Принцип работы инверторных источников питания, технические характеристики

Принцип действия выпрямителя с инвертором

Схема выпрямителя с двухтактным транзисторным инвертором (рис. 1) наиболее удобна для объяснения процесса инвертирования. Входной выпрямительный блок VI преобразует переменное напряже­ние сети в постоянное, которое сглаживается с помощью низкочастот­ного фильтра L1, С1. Затем выпрямленное напряжение u_вс преобразует­ся в однофазное переменное u₁ высокой частоты с помощью инвертора на двух транзисторах VТ1 и VТ2. Далее напряжение понижается транс­форматором Т до u₂, выпрямляется блоком вентилей V2, проходит через высокочастотный фильтр L2, С2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения и_в.

Подробнее рассмотрим процесс инвертирования. При подаче сигнала на базу транзистора VТ1 отпирается его коллекторная цепь, и по пер­вичной обмотке трансформатора Т в интервале времени t₁ протекает ток в направлении, показанном тонкой линией. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. С некоторой задержкой отпирается транзистор VТ2, при этом в интервале времени t₂ ток по трансформатору идет уже в другом направлении, показанном пунктиром. Таким образом, по пер­вичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Длительность его

Рис.1- Выпрямитель с транзисторным инвертором

периода Т и частота переменного тока f = 1 /Т зависят от частоты запуска транзисторов, определяемой системой управления. Обычно частота уста­навливается на уровне 1-100 кГц. Поскольку эта частота не зависит от частоты сети, такой инвертор называют автономным. Иногда инвертор конструктивно объединяют с трансформатором Т, выпрямительным бло­ком V2 и фильтром L2-С2. Такое устройство называют конвертором, у него на выходе, как и на входе, постоянное напряжение, но меньшей ве­личины.

Если на входе инвертора установлен мощный накопительный кон­денсатор С1, то напряжение инвертора и₁ имеет прямоугольную форму, как показано на рис. 1,б. Такую конструкцию называют автономным инвертором напряжения (АИН). Напротив, если на входе инвертора уста­новить мощный дроссель L1, а обмотку трансформатора Т шунтировать конденсатором, то сглажен будет уже входной ток. Такой преобразова­тель называется инвертором тока (АИТ). Наконец, возможна конструк­ция, в которой благодаря наличию последовательно соединенных индук­тивности и емкости образуется колебательный контур с синусоидальным током, она названа резонансным инвертором (АИР).

Инвертор — это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Конвертор — устройство для пониже­ния или увеличения постоянного напряжения, иногда с промежуточным высокочастотным звеном.

С появлением инверторных источников более простые неинверторные стали называть конвенциональными, т. е. традиционными.

Регулирование режима сварки осуществляется несколькими спосо­бами. Например, если входной выпрямительный блок выполнить тири­сторным, то при увеличении напряжения U_вс увеличивается и амплитуд высокочастотного напряжения U₂ и среднее значение U_в выпрямленного напряжения (рис. 2,а):

.

Возможно также регулирование изменением частоты импульсов (рис. 2,6):

↓ .

Но наибольшее распространение получил способ широтно-импульсного регулирования (рис.2,в):

t↑ ,

поскольку при постоянной частоте облегчается выбор параметров выход­ного фильтра, а также снижается спектр электромагнитных помех, кото­рые легче устранить входным фильтром.

Рис.2- Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов

В выпрямителе с инвертором используется амплитудное, частотное и широтное регулирование режима.

Внешние характеристики выпрямителя с инвертором зависят глав­ным образом от конструктивных особенностей инвертора и трансформа­тора (рис.3,а). Естественная внешняя характеристика собственно ин­вертора АИН почти жесткая (линия 1). Но поскольку индуктивное со­противление трансформатора Хт, пропорциональное частоте инвертиро­вания f, велико даже при небольшом магнитном рассеянии, то характе­ристика выпрямителя в целом получается падающей (линия 3). Обыч­но же внешние характеристики формируются искусственно с помощью системы управления. Например, для получения крутопадающих харак­теристик вводится отрицательная обратная связь по току, при которой с увеличением сварочного тока частота инвертирования снижается, что приводит к уменьшению выпрямленного напряжения (линия 2):

Рис. 3 - Внешние характеристики выпрямителей с ин­вертором

Подобным же образом для получения жестких характеристик вво­дится обратная связь по выпрямленному напряжению:

В выпрямителе с инвертором сравнительно легко получить комби­нированную внешнюю характеристику (рис.3,6), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для за­дания сравнительно высокого напряжения холостого хода, что полезно при зажигании дуги. Пологопадающий основной участок 2 обеспечивает эффективное саморегулирование при механизированной сварке в угле­кислом газе. Вертикальный участок 3 ограничивает сварочный ток, что предотвратит прожог при сварке тонкого металла. Последний участок 4 задает величину тока короткого замыкания. Разумеется, положение каждого участка настраивается с помощью отдельных регуляторов. Так, при сварке в углекислом газе перемещением по вертикали участка 2 регу­лируется сварочное напряжение, а при сварке покрытыми электродами перемещением участка 3 устанавливается сила тока.

Естественные внешние характеристики выпрямителя зависят от конструкции инвертора и трансформатора. Искусственные характери­стики формируются с помощью обратных связей по току и напряжению.

Сварочные свойства выпрямителей с инвертором, как правило, луч­ше, чем у конвенциональных источников, и объясняется это высоким быстродействием инвертора. Если у неинверторного однофазного вы­прямителя длительность переходного процесса составляет не менее полупериода стандартного переменного тока, т.е. около 0,01 с, то у вы­прямителя с инвертором быстродействие характеризуется значениями 0,0005 с и меньше. При механизированной сварке в углекислом газе такой выпрямитель способен обеспечить сложный алгоритм изменения то­ка с целью управления переносом электродного металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высокие динамиче­ские свойства выпрямителя с инвертором проявляются и в случае про­граммного управления процессом ручной дуговой сварки, например по циклограмме. В этом случае легко обеспечивается горячий пуск в начале сварки, быстрый переход от одного из заранее настроенных режимов к другому при попеременной сварке то нижних, то вертикаль­ных швов, сварка пульсирующей дугой с регулируемой формой импульса ИТ. д.

Достоинства и недостатки выпрямителя с инвертором тесно свя­заны друг с другом. Здесь энергия претерпевает по крайней мере четыре ступени преобразования. Тем не менее, такой выпрямитель экономичен и весьма перспективен. Дело в том, что сердечник высокочастотного транс­форматора имеет очень малые сечение и массу. Поскольку масса связана с частотой соотношением т ≡ 1/ , то обычно сердечник весит в десятки раз меньше, чем сердечник трансформатора на 50 Гц. В целом выпря­митель также имеет замечательные массо-энергетические характеристи­ки: 0,02-0,1 кг на 1 А сварочного тока и 1-4 кг на 1 кВт потребляемой мощности, т. е. весит в 5-15 раз меньше других выпрямителей. И все же выпрямитель с инвертором дороже конвенциональных источников, по­этому его рекомендуют использовать в тех случаях, где имеют значение малые масса и габариты — при сварке на монтаже, в быту, на ремонт­ных работах. В эксплуатации такой источник чрезвычайно экономичен. Его коэффициент мощности близок к 1, КПД не ниже 0,7, а иногда до­стигает 0,9. Главный недостаток выпрямителя с инвертором заключает­ся в чрезмерной сложности устройства и связанных с этим низких на­дежности и ремонтопригодности. Специфическим недостатком является также повышенный шум, издаваемый высокочастотным трансформато­ром, выходным фильтром и дугой. Радикальный способ борьбы с шумом заключается в повышении рабочей частоты сверх 20 кГц, что выводит акустический эффект за пределы слышимого звука.

Контрольные вопросы и задания:

1. Преимущества и недостатки инверторных источников питания

2. Назначение и устройство инверторных источников питания

3. Порядок работы на инверторных источниках питания