Инверторные источники питания для электродуговой сварки

Тиристор Т2 снова  включается, тем самым инициируя  аналогичный отрицательный полупериод инвертора. В конце отрицательного полупериода тиристор Т1 остается в проводящем состоянии и процесс, описанный выше, повторяется.

Рис.7в - Формы  токов инвертора Мак-Мюррея –Бедфорда

1.6 Трехфазные  инверторы

Трехфазные инверторы  могут быть использованы в двух режимах:

1) 120-градусный  режим работы;

2) 180-градусные  режимы работы.

1.6.1 120-градусный  режим работы

Тиристоры здесь  нумеруются по аналогии с трехфазными двухполупериодными выпрямителями. Разность номеров тиристоров в каждой фазе равна трем. К трехфазному мостовому инвертору подключена активная нагрузка, состоящая из трех резисторов, как показано на рис.8. При 120-градусном режиме работы каждый тиристор находится в проводящем состоянии от 0 до 120° за период. В любое время два тиристора в этой схеме находятся в проводящем состоянии, и два из трех нагрузочных резисторов являются потребителями мощности. Когда тиристор из нечетной группы находится в проводящем состоянии, соответствующее ему фазовое напряжение - положительное. Если же в проводящем состоянии находится тиристор из четной группы, соответствующее ему фазовое напряжение отрицательное. Фазовые напряжения здесь представляют собой 120-градусные псевдопрямоугольные последовательности импульсов. Выходные линейные напряжения имеют формы шестиступенчатых последовательностей импульсов, сдвинутых на 120° по отношению друг к другу. Формы фазовых и линейных напряжений приведены на рис.8б.

Запуск тиристоров в этой схеме осуществляется в последовательности 61-12-23-34-45-56. Выходная частота определяется частотой запуска тиристоров.

Рис.8а - 120-градусный режим работы инвертора Схема трехфазного мостового инвертора

Рис.8б - 120-градусный  режим работы инвертора Формы  фазовых и

линейных напряжений

1.6.2 - 180-градусный режим работы

При 180-градусном  режиме каждый тиристор находится в  состоянии проводимости половину периода. В этом режиме работы инвертора возможны два способа коммутации тиристоров - два тиристора из нечетной группы и один тиристор из четной группы или два из четной группы и один из нечетной группы находятся в проводящем состоянии.

Фазовое напряжение инвертора будет положительным, если тиристоры из нечетной группы находятся в проводящем состоянии, и отрицательным, если тиристоры  четной группы находятся в проводящем состоянии. В любое время два нагрузочных резистора подключены к источнику питания параллельно, а третий подключен последовательно к ним. На двух параллельно соединенных резисторах выходное напряжение будет V/3, а на третьем - 2 К/3.

Рис. 9 - 180-градусныи  режим работы инвертора

а) Схема трехфазного  мостового инвертора,

б) Формы фазовых  и линейных напряжений

Линейные напряжения здесь представляют собой 120-градусные псевдопрямоугольные последовательности импульсов. Выходные фазовые напряжения инвертора имеют формы шестиступенчатых последовательностей импульсов, сдвинутых на 120° по отношению друг к другу. Формы фазовых и линейных напряжений приведены на рис.9б. Тиристоры в этой схеме запускаются в последовательности 561-612-123-234-345-456. Выходная частота определяется частотой запуска тиристоров.

1.7 Трехфазный инвертор  тока

Электрическая схема и рабочие фазы трехфазного  инвертора тока изображены на рис.10. Этот тип инвертора называется инвертором К. Филипса. Его работа основана на коммутировании напряжения. Большая индуктивность, включенная последовательно с источником напряжения, работает как источник тока. Схема работает в 120-градусном режиме.

Рис.10а - Схема  трехфазного инвертора тока

Чтобы выключить  шесть тиристоров, требуются шесть  конденсаторов. Диоды D1 - D6 предотвращают  разряд конденсаторов через нагрузку. Эти диоды называются изолирующими. Тиристоры в этой схеме запускаются в последовательности 12-23-34-45-56-61. Если схема переходит из состояния 12 в состояние 23, тиристор Т2 продолжает оставаться в проводящем состоянии, следовательно, тиристор Т2, запирается, а ток продолжает протекать через включенный тиристор Т2.

Фаза I. Конденсатор  С, заряжен с левой стороны  до напряжения +ve, а с правой - до напряжения -ve. Тиристоры Т1 и Т2 запускаются  согласно диаграмме 120-градусного режима работы. Схема остается в этом состоянии от 0 до 60°.

Фаза П. В следующий 60-градусный интервал тиристоры  Т1 и Т2 должны находиться в проводящем состоянии. Тиристор Т1 запускается  начиная с 60-градусного интервала. Тиристор Т1, выключается коммутирующим напряжением. Ток протекает через D1 фазу А и фазу С. Напряжение на конденсаторе С, меняет полярность.

Фаза III. Диод D1 продолжает оставаться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток через него протекает в том же самом направлении. Диод D3 находится в проводящем состоянии, так как он смещен в прямом направлении присутствующим на конденсаторе С, напряжением. В этой фазе все три ветви нагрузки являются потребителями мощности. Эта фаза называется периодом перекрытия.

Рис.10б - Фазы работы схемы

Фаза IV. Диод D1 находится  в проводящем состоянии до тех  пор, пока энергия, запасенная на индуктивности  нагрузки в фазе А, не уменьшится до нуля. Далее ток протекает через тиристоры Т2 и Т3 согласно диаграмме управления при 120-градусном режиме работы инвертора.

Формы фазовых  токов трехфазного инвертора  тока эквивалентны формам фазовых напряжений трехфазного инвертора напряжения при 120-градусном режиме работы.

1.8 Управление выходным напряжением инвертора

Выходным напряжением  инвертора требуется управлять  в таких устройствах, как регулятор  скорости, источники бесперебойного питания и 

т. д.

Управлять выходным напряжением можно тремя способами:

1) регулированием  входного напряжения инвертора;

2) регулированием  выходного напряжения инвертора;

3) регулированием  выходного напряжения самим инвертором.

Входное напряжение можно регулировать с помощью  фазоуправляемого преобразователя  или коммутатора, включенного на входе инвертора. Недостатком фазоуправляемого преобразователя является низкий коэффициент мощности со стороны входа инвертора. Недостатком коммутатора постоянного тока являются высокие коммутационные потери.

Выходное переменное напряжение инвертора можно регулировать с помощью трансформатора с коммутируемыми отводами от вторичной обмотки. Недостатком коммутации отводов является необходимость в обслуживании размыкателей.

Регулирование выходного напряжения самим инвертором называется широтно-импульсной модуляцией. Различают два типа широтно-импульсных модуляторов:

1) однократные;

2) многократные.

1.8.1 Однократный широтно-импульсный  модулятор

Электрическая схема инвертора и формы сигналов однократного широтно-импульсного  модулятора изображены на рис.11. Однократный  широтно-импульсный модулятор вырабатывает один управляющий импульс за полупериод цикла преобразования. Выходное напряжение инвертора регулируется за счет изменения длительности управляющего импульса в каждом полупериоде цикла преобразования. Эпюры управляющих импульсов однократного широтно-импульсного модулятора изображены на Рис.11б. На выходе инвертора присутствует напряжение, только если транзисторы Т1 и Т2 (или) Т3 и Т4 находятся в проводящем состоянии одновременно.

В промежутке времени  от t0 до t1 в проводящем состоянии  находятся транзисторы Т1 и Т1. В это время на нагрузке положительное  напряжение. В промежутке времени  от t2 до t3 проводящем состоянии находятся транзисторы Т3 и Т4, на нагрузке при этом отрицательное напряжение. Выходным напряжением инвертора можно управлять, изменяя угол 9. Чем больше значение 9, тем меньше выходное напряжение инвертора, и наоборот. Недостатком этого способа регулирования является присутствие в выходном напряжении большого количества высших гармоник.

Рис.11 - а) Схема  мостового инвертора;

б) Формы сигналов широтно-импульсного модулятора

1.8.2 Многократный  широтно-импульсный модулятор

Многократный  широтно-импульсный модулятор вырабатывает серию управляющих импульсов за полупериод цикла преобразования. Существуют два типа многократных широтно-импульсный модуляторов: а) широтно-импульсный модулятор с равными длительностями управляющих импульсов и б) синусоидальный широтно-импульсный модулятор.

Широтно-импульсный модулятор с равными длительностями управляющих импульсов

Формы сигналов симметричного широтно-импульсного  модулятора или широтно-импульсного  модулятора с равными длительностями управляющих импульсов изображены на рис.12а. Допустим, что V1 -напряжение треугольной формы, Vc - управляющее  напряжение и Vo - выходное напряжение компаратора

Рис.12а - Формы  сигналов симметричного широтно-импульсного  модулятора

В схеме управления опорное напряжение высокой частоты VT (треугольной формы) сравнивается с напряжением управления Vc. Выходное напряжение компаратора Vo высокое, когда больше Vc, и низкое, если Кт меньше Vc. Таким образом, выходное напряжение компаратора представляет собой последовательность импульсов. Сформированные таким образом импульсы можно использовать для управления мощными транзисторами. Если в инверторе используются тиристоры (инвертор Мак-Мюррея), основной тиристор запускается передним фронтом импульса, а вспомогательный тиристор - задним. Таким образом, многократный широтно-импульсный модулятор вырабатывает серию управляющих импульсов за полупериод цикла преобразования. Гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут намного меньше, чем в инверторе с однократным широтно-импульсным модулятором.

Синусоидальный  широтно-импульсный модулятор

Формы сигналов синусоидального широтно-импульсного  модулятора изображены на рис.12б. В  этой схеме напряжение треугольной  формы сравнивается с синусоидальным управляющим напряжением. Входные  напряжения компаратора Vc и VT. Выходное напряжение компаратора высокое, когда величина синусоидального управляющего напряжения больше, чем величина напряжения треугольной формы. Отношение величины управляющего напряжения к величине напряжения треугольной формы определяется как коэффициент модуляции. Следует заметить, что выходное напряжение компаратора представляет собой последовательность импульсов неравной длительности. В течение полупериода цикла преобразования длительность центрального импульса максимальна, а длительность крайних импульсов уменьшается. Длительность управляющих импульсов изменяется синусоидально. Этот тип широтно-импульсного модулятора называется асимметричным, так как длительности его управляющих импульсов неравны. Гармонические составляющие в выходном напряжении такого инвертора будут меньше, чем в инверторе с симметричным широтно-импульсным модулятором.

Рис.12б - Формы  сигналов синусоидального широтно-импульсного  модулятора

1.9 Управление  гармоническими составляющими (управление  формой напряжения)

Формы выходных напряжений инверторов могут быть прямоугольными, квазипрямоугольными, треугольными или в виде шестиступенчатых последовательностей импульсов. В выходном напряжении содержатся основная гармоника и ее высшие компоненты. Если инвертор используется в качестве источника питания асинхронного электродвигателя, высшие гармоники питающего напряжения вносят потери в виде дополнительного выделения тепла. Например, пятая гармоника питающего электродвигатель напряжения производит крутящий момент в противоположном направлении по отношению к основному крутящему моменту. Поэтому предпочтительно минимизировать коэффициент гармоник в выходном напряжении. Методы уменьшения гармоник следующие:

коммутация промежуточных  отводов в трансформаторе;

подключение нагрузки через трансформатор;

использование фильтров;

использование широтно-импульсной модуляции.

1.9.1 Коммутация  промежуточных отводов в трансформаторе

Электрическая схема инвертора с коммутацией  промежуточных отводов в трансформаторе изображена на рис.13а. Схема этого  инвертора похожа на схему параллельного  инвертора. Когда один из тиристоров слева находится в проводящем состоянии, выходное напряжение инвертора -положительное, если же один из тиристоров справа находится в проводящем состоянии, выходное напряжение - отрицательное. Когда тиристор 1 запускается, напряжение источника питания прикладывается к половине первичной обмотки трансформатора. Выходное напряжение инвертора в этом случае минимальное, поскольку отношение «вольт/виток» минимальное.