Окончательное руководство по инверторам для дуговой сварки

Обзор инвертора для дуговой сварки

Определение инвертора для дуговой сварки:

Преобразование постоянного тока (DC) в переменный ток (AC) называется инверсией. Устройство, выполняющее это преобразование, называется инвертором. Инвертор, обеспечивающий электроэнергией сварочную дугу и обладающий необходимыми электрическими характеристиками для процессов дуговой сварки, называется инвертором для дуговой сварки.

Особый характер инвертора для дуговой сварки:

Объект электропитания для сварки представляет собой особую дуговую нагрузку, особенно для дуговой сварки с переходом через короткое замыкание, что требует от инвертора выдерживать интенсивную динамическую нагрузку, которая постоянно меняется. Условия работы очень сложны.

Основные компоненты и их функции инверторов для дуговой сварки

Основные компоненты включают в себя систему питания, электронную систему питания, электронную систему управления, цепь обратной связи, заданную цепь и сварочную дугу.

Рисунок 1: Блок-схема основных компонентов и основных принципов работы инверторов для дуговой сварки

Из схемы видно, что основные компоненты и их функции инвертора для дуговой сварки выглядят следующим образом:

Главная цепь инвертора: Состоит из системы питания, электронной системы питания и сварочной дуги и отвечает за передачу и преобразование электрической энергии.

Электронная система управления: Обеспечивает достаточные импульсные сигналы коммутатора для электронной системы питания (главной цепи инвертора) в соответствии с законом изменения, требуемым дугой, управляя работой главной цепи инвертора.

Обратная связь и заданная система: Он состоит из схемы обнаружения (M), задающей схемы (G), схемы сравнения и усиления (N) и т.д. Вместе с электронной системой управления она реализует замкнутый контур управления инвертором для дуговой сварки и позволяет ему получить требуемые внешние и динамические характеристики.

Основные принципы работы инверторов для дуговой сварки

Основной принцип работы инверторов для дуговой сварки можно обобщить в блок-схеме, представленной на рисунке 1.

В системе электропитания однофазное (или трехфазное) переменное напряжение сети 50 Гц или 60 Гц 220 В (или трехфазное 380 В) выпрямляется и фильтруется входным выпрямителем (UR1) и фильтром (LC1), получая плавное постоянное напряжение около 310 В (или около 520 В для трехфазного выпрямления), которое требуется главной цепи инвертора.

Затем постоянное напряжение преобразуется в высокочастотное переменное напряжение в диапазоне от нескольких килогерц до двухсот килогерц под действием переменного переключения мощных переключающих электронных устройств (таких как тиристоры, транзисторы, полевые транзисторы или IGBT) в главной цепи Q инвертора электронной энергосистемы.

После этого через трансформатор высокой (средней) частоты (Т) напряжение понижается до десятков вольт, пригодных для сварки, а затем внешние и динамические характеристики, необходимые дуге процесс сварки получают через управляющую приводную цепь и цепь обратной связи и передачи (M, G, N и т.д.) электронной системы управления, а также импеданс сварочного контура.

Если для сварки требуется постоянный ток, то переменный ток высокой (средней) частоты преобразуется в постоянный с помощью выходного выпрямителя U и фильтра из индуктивности L2 и конденсатора C2.

Процесс выпрямления в инверторах для дуговой сварки можно описать следующим образом: Вход переменного тока → выпрямление в постоянный ток → преобразование переменного тока высокой/средней частоты → снижение напряжения → выход переменного тока → снова выпрямление в постоянный ток.

Существует три типа конструкций инверторов, которые могут использоваться в инверторах для дуговой сварки:

  • AC-DC-AC
  • AC-DC-AC-DC
  • AC-DC-AC-DC-AC (квадратная волна переменного тока).

Выходные электрические характеристики инверторов для дуговой сварки

Для того чтобы соответствовать требованиям дуги процесс сваркиПри этом выходные электрические характеристики (производительность) инверторов для дуговой сварки должны иметь соответствующую адаптацию. Выходные электрические характеристики в основном включают в себя внешние характеристики, характеристики регулирования и динамические характеристики.

1. Внешние характеристики инверторов для дуговой сварки

Инверторы для дуговой сварки используют электронные системы управления и обратную связь по току-напряжению для осуществления замкнутого цикла управления электронной системой питания (инвертором) с целью получения различных форм кривых внешних характеристик.

Основываясь на принципиальной блок-схеме инвертора для дуговой сварки (рис. 1), замкнутая система управления инвертором для дуговой сварки может быть описана с помощью блок-схем и уравнений, как показано на рис. 2.

Рисунок 2: Схема замкнутой системы управления инвертором для дуговой сварки

Балансовая зависимость замкнутой системы управления устанавливается следующим образом: Напряжение дуги (Uf) отрицательно подается на схему, а выходное напряжение дискретизируется (обычно с помощью делителя напряжения) для получения величины обратной связи (mUf) пропорционально ему. Ток дуги (If) также подается отрицательный сигнал, а выходной ток дискретизируется (обычно с помощью шунта или элемента Холла) для получения величины обратной связи (nIf) пропорциональна ей. Величины обратной связи mUf и nIf затем сравниваются и усиливаются с заданным значением напряжения дуги (Uгу) и заданное значение тока дуги (Ugi) соответственно, что приводит к K1(Uгу-mUf) и K2(Ugi-n) выходов. Наконец, управляющее напряжение (Uk) получается путем синтеза и усиления, а затем подается на вход схемы управляющего привода для управления работой электронной системы питания (инвертора).

Рисунок 3: Внешние характеристики инвертора для дуговой сварки.

Получение характеристик постоянного напряжения, постоянного тока и плавного спада:

1 - характеристика постоянного напряжения
2 - Характеристика постоянного тока
3 - Мягкая характеристика падения
4 - Постоянный ток с внешней тянущей характеристикой

2. Нормативные характеристики инвертора для дуговой сварки

Рисунок 4: Схема стандартного регулирования для инверторов для дуговой сварки
a) Характеристика постоянного напряжения
b) Характеристика постоянного тока

Из принципа построения внешней характеристики инвертора для дуговой сварки можно сделать вывод, что при заданном значении напряжения на характеристике постоянного напряжения определяется величина выходного напряжения дуги. Другими словами, если заданное напряжение высокое, то и напряжение дуги тоже высокое, и наоборот. Например, если Ugu1 < Ugu2, кривая внешней характеристики перемещается от кривой 1 к кривой 2, как показано на рисунке 4a, а стабильная рабочая точка перемещается от A1 к A2.

Для характеристики постоянного тока величина напряжения для данного тока определяет величину выходного сварочного тока. Другими словами, если Ugi велико, выходной сварочный ток также велик, и наоборот. Например, если Ugi1 < Ugi2, кривая внешней характеристики переходит от кривой 1 к кривой 2, как показано на рис. 6-4b, а стабильная рабочая точка переходит от AI к A2.

Как правило, различные типы инверторов для дуговой сварки используют различные системы регулирования для контроля внешних характеристик и настройки параметров процесса в соответствии с различными требованиями сварочного процесса. Мы представим принципы работы различных типов инверторов для дуговой сварки по очереди.

3. Динамические характеристики инверторов для дуговой сварки

При использовании сварочных инверторов для дуговой сварки с переходными процессами короткого замыкания с участием капель расплава необходимо предъявлять жесткие требования к их динамическим характеристикам. Основным параметром, влияющим на переход короткого замыкания при сварке MAG/CO2, является скорость нарастания тока короткого замыкания (disd/dt), которая напрямую связана с постоянной времени T (T=L'/Rfгде L' - эквивалентная индуктивность сварочного контура, а Rf - сопротивление дуги). Rf изменяется в зависимости от сварочного тока и не может быть произвольно изменена, в то время как L' может быть изменена путем добавления индукторов в сварочную цепь. Кроме того, диsd/dt может быть изменена путем регулировки постоянной времени замкнутой системы.

Как правило, существует два способа улучшения и контроля динамических характеристик инверторов для дуговой сварки:

  • Добавление индукторов в сварочную цепь. Индукторы обычно добавляют не только для улучшения динамических характеристик, но и для фильтрации.
  • Разработка инверторов для дуговой сварки с электронным индуктором, в которых вместо индукторов с железным сердечником используются электронные схемы для управления диsd/dt, демонстрируя тем самым превосходные характеристики управления.

4. Внешние характеристики, характеристики настройки и режим управления выходными импульсами

Как правило, в инверторах для дуговой сварки используются три режима управления регулировкой: управление внешними характеристиками, регулировка характеристик (настройка параметров процесса) и формирование формы выходных импульсов:

  • Частотная модуляция с фиксированной шириной импульса: ширина импульсного напряжения остается неизменной, а форма кривой внешней характеристики, регулировочные характеристики (регулировка параметров процесса) и форма выходного импульса формируются за счет изменения частоты переключения инвертора.
  • Широтно-импульсная модуляция с фиксированной частотой: частота импульсного напряжения остается неизменной, а форма кривой внешней характеристики, регулировочные характеристики (регулировка параметров процесса) и форма выходного импульса формируются за счет изменения длительности (отношения ширины импульса) импульса переключения инвертора.
  • Гибридная регулировка: для настройки используется комбинация частотной модуляции с фиксированной шириной импульса и широтно-импульсной модуляции с фиксированной частотой.

Основная форма главной цепи инвертора для дуговой сварки

Несколько часто используемых основных форм главных схем инверторов показаны на рисунке 6.

Рисунок 6 Часто используемые основные формы главных схем инверторов

a) Односторонний прямой тип
б) Полумостовой тип
c) Полномостовой тип
d) Параллельный тип.

Главная схема одностороннего прямого преобразователя:

Как показано на рисунке 6a, силовые переключающие транзисторы (представленные символами электронных переключателей) V1 и V2 периодически включаются и выключаются на промежуточной частоте, тем самым инвертируя входное постоянное напряжение в прерывистое напряжение промежуточной частоты. Затем напряжение понижается трансформатором промежуточной частоты T, выпрямляется быстрым диодом VD1, фильтруется индуктором и выводится в виде постоянного напряжения на дугу. Два переключающих транзистора одновременно выдерживают входное напряжение, требуя относительно низкого сопротивления, что делает его пригодным для использования в инверторах средней и малой мощности.

Главная схема полумостового инвертора:

Как показано на рисунке 6b, входное постоянное напряжение делится поровну на два комплекта электролитических конденсаторов. Два силовых транзистора V1 и V2 поочередно включаются и выключаются для формирования переменного напряжения прямоугольной формы.

После понижения напряжения на T полноволновое выпрямление с помощью VD1 и VD2 дает на выходе постоянный ток. VD1 и VD2 должны быть быстрыми диодами, способными выдержать удвоенную амплитуду выходного напряжения. V1 и V2 выдерживают только 1Ud/2, и к ним предъявляются относительно низкие требования по сопротивлению напряжению.

Главная схема полномостового инвертора:

Как показано на рисунке 6c, две пары силовых переключающих транзисторов V1, V4 и V2, V3 на противоположных плечах моста периодически включаются и выключаются на промежуточной частоте. Остальные операции аналогичны полумосту. Силовые переключающие транзисторы также выдерживают только определенное напряжение, что делает их пригодными для сварочных работ средней и высокой мощности.

Главная схема параллельного инвертора:

Как показано на рисунке 6d, этот тип главной схемы также известен как главная схема инвертора push-pull. Силовые переключающие транзисторы V1 и V2 периодически включаются и выключаются с промежуточной частотой.

После понижения напряжения на T, VD1 и VD2 выполняют полноволновое выпрямление для получения постоянного напряжения. Переключающие транзисторы выдерживают более чем двукратное напряжение, что требует высокого вольтамперного сопротивления. Как правило, они используются только в инверторах тиристорного типа.

Схема управления и привода инвертора для дуговой сварки

Электронная система управления инвертора для дуговой сварки включает в себя как электронные схемы управления, так и приводные цепи. Они являются еще одним важным компонентом для достижения электрических характеристик инвертора для дуговой сварки. Поэтому необходимо хорошо понимать функциональные требования к этим цепям и способы их лучшего выполнения.

1. Основные функциональные требования к электронным схемам управления

Роль электронных схем управления заключается в обеспечении пары прямоугольных импульсов (за исключением тиристорных инверторов) с крутыми передними и задними фронтами, разностью фаз 180°, симметрией и переменной шириной или фазовым сдвигом в цепи привода инвертора для дуговой сварки.

Для некоторых инверторов, например, полумостовых и полномостовых, последовательности импульсов должны быть изолированы друг от друга. Для одностороннего инвертора требуется только один набор импульсов.

Цель проектирования достигается за счет взаимосвязи между наличием или отсутствием парных импульсных напряжений, узких и широких импульсов, величиной изменения ширины импульса, изменением частоты или фазы импульса, а также взаимосвязи между базовой шириной импульса, минимальной шириной импульса, скоростью увеличения ширины импульса от минимальной до номинальной, и взаимосвязи между минимальной и номинальной частотой импульса.

В частности, схема управления должна обладать следующими основными функциями:

  • Схема привода обеспечивает последовательность импульсов с крутыми передним и задним фронтами, разностью фаз 180° и симметрией. В зависимости от типа преобразователя и системы настройки ширина импульса может быть переменной, а частота - регулируемой.
  • Схема должна иметь достаточный коэффициент усиления, чтобы выходное напряжение и ток инвертора для дуговой сварки достигали заданной точности в допустимом диапазоне изменения входного напряжения сети и тока нагрузки.
  • Обеспечьте заданный диапазон регулирования выходного напряжения и тока.
  • Реализуйте плавный пуск по входному и выходному напряжению.
  • Он должен быть способен выдавать электрические характеристики (внешние характеристики, характеристики настройки, динамические характеристики и форму волны), необходимые для процесса дуговой сварки.
  • Если мощность нагрузки (включая напряжение и ток дуги) превышает номинальное значение, выходная мощность должна быть автоматически ограничена или питание главной цепи должно быть отключено.
  • В общем случае схема управления должна обеспечивать электрическую изоляцию и изоляцию между выходом и входом обратной связи.
  • Включите и выключите источник питания главной цепи и источник питания цепи управления в предусмотренной последовательности.
  • При роботизированной, полуавтоматической и автоматической сварке оператор должен управлять инвертором через пульт дистанционного управления, находясь на безопасном расстоянии от инвертора для дуговой сварки.
  • Должны быть сильные и слабые электрические интерфейсы, подключаемые к периферийным устройствам.

Другие функции:

  • Для мостовых или импульсных инверторов схема управления должна иметь возможность автоматического балансирования при несимметрии двух полуциклов.
  • Контроль температуры (контроль температуры ключевых компонентов, таких как мощные коммутационные трубки и высокочастотные трансформаторы).
  • При необходимости следует также предусмотреть предупреждение и индикацию состояний ограничения тока, перегрузки и обрыва фазы.

2. Основные функциональные требования к приводным цепям

Импульсные управляющие сигналы, подаваемые схемой управления, должны иметь достаточную мощность. Однако из-за различий в типах, моделях и мощности коммутационных трубок требования к мощности управляющих импульсных сигналов также различаются.

Различные типы главных цепей преобразователей также имеют разные требования к изоляции импульсных сигналов привода.

Например, в главных схемах полномостовых и полумостовых инверторов коммутационные трубки, расположенные на высоких и низких потенциалах, требуют надежной изоляции сигналов управляющих импульсов.

Схемы привода для тиристорных и транзисторных инверторов имеют разные характеристики и требования.

Требования к схеме привода инверторов на основе тиристоров:

  • Триггерный импульсный сигнал должен иметь достаточную мощность (напряжение и ток).
  • Импульсный сигнал запуска должен иметь достаточную ширину, чтобы обеспечить надежное включение тиристора.
  • Форма запускающего импульса должна способствовать проведению тиристора. В параллельной цепи сильноточных тиристоров параллельные компоненты должны проводить ток одновременно, что позволит переключающей трубке работать в допустимом диапазоне.
  • Необходимо убедиться, что тиристор можно надежно отключить при необходимости.

Требования к схеме привода транзисторных инверторов:

Роль приводной схемы в транзисторных инверторах заключается в усилении импульса на выходе схемы управления до уровня, достаточного для возбуждения высоковольтных переключающих трубок. Амплитуда и форма подаваемого управляющего импульса связаны с рабочими характеристиками транзистора, такими как падение напряжения насыщения, время хранения, скорость нарастания и спада напряжения и тока коллектора или эмиттера в момент открытия и закрытия, которые непосредственно влияют на его потери и тепловыделение.

Схема привода является одним из основных факторов, определяющих производительность ШИМ-инверторов.

Характеристики, классификация и области применения инверторов для дуговой сварки

Характеристики инверторов для дуговой сварки:

По сравнению с традиционной дугой сварочная мощность Источники, использующие частоту 50 Гц или 60 Гц для передачи энергии и изменения электрических параметров, инверторы для дуговой сварки повышают частоту до нескольких тысяч - двухсот тысяч Гц для передачи и преобразования энергии.

Такое повышение частоты обеспечивает инверторам для дуговой сварки выдающиеся конструктивные и эксплуатационные характеристики, включая высокий КПД и экономию энергии, легкий вес и экономию материалов, быстрый динамический отклик, а также превосходные электрические характеристики и характеристики сварочного процесса.

В частности, по сравнению с традиционными источниками питания для дуговой сварки, такими как трансформаторы для дуговой сварки, генераторы для дуговой сварки постоянным током, кремниевые выпрямители для дуговой сварки и тиристорные выпрямители для дуговой сварки, инверторы для дуговой сварки имеют следующие существенные характеристики и преимущества:

  • Высокая эффективность и экономия энергии: при КПД от 80% до 92% инверторы для дуговой сварки позволяют экономить до 20% - 35% энергии (зависит от величины нагрузки) и имеют минимальное потребление энергии в режиме холостого хода, обычно всего от нескольких десятков до нескольких сотен ватт, что составляет лишь малую долю от традиционных источников питания для дуговой сварки.
  • Легкая и компактная конструкция: вес среднечастотного трансформатора составляет лишь малую часть от веса традиционной дуги источник сварочного токаобычно 1/10 - 1/3, а его объем составляет всего 1/5 - 1/3, что делает его очень удобным для перемещения.
  • Отличные электрические характеристики.
  • Отличные характеристики процесса сварки.

Классификация инверторов для дуговой сварки:

Инверторы для дуговой сварки можно классифицировать по-разному:

  1. В зависимости от используемых мощных коммутационных устройств распространены следующие типы:
  • Тиристорные (SCR) инверторы для дуговой сварки
  • Инверторы для дуговой сварки на транзисторах (GTR)
  • Инверторы для дуговой сварки на полевых транзисторах (MOSFET)
  • Инверторы для дуговой сварки на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT)
  • Другие типы, такие как инверторы для дуговой сварки IGH, GTO, SITH, MCT и MGT, которые появились с появлением новых силовых коммутационных устройств.
  1. По типу выходного тока они могут быть классифицированы как:
  • Инверторы для дуговой сварки постоянным током
  • Инверторы для импульсно-дуговой сварки
    • Инверторы для низкочастотной импульсно-дуговой сварки
    • Инверторы для среднечастотной импульсно-дуговой сварки
    • Высокочастотные инверторы для импульсно-дуговой сварки
  • Инверторы для дуговой сварки переменным током прямоугольной волны
  1. По различным формам выходных характеристик они могут быть классифицированы как:
  • Инверторы для дуговой сварки на постоянном токе
  • Инверторы для дуговой сварки постоянным напряжением
  • Инверторы для дуговой сварки с медленной характеристикой (включая постоянный ток и внешнее сопротивление)
  • Инверторы для дуговой сварки с несколькими характеристиками.

Похожие статьи: Типы инверторов для дуговой сварки

Области применения инверторов для дуговой сварки:

Благодаря отличным электрическим характеристикам, хорошему управлению, возможности получения различных форм выходных характеристик, различных типов напряжения и формы тока дуги (постоянный ток, импульс, прямоугольная волна переменного тока), а также отличным динамическим характеристикам, инверторы для дуговой сварки могут выдавать сварочный ток до 1000А и более.

Поэтому он может практически заменить все существующие источники питания для дуговой сварки и использоваться для различных методов дуговой сварки, таких как ручная дуговая сварка металлов, сварка TIG, сварка MAG/C02/MIG/порошковой проволокой, плазменная дуга сварка и резка, автоматическая сварка под флюсом, роботизированная сварка и другие.

Он может сваривать различные металлические материалы и сплавы, особенно в условиях ограниченного рабочего пространства, при работе на большой высоте или в условиях нехватки электропитания и необходимости использования мобильных сварочных аппаратов.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.