощью символического изображения на рис.5б. Рабочая частота инвертора должна быть выбрана такой, чтобы Хс > XL. При этих условиях в этой схеме ток опережает по фазе напряжение. Ток в нагрузке изменяется синусоидально. В промежутке времени от t0 до tl тиристор Т1 находится в проводящем состоянии. В момент времени t1 = t2 тиристор Т1, выключается, так как ток в цепи уменьшается до нуля. В промежутке времени от t1 до t2 диод D1 находится в проводящем состоянии и мощность передается от нагрузки к источнику питания. Диод D1 находится в проводящем состоянии до тех пор, пока на конденсаторе присутствует напряжение. Когда диод D1 находится в состоянии проводимости, тиристор Т1 смещен в обратном направлении. Таким образом, специальная цепь принудительной коммутации в этом случае не требуется. В этой схеме RLC-нагрузка обеспечивает коммутацию тиристоров. В течение отрицательного полупериода тиристор Т2 находится в проводящем состоянии, через некоторое время диод D2 начинает проводить, вследствие этого тиристор Т2 смещается в обратном направлении и запирается.

1.4 Инвертор Мак-Мюррея (инвертирующий  преобразователь)

Принцип работы инвертора Мак-Мюррея основан на коммутировании тока. Полумостовой инвертор работает на индуктивную нагрузку, как изображено на рис.6. Тиристоры  ТА1 и ТА2 в этой схеме являются вспомогательными. Они используются для коммутации основных тиристоров Т1 и Т2. Индуктивность L и емкость С являются коммутирующими элементами. Конденсатор предварительно заряжен слева отрицательно, а справа -положительно. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т1 запускается, тем самым инициируется положительный полупериод преобразования. Постоянный ток нагрузки протекает  через тиристор Т1.

Фаза I I. В момент времени t1 запускается вспомогательный  тиристор ТА1. По замкнутой цепи L, С, Т{ и ТА1 начинает протекать ток, при этом ток через конденсатор синусоидально нарастает, как показано на рис.6в. В промежутке времени от t1 до t2 значение ic <I0. В момент времени t= t2; tc = I0. Ток, текущий через тиристор Т1, становится равным нулю, и тиристор выключается. Следует заметить, что в этой фазе ток через тиристор Т1, уменьшается до нуля.

Фаза III. После  выключения тиристора Т1 ток продолжает протекать через D1. Диод находится  в состоянии проводимости до момента времени t3 до тех пор пока ic - I0 положительны. В момент времени t = t3 диод D1, перестает проводить, так как ток через него уменьшается до нуля.

Фаза IV. После  того как диод D1 запирается, постоянный ток нагрузки протекает через  конденсатор и дозаряжает его слева отрицательно, а справа положительно. Напряжение на конденсаторе изменяется линейно, так как через конденсатор протекает постоянный ток.

Фаза V. Ток через  диод увеличивается, в то время как  ток через конденсатор уменьшается. Когда ток через тиристор Ta уменьшается до нуля, тиристор выключается.

Фаза VI. На индуктивной  нагрузке изменяется полярность напряжения, и диод D1 смещается в прямом направлении. Начинается процесс рециркуляции. Энергия, запасенная в нагрузке, передается обратно в источник питания Vr После запирания диода D1 запускается тиристор Т2. Чтобы выключить тиристор Т2 необходимо включить тиристор ТA2. Далее подобные процессы повторяются аналогично вышеизложенным.

Рис.6 - а) Схема  инвертора Мак-Мюррея;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжения и токов инвертора Мак-Мюррея

При разработке инвертора его параметры выбираются исходя из наихудших условий, таких  как минимальное входное напряжение и максимальный выходной ток.

1.5 Инвертор Мак-Мюррея - Бедфорда

Инвертор Мак-Мюррея содержит два вспомогательных тиристора. Инвертор Мак-Мюррея-Бедфорда не требует  никаких вспомогательных тиристоров. Один основной тиристор в этой схеме  коммутирует другой основной тиристор. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала инвертора Мак-Мюррея - Бедфорда изображены на рис.7. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т1 запущен. Постоянный ток протекает  через тиристор Т1 , и индуктивность L1. Напряжение на индуктивности L1 равно  нулю, так как через нее протекает  постоянный ток. Конденсатор С, замкнут  через Т1 и L1. Конденсатор С2 заряжен до напряжения V1 + V2: верхняя обкладка заряжена положительно, а нижняя - отрицательно.

Рис.7 - а) Схема  инвертора Мак-Мюррея; б) Фазы работы схемы

Фаза II. После  включения тиристора Т2 напряжение с конденсатора С2 подается на индуктивность L2. Это напряжение равно удвоенному напряжению питания. За счет взаимной индукции на индуктивности L1 появляется напряжение, равное напряжению на индуктивности L2. Напряжение на катоде тиристора Т1 равно учетверенному напряжению питания, а на аноде удвоенному напряжению питания. Таким образом, после включения тиристора Т2 тиристор Т1 выключается. Быстрое выключение тиристора L1 возможно благодаря тому, что энергия, запасенная в индуктивности L1 передается на индуктивность L2 поскольку общий магнитный поток должен оставаться постоянным. Из рис.7в видно, что ток в схеме перераспределяется от тиристора Т1 на тиристор Т2 в начале фазы II. По цепи L2 и С2 начинает протекать ток. Диод D2 смещается в обратном направлении напряжением на конденсаторе С2.

Фаза III. Как только полярность напряжения на конденсаторе изменяется на обратную, диод D2 переходит в проводящее состояние и тем самым шунтирует конденсатор С2. Энергия, запасенная на индуктивности L2 поддерживает неизменное направление тока через тиристор Т2 и диод D2. Постепенно запасенная в индуктивности L2 энергия рассеивается на активном сопротивлении нагрузки, и тиристор Т2 выключается.

Фаза IV. Диод D2 по-прежнему смещен в прямом направлении за счет тока, протекающего через индуктивность  нагрузки. Здесь имеет место процесс рециркуляции энергии, запасенной на индуктивности нагрузки. Диод D2 находится в проводящем состоянии до тех пор, пока запасенная энергия передается источнику питания V2.