Инверторные источники питания для электродуговой сварки

ООО НПЦ "ПромЭл-2000" уже три года работает на российском рынке. За это время разработаны  и запущены в серийное производство малогабаритные инверторные сварочные  аппараты, технические характеристики которых приведены в таблице № 2.

Разработаны и  внедрены в производство также малогабаритные гальванические источники питания  инверторного типа (таблица № 3).

Малогабаритные  сварочные аппараты серии ВМЕ  на основе высокочастотных транзисторных инверторов предназначены для высококачественной ручной дуговой сварки покрытыми электродами диаметром 1,6-6 мм током прямой и обратной полярности. Аппараты обеспечивают легкий поджиг, устойчивое горение и эластичность дуги, минимальное разбрызгивание металла, надежность и высокое качество сварных швов, сварку большинства углеродистых, легированных и коррозионно-стойких сталей. Их применение гарантирует безопасность работы согласно международным нормам IEC 974.

Соответствуя  по основным параметрам сварки аналогичным зарубежным изделиям таких ведущих производителей, как Telwin, Fronius, EWM, аппараты серии ВМЕ имеют меньшие массу и габаритные размеры, высокую продолжительность включения и значительно меньшую стоимость.

Силовые источники  питания для сварки и в дальнейшем будут совершенствоваться, что расширит их функциональные возможности.

2.2 Особенности работы  сварочных инверторов  от автономных  источников питания

В последнее  время возрастает применение автономных установок, оборудованных сварочными постами - передвижных ремонтных мастерских, аварийных машин и т. п. В них на шасси установлена коробка отбора мощности с генератором или дизель-генератор и различные потребители, в том числе сварочные посты. Нередко предпочтение отдается инверторным сварочным аппаратам из-за их сравнительно высокого КПД (10-15 кВт при токе сварки до 250 А) и небольших габаритных размерах и массы. К сожалению, производители подобных машин часто ограничиваются подбором генератора и сварочных источников исходя только из мощностных характеристик, что приводит к выходу из строя сварочных аппаратов, а нередко и самих генераторов.

При работе сварочных  инверторов от автономных источников питания необходимо учитывать особенности  и тех, и других. Так, при индуктивной  нагрузке (сварочный трансформатор) внешняя характеристика синхронного генератора имеет резко падающий характер, причем с уменьшением cosφ падение напряжения усиливается (рис 14, кривые 1, 2). При активно-емкостной нагрузке (сварочный инвертор) cosφ опережающий и с ростом потребляемого тока напряжение возрастает тем сильнее, чем меньше cosφ (см рис 14, кривые 4, 5). При U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока трехфазного короткого замыкания.

Поскольку в  основном характер потребляемого тока активно-индуктивный, изготовители генераторов вводят дополнительную положительную обратную связь по току для компенсации падения напряжения на нагрузке, тес ростом тока в нагрузке генератор повышает напряжение.

Инверторные источники  имеют емкостной характер нагрузки, поэтому с ростом тока напряжение возрастает, а наличие положительной обратной связи по току приводит к еще большему росту напряжения. Результатом может быть выход из строя инвертора или самого генератора из-за перенапряжений.

Структурная схема  типичного инверторного сварочного источника приведена на рис 15. Трехфазное напряжение выпрямляется выпрямителем В и сглаживается емкостным фильтром Сф. Инвертор И преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты, которое понижается трансформатором и выпрямляется выпрямителем В и далее через индуктивный фильтр Сф поступает в нагрузку RH.

На рис. 16 приведены  осциллограммы линейного напряжения на входе обычного инверторного источника (ток сварки 150 А) при питании от синхронного генератора АД-30 мощностью 30 кВт. Емкость конденсатора фильтра Сф равна 40 мкФ. Видно, что кривая линейного напряжения имеет значительные искажения, а амплитуда превышает 700 В. Уменьшение емкости фильтра в 4 раза снижает амплитуду линейного напряжения до 610 В, но в кривой потребляемого тока появляется высокочастотная составляющая, равная частоте инвертирования, что нежелательно.

Рис.14 - Внешние  характеристики синхронного генератора

(3 -cos(φ= 1)

Рис.15 - Структурная  схема инверторного сварочного источника

Рис.16 - Линейное напряжение генератора АД-30: 1- холостой ход, 2 -при питании обычного инвертора

С ростом потребляемого  тока возрастает действующее значение напряжения генератора, причем приращение напряжения зависит от соотношения потребляемой и номинальной мощностей генератора. Так, при питании четырех обычных сварочных инверторов с суммарной потребляемой мощностью 34 кВт от генератора БГ-100 оно составило 10 В, а при питании такого же числа инверторов от генератора БГ -60 - 40 В. При этом амплитудное значение линейного напряжения возросло от 540 до 696 В. Применение генератора БГ-30 обеспечивает нормальную работу только одного обычного инверторного источника без проведения дополнительных мероприятий.

Именно по этой причине многие изготовители инверторных  источников указывают, что суммарная  потребляемая мощность не должна быть больше 50 % номинальной мощности автономного  генератора. Это обусловливает необходимость  либо заказывать генераторы с корректорами напряжения, адаптированными для работы с активно-емкостной нагрузкой, либо использовать серийно выпускаемые генераторы с двойным запасом мощности, либо приспосабливать инверторы для обеспечения нормальной работы. В первом случае требуется значительное время, во втором - возникают неоправданные затраты. Ниже приведены варианты решения этой проблемы.

Снижение напряжения холостого хода генератора с 380 до 350-360 В и повышение частоты до 52 Гц позволяют обеспечить нормальную работу источников. Например, при питании четырех источников с потребляемой мощностью по 12-15 кВт от генератора БГ-60 линейное напряжение возрастает до 380 В. Это решение приемлемо для генераторов мощностью от 60 кВт, но не всегда подходит для генераторов меньшей мощности.

Включение дополнительной нагрузки в виде сушильных шкафов мощностью 4 кВт снижает приращение напряжения на 4 В при питании от генератора БГ-100, а при питании от генератора БГ -60 - на 74 В. При этом лучше иметь на каждый сварочный пост свою электропечь, а работу организовать так, чтобы электроэнергия потреблялась от генератора непрерывно, когда выключение терморегулятором одной электропечи сопровождалось бы включением другой. Такой способ несколько ограничен в применении.

Включение последовательно  в каждый сетевой провод индуктивности и увеличение емкости Сф позволяет обеспечить работу двух источников с потреблением 12-15 кВт от генератора мощностью 30 кВт. Такой вариант решения требует дополнительных фильтров и вмешательства в электрическую схему сварочного источника.

Для устранения искажений напряжения генератора и  уменьшения высокочастотных гармонических  составляющих необходимо введение радиофильтра и сглаживающих конденсаторов в  соответствии с рекомендациями завода-изготовителя генератора и работы.

В ряде случаев  необходимо модернизировать регулятор  напряжения генератора (блок корректора напряжения), так как при дуговой  сварке могут возникнуть низкочастотные колебания напряжения, при которых мгновенные значения напряжения генератора превысят допустимые для данного типа инверторного источника. Например, вместо положительной обратной связи по току ввести отрицательную и изменить параметры корректирующих звеньев регулятора. Это требует вмешательства в электрическую схему генератора и не всегда приводит к желаемому результату.

Рис.17 - Линейное напряжение генератора БГ-30:1 - холостой ход, 2 -при питании ДС 250.33

Использование в инверторе LC-фильтра вместо емкостного благоприятно сказывается на работе генератора позволяет исключить перенапряжения и полностью использовать мощность.

Инверторный источник ДС 250 33 для сварки покрытыми электродами  предназначен для работы в тяжелых  трассовых условиях, снабжен встроенными LC-фильтрами и адаптирован для работы от автономных генераторов. На рис 17 приведены осциллограммы линейного напряжения генератора БГ-30 при питании от него двух источников ДС 250 33 Видно, что перенапряжения отсутствуют.

2.3 Инверторный  аппарат ДС 250.33 для сварки покрытыми электродами

В НПП "ТЕХНОТРОН" разработан новый аппарат ДС 250.33 для сварки покрытыми электродами.

15-летний опыт  производства и эксплуатации  инверторных сварочных аппаратов,  освоение новых производственных  технологий и элементной базы  с учетом современных мировых тенденций развития сварочного оборудования, а также опыт передовых компаний послужили основой для создания инверторного аппарата нового поколения.

Главными требованиями при разработке аппарата были надежность работы источника, высокий ПВ, простота эксплуатации, широкий температурный диапазон работы, возможность работы от автономных источников питания, хорошая ремонтопригодность.

Корпус аппарата выполнен из литых алюминиевых панелей, обеспечивающих жесткость каркаса. Порошковая покраска панелей и стенок предохраняет поверхность от коррозии и мелких повреждений. Выступающие на 15 мм панели защищают органы управления от случайных повреждений.

При разработке органов управления и отработке  режимов разработчики столкнулись  с противоречием: одна часть потребителей сварочного оборудования хотела бы иметь максимум функций в аппарате, в том числе и импульсный режим работы, удобный при сварке тонких деталей или в потолочном положении; другая, не менее значительная часть - только необходимый минимум ручек и регулировок. Задача была решена следующим образом. В базовом варианте (рис.18, а) имеется регулировка тока сварки и "форсирования" дуги. Кроме того, можно отключить "горячий старт" и выбрать наклон ВАХ.

При необходимости  в источник вставляется блок импульсного режима (вместо заглушки), в котором предусмотрены регулировки тока пауза, времени импульса и паузы. Время снятия - установки блока 1 мин (рис.18, б).

Новый аппарат  ДС 250.33 имеет следующие преимущества: в плавное регулирование сварочного тока в диапазоне от 25 до 250 А, точность задания тока - до 1 А, контролируется цифровым индикатором.

Таблица № 4. Технические  характеристики аппарата ДС 250.33

Рис.18 - Базовый  вариант аппарата (а) и новый вариант  ДС 250.33 с импульсным блоком (б)

• дистанционное  управление сварочным током,

• цифровую индикацию  параметров сварки тока сварки (А) и  степени "форсирования дуги" (в относительных единицах);

• пониженное напряжение холостого хода 12В,

• систему "горячего старта", обеспечивающую легкое возбуждение  сварочной дуги;

• устройство "антистик", защищающее от прилипания электрода;

• возможность  регулировки "форсирования" сварочной  дуги, определяющей поведение сварочного тока в момент уменьшения и замыкания дугового промежутка (рис.19), уменьшение "форсирования" снижает разбрызгивание металла, а увеличение - уменьшает вероятность "прилипания" электрода, увеличивает проплавление и давление дуги;

• возможность  выбора наклона ВАХ (0,4 или 1,25 В/А), позволяет управлять переносом металла в зависимости от конкретных условий сварки и типа электрода, что особенно важно при сварке целлюлозными электродами;

• автоматическое отключение при перегреве, пониженном напряжении и отсутствии одной из фаз питающего напряжения;