تخيل امتلاك القدرة على تحسين عملية اللحام بجهاز فعال وموثوق ومتعدد الاستخدامات. تعمل محولات اللحام بالقوس الكهربائي على تحويل صناعة اللحام بتقنيات متقدمة مثل الثايرستورات، والترانزستورات، وMOSFETs، وIGBTs، وتقنيات التبديل الناعم. يستكشف هذا المقال خمسة أنواع من محولات اللحام بالقوس الكهربائي، ويسلط الضوء على ميزاتها وتطبيقاتها الفريدة. اكتشف كيف يمكن لهذه الابتكارات تحسين أداء اللحام وتقليل الوزن وتوفير الطاقة. تعمق لتتعلم كيف يمكنك الاستفادة من هذه الأدوات المتطورة لتحقيق نتائج لحام فائقة.
يُعرف أنبوب التبديل عالي الطاقة وعالي الجهد الذي يستخدم الثايرستور السريع (SCRs) كدائرة عاكس رئيسية ويتم التحكم فيه بزاوية الزناد للحام القوسي، وهو ما يعرف عادةً باسم الثايرستور القائم على الثايرستور عاكس اللحام القوسي. يتم التحكم فيه بزاوية الزناد ويمكن أيضًا تسميته بعاكس اللحام القوسي المتحكم في زاوية الزناد.
كانت الأبحاث حول محولات اللحام القوسي القائم على الثايرستور قد أسفرت بالفعل عن نتائج وتم الإبلاغ عنها في أواخر السبعينيات. وفي أوائل الثمانينات إلى منتصف الثمانينات، شهدت تطوراً كبيراً من حيث القدرة، من لحام القوس الكهربائي إلى لحام القوس الكهربائي إلى لحام CO2/MAG، واللحام بالقوس المغمور، و اللحام بالمقاومةومن اللحام بالتيار المستمر إلى اللحام بالتيار المتردد بموجة مربعة؛ ومن التحكم الإلكتروني إلى التحكم بالكمبيوتر الصغير والتحكم الرقمي، واستمر التوسع في مجالات تطبيقه.
يتراوح تردد العاكس من عدة كيلوهرتز إلى عشرات الكيلوهرتز (مع الرنين).
ومع ذلك، في أواخر الثمانينيات، تم استبدالها تدريجيًا بتقنيات أحدث مثل ترانزستور التأثير الميداني ومحولات اللحام القوسي القائمة على IGBT بسبب انخفاض ترددها وضعف أداء التحكم وتداخل الضوضاء.
انخفضت نسبة استخدامه تدريجيًا، لكنه لا يزال يحتل مكانة معينة في العالم.
وتجدر الإشارة إلى أن ظهور أنواع جديدة من الثايرستورات، مثل الثايرستور الحثي الساكن (SITH) وثايرستور إيقاف البوابة (GTO)، سيغير من وضعه ويساهم في استمرار تطويره وتعزيزه.
يوضح الشكل 1 المكونات الرئيسية ومخطط المبدأ الأساسي لعاكس اللحام القوسي القائم على الثايرستور.
المكونات الرئيسية للدائرة ووظائفها هي كما يلي:
(1) مقوم الإدخال (UR1): هذا جسر مقوم شائع أحادي الطور أو ثلاثي الطور. يحول جهد التيار المتردد 50 هرتز أو 60 هرتز إلى جهد تيار مستمر.
(2) مرشح الإدخال (LC1): يتكون الفلتر من محث من نوع الفجوة ومكثف، مما يجعل جهد التيار المستمر للمدخلات سلسًا نسبيًا.
(3) مجموعة الثايرستور السريع عالي الطاقة VH: يعمل كمفتاح إلكتروني عالي الطاقة وعالي الجهد، حيث يقوم بقلب جهد التيار المستمر (التيار) إلى جهد (تيار) تردد متوسط يبلغ عدة كيلوهرتز.
(4) محول التردد المتوسط (T): يقوم بتحويل الجهد العالي والتيار المنخفض إلى جهد منخفض ومخرجات تيار عالي مناسب لـ عملية اللحام. عادةً ما تكون مادته الأساسية مصنوعة من الفريت أو سبيكة غير متبلورة أو سبيكة نانوية بلورية أو فولاذ سيليكون عالي القيمة ρ.
(5) مقوم الإخراج (UR2): يقوم بتصحيح التيار المتردد المتوسط الجهد المنخفض التردد المتوسط إلى تيار مستمر.
(6) مرشح الإخراج (LC2): يجعل جهد التيار المستمر مع معامل تموج عالٍ سلسًا نسبيًا. ومع ذلك، فهو يختلف عن مرشح الإدخال لأن تردد تموج مرشح الإدخال يتراوح بين 100 هرتز و300 هرتز، في حين أن تردد تموج مرشح الإخراج يتراوح بين عدة كيلو هرتز وعشرات الكيلو هرتز، لذا يلزم وجود جهاز مرشح تردد متوسط.
(7) دائرة قيادة التحكم في الزناد (ZD): تقوم بتوليد إشارات نبضات قيادة التحكم في الزناد لمجموعة الثايرستور VH.
(8) مصدر طاقة لتثبيت الجهد ودائرة التشغيل (MZ): يوفر مصدر طاقة لتثبيت الجهد لدائرة قيادة التحكم في الزناد ودائرة التشغيل ودائرة مقارنة التغذية المرتدة.
(9) دائرة مقارنة التغذية الراجعة (MG): تأخذ إشارة التغذية الراجعة السالبة لجهد القوس والتيار من دائرة الخرج بنسبة معينة، وتقارنها وتضخمها بالجهد (القياسي) المعطى (القياسي)، وتوفر إشارات تحكم لدائرة قيادة الزناد لتغيير جهد الخرج والتيار لتلبية متطلبات عملية اللحام.
استخدام الثايرستور عالي الطاقة كعناصر تبديل: في أوقات سابقة، كان يتم بالفعل إنتاج ثايرستور عالي السعة والجهد والأداء العالي في وقت سابق، وعادةً ما كان يتطلب ثايرستور واحد أو زوج من الثايرستور بتكلفة منخفضة.
ومع ذلك، نظرًا لمحدودية وقت إيقاف تشغيل الثايرستور، فإن تردد التشغيل المقدر للعاكس عادة ما يكون بين 2000 هرتز و5000 هرتز فقط. وضمن نطاق التردد هذا، هناك ضوضاء كبيرة، خاصة أثناء اللحام بالقوس المتردد، حيث يكون لضوضاء القوس تأثير معين على جسم الإنسان.
الخصائص المشتركة مع محولات اللحام القوسي العامة: بالمقارنة مع مولدات اللحام القوسي ومقومات اللحام القوسي، يتميز عاكس اللحام القوسي القائم على الثايرستور بمزايا الكفاءة العالية وتوفير الطاقة وخفة الوزن وصغر الحجم وعامل الطاقة العالي وأداء اللحام القوسي الجيد.
عاكس اللحام القوسي الترانزستوري هو نوع من عاكسات اللحام القوسي الذي يستخدم الترانزستورات كمفاتيح تبديل للطاقة. وهو ينتمي إلى نوع عاكس اللحام القوسي الذي يتم التحكم فيه بالتيار. ومما لا شك فيه أن ظهور عاكس اللحام القوسي المتحكم بزاوية الطور ساعد بلا شك في دفع ثورة اللحام القوسي طاقة اللحام المصادر. ومع ذلك، كما ذكرنا سابقًا، فإن قيود الثايرستور كمفاتيح تبديل إلكترونية عالية الطاقة، مثل سرعة التبديل البطيئة وتردد الانعكاس المنخفض وأداء التحكم الضعيف والضوضاء، قد حدّت من تطويرها بشكل أكبر.
لذلك، بدأ العلماء والفنيون الهندسيون في البحث عن مكون مفتاح إلكتروني عالي الطاقة مع سرعة تبديل سريعة وأداء تحكم جيد للتغلب على أوجه القصور في محولات اللحام القوسي القائمة على الثايرستور. وهكذا، في تاريخ تطوير مصادر طاقة اللحام القوسي العاكس، تطورت مكونات مفتاح الطاقة العاكس من الثايرستور إلى الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة (IGBTs)، من بين أمور أخرى.
يسمى العاكس الذي يستخدم الترانزستورات (أو مجموعات الترانزستور) كمكونات مفاتيح إلكترونية عالية الطاقة ويستخدم التحكم في التيار مع امتلاك الخصائص الكهربائية المطلوبة لعمليات اللحام بالقوس الكهربائي بعاكس اللحام بالقوس المتحكم بالتيار، والمعروف باسم عاكس اللحام بالقوس الكهربائي الترانزستوري.
المكونات الرئيسية ووظائفها
يوضح الشكل 2 المكونات الرئيسية ومبادئ التشغيل لدائرة عاكس اللحام بالقوس الكهربائي المزود بعاكس ترانزستور. يمكن تقسيم الدائرة الأساسية بأكملها إلى جزأين رئيسيين: الدائرة الرئيسية للعاكس ودائرة التحكم في المحرك.
(1) دائرة العاكس الرئيسية: ويشمل ذلك نظام إمداد الطاقة ونظام الطاقة الإلكترونية وقوس اللحام، والتي تقوم بتحويل ونقل الطاقة من شبكة الطاقة إلى دائرة الحمل (القوس) (بما في ذلك الدائرة الرئيسية للعاكس).
(2) دائرة التحكم في القيادة: ويشمل ذلك نظام التحكم الإلكتروني (دائرة التحكم الإلكتروني، ومحرك مجموعة الترانزستور، ومنظم الجهد، ودائرة التحكم في البرنامج) ودائرة خصائص اللحام بالقوس (دائرة الكشف عن التغذية الراجعة M، ودائرة معينة G، ودائرة المقارنة، ومضخم N).
توفر دائرة التحكم في المحرك جهدًا نبضيًا بموجة مستطيلة يتم تضخيمه بواسطة دائرة المحرك لضمان أن يكون لمفتاح الجهد العالي، وهو مجموعة من الترانزستورات عالية الطاقة، تيارًا قاعديًا كبيرًا بما يكفي لتحقيق توصيل التشبع وتقليل انخفاض الجهد. وهذا أمر بالغ الأهمية للترانزستورات التي يتم التحكم فيها بالتيار.
يتم توفير جهد النبضة الموجية المستطيلة بواسطة دائرة مذبذب الساعة أو مولد عرض النبضة الثابت. وبمساعدة دائرة الكشف عن التغذية الراجعة، والدائرة المعطاة، ودائرة المقارنة، ودائرة التضخيم، وما إلى ذلك، يتم تحقيق التحكم في الحلقة المغلقة لعاكس اللحام بالقوس الكهربائي المرسل، ويتم الحصول على الخصائص الخارجية المطلوبة وخصائص الضبط (ضبط معلمة العملية)، والخصائص الديناميكية، وشكل موجة النبضة الناتجة.
بشكل أساسي، يعد عاكس اللحام بالقوس الكهربائي الترانزستور هو أيضًا نوع من مصادر طاقة اللحام ذات الجهد والتيار الثابت في وضع التبديل (CV/CC).
من وجهة نظر المبدأ الأساسي، يمكن إرجاعها إلى مقومات اللحام القوسي التي يتم التحكم في طور الثايرستور من نوع المضخم المغناطيسي، ومقومات اللحام القوسي التي يتم التحكم في طور الثايرستور ومقومات اللحام القوسي التي يتم تبديلها بالترانزستور التي تم تقديمها سابقًا، وكلها مصادر طاقة ذات وضع التبديل.
ومع ذلك، يتم توصيل مكونات التبديل عالية الطاقة الخاصة بها في سلسلة مع دائرة الحمل، ويتم تحقيق تنظيم وتثبيت جهد الخرج والتيار الناتج عن طريق ضبط انخفاض الجهد ونسبة وقت التشغيل والإيقاف (نسبة الوقت) لمجموعة ترانزستور الطاقة.
لذلك، بالنسبة لظروف عملية اللحام ذات جهد الخرج المنخفض والتيار العالي، تتحمل مجموعة ترانزستور الطاقة كمية كبيرة من الطاقة، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، يبلغ تردد تشغيل المحول الرئيسي 50 هرتز، مما يؤدي إلى حجم ووزن كبيرين.
وفي المقابل، فإن عاكس اللحام بالقوس الكهربائي الترانزستور هو مصدر طاقة جديد في وضع التبديل، حيث تعمل مجموعة ترانزستور الطاقة على الجانب الأساسي بجهد عالي وتيار منخفض. يمكن أن يصل تردد تشغيل المحول الرئيسي إلى 16-25 كيلو هرتز، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى بكثير وحجم أقل بكثير.
إن تردد العاكس الأكثر استخدامًا هو 20 كيلو هرتز، مما يجعله مثالاً آخر على "ثورة تكنولوجيا الطاقة 20 كيلو هرتز".
تتمثل الخاصية الرئيسية لعاكس اللحام بالقوس الكهربائي الترانزستور في استخدام "مجموعة ترانزستور تبديل عالية الطاقة" بدلاً من "الثايرستور عالي الطاقة" كمكونات تبديل عالية الطاقة للعاكس، واستخدام "مذبذب الساعة" و"دائرة V/W" بدلاً من "مولد عرض النبض الثابت" و"دائرة V/F".
يتم استخدام تعديل عرض النبضة للتحكم والتعديل، ويتم تحقيق التحكم في الحلقة المغلقة لعاكس اللحام بالقوس الكهربائي الترانزستور من خلال دوائر الكشف عن التغذية الراجعة، والدوائر المعطاة، ودوائر المقارنة، ودوائر التضخيم، إلخ.
يتم الحصول على الخصائص الخارجية وخصائص الضبط المرغوبة (ضبط معلمة العملية) والخصائص الديناميكية وشكل موجة نبض الخرج نتيجة لذلك.
التصنيف
يمكن تصنيف تقنية عاكس اللحام بالقوس الترانزستور من زوايا مختلفة.
وفقًا لشكل المنحنى المميز الخارجي، يمكن تقسيمه إلى خاصية الجهد الثابت، وخاصية التيار الثابت، وخاصية الانخفاض البطيء، وخاصية الخطوة المزدوجة، وخاصية التيار الثابت بالإضافة إلى خاصية السحب الخارجي، إلخ.
وفقًا لجهد القوس الناتج والشكل الموجي الحالي، يمكن تقسيمه إلى تيار مستمر، نبضي، موجة مستطيلة تيار متردد مستطيلة، إلخ.
ووفقًا لشكل دائرة العاكس الرئيسية، يمكن تقسيمها إلى دائرة عاكسة رئيسية أحادية الطرف موجبة الطرف، ودائرة عاكسة رئيسية موجبة مزدوجة الطرف، ودائرة عاكسة رئيسية نصف جسر، ودائرة عاكسة رئيسية كاملة الجسر، ودائرة عاكسة رئيسية كاملة الجسر، ودائرة عاكسة رئيسية متوازية (دفع-سحب) نادرة الاستخدام (دفع-سحب).
الميزات
بالمقارنة مع عاكس اللحام بالقوس الثايرستور القوسي، يتميز عاكس اللحام بالقوس الترانزستور بالخصائص والمزايا التالية بسبب الأداء الأفضل لترانزستورات ذات التبديل عالي الطاقة:
على الرغم من أن ظهور محولات اللحام القوسي الترانزستور قد زاد من تردد الانعكاس إلى مستوى 20 كيلو هرتز، مما يساعد على تحسين الكفاءة وتقليل الحجم والوزن، إلا أنها تعاني من الانهيار الثانوي وتتطلب محرك تيار كبير (نوع التحكم في التيار).
ونتيجة لذلك، سعى العاملون في مجال التكنولوجيا جاهدين إلى إيجاد مفتاح طاقة بأداء أفضل ليحل محله، وهو الترانزستور ذو التأثير الميداني عالي الطاقة (MOSFET).
إنه ينتمي إلى نوع التحكم في الجهد، والمعروف باسم عاكس اللحام القوسي للتحكم في الجهد، والمعروف باسم عاكس اللحام القوسي للترانزستور ذو التأثير الميداني (MOSFET). هناك حاجة فقط إلى جهد قيادة التحكم والتيار اللحظي الصغير لتحقيق التحكم في تبديل الترانزستورات ذات التأثير الميداني للطاقة، وسرعة التبديل أسرع مع عدم وجود انهيار ثانوي.
تتشابه المكونات الرئيسية والمبادئ الأساسية لعاكس اللحام القوسي MOSFET مع تلك الخاصة بعاكسات اللحام من نوع الترانزستور. ويوضح الشكل 3 الرسم التخطيطي الأساسي الخاص به في الشكل 3.
ويستخدم أيضًا طريقة تنظيم "تعديل عرض النبض بتردد ثابت (PWM)". ويكون تردد العاكس للعاكس من نوع الترانزستور ثابتًا بشكل عام عند حوالي 20 كيلو هرتز، بينما يستخدم العاكس من نوع MOSFET عادةً ترددات تتراوح بين 40 و50 كيلو هرتز، ولكن هناك أيضًا ترددات أعلى من 50 كيلو هرتز.
كما يتم تحقيق طرق الحصول على خصائصه الخارجية وخصائص التنظيم (تعديل المعلمة التنظيمية) من خلال التحكم في تغير (تعديل) عرض نبضة القيادة، بما في ذلك تعديل التردد المنخفض لشكل موجة نبضة الخرج.
بالإضافة إلى ذلك، فإن دائرة مرشح مقوم الدخل، والأنواع الأساسية لدائرة العاكس الرئيسية، ودائرة مرشح الخرج، ودائرة التحكم في الحلقة المغلقة مع التغذية الراجعة ومبدأها، كلها متشابهة بشكل أساسي. لن يتم تناولها بمزيد من التفصيل هنا.
خصائص عاكس اللحام بالقوس الكهربائي MOSFET
يتم تحليل خصائص استخدام الترانزستور ذو التأثير الميداني (MOSFET) كمحول طاقة إلكتروني. وبالمقارنة مع الترانزستور، فإن الترانزستور MOSFET يمنح عاكس اللحام القوسي المزايا والخصائص البارزة التالية:
(1) طاقة تحكم صغيرة للغاية: تتمتع MOSFET بمقاومة عالية لمدخلات التيار المستمر لمصدر البوابة، ويتم اعتماد التحكم في الجهد. من من منظور اقتران الطاقة، يمكن التحكم في عاكس اللحام القوسي MOSFET مباشرةً بواسطة حاسوب صغير من خلال واجهات A/D و D/A، ويمكن تبسيط دائرة التحكم، وهو ما يمثل السعي وراء دوائر التحكم الحديثة.
(2) نطاق عمل واسع وموثوق.
(3) وقت تبديل قصير للغاية.
(4) تحقيق سهل نسبياً للتشغيل المتوازي متعدد الأنابيب: نظرًا لأن MOSFET لديها معامل درجة حرارة موجب، فإن التشغيل المتوازي لا يتطلب مقاوم تقاسم تيار متسلسل.
التصنيف والتطبيق
يمكن تصنيف عاكس اللحام بالقوس القوسي MOSFET وفقًا للخصائص الخارجية، بالإضافة إلى أنواع التيار المستمر والنبضي والمستطيل الموجي للتيار المتردد.
هذا النوع من عاكسات اللحام القوسي له أهمية عالمية، والتي يمكن استخدامها ليس فقط في اللحام اليدوي لقضبان اللحام القوسي، ولحام قوس الأرجون التنغستن القوسي، وقطب الصهر اللحام المحمي بالغازواللحام بقوس البلازما والقطع بالبلازما، ولكن أيضًا للحام عالي الأداء والدقة مثل اللحام الآلي واللحام الآلي واللحام الآلي واللحام بالروبوت، من خلال الحصول على خصائص خارجية مختلفة من خلال جهد القوس المختلف، والتغذية المرتدة للتيار، ونسب المطابقة.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحسين أداء اللحام وتعدد وظائفه بشكل كبير من خلال التحكم الرقمي والذكي.
نظرًا لمحدودية طاقة MOSFET، فإنه عادةً ما يستخدم في حالات الطاقة الصغيرة والمتوسطة، خاصةً في حالات الطاقة المنخفضة. من خلال زيادة تردد العاكس إلى 100-200 كيلوهرتز، يمكن جعل عاكس اللحام القوسي MOSFET بقوة 100 أمبير في 3.4 كجم فقط.
إنه حقاً بحجم الجيب مزود طاقة لحام القوس الكهربائي تبدو كقطعة فنية.
إن عاكس اللحام بالقوس الكهربائي IGBT (ترانزستور ثنائي القطب معزول البوابة) هو نوع من عاكسات اللحام بالقوس الكهربائي القائم على الترانزستور الذي يستخدم ترانزستورات ذات تأثير ميداني بدلاً من الترانزستورات التقليدية كمفتاح طاقة إلكتروني. وهو يوفر العديد من المزايا، مثل الحد الأدنى من التحكم في الطاقة، وسرعة التبديل السريع، وعدم وجود انهيار ثانوي، وتردد عاكس أعلى.
ومع ذلك، هناك أيضًا بعض العيوب لاستخدام الترانزستورات ذات التأثير الميداني، بما في ذلك انخفاض القدرة الإنتاجية، ومقاومة أعلى للقناة، ومقاومة أقل للجهد، وتيار تشغيل مُصنَّف أصغر. ولمعالجة هذه المشاكل، قام المصنعون ووحدات البحث بتطوير ترانزستورات تبديل الطاقة IGBT من خلال الجمع بين القدرة العالية للترانزستورات التقليدية والتحكم في الجهد الكهربائي لترانزستورات التأثير الميداني.
تحتوي ترانزستورات تبديل الطاقة IGBT على ترانزستورات ذات سعة أكبر وأسهل نسبيًا في الإنتاج والتصحيح، وبالتالي تكتسب بسرعة اعتمادًا وتطبيقًا واسع النطاق في الصناعة. تُعرف محولات اللحام التي تستخدم ترانزستورات تبديل الطاقة IGBT أيضًا باسم محولات اللحام القوسي IGBT، وهي نوع من محولات اللحام التي يتم التحكم في الجهد. ومع ذلك، فإن تردد العاكس لمحولات اللحام القوسي IGBT ليس مرتفعًا مثل المحولات القائمة على MOSFET.
محولات اللحام القوسي القائمة على MOSFET و IGBT القائمة على IGBT لكل منهما خصائصه الخاصة وأصبحا جديدين أنواع اللحام مصادر الطاقة التي يتم تطويرها والترويج لها على نطاق واسع.
يوضح الشكل 4 المكونات الرئيسية ومبدأ التشغيل الأساسي لعاكس اللحام القوسي IGBT. بالمقارنة مع عاكسات اللحام القائمة على MOSFET ومحولات اللحام التقليدية القائمة على الترانزستور، فإن عاكس IGBT لها حجم وهيكل أساسي مختلف، لكنها جميعًا تستخدم طريقة التحكم PWM "تعديل عرض النبضة بتردد ثابت".
والفرق الرئيسي هو استخدام ترانزستورات IGBT بدلاً من ترانزستورات MOSFET أو الترانزستورات التقليدية، ويبلغ تردد العاكس حوالي 20-25 كيلو هرتز (في حين أن العاكسات القائمة على MOSFET يمكن أن تصل إلى 50 كيلو هرتز أو أعلى). وتستخدم ترانزستورات IGBT التحكم في الجهد، ويتمتع ترانزستور واحد بسعة كافية، لذلك ليست هناك حاجة للتشغيل المتوازي لترانزستورات متعددة.
كما يتم تحقيق الخصائص الخارجية لعاكس IGBT، وخصائص التنظيم (تنظيم المعلمات القياسية)، واكتساب شكل موجة الخرج والتحكم فيه من خلال التغييرات (التحويل والتعديل) في عرض النبضة، بما في ذلك تعديل التردد المنخفض لشكل موجة نبض الخرج.
من حيث الأنواع الأساسية لدائرة مرشح مقوم المدخلات، والدائرة الرئيسية للعاكس (أنواع متعددة)، ودائرة مرشح الخرج، ودائرة التحكم في الحلقة المغلقة مع التغذية الراجعة السلبية، ومبادئها، فهي في الأساس هي نفسها محولات اللحام القائمة على MOSFET.
يمكن تصنيف عاكسات اللحام القوسي القائمة على IGBT وفقًا لخصائصها الخارجية، أو وفقًا لأنواع مخرجاتها مثل التيار المستمر والنبضي والتيار المتردد ذو الموجة المربعة.
يتمتع كلا النوعين من محولات اللحام بأهمية عالمية ويمكن استخدامهما ليس فقط لعمليات اللحام واسعة النطاق وواسعة النطاق مثل اللحام القوسي اللاصق، واللحام القوسي بالأرجون التنجستن بالأرجون، واللحام المحمي بغاز القطب الذائب واللحام القوسي بالبلازما والقطع، ولكن أيضًا لعمليات اللحام الأوتوماتيكي بالقوس المغمور أحادي/ثنائي السلك عالي الطاقة التي تتراوح قدرتها من 1250 أمبير إلى 2000 أمبير، والتلاعب بالهواء القوسي، واللحام القوسي الآلي، بالإضافة إلى اللحام القوسي الآلي ثنائي السلك MIG/ماج/النفاث واللحام القوسي المغمور ثلاثي الأسلاك، وغيرها.
تعمل أجهزة الطاقة الخاصة بمزود طاقة اللحام القوسي ويتم التحكم فيها في الوضع التناظري أو وضع التبديل. هناك نوعان من إمدادات طاقة اللحام القوسي في وضع التبديل، التبديل الصلب واللين. يستخدم النوع الأول بشكل أساسي تقنية التحكم في تعديل عرض النبض (PWM)، وتعمل أجهزة الطاقة في حالة الإيقاف القسري (التيار ليس صفراً) أو التشغيل القسري (الجهد ليس صفراً).
نظرًا لوجود السعة الطفيلية والحث في الدائرة، يتم تشغيل أجهزة مفاتيح الطاقة وإيقاف تشغيلها عند قيم تيار وجهد عاملة ليست صفرية أو حتى أعلى، مما يؤدي إلى خسائر تبديل عالية. وتزداد هذه الخسارة بشكل متناسب مع التردد، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة الدارة بل ويتسبب في تعطل الدائرة.
تواجه محولات اللحام القوسي المصممة تقليديًا صعوبة في حل هذه المشاكل بشكل أساسي. ومع ذلك، تستخدم عاكسات اللحام القوسي ذات التبديل الناعم تقنية تحويل التيار الرنيني، حيث يتم تشغيل أجهزة الطاقة أو إيقاف تشغيلها بشكل طبيعي في ظل ظروف الجهد أو التيار الصفري.
تتغلب هذه التقنية بشكل أساسي على عيوب مزودات طاقة اللحام بالقوس القوسي ذات التبديل الصلب، وتقلل من خسائر التبديل إلى حد كبير، وتقلل من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وتداخل الترددات اللاسلكية (RFI).
كما أنه يقلل من وزن العاكس، ويزيد من التردد، ويقلل من حجم المحولات والمحاثات والمكثفات في الدائرة، ويقلل من تموج الخرج، ويعزز كثافة الطاقة والأداء الديناميكي للنظام.
ولذلك، فإن تطبيق تقنية التبديل الناعم، خاصة في محولات اللحام القوسي، ينتشر بشكل متزايد، مما يرتقي بمصدر طاقة اللحام القوسي إلى مستوى جديد. تُعد محولات اللحام القوسي بالتبديل الناعم تطورًا واعدًا في هذا المجال، وسيركز هذا القسم على مناقشتها.
تتشابه المكونات الرئيسية والمبادئ الأساسية لعاكس اللحام القوسي بالتبديل الناعم مع تلك الخاصة بعاكس اللحام القوسي بالتبديل الصلب. ويكمن الاختلاف الرئيسي في تفاصيل هيكل الدائرة الرئيسية للعاكس وطريقة ضبط دائرة التحكم والقيادة.
يمكن التحكم في تقنية تحويل التيار الرنان مع وضع التشغيل بالتبديل الناعم بطريقتين: التحكم في التردد المتغير والتحكم في التردد الثابت. ويعتبر تحليل وتصميم دائرة التحكم في التردد المتغير معقدًا ومعرضًا للتداخل، كما أن نطاق الخرج صغير مع استخدام منخفض للمكونات المغناطيسية.
يعتمد التحكم في التردد الثابت على PWM شائع الاستخدام، حيث يتم توصيل محث ومكثف رنان على التوالي في الدائرة الرئيسية للعاكس. ويستخدم نظام التحكم موجة مربعة متغيرة الطور لدفع أجهزة التبديل، معتمدًا على الصمام الثنائي الحر لتحقيق التحكم في التبديل الناعم لأجهزة الطاقة.
في الدائرة الرئيسية لعاكس الجسر الكامل، لا يتم تشغيل وإيقاف تشغيل أجهزة مفاتيح الطاقة على الخطوط القطرية في نفس الوقت، ولكن يتم تشغيلها بفاصل زمني متداخل لتحقيق إيقاف تشغيل التيار الصفري أو تشغيل الجهد الصفري. يتم التحكم في جهد الخرج أو التحكم في التيار عن طريق ضبط دورة عمل الجسر.
طريقة التحكم هذه سهلة التصميم نسبيًا، ولها نطاق إخراج أكبر، وبنية دائرة بسيطة نسبيًا، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتطبيقات عاكس اللحام بالقوس الكهربائي.
الشكل الأساسي لدائرة العاكس الرئيسية ذات التحويل الناعم
يوجد حاليًا العديد من الأشكال الأساسية الشائعة لدائرة العاكس الرئيسية ذات التبديل الناعم، بما في ذلك:
مبدأ تشغيل الدائرة الرئيسية لعاكس التحويل الناعم
لاختيار الدائرة الرئيسية العاكسة ذات التبديل الناعم المناسبة لإمداد طاقة اللحام بالقوس الكهربائي، من الضروري أن نقدم بالتفصيل الدوائر الرئيسية العاكسة ذات التبديل الناعم الأربعة الأساسية التالية:
(1) الدائرة الرئيسية للعاكس الرنان (ZCS) ذات التبديل الصفري للتيار (ZCS)
كما هو موضح في الشكل 6 أ، تشير ZCS إلى استخدام الشكل الموجي للتيار على عنصر الرنين LC الإضافي وأجهزة الطاقة لجعل أجهزة الطاقة تنطفئ بشكل طبيعي في ظل ظروف التيار الصفري، مما يحقق التبديل الطبيعي للأجهزة.
(2) الدائرة الرئيسية للعاكس الرنان (ZVS) ذات التبديل الصفري للجهد (ZVS)
كما هو موضح في الشكل 6 ب، يشير نظام ZVS إلى استخدام شكل موجة الجهد على محث ومكثف عنصر الرنين الإضافي وأجهزة الطاقة لتقليل جهد سعة الخرج لأجهزة الطاقة إلى الصفر قبل تشغيل الأجهزة، مما يخلق ظروف جهد صفري لتشغيل الأجهزة ويزيل خسائر التحويل المتعلقة بسعة الخرج الطفيلية للأجهزة، وبالتالي زيادة تردد التحويل بشكل كبير.
ومع ذلك، فإن ZVS له عيبان. أحدهما هو إجهاد الجهد الكبير على الجهاز، والذي يتناسب مع نطاق الحمل، مما يجعل من الصعب تحقيق ZVS لمجموعة واسعة من الأحمال. والآخر ناتج عن تذبذب الصمام الثنائي المعدل مع المكثف الرنيني.
إذا كان تذبذب تخميد، فسوف يتسبب في فقد كبير للطاقة عند الترددات العالية. أما إذا كان تذبذبًا غير مخمد، فسيكون له تأثير غير مواتٍ على كسب الجهد للعاكس وقد يتسبب في تذبذب الحلقة المغلقة.
(3) الدائرة الرئيسية للعاكس متعدد العاكسات
كما هو موضح في الشكل 6 ج، تشير الدائرة الرئيسية للعاكس متعدد الرنين إلى الجمع بين خصائص ZVS و ZCS في هيكل تبديل واحد. يكون المكثف الرنيني متوازيًا مع جهاز التحويل ومتوازيًا مع الصمام الثنائي، مما يجعل كلًا من جهاز التحويل ومفاتيح الصمام الثنائي ذات الجهد الصفري.
وتتمثل الميزة الرئيسية في أن جميع المعلمات الطفيلية الرئيسية (سعة الخرج لجهاز الطاقة، وسعة الوصلة للصمام الثنائي، ومُحرِّض التسرب للمحول وما إلى ذلك) مدمجة في دائرة الرنين مما يجعل جميع الأجهزة في الدائرة تعمل عندما يكون الجهد صفراً، وبالتالي تقليل خسائر التحويل وتحسين كفاءة العمل.
العيب في الدوائر الثلاث المذكورة أعلاه هو أنها تعمل على تردد متغير، مما يؤدي إلى ضغوط عالية الجهد والتيار على الأجهزة.
ترتبط الدائرة الرئيسية لعاكس الرنين المتسلسل، ودائرة العاكس نصف الجسر المتوازي والعاكس كامل الجسر، والدائرة الرئيسية لعاكس الفئة E ارتباطًا وثيقًا بهيكل الدائرة الرئيسية لعاكس اللحام القوسي بالتبديل الناعم.
الدائرة الرئيسية لعاكس الفئة E هي نسخة محسّنة من دائرة مضخم الفئة E وهي معدّلة من عاكس الرنين المتسلسل. وتظهر دائرته في الشكل 7.
وتتمثل ميزة الدائرة الرئيسية للعاكس من الفئة E في أنها تقضي على خسائر التبديل وتقلل من التداخل الكهرومغناطيسي. العيب الرئيسي هو أن هناك تيار ذروة كبير يتدفق عبر المفتاح، ويتحمل جهاز التبديل ضغطًا كبيرًا في الجهد.
(4) الدائرة الرئيسية للعاكس كامل الجسر مع التحكم في تغيير الطور
منذ اقتراحها في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي، حظيت دائرة التبديل اللين كامل الجسر المتحكم فيه بتبديل الجسر الكامل باهتمام متزايد وأصبحت موضوعًا ساخنًا في البحث والتطبيق. تجمع دارة التبديل اللينة كاملة الجسر ذات الجسر الكامل للتبديل الطوري بين طوبولوجيتين للدائرة، التبديل اللين الرنيني والتبديل اللين الرنان و PWM، بشكل مثالي.
يتم تحقيق التبديل الرنيني أثناء عملية تبديل جهاز تبديل الطاقة، مما يضمن تقليل خسائر التبديل، بينما بعد تشغيل جهاز التبديل، يتم توفير جهد موجة مربعة وتيار باستخدام تعديل PWM. استنادًا إلى خصائص شكل موجة التبديل، يمكن تقسيم دائرة التبديل الناعم للجسر الكامل المتحكم فيه بتبديل الجسر الكامل إلى تبديل ناعم للجسر الكامل بجهد صفري وتبديل ناعم بجهد صفري وتبديل ناعم بجهد صفري وتيار صفري.
تظهر الدائرة الرئيسية وتوقيت إشارة القيادة لدائرة عاكس الجسر الكامل المتحكم في تحويل الطور في الشكل 8:
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO