Typen von Lichtbogenschweißinvertern: 5 Must-Know für Schweißprofis | MachineMFG

Typen von Lichtbogenschweißinvertern: 5 Wissenswerte für Schweißprofis

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Lichtbogenschweißinverter auf Thyristorbasis

Was ist ein thyristorgestützter Lichtbogenschweißinverter?

Die Hochleistungs-Hochspannungs-Schaltröhre, die schnelle Thyristoren (SCRs) als Hauptinverterschaltung verwendet und durch ihren Auslösewinkel für das Lichtbogenschweißen gesteuert wird, wird allgemein als Thyristor-basierte Lichtbogenschweißinverter. Er wird über den Abzugswinkel gesteuert und kann auch als abzugswinkelgesteuerter Lichtbogenschweißinverter bezeichnet werden.

Ende der 1970er Jahre wurden bereits Forschungsergebnisse zu Lichtbogenschweißinvertern auf Thyristor-Basis vorgelegt und berichtet. Anfang bis Mitte der 1980er Jahre gab es eine bedeutende Entwicklung in Bezug auf die Kapazität, von mittlerer bis zu großer Kapazität, vom Elektrodenschweißen zum CO2/MAG-Schweißen, Unterpulverschweißen und Widerstandsschweißenvon der Gleichstromschweißung zur Rechteckwechselstromschweißung, von der elektronischen Steuerung zur Mikrocomputer- und Digitalsteuerung, und die Anwendungsbereiche haben sich ständig erweitert.

Die Frequenz des Wechselrichters reicht von einigen Kilohertz bis zu einigen zehn Kilohertz (mit Resonanz).

In den späten 1980er Jahren wurde er jedoch aufgrund seiner niedrigen Frequenz, der schlechten Regelungsleistung und der Störgeräusche nach und nach durch neuere Technologien wie Feldeffekttransistoren und IGBT-basierte Lichtbogenschweißinverter ersetzt.

Ihr Anteil an der Anwendung ging allmählich zurück, aber sie hat immer noch einen gewissen Stellenwert in der Welt.

Es sei darauf hingewiesen, dass das Aufkommen neuer Thyristortypen, wie z. B. des statischen Induktionsthyristors (SITH) und des Gate-Turn-off-Thyristors (GTO), seine Position verändern und zu seiner weiteren Entwicklung und Förderung beitragen wird.

Hauptkomponenten und Grundprinzipien

Die Hauptkomponenten und das Grundprinzip des thyristorbasierten Lichtbogenschweißinverters sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Blockdiagramm der Hauptkomponenten und des Grundprinzips des Thyristor-Lichtbogenschweißinverters.

Die Hauptbestandteile und ihre Funktionen der Schaltung sind wie folgt:

(1) Eingangsgleichrichter (UR1): Dies ist eine übliche ein- oder dreiphasige Gleichrichterbrücke. Sie wandelt 50Hz oder 60Hz Wechselspannung in Gleichspannung um.

(2) Eingangsfilter (LC1): Der Filter besteht aus einer Spaltdrossel und einem Kondensator, der die Eingangsgleichspannung relativ glatt macht.

(3) Schnelle Hochleistungsthyristorgruppe VH: Sie fungiert als elektronischer Hochleistungs- und Hochspannungsschalter, der die Gleichspannung (den Strom) in eine Zwischenfrequenzspannung (einen Strom) von mehreren Kilohertz umwandelt.

(4) Zwischenfrequenztransformator (T): Er wandelt hohe Spannung und niedrigen Strom in niedrige Spannung und hohen Strom um, der für die Schweißverfahren. Das Kernmaterial besteht in der Regel aus Ferrit, einer amorphen Legierung, einer nanokristallinen Legierung oder Siliziumstahl mit hohem ρ-Wert.

(5) Ausgangsgleichrichter (UR2): Er gleichrichtet den Niederspannungs-Zwischenfrequenzwechselstrom in Gleichstrom um.

(6) Ausgangsfilter (LC2): Er macht die Gleichspannung mit hohem Welligkeitsfaktor relativ glatt. Er unterscheidet sich jedoch vom Eingangsfilter, da die Welligkeitsfrequenz des Eingangsfilters 100 Hz bis 300 Hz beträgt, während die Welligkeitsfrequenz des Ausgangsfilters mehrere Kilohertz bis zehn Kilohertz beträgt, so dass ein Zwischenfrequenz-Filtergerät erforderlich ist.

(7) Steuerkreis für die Auslösesteuerung (ZD): Er erzeugt Trigger-Steuerimpulssignale für die Thyristorgruppe VH.

(8) Spannungsstabilisierungs-Stromversorgung und Betriebsschaltung (MZ): Sie liefert eine spannungsstabilisierende Stromversorgung für die Triggersteuerungsschaltung, die Betriebsschaltung und die Vergleichsschaltung mit gegebener Rückkopplung.

(9) Rückkopplungs-Vergleichsschaltung (MG): Er nimmt ein negatives Rückkopplungssignal von Lichtbogenspannung und -strom aus dem Ausgangskreis in einem bestimmten Verhältnis auf, vergleicht und verstärkt es mit der gegebenen (Standard-)Spannung und liefert Steuersignale für den Trigger-Treiberkreis, um die Ausgangsspannung und den Strom zu ändern, um die Anforderungen des Schweißverfahren.

Merkmale und Anwendungen

Die Verwendung von Hochleistungsthyristoren als Schaltelemente: Früher wurden bereits Thyristoren mit hoher Kapazität, hoher Spannung und hoher Leistung hergestellt, die in der Regel nur einen oder ein Paar Thyristoren mit geringen Kosten benötigten.

Aufgrund der begrenzten Abschaltzeit des Thyristors liegt die Nennbetriebsfrequenz des Wechselrichters jedoch in der Regel nur zwischen 2000 Hz und 5000 Hz. In diesem Frequenzbereich kommt es zu erheblichem Lärm, insbesondere beim Wechselstrom-Lichtbogenschweißen, wo der Lichtbogenlärm eine gewisse Auswirkung auf den menschlichen Körper hat.

Gemeinsame Merkmale mit allgemeinen Lichtbogenschweißinvertern: Im Vergleich zu Lichtbogenschweißgeneratoren und Lichtbogenschweißgleichrichtern hat der Lichtbogenschweißinverter auf Thyristorbasis die Vorteile eines hohen Wirkungsgrads, der Energieeinsparung, des geringen Gewichts, des kleinen Volumens, des hohen Leistungsfaktors und der guten Lichtbogenschweißleistung.

Transistorisierter Lichtbogenschweißinverter

Was ist ein Transistorized Arc Welding Inverter?

Ein transistorisierter Lichtbogenschweißinverter ist ein Typ von Lichtbogenschweißinverter, der Transistoren als Leistungsschalter verwendet. Er gehört zu den stromgesteuerten Invertern für das Lichtbogenschweißen. Das Aufkommen des phasenwinkelgesteuerten Lichtbogenschweißinverters hat zweifellos dazu beigetragen, die Revolution des Lichtbogenschweißens voranzutreiben. Schweißleistung Quellen. Wie bereits erwähnt, haben jedoch die Einschränkungen von Thyristoren als elektronische Hochleistungsschalter, wie z. B. die langsame Schaltgeschwindigkeit, die niedrige Umkehrfrequenz, die schlechte Steuerleistung und das Rauschen, ihre weitere Entwicklung eingeschränkt.

Daher begannen Wissenschaftler und Techniker mit der Suche nach einem elektronischen Hochleistungsschalter mit hoher Schaltgeschwindigkeit und guter Regelungsleistung, um die Mängel der thyristorbasierten Lichtbogenschweißinverter zu beheben. In der Entwicklungsgeschichte der Inverter-Lichtbogenschweißstromquellen haben sich die Inverter-Leistungsschalterkomponenten von Thyristoren zu GTRs und später zu MOSFETs und bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) entwickelt.

Ein Inverter, der Transistoren (oder Transistorgruppen) als elektronische Hochleistungs-Schaltkomponenten verwendet und eine Stromsteuerung nutzt, während er die für Lichtbogenschweißprozesse erforderlichen elektrischen Eigenschaften besitzt, wird als stromgesteuerter Lichtbogenschweißinverter bezeichnet, der allgemein als transistorisierter Lichtbogenschweißinverter bekannt ist.

Hauptkomponenten und Grundprinzipien

Hauptkomponenten und ihre Funktionen

Die Hauptkomponenten und Funktionsprinzipien eines Transistor-Lichtbogenschweißinverter-Schaltkreises sind in Abbildung 2 dargestellt. Die gesamte Kernschaltung kann in zwei Hauptteile unterteilt werden: den Hauptstromkreis des Inverters und den Steuerstromkreis des Antriebs.

Abbildung 2: Schematische Darstellung eines transistorisierten Lichtbogenschweißinverters

(1) Hauptstromkreis des Inverters: Dazu gehören das Stromversorgungssystem, das elektronische Stromversorgungssystem und der Schweißlichtbogen, die Energie aus dem Stromnetz in den Lastkreis (Lichtbogen) umwandeln und übertragen (einschließlich des Hauptstromkreises des Wechselrichters).

(2) Steuerkreis für den Antrieb: Dazu gehören das elektronische Steuersystem (elektronischer Steuerkreis, Transistorgruppentreiber, Spannungsregler, Programmsteuerungsschaltung) und die Schaltung für die Lichtbogenschweißcharakteristik (Rückkopplungserkennungsschaltung M, vorgegebene Schaltung G, Vergleichsschaltung, Verstärker N).

Die Ansteuerungsschaltung liefert eine Rechteckimpulsspannung, die von der Ansteuerungsschaltung verstärkt wird, um sicherzustellen, dass der Hochspannungsschalter, eine Gruppe von Hochleistungstransistoren, einen ausreichend großen Basisstrom hat, um Sättigungsleitung zu erreichen und den Spannungsabfall zu verringern. Dies ist für stromgesteuerte Transistoren von entscheidender Bedeutung.

Die Rechteckimpulsspannung wird von einer Taktoszillatorschaltung oder einem Generator mit konstanter Impulsbreite bereitgestellt. Mit Hilfe der Rückkopplungserkennungsschaltung, der gegebenen Schaltung, der Vergleichsschaltung und der Verstärkungsschaltung usw. wird die Regelung des transistorisierten Lichtbogenschweißinverters erreicht, und die erforderlichen externen Merkmale und Anpassungsmerkmale (Prozessparameteranpassung), die dynamischen Merkmale und die Ausgangspulswellenform werden erzielt.

Grundlegendes Arbeitsprinzip

Im Wesentlichen ist ein transistorisierter Lichtbogenschweißinverter auch eine Art schaltbare Konstantspannungs- und Konstantstromquelle (CV/CC) zum Schweißen.

Vom Grundprinzip her lässt er sich auf die bereits vorgestellten magnetischen Verstärker, thyristorgesteuerten Lichtbogenschweißgleichrichter und transistorgeschalteten Lichtbogenschweißgleichrichter zurückführen, die allesamt Schaltstromquellen sind.

Die Regelung und Stabilisierung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms wird durch die Einstellung des Spannungsabfalls und des Ein-Aus-Zeitverhältnisses (Zeitverhältnis) der Leistungstransistorgruppe erreicht.

Daher wird bei niedrigen Ausgangsspannungen und hohen Strömen ein großer Teil der Leistung von der Leistungstransistorgruppe aufgenommen, was zu einem geringen Wirkungsgrad führt. Darüber hinaus beträgt die Betriebsfrequenz des Haupttransformators 50 Hz, was zu einer großen Größe und einem hohen Gewicht führt.

Im Gegensatz dazu ist der transistorisierte Lichtbogenschweißinverter eine neuartige Schaltstromquelle, bei der die Leistungstransistorgruppe auf der Primärseite mit hoher Spannung und niedrigem Strom arbeitet. Die Betriebsfrequenz des Haupttransformators kann 16-25kHz erreichen, was zu einem wesentlich höheren Wirkungsgrad und einer deutlich geringeren Größe führt.

Die am häufigsten verwendete Wechselrichterfrequenz beträgt 20 kHz und ist damit ein weiteres Beispiel für die "20-kHz-Stromtechnologie-Revolution".

Das Hauptmerkmal des transistorisierten Lichtbogenschweißinverters ist die Verwendung einer "Hochleistungs-Schalttransistorgruppe" anstelle von "Hochleistungs-Thyristoren" als Hochleistungs-Schaltkomponenten des Inverters sowie die Verwendung eines "Taktoszillators" und einer "V/W-Schaltung" anstelle eines "Generators für konstante Pulsbreite" und einer "V/F-Schaltung".

Zur Steuerung und Modulation wird die Pulsweitenmodulation verwendet, und die Regelung des transistorisierten Lichtbogenschweißinverters wird durch Rückkopplungserfassungsschaltungen, vorgegebene Schaltungen, Vergleichsschaltungen, Verstärkungsschaltungen usw. erreicht.

Als Ergebnis erhält man die gewünschten Außen- und Einstellcharakteristiken (Einstellung der Prozessparameter), die dynamischen Charakteristiken und die Wellenform der Ausgangsimpulse.

Klassifizierung, Merkmale und Anwendungen

Klassifizierung

Die Transistor-Lichtbogenschweiß-Invertertechnologie kann unter verschiedenen Gesichtspunkten klassifiziert werden.

Je nach Form der externen Kennlinie kann sie in Konstantspannungs-Kennlinie, Konstantstrom-Kennlinie, Langsamabfall-Kennlinie, Zweistufen-Kennlinie, Konstantstrom-Kennlinie plus externer Widerstand usw. unterteilt werden.

Je nach Ausgangsspannung und Stromwellenform kann es in Gleichstrom, Impulsstrom, Rechteckstrom usw. unterteilt werden.

Je nach Form des Hauptwechselrichterkreises kann dieser in einen einseitigen positiven Wechselrichter-Hauptkreis, einen zweiseitigen positiven Wechselrichter-Hauptkreis, einen Halbbrücken-Wechselrichter-Hauptkreis, einen Vollbrücken-Wechselrichter-Hauptkreis und einen selten verwendeten parallelen (Gegentakt-) Wechselrichter-Hauptkreis unterteilt werden.

Eigenschaften

Im Vergleich zum Thyristor-Lichtbogenschweißinverter hat der Transistor-Lichtbogenschweißinverter aufgrund der besseren Leistung von Hochleistungs-Schalttransistoren die folgenden Eigenschaften und Vorteile:

  • Die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters ist relativ hoch und liegt bei über 16kHz (normalerweise 20kHz), was nicht nur den Einfluss von Rauschen eliminiert, sondern auch zu einer weiteren Reduzierung von Gewicht und Größe beiträgt.
  • Die "Festfrequenzmodulation" (PWM) wird zur Regulierung und Steuerung der externen Eigenschaften verwendet, wodurch die Parameter der Schweißspezifikationen reibungslos angepasst werden können, ohne dass eine grobe Einstellung oder ein Schalten erforderlich ist, und ist einfach zu bedienen.
  • Die Regelungsleistung ist relativ gut. Die Steuerungsparameter des Thyristor-Lichtbogenschweißinverters sind durch die Schaltungsparameter des Hauptstromkreises (z. B. L, C usw.) begrenzt, und die Abschaltung ist problematischer. Der Transistor-Lichtbogenschweißinverter verwendet eine Stromsteuerung, die den Schalter des Transistors durch den Basisstrom steuert und eine gute Steuerungsleistung aufweist. Es gibt kein schwieriges Abschaltproblem, und die Steuerung ist relativ flexibel und wird weniger durch die Hauptstromkreisparameter beeinflusst.

Feldeffekttransistor-Inverter für das Lichtbogenschweißen

Was ist ein Feldeffekttransistor-Inverter zum Lichtbogenschweißen?

Obwohl mit dem Aufkommen der Transistor-Lichtbogenschweißinverter die Inversionsfrequenz auf 20 kHz erhöht werden konnte, was zur Verbesserung des Wirkungsgrads und zur Verringerung von Volumen und Gewicht beiträgt, leiden sie unter sekundären Durchschlägen und erfordern einen großen Stromantrieb (Stromregelung).

Infolgedessen haben Techniker aktiv nach einem Leistungsschalter mit besserer Leistung gesucht, um ihn zu ersetzen, nämlich den Hochleistungs-Feldeffekttransistor (MOSFET).

Er gehört zu den spannungsgesteuerten Lichtbogenschweißinvertern, die allgemein als Lichtbogenschweißinverter mit Feldeffekttransistoren (MOSFET) bekannt sind. Nur die Steuerspannung und der winzige Augenblicksstrom sind erforderlich, um die Schaltsteuerung von Leistungs-Feldeffekttransistoren zu erreichen, und die Schaltgeschwindigkeit ist schneller und ohne sekundären Ausfall.

Hauptkomponenten und grundlegende Funktionsprinzipien

Die Hauptkomponenten und Grundprinzipien des MOSFET-Lichtbogenschweißinverters sind denen der Transistorinverter ähnlich. Sein prinzipielles Blockdiagramm ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Blockdiagramm der Hauptkomponenten und Prinzipien des MOSFET-Lichtbogenschweißinverters.

Er verwendet auch die Regelungsmethode "Pulsweitenmodulation (PWM) mit fester Frequenz". Die Wechselrichterfrequenz des Transistor-Wechselrichters liegt im Allgemeinen bei etwa 20 kHz, während der MOSFET-Wechselrichter in der Regel 40-50 kHz verwendet, es gibt aber auch Frequenzen über 50 kHz.

Die Methoden zur Erfassung der äußeren Merkmale und der Regelungsmerkmale (Anpassung der Regelungsparameter) werden auch durch die Steuerung der Variation (Anpassung) der Treiberimpulsbreite, einschließlich der Niederfrequenzmodulation der Ausgangspulsform, erreicht.

Darüber hinaus sind der Eingangsgleichrichter-Filterkreis, die Grundtypen des Wechselrichter-Hauptkreises, der Ausgangsfilterkreis, der geschlossene Regelkreis mit Rückkopplung und sein Prinzip im Grunde alle gleich. Sie werden hier nicht weiter ausgeführt.

Merkmale, Klassifizierung und Anwendungen

Merkmale eines MOSFET-Inverters zum Lichtbogenschweißen

Die Merkmale der Verwendung von Feldeffekttransistoren (MOSFET) als elektronische Leistungsschalter werden analysiert. Im Vergleich zum Transistor bietet der MOSFET dem Lichtbogenschweißinverter die folgenden herausragenden Vorteile und Eigenschaften:

(1) Äußerst geringe Regelleistung: MOSFET hat einen hohen DC-Eingangswiderstand der Gate-Source, und die Spannungssteuerung wird übernommen. Aus der Perspektive der Leistungskopplung kann der MOSFET-Lichtbogenschweißinverter direkt von einem Mikrocomputer über die A/D- und D/A-Schnittstellen gesteuert werden, und die Steuerschaltung kann vereinfacht werden, was das Streben nach modernen Steuerschaltungen ist.

(2) Breiter zuverlässiger Arbeitsbereich.

(3) Extrem kurze Schaltzeit.

(4) Relativ einfache Realisierung des Parallelbetriebs mehrerer Röhren: Da der MOSFET einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, ist für den Parallelbetrieb kein Serienwiderstand zur Stromteilung erforderlich.

Klassifizierung und Anwendung

MOSFET-Inverter für das Lichtbogenschweißen können nach externen Merkmalen sowie nach Gleichstrom-, Impuls- und Rechteckwellen-AC-Ausgangstypen klassifiziert werden.

Diese Art von Lichtbogenschweißen Inverter hat universelle Bedeutung, die nicht nur für das manuelle Schweißen von Lichtbogenschweißen Stäbe, Wolfram-Argon-Schweißen, schmelzende Elektrode verwendet werden kann SchutzgasschweißenSie eignen sich nicht nur für das Schweißen und Schneiden mit Plasmalichtbogen, sondern auch für Hochleistungs-Präzisionsschweißen, wie z. B. mechanisiertes Schweißen, automatisiertes Schweißen und Roboterschweißen, indem sie verschiedene äußere Merkmale durch unterschiedliche Lichtbogenspannung, Stromrückführung und Anpassungsverhältnisse erzielen.

Darüber hinaus können die Schweißleistung und die Multifunktionalität durch eine digitale und intelligente Steuerung erheblich verbessert werden.

Aufgrund der begrenzten Leistung von MOSFETs werden sie in der Regel bei kleinen und mittleren Leistungen eingesetzt, insbesondere bei geringer Leistung. Durch die Erhöhung der Inverterfrequenz auf 100-200kHz kann ein 100A MOSFET-Inverter zum Lichtbogenschweißen auf nur 3,4kg gebracht werden.

Es ist ein echtes Taschenformat Stromversorgung für Lichtbogenschweißen das wie ein Kunstwerk aussieht.

IGBT-Inverter zum Lichtbogenschweißen

Was ist ein Igbt-Inverter zum Lichtbogenschweißen?

Ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)-Lichtbogenschweißinverter ist eine Art transistorbasierter Lichtbogenschweißinverter, der Feldeffekttransistoren anstelle herkömmlicher Transistoren als elektronischen Leistungsschalter verwendet. Er bietet eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. minimale Leistungsregelung, hohe Schaltgeschwindigkeit, kein sekundärer Durchschlag und höhere Inverterfrequenz.

Die Verwendung von Feldeffekttransistoren hat jedoch auch einige Nachteile, darunter die geringere Produktionskapazität, der höhere Kanalwiderstand, der geringere Spannungswiderstand und der geringere Nennbetriebsstrom. Um diese Probleme zu lösen, haben Hersteller und Forschungseinrichtungen IGBT-Leistungsschalttransistoren entwickelt, die die hohe Kapazität herkömmlicher Transistoren und die Spannungssteuerung von Feldeffekttransistoren kombinieren.

IGBT-Leistungsschalttransistoren haben eine größere Kapazität und sind relativ einfach zu produzieren und zu debuggen, so dass sie in der Industrie schnell weite Verbreitung und Anwendung finden. Schweißinverter, die IGBT-Leistungsschalttransistoren verwenden, werden auch als IGBT-Lichtbogenschweißinverter bezeichnet, die eine Art von spannungsgesteuerten Invertern sind. Allerdings ist die Umrichterfrequenz von IGBT-Schweißinvertern nicht so hoch wie die von MOSFET-basierten Invertern.

Lichtbogenschweißinverter auf MOSFET- und IGBT-Basis haben jeweils ihre eigenen Merkmale und haben sich zu neuen Arten des Schweißens Energiequellen, die weitgehend entwickelt und gefördert werden.

Hauptkomponenten und grundlegendes Funktionsprinzip

Die Hauptkomponenten und das grundlegende Funktionsprinzip eines IGBT-Schweißinverters sind in Abbildung 4 dargestellt. Im Vergleich zu MOSFET-basierten und traditionellen transistorbasierten Schweißinvertern sind die IGBT-Wechselrichter hat eine unterschiedliche Größe und Grundstruktur, aber alle verwenden die PWM-Steuerungsmethode mit fester Frequenz und Pulsweitenmodulation.

Abbildung 4: Schematische Darstellung der Hauptkomponenten und des grundlegenden Funktionsprinzips eines IGBT-Schweißinverters.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass IGBT-Transistoren anstelle von MOSFETs oder herkömmlichen Transistoren verwendet werden und die Frequenz des Wechselrichters etwa 20-25 kHz beträgt (während MOSFET-basierte Wechselrichter 50 kHz oder mehr erreichen können). IGBT-Transistoren arbeiten spannungsgesteuert, und ein einziger Transistor hat genügend Kapazität, so dass ein Parallelbetrieb mehrerer Transistoren nicht erforderlich ist.

Die externen Eigenschaften des IGBT-Wechselrichters, die Regelungseigenschaften (Standardparameterregelung) sowie die Erfassung und Steuerung der Ausgangswellenform werden auch durch Änderungen (Umwandlung, Modulation) der Impulsbreite, einschließlich der Niederfrequenzmodulation der Ausgangswellenform, erreicht.

Die Grundtypen des Eingangsgleichrichter-Filterkreises, des Inverter-Hauptkreises (mehrere Typen), des Ausgangsfilterkreises, des Regelkreises mit negativer Rückkopplung und ihre Prinzipien sind im Wesentlichen die gleichen wie bei den MOSFET-Schweißinvertern.

Klassifizierung und Anwendungen von Igbt-Lichtbogenschweißinvertern

IGBT-basierte Lichtbogenschweißinverter können nach ihren externen Eigenschaften oder nach ihren Ausgangstypen wie Gleichstrom, Impuls und Rechteckwechselstrom klassifiziert werden.

Beide Typen von Schweißinvertern haben universelle Bedeutung und können nicht nur für große und weitreichende Schweißverfahren wie das Lichtbogen-Stickschweißen, Wolfram-Argon-Schweißen, Schmelzelektroden-Schutzgasschweißen, Plasma-Lichtbogenschweißen und -Schneiden eingesetzt werden, sondern auch für Hochleistungs-Einzel-/Doppeldraht-Unterpulver-Automatikschweißverfahren von 1250A bis 2000A, Lichtbogen-Luftfugenschweißen und Roboter-Lichtbogenschweißen sowie Zweidraht-MIG/MAG/Impulsschweißen und Dreidraht-Unterpulverschweißen, um nur einige zu nennen.

Soft-Switching Lichtbogenschweißen Inverter

Was ist ein sanft schaltender Lichtbogenschweißinverter?

Die Stromversorgungsgeräte der Lichtbogenschweißstromversorgung arbeiten und werden im Analog- oder Schaltmodus gesteuert. Es gibt zwei Arten von Schaltnetzteilen für das Lichtbogenschweißen: hart und weich schaltend. Erstere verwenden hauptsächlich die Pulsweitenmodulation (PWM), und die Stromversorgungsgeräte arbeiten im ausgeschalteten (Strom ist nicht Null) oder eingeschalteten Zustand (Spannung ist nicht Null).

Aufgrund von parasitären Kapazitäten und Induktivitäten in der Schaltung schalten sich die Leistungsschalter bei Arbeitsstrom- und -spannungswerten ein und aus, die nicht gleich Null oder sogar höher sind, was zu hohen Schaltverlusten führt. Diese Verluste nehmen proportional zur Frequenz zu, was die Effizienz der Schaltung erheblich verringert und sogar zu Fehlfunktionen führt.

Traditionell konzipierte Lichtbogenschweißinverter haben Schwierigkeiten, diese Probleme grundlegend zu lösen. Soft-Switching-Inverter für das Lichtbogenschweißen nutzen jedoch die Technologie der resonanten Stromumwandlung, bei der sich Leistungsgeräte unter Nullspannungs- oder -strombedingungen auf natürliche Weise ein- oder ausschalten.

Diese Technologie überwindet im Wesentlichen die Nachteile hart schaltender Lichtbogenschweißstromversorgungen, reduziert die Schaltverluste in hohem Maße und minimiert elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI).

Außerdem wird das Gewicht des Wechselrichters reduziert, die Frequenz erhöht, das Volumen der Transformatoren, Induktivitäten und Kondensatoren im Stromkreis verringert, die Ausgangswelligkeit reduziert und die Leistungsdichte sowie die dynamische Leistung des Systems verbessert.

Daher findet die Soft-Switching-Technologie, insbesondere in Lichtbogenschweißinvertern, zunehmend Verbreitung und hebt die Stromversorgung für das Lichtbogenschweißen auf eine neue Ebene. Sanft schaltende Lichtbogenschweißinverter sind eine vielversprechende Entwicklung in diesem Bereich, und dieser Abschnitt wird sich auf ihre Diskussion konzentrieren.

Grundform und Funktionsprinzip des sanft schaltenden Wechselrichter-Hauptstromkreises

Die Hauptkomponenten und Grundprinzipien des sanft schaltenden Lichtbogenschweißinverters sind denen des hart schaltenden Lichtbogenschweißinverters ähnlich. Der Hauptunterschied liegt in den Strukturdetails des Inverter-Hauptstromkreises und der Einstellmethode des Steuer- und Antriebskreises.

Die Resonanzstrom-Umwandlungstechnologie mit Soft-Switching-Betriebsmodus kann durch zwei Methoden gesteuert werden: variable Frequenzsteuerung und konstante Frequenzsteuerung. Die Analyse und das Design des Schaltkreises mit variabler Frequenz sind komplex und störanfällig, und der Ausgangsbereich ist klein und die Ausnutzung der magnetischen Komponenten gering.

Die Steuerung mit konstanter Frequenz basiert auf der allgemein verwendeten PWM, bei der eine Resonanzinduktivität und ein Kondensator im Hauptstromkreis des Wechselrichters in Reihe geschaltet sind. Das Steuersystem verwendet phasenverschobene Rechteckwellen zur Ansteuerung der Schaltgeräte und stützt sich dabei auf die Freilaufdiode, um eine sanft schaltende Steuerung der Leistungsgeräte zu erreichen.

Im Hauptstromkreis des Vollbrücken-Wechselrichters werden die Leistungsschalter auf den diagonalen Leitungen nicht gleichzeitig ein- und ausgeschaltet, sondern mit einem zeitlichen Abstand, um ein Ausschalten bei Nullstrom oder ein Einschalten bei Nullspannung zu erreichen. Die Steuerung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms erfolgt durch Anpassung des Tastverhältnisses der Brücke.

Diese Regelungsmethode ist relativ einfach zu entwerfen, hat einen größeren Ausgangsbereich und eine relativ einfache Schaltungsstruktur, wodurch sie sich besser für Lichtbogenschweißinverter-Anwendungen eignet.

Grundform des sanft schaltenden Wechselrichters Hauptstromkreis

Gegenwärtig gibt es mehrere gängige Grundformen des sanft schaltenden Wechselrichter-Hauptstromkreises, darunter:

  • Hauptstromkreis des Nullstrom-Schaltresonanzwechselrichters (ZCS).
  • Nullspannungs-schaltender (ZVS) Resonanzwechselrichter-Hauptstromkreis.
  • Hauptstromkreis des MRC-Wechselrichters (Multi-Resonanz-Konverter).
  • Serienresonanz-Wechselrichter-Hauptstromkreis.
  • Hauptstromkreis des Parallel-Resonanz-Wechselrichters.
  • Hauptstromkreis des DC-Bus-Resonanzwechselrichters.
  • Hauptschaltkreis des Resonanzwechselrichters mit Phasenverschiebung.

Funktionsprinzip des Soft-Switching-Wechselrichters Hauptstromkreis

Um den richtigen Soft-Switching-Inverter-Hauptstromkreis für die Stromversorgung beim Lichtbogenschweißen auszuwählen, ist es notwendig, die folgenden vier grundlegenden Soft-Switching-Inverter-Hauptstromkreise im Detail vorzustellen:

Abbildung 6: Nullstrom-Schaltkreis (ZCS), Nullspannungs-Schaltkreis (ZVS) und Multi-Resonanz-Schaltkreis (MRC) Schaltkreise.
a) ZCS b) ZVS c) MRC

(1) Nullstromschaltung (ZCS) Resonanzwechselrichter Hauptstromkreis

Wie in Abbildung 6a dargestellt, bezieht sich ZCS auf die Verwendung der Stromwellenform auf dem LC-Hilfsresonanzelement und den Leistungsbauelementen, um die Leistungsbauelemente unter Nullstrombedingungen auf natürliche Weise abzuschalten und eine natürliche Kommutierung der Bauelemente zu erreichen.

(2) Nullspannungsschaltung (ZVS) Resonanzwechselrichter Hauptstromkreis

Wie in Abbildung 6b dargestellt, bezieht sich ZVS auf die Verwendung der Spannungswellenform an der Hilfsresonanzelement-Induktivität und dem Kondensator sowie den Leistungsbauelementen, um die Ausgangskapazitätsspannung der Leistungsbauelemente vor dem Einschalten der Bauelemente auf Null zu reduzieren, wodurch Nullspannungsbedingungen für das Einschalten der Bauelemente geschaffen werden und die Schaltverluste im Zusammenhang mit der parasitären Ausgangskapazität der Bauelemente eliminiert werden, wodurch die Schaltfrequenz erheblich erhöht wird.

Die ZVS hat jedoch zwei Nachteile. Der eine ist die große Spannungsbelastung des Geräts, die proportional zum Lastbereich ist, was es schwierig macht, ZVS für einen großen Lastbereich zu erreichen. Der andere wird durch die Gleichrichterdiode verursacht, die mit dem Resonanzkondensator schwingt.

Wenn es sich um eine dämpfende Oszillation handelt, verursacht sie einen großen Leistungsverlust bei hohen Frequenzen. Wenn es sich um eine nicht dämpfende Schwingung handelt, wirkt sie sich nachteilig auf die Spannungsverstärkung des Wechselrichters aus und kann zu Schwingungen im geschlossenen Regelkreis führen.

(3) Multi-Resonanz-Wechselrichter Hauptstromkreis

Wie in Abbildung 6c dargestellt, kombiniert der Hauptschaltkreis des Multiresonanz-Wechselrichters die Eigenschaften von ZVS und ZCS in einer einzigen Schaltstruktur. Der Resonanzkondensator ist sowohl parallel zum Schaltgerät als auch parallel zur Diode geschaltet, so dass sowohl das Schaltgerät als auch die Diode Nullspannungsschalter sind.

Der Hauptvorteil besteht darin, dass alle wichtigen parasitären Parameter (Ausgangskapazität des Leistungsbauelements, Sperrschichtkapazität der Diode, Streuinduktivität des Transformators usw.) in den Schwingkreis integriert sind, so dass alle Bauelemente im Schaltkreis leiten, wenn die Spannung Null ist, wodurch Schaltverluste verringert und die Arbeitseffizienz verbessert wird.

Der Nachteil der drei oben genannten Schaltungen ist, dass sie mit einer variablen Frequenz arbeiten, was zu hohen Spannungs- und Strombelastungen der Geräte führt.

Der Hauptstromkreis des Serienresonanzumrichters, der parallele Halbbrücken- und Vollbrückenumrichter und der Hauptstromkreis des E-Klasse-Umrichters sind enger mit der Struktur des Hauptstromkreises des sanft schaltenden Lichtbogenschweißinverters verbunden.

Der Hauptschaltkreis des E-Klasse-Wechselrichters ist eine verbesserte Version des E-Klasse-Verstärkerschaltkreises und wurde aus dem Serienresonanzwechselrichter abgeleitet. Seine Schaltung ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Hauptstromkreis des E-Klasse-Wechselrichters

Der Vorteil des E-Klasse-Wechselrichter-Hauptstromkreises besteht darin, dass er Schaltverluste eliminiert und elektromagnetische Störungen reduziert. Der Hauptnachteil besteht darin, dass ein großer Spitzenstrom durch den Schalter fließt und das Schaltgerät einer großen Spannungsbelastung ausgesetzt ist.

(4) Vollbrücken-Wechselrichter-Hauptstromkreis mit Phasenverschiebungssteuerung

Seit ihrem Vorschlag in den späten 1980er Jahren hat die phasenverschoben gesteuerte Vollbrücken-Soft-Switching-Schaltung zunehmende Aufmerksamkeit erhalten und ist zu einem heißen Thema in Forschung und Anwendung geworden. Die phasenverschobene Vollbrücken-Soft-Switching-Schaltung kombiniert zwei Schaltungstopologien, resonantes Soft-Switching und PWM, perfekt.

Während des Schaltvorgangs des Leistungsschalters wird eine resonante Kommutierung erreicht, die für geringere Schaltverluste sorgt, während nach dem Einschalten des Schalters eine Rechteckspannung und ein Rechteckstrom durch PWM-Modulation bereitgestellt werden. Basierend auf den Eigenschaften der Schaltwellenform kann die phasenverschoben gesteuerte Vollbrücken-Soft-Switching-Schaltung in Vollbrücken-Nullspannungs-Soft-Switching und Nullspannungs- und Nullstrom-Soft-Switching unterteilt werden.

Abbildung 8 zeigt den Hauptschaltkreis und den zeitlichen Ablauf des Ansteuersignals des phasenverschobenen Vollbrückenwechselrichters:

Abbildung 8: Phasenverschiebungsgesteuerter Hauptstromkreis und Zeitdiagramm der Ansteuersignale.
a) Phasenverschiebungsgesteuerter Hauptstromkreis b) Zeitdiagramm des Ansteuersignals.

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