Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
С<strong>в</strong>арочное оборудо<strong>в</strong>ание<br />
»Ì‚ÂappleÚÓappleÌÓÂ<br />
Ò‚‡appleÓ˜ÌÓ ӷÓappleÛ‰Ó‚‡ÌËÂ<br />
Коллекти<strong>в</strong> НТЦ сило<strong>в</strong>ой электроники при РГРТУ около 20 лет занимается<br />
разработкой ин<strong>в</strong>ерторного с<strong>в</strong>арочного оборудо<strong>в</strong>ания. За этот период создан ряд<br />
источнико<strong>в</strong> тока для электродуго<strong>в</strong>ой с<strong>в</strong>арки, которые серийно <strong>в</strong>ыпускаются<br />
на Рязанском государст<strong>в</strong>енном приборном за<strong>в</strong>оде.<br />
Александр Бардин, к. т. н.<br />
Аркадий Джаникян<br />
Сергей Никитин<br />
Алексей Романо<strong>в</strong>, к. т. н.<br />
toe@rgrta.ryazan.ru<br />
а<br />
В1993 году нами было начато произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>о<br />
транзисторного аппарата для ручной дуго<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>арки АСПТ-60, потом АСПТ-90, АСПТ-120,<br />
АСПТ-180. В последующем ГРПЗ <strong>в</strong>ыпускал аппараты<br />
под торго<strong>в</strong>ой маркой «Фора», на данном этапе —<br />
под маркой «Форсаж». Сейчас <strong>в</strong>ыпускаются следующие<br />
с<strong>в</strong>арочные ин<strong>в</strong>ерторы:<br />
1. для ручной дуго<strong>в</strong>ой с<strong>в</strong>арки (ММА): «Форсаж-125»,<br />
«Форсаж-160», «Форсаж-160M», «Форсаж-250»,<br />
«Форсаж-250Gaz»;<br />
2. для аргонно-дуго<strong>в</strong>ой с<strong>в</strong>арки непла<strong>в</strong>ящимся электродом<br />
(TIG): «Форсаж-160АД»;<br />
3. для полуа<strong>в</strong>томатической с<strong>в</strong>арки <strong>в</strong> среде защитных<br />
газо<strong>в</strong> (MIG/MAG): «Форсаж-315», «Форсаж-315М»,<br />
«Форсаж-500»;<br />
4. кон<strong>в</strong>ертор «Форсаж-250ЧБ» для работы от многопосто<strong>в</strong>ого<br />
<strong>в</strong>ыпрямителя <strong>в</strong> режиме ММА и TIG;<br />
5. аппарат <strong>в</strong>оздушно-плазменной резки «Форсаж-<br />
120ПА».<br />
Прежде чем перейти к рассмотрению функционального<br />
построения и схемотехники ин<strong>в</strong>ерторных<br />
источнико<strong>в</strong> с<strong>в</strong>арочного тока, необходимо сформулиро<strong>в</strong>ать<br />
требо<strong>в</strong>ания, предъя<strong>в</strong>ляемые к со<strong>в</strong>ременному<br />
с<strong>в</strong>арочному оборудо<strong>в</strong>анию.<br />
Все аппараты усло<strong>в</strong>но можно разбить на д<strong>в</strong>е группы:<br />
для быто<strong>в</strong>ого использо<strong>в</strong>ания и аппараты промышленного<br />
применения. Оборудо<strong>в</strong>ание пер<strong>в</strong>ой<br />
группы, как пра<strong>в</strong>ило, используется для ручной дуго<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>арки при питании от однофазной сети 220 В,<br />
50 Гц. Выходная <strong>в</strong>ольтамперная характеристика<br />
(ВАХ) — крутопадающая без предъя<strong>в</strong>ления жестких<br />
требо<strong>в</strong>аний к ее наклону. Осно<strong>в</strong>ным требо<strong>в</strong>анием<br />
к таким аппаратам я<strong>в</strong>ляется минимальная стоимость.<br />
Рис. 1. Выходная ВАХ с<strong>в</strong>арочного аппарата <strong>в</strong> режиме MMA (а) и TIG (б)<br />
б<br />
Более подробно следует остано<strong>в</strong>иться на требо<strong>в</strong>аниях,<br />
предъя<strong>в</strong>ляемых ко <strong>в</strong>торой группе.<br />
Со<strong>в</strong>ременные аппараты, предназначенные для ручной<br />
дуго<strong>в</strong>ой с<strong>в</strong>арки, должны обеспечи<strong>в</strong>ать: крутопадающую<br />
<strong>в</strong>ыходную ВАХ с <strong>в</strong>озможностью регулиро<strong>в</strong>ания<br />
наклона <strong>в</strong> зоне дуги <strong>в</strong> диапазоне 0,4–1,4 В/А<br />
(участок 3–4 (рис. 1а)), номинальный <strong>в</strong>ыходной ток<br />
не менее 250 А, напряжение холостого хода 70–100 В<br />
с переходом на безопасный уро<strong>в</strong>ень (не более 12 В)<br />
после обры<strong>в</strong>а дуги за <strong>в</strong>ремя не более 0,6 с, функции<br />
«горячий старт», то есть у<strong>в</strong>еличение с<strong>в</strong>арочного тока<br />
до 180% по отношению к заданному на <strong>в</strong>ремя до<br />
2 с с момента поджига дуги, «форсиро<strong>в</strong>ание дуги» —<br />
у<strong>в</strong>еличение тока короткого замыкания от 1,2 до 2,2 значений<br />
тока дуги (участок 4–5 (рис. 1а)), «антиприлипание»<br />
— снижение тока до минимального значения<br />
при длительности короткого замыкания более 1 с,<br />
дистанционное упра<strong>в</strong>ление, цифро<strong>в</strong>ую индикацию<br />
и пред<strong>в</strong>арительную устано<strong>в</strong>ку параметро<strong>в</strong> с <strong>в</strong>ысокой<br />
точностью.<br />
Для аппарато<strong>в</strong> постоянного тока, работающих <strong>в</strong> режиме<br />
TIG (рис. 1б), требуется более широкий диапазон<br />
токо<strong>в</strong> (минимальное значение 5 А), контактное<br />
и бесконтактное <strong>в</strong>озбуждение дуги (наличие <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтного<br />
<strong>в</strong>ысокочастотного осциллятора), наклон<br />
<strong>в</strong>ыходной ВАХ не менее 3 В/А. Необходимо обеспечи<strong>в</strong>ать<br />
а<strong>в</strong>томатизацию с<strong>в</strong>арочного процесса (пла<strong>в</strong>ное<br />
у<strong>в</strong>еличение или пла<strong>в</strong>ное уменьшение тока дуги,<br />
импульсное изменение тока дуги с заданной частотой<br />
и ск<strong>в</strong>ажностью и т. п.).<br />
Для аппарато<strong>в</strong> <strong>в</strong> режиме MIG/MAG необходимы<br />
«жесткая» <strong>в</strong>ыходная ВАХ с наклоном 0,04 В/А и <strong>в</strong>озможностью<br />
его регулиро<strong>в</strong>ания, номинальный с<strong>в</strong>арочный<br />
ток не менее 300 А, диапазон регулиро<strong>в</strong>ания<br />
напряжения 14–35 В (рис. 2а), <strong>в</strong>озможность регулиро<strong>в</strong>ания<br />
динамических с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong> аппарата (скорость<br />
нарастания и спада тока) (рис. 2б), работа <strong>в</strong> упра<strong>в</strong>ляемом<br />
импульсном режиме.<br />
Эти требо<strong>в</strong>ания определяют построение как сило<strong>в</strong>ой<br />
части с<strong>в</strong>арочного ин<strong>в</strong>ертора, так и его системы<br />
упра<strong>в</strong>ления.<br />
В общем объеме с<strong>в</strong>арочных работ доля работ, произ<strong>в</strong>одимых<br />
<strong>в</strong> режиме MIG/MAG, <strong>в</strong> Е<strong>в</strong>ропе соста<strong>в</strong>ляет<br />
около 70%. В России осно<strong>в</strong>ным <strong>в</strong>идом с<strong>в</strong>арки<br />
до сих пор я<strong>в</strong>ляется ручная дуго<strong>в</strong>ая, но доля а<strong>в</strong>томатической<br />
и полуа<strong>в</strong>томатической с<strong>в</strong>арки <strong>в</strong>се <strong>в</strong>ремя<br />
у<strong>в</strong>еличи<strong>в</strong>ается.<br />
116 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
С<strong>в</strong>арочное оборудо<strong>в</strong>ание<br />
а<br />
Рис. 2. Выходная ВАХ (а) и динамическая характеристика (б) с<strong>в</strong>арочного аппарата <strong>в</strong> режиме MIG/MAG<br />
Рис. 3. Упрощенная схема сило<strong>в</strong>ой части с<strong>в</strong>арочного ин<strong>в</strong>ертора<br />
www.power-e.ru<br />
б<br />
Пер<strong>в</strong>ые разработанные нами с<strong>в</strong>арочные аппараты<br />
предназначались для ручной дуго<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>арки и были <strong>в</strong>ыполнены на биполярных<br />
и БСИТ сило<strong>в</strong>ых транзисторах (КТ847,<br />
КП955). Сило<strong>в</strong>ой преобразо<strong>в</strong>атель <strong>в</strong>ыполнен<br />
по мосто<strong>в</strong>ой схеме с дросселями <strong>в</strong> цепях как<br />
переменного, так и постоянного токо<strong>в</strong> (рис. 3).<br />
Для обеспечения безопасной работы биполярных<br />
транзисторо<strong>в</strong> и снижения динамических<br />
потерь переключение сило<strong>в</strong>ых ключей осущест<strong>в</strong>ляется<br />
при нуле<strong>в</strong>ом напряжении (режим ZVS).<br />
Амплитуда тока <strong>в</strong> диагонали такого преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
при одной и той же мощности незначительно<br />
пре<strong>в</strong>осходит амплитуду тока мосто<strong>в</strong>ого<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя с жестким переключением<br />
(hard-switch). При этом отпирание<br />
сило<strong>в</strong>ого ключа происходит при открытом<br />
<strong>в</strong>оз<strong>в</strong>ратном диоде, <strong>в</strong>ключенном параллельно<br />
ключу, что обеспечи<strong>в</strong>ает режим ZVS на этапе<br />
<strong>в</strong>ключения. При запирании ключа происходит<br />
пла<strong>в</strong>ное нарастание его напряжения за счет<br />
подключенного параллельно конденсатора (режим<br />
ZVS при <strong>в</strong>ыключении), что обеспечи<strong>в</strong>ает<br />
снижение динамических потерь <strong>в</strong>ыключения.<br />
Для обеспечения режима ZVS нужно обеспечить<br />
непреры<strong>в</strong>ность тока диагонали<br />
и достаточную его амплитуду, поэтому такой<br />
режим <strong>в</strong>озможен только с определенного значения<br />
тока нагрузки.<br />
Упра<strong>в</strong>ление <strong>в</strong>ыходными параметрами может<br />
осущест<strong>в</strong>ляться следующими способами:<br />
1. за счет изменения частоты работы преобразо<strong>в</strong>ателя;<br />
2. широтно-импульсной модуляцией при<br />
обеспечении закороченного состояния диагонали<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя (разно<strong>в</strong>идностью<br />
такого упра<strong>в</strong>ления я<strong>в</strong>ляется фазоразностный<br />
способ).<br />
В аппаратах «Форсаж» используется частотный<br />
способ регулиро<strong>в</strong>ания [1]. При изменении<br />
частоты работы меняется реакти<strong>в</strong>ное сопроти<strong>в</strong>ление<br />
сило<strong>в</strong>ого дросселя, <strong>в</strong>ключенного<br />
<strong>в</strong> диагональ преобразо<strong>в</strong>ателя последо<strong>в</strong>ательно<br />
с сило<strong>в</strong>ым трансформатором, что поз<strong>в</strong>оляет<br />
регулиро<strong>в</strong>ать <strong>в</strong>ыходную мощность.<br />
В этом случае наименьшему значению <strong>в</strong>ыходной<br />
мощности соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует наибольшая частота,<br />
а наибольшему значению — наименьшая<br />
частота. Коэффициент заполнения упра<strong>в</strong>ляющих<br />
импульсо<strong>в</strong> <strong>в</strong>се <strong>в</strong>ремя близок к<br />
единице, и ток диагонали носит непреры<strong>в</strong>ный<br />
характер. Осно<strong>в</strong>ным недостатком такого способа<br />
упра<strong>в</strong>ления я<strong>в</strong>ляется большая кратность<br />
изменения частоты для обеспечения широкого<br />
диапазона регулиро<strong>в</strong>ания токо<strong>в</strong> нагрузки.<br />
На данный момент на биполярных транзисторах<br />
произ<strong>в</strong>одится один с<strong>в</strong>арочный аппарат<br />
«Форсаж-125» с <strong>в</strong>ыходным током 140 А. В преобразо<strong>в</strong>ателе<br />
организо<strong>в</strong>ано пропорционально-токо<strong>в</strong>ое<br />
упра<strong>в</strong>ление транзисторами, обеспечи<strong>в</strong>ающее<br />
их надежное насыщение и минимизацию<br />
потерь упра<strong>в</strong>ления. Низкое<br />
напряжение насыщения и формиро<strong>в</strong>ание траектории<br />
переключения поз<strong>в</strong>оляет получить<br />
малые потери на сило<strong>в</strong>ых транзисторах.<br />
В последнее <strong>в</strong>ремя произошло резкое сокращение<br />
числа произ<strong>в</strong>одителей биполярных транзисторо<strong>в</strong><br />
при одно<strong>в</strong>ременном у<strong>в</strong>еличении номенклатуры<br />
IGBT- и МОП-транзисторо<strong>в</strong>. Все<br />
остальные модели с<strong>в</strong>арочных аппарато<strong>в</strong> <strong>в</strong>ыполнены<br />
на IGBT-транзисторах, но с сохранением<br />
частотного способа упра<strong>в</strong>ления. Предста<strong>в</strong>ляется<br />
целесообразным рассмотреть <strong>в</strong>озможность<br />
применения ESBT-транзисторо<strong>в</strong> (биполярных<br />
транзисторо<strong>в</strong> с коммутацией по эмиттеру), раз<strong>в</strong>и<strong>в</strong>аемых<br />
фирмой STMicroelectronics.<br />
При использо<strong>в</strong>ании <strong>в</strong>торого способа регулиро<strong>в</strong>ания<br />
частота работы преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
остается постоянной. Регулиро<strong>в</strong>ание мощности<br />
осущест<strong>в</strong>ляется за счет широтно-импульсной<br />
модуляции, при этом <strong>в</strong> паузе импульсо<strong>в</strong><br />
упра<strong>в</strong>ления обеспечи<strong>в</strong>ается закорачи<strong>в</strong>ание диагонали<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя. Разно<strong>в</strong>идностью построения<br />
мосто<strong>в</strong>ого преобразо<strong>в</strong>ателя с таким<br />
упра<strong>в</strong>лением я<strong>в</strong>ляется преобразо<strong>в</strong>атель с фазоразностным<br />
регулиро<strong>в</strong>анием (phase-shift<br />
PWM), работа которого подробно рассмотрена<br />
<strong>в</strong> [2]. Режим ZVS при <strong>в</strong>ыключении сило<strong>в</strong>ых<br />
ключей обеспечи<strong>в</strong>ается емкостями, подключенными<br />
параллельно ключам. В одной стойке<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя перезаряд этих емкостей<br />
идет за счет энергии, накопленной и <strong>в</strong> дросселе<br />
переменного тока L1 (рис. 3), и <strong>в</strong> <strong>в</strong>ыходном<br />
дросселе преобразо<strong>в</strong>ателя L2. В другой стойке<br />
перезаряд идет практически только за счет<br />
энергии дросселя переменного тока L1. Энергия,<br />
накапли<strong>в</strong>аемая <strong>в</strong> дросселе переменного<br />
тока, значительно меньше энергии <strong>в</strong>ыходного<br />
дросселя. Поэтому при уменьшении тока<br />
нагрузки наступает момент, когда этой энергии<br />
недостаточно для полного перезаряда емкостей<br />
на этапе запирания сило<strong>в</strong>ого ключа.<br />
В этом случае последующее откры<strong>в</strong>ание <strong>в</strong>торого<br />
ключа этой стойки при<strong>в</strong>одит к дозарядке<br />
конденсаторо<strong>в</strong> через этот ключ, <strong>в</strong>ызы<strong>в</strong>ая<br />
динамические потери на <strong>в</strong>ключение. Это ограничи<strong>в</strong>ает<br />
минимальную мощность, при которой<br />
сущест<strong>в</strong>ует режим ZVS. В [3], [4] рассмотрены<br />
несколько разных <strong>в</strong>арианто<strong>в</strong>, поз<strong>в</strong>оляющих<br />
сущест<strong>в</strong>енно расширить диапазон<br />
<strong>в</strong>ыходных мощностей при сохранении режима<br />
ZVS.<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя закончены разработки<br />
транзисторных с<strong>в</strong>арочных ин<strong>в</strong>ерторо<strong>в</strong> на токи<br />
300 и 500 А (<strong>в</strong>ыходная мощность 10 и 20 кВт),<br />
построенных с упра<strong>в</strong>лением по принципу<br />
фазоразностной широтно-импульсной модуляции.<br />
В сило<strong>в</strong>ом преобразо<strong>в</strong>ателе применены оригинальные<br />
схемотехнические решения, поз<strong>в</strong>оли<strong>в</strong>шие<br />
сохранять режим ZVS <strong>в</strong>о <strong>в</strong>сем диапазоне<br />
нагрузок начиная с холостого хода.<br />
Сило<strong>в</strong>ой преобразо<strong>в</strong>атель 500А аппарата <strong>в</strong>ыполнен<br />
на IGBT-модулях. При макетиро<strong>в</strong>ании<br />
были испробо<strong>в</strong>аны как полномосто<strong>в</strong>ые, так<br />
и полумосто<strong>в</strong>ые модули различных произ<strong>в</strong>одителей<br />
(Eupec, Semikron, Microsemi (APT),<br />
Mitsubishi). Про<strong>в</strong>едены исследо<strong>в</strong>ания уменьшения<br />
потерь <strong>в</strong>ыключения для режима ZVS<br />
при использо<strong>в</strong>ании разных типо<strong>в</strong> IGBT-транзисторо<strong>в</strong><br />
для различных значений токо<strong>в</strong> и номинало<strong>в</strong><br />
емкостей, подключенных параллельно<br />
транзистору. Для упра<strong>в</strong>ления сило<strong>в</strong>ыми<br />
модулями применены гото<strong>в</strong>ые драй<strong>в</strong>еры<br />
упра<strong>в</strong>ления фирм Concept и Infineon. IGBT,<br />
<strong>в</strong>ыполненные по разным технологиям (PT,<br />
NPT, LPT и т. д.) и разными произ<strong>в</strong>одителями,<br />
имеют разную эффекти<strong>в</strong>ность при использо<strong>в</strong>ании<br />
режима ZVS при <strong>в</strong>ыключении транзистора<br />
[5]. Особенностью <strong>в</strong>ыключения IGBT<br />
я<strong>в</strong>ляется наличие «х<strong>в</strong>осто<strong>в</strong>ого» тока (“tail” current),<br />
на который может приходиться значительная<br />
доля потерь <strong>в</strong>ыключения (E off ). У некоторых<br />
IGBT наблюдается у<strong>в</strong>еличение <strong>в</strong>ремени<br />
протекания х<strong>в</strong>осто<strong>в</strong>ого тока при<br />
уменьшении скорости нарастания напряжения<br />
коллектор – эмиттер. Это при<strong>в</strong>одит практически<br />
к не<strong>в</strong>озможности точного аналитического<br />
расчета потерь <strong>в</strong>ыключения и требует<br />
прямых измерений мгно<strong>в</strong>енных значений<br />
напряжений и токо<strong>в</strong> транзистора. В [6] при<strong>в</strong>едены<br />
графики за<strong>в</strong>исимости энергии потерь<br />
<strong>в</strong>ыключения IGBT-модуля APTLGF75U120T<br />
для жесткого режима и режима ZVS при <strong>в</strong>ели-<br />
117
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
С<strong>в</strong>арочное оборудо<strong>в</strong>ание<br />
а<br />
а<br />
б<br />
б<br />
Рис. 4. Графики мгно<strong>в</strong>енных значений тока, напряжения (а)<br />
и мощности (б) сило<strong>в</strong>ого ключа <strong>в</strong> режиме жесткого переключения<br />
Рис. 5. Графики мгно<strong>в</strong>енных значений тока, напряжения (а)<br />
и мощности (б) сило<strong>в</strong>ого ключа <strong>в</strong> режиме жесткого переключения<br />
чине емкостей, подключенных между коллектором<br />
и эмиттером, <strong>в</strong> 10 нФ. При токе <strong>в</strong>ыключения<br />
80 А, напряжении питания 600 В и температуре<br />
кристалла 125 °С энергия потерь <strong>в</strong>ыключения<br />
<strong>в</strong> жестком режиме соста<strong>в</strong>ляет 6,7 мДж,<br />
<strong>в</strong> режиме ZVS — 1,4 мДж. Про<strong>в</strong>еденные нами<br />
измерения показы<strong>в</strong>ают, что наибольший <strong>в</strong>ыигрыш<br />
получается при использо<strong>в</strong>ании быстрых<br />
IGBT, <strong>в</strong>ыполненных по PT-технологии.<br />
На рис. 4а, б при<strong>в</strong>едены графики мгно<strong>в</strong>енных<br />
значений напряжения коллектор – эмиттер,<br />
тока коллектора и мощности для жесткого переключения,<br />
на рис. 5а, б — для режима ZVS,<br />
снятые для сило<strong>в</strong>ого модуля APTGF150H120G<br />
при <strong>в</strong>еличине емкости формиро<strong>в</strong>ания переключения<br />
20 нФ.<br />
Как <strong>в</strong>идно из графико<strong>в</strong>, при использо<strong>в</strong>ании<br />
режима ZVS происходит не только уменьшение<br />
общей энергии потерь <strong>в</strong>ыключения, но и сущест<strong>в</strong>енное<br />
уменьшение пико<strong>в</strong>ой мгно<strong>в</strong>енной<br />
мощности (почти <strong>в</strong> 5 раз), что по<strong>в</strong>ышает надежность<br />
работы сило<strong>в</strong>ого транзистора.<br />
Вопрос построения системы упра<strong>в</strong>ления с<strong>в</strong>арочным<br />
ин<strong>в</strong>ертором целесообразно рассматри<strong>в</strong>ать<br />
отдельно.<br />
Положение рабочей точки дуги на ВАХ<br />
по ГОСТ Р МЭК 60974–1–2004 определяется<br />
<strong>в</strong>ыражениями (рис. 1 и 2 — штрихпунктирная<br />
линия):<br />
U Д = 0,04I Д + 20 В — для ручной дуго<strong>в</strong>ой с<strong>в</strong>арки;<br />
U Д = 0,05I Д + 14 В — для с<strong>в</strong>арки MIG/MAG;<br />
U <strong>в</strong>ых = 0,04I <strong>в</strong>ых + 10 — для с<strong>в</strong>арки TIG.<br />
Предельная (участок 2–3 рис. 1) ВАХ аппарата<br />
должна лежать <strong>в</strong>ыше этой линии дуги<br />
<strong>в</strong>о <strong>в</strong>сем диапазоне токо<strong>в</strong> нагрузок при минимальном<br />
напряжении питания преобразо<strong>в</strong>ателя.<br />
Этот участок определяет значение коэффициента<br />
трансформации для осно<strong>в</strong>ной <strong>в</strong>торичной<br />
обмотки сило<strong>в</strong>ого трансформатора Т1<br />
и максимальное значение дросселя переменного<br />
тока L1 (рис. 3) и описы<strong>в</strong>ается приближенным<br />
<strong>в</strong>ыражением:<br />
I <strong>в</strong>ых ≈ [(U пит – nU <strong>в</strong>ых ) / 4L1] n T,<br />
Рис. 6. Функциональная схема упра<strong>в</strong>ления<br />
аппарата с регулиро<strong>в</strong>анием по мгно<strong>в</strong>енному<br />
значению пер<strong>в</strong>ичного тока преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
где n — коэффициент трансформации.<br />
Для получения напряжения холостого хода<br />
уро<strong>в</strong>нем не менее 70 В целесообразно <strong>в</strong><strong>в</strong>едение<br />
дополнительной обмотки (<strong>в</strong>ольтодоба<strong>в</strong>ки)<br />
с дросселем ограничения тока (участок 1–2 ВАХ).<br />
В простейших аппаратах для ручной дуго<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>арки формиро<strong>в</strong>ание участка 3–4 ВАХ<br />
с <strong>в</strong>озможностью его упра<strong>в</strong>ления достаточно<br />
просто реализуется сра<strong>в</strong>нением мгно<strong>в</strong>енного<br />
тока на пер<strong>в</strong>ичной стороне преобразо<strong>в</strong>ателя<br />
с регулируемым порого<strong>в</strong>ым значением (рис. 6).<br />
Изменение наклона ВАХ можно получать<br />
за счет суммиро<strong>в</strong>ания мгно<strong>в</strong>енного тока с пилообразным<br />
напряжением. В этом случае у<strong>в</strong>еличение<br />
амплитуды пилообразного напряжения<br />
снижает общий коэффициент усиления<br />
системы и уменьшает наклон ВАХ.<br />
Для режима MIG/MAG и получения «жесткой»<br />
характеристики (рис. 2а) <strong>в</strong> простейшем<br />
случае используется обратная с<strong>в</strong>язь только<br />
по <strong>в</strong>ыходному напряжению (рис. 7). При этом<br />
уменьшение коэффициента усиления усилителя<br />
рассогласо<strong>в</strong>ания будет при<strong>в</strong>одить к у<strong>в</strong>еличению<br />
наклона (уменьшению «жесткости»)<br />
ВАХ. По такому принципу сделан с<strong>в</strong>арочный<br />
ин<strong>в</strong>ертор для полуа<strong>в</strong>томатической с<strong>в</strong>арки<br />
«Форсаж-315».<br />
Рис. 7. Функциональная схема упра<strong>в</strong>ления<br />
аппарата с обратной с<strong>в</strong>язью по <strong>в</strong>ыходному<br />
напряжению<br />
В этом случае наклон ВАХ находится <strong>в</strong> обратно-пропорциональной<br />
за<strong>в</strong>исимости от коэффициента<br />
усиления K усил усилителя сигнала<br />
рассогласо<strong>в</strong>ания. Операти<strong>в</strong>ная регулиро<strong>в</strong>ка<br />
наклона ВАХ при<strong>в</strong>одит к одно<strong>в</strong>ременному<br />
изменению устано<strong>в</strong>ленного значения U <strong>в</strong>ых .<br />
Осно<strong>в</strong>ной недостаток такого способа заключается<br />
<strong>в</strong> том, что приходится очень тщательно<br />
проектиро<strong>в</strong>ать тракт передачи напряжения<br />
ошибки, исходя из по<strong>в</strong>торяемости и долго<strong>в</strong>ременной<br />
стабильности K усил . Например, применять<br />
галь<strong>в</strong>аническую раз<strong>в</strong>язку при помощи<br />
оптопар нельзя, поскольку их коэффициент<br />
118 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 3’2008<br />
С<strong>в</strong>арочное оборудо<strong>в</strong>ание<br />
передачи может уменьшаться до д<strong>в</strong>ух раз <strong>в</strong> течение<br />
пер<strong>в</strong>ого года эксплуатации.<br />
Для аппарато<strong>в</strong> профессионального класса,<br />
требующих организации таких функций, как<br />
«горячий старт», «форсиро<strong>в</strong>ание дуги», устано<strong>в</strong>ка<br />
заданного и индикация текущего значений<br />
с<strong>в</strong>арочного тока, регулиро<strong>в</strong>ание наклона<br />
ВАХ и т. п., необходимо использо<strong>в</strong>ать д<strong>в</strong>умерную<br />
систему обратных с<strong>в</strong>язей и произ<strong>в</strong>одить<br />
непосредст<strong>в</strong>енное измерение <strong>в</strong>ыходного тока<br />
и напряжения с формиро<strong>в</strong>анием требуемого<br />
упра<strong>в</strong>ляющего напряжения (рис. 8).<br />
Рис. 8. Функциональная схема упра<strong>в</strong>ления<br />
аппарата с обратной с<strong>в</strong>язью по <strong>в</strong>ыходным<br />
напряжению и току<br />
Для такой системы напряжение ошибки будет<br />
соста<strong>в</strong>лять:<br />
ε = U опор – (К 0 U <strong>в</strong>ых + R 0 I <strong>в</strong>ых ),<br />
где R 0 — коэффициент передачи датчика <strong>в</strong>ыходного<br />
тока.<br />
При достаточно большом коэффициенте передачи<br />
системы можно считать, что ε → 0, тогда<br />
<strong>в</strong> устано<strong>в</strong>и<strong>в</strong>шемся режиме U опор = К 0 U <strong>в</strong>ых +<br />
+ R 0 I <strong>в</strong>ых и, следо<strong>в</strong>ательно, наклон <strong>в</strong>ыходной характеристики<br />
R накл = R 0 / К 0 .<br />
К сожалению, и <strong>в</strong> этой системе регулиро<strong>в</strong>ка<br />
заданного тока или напряжения и наклона<br />
ВАХ не получается неза<strong>в</strong>исимой, поэтому при<br />
операти<strong>в</strong>ной регулиро<strong>в</strong>ке параметро<strong>в</strong> приходится<br />
менять <strong>в</strong>се коэффициенты, рассчиты<strong>в</strong>ая<br />
их, например, при помощи микроконтроллера.<br />
Если использо<strong>в</strong>ать <strong>в</strong> многомерной<br />
системе з<strong>в</strong>енья с насыщением, можно получить<br />
ВАХ с изломами, например, для организации<br />
такой функции, как «форсиро<strong>в</strong>ание дуги».<br />
По такому принципу работают <strong>в</strong>се со<strong>в</strong>ременные<br />
ин<strong>в</strong>ерторы серии «Форсаж».<br />
Качест<strong>в</strong>енное формиро<strong>в</strong>ание динамических<br />
характеристик с<strong>в</strong>арочного ин<strong>в</strong>ертора предполагает<br />
знание точных регулиро<strong>в</strong>очных характеристик<br />
преобразо<strong>в</strong>ателя, которые различны<br />
для разных способо<strong>в</strong> упра<strong>в</strong>ления, поэтому<br />
общие рекомендации сформулиро<strong>в</strong>ать сложно.<br />
Однако следует заметить, что большинст<strong>в</strong>о<br />
со<strong>в</strong>ременных прогресси<strong>в</strong>ных методо<strong>в</strong> электродуго<strong>в</strong>ой<br />
с<strong>в</strong>арки предполагают упра<strong>в</strong>ление<br />
переносом металла и при проектиро<strong>в</strong>ании<br />
аппарато<strong>в</strong> промышленного применения разработчик<br />
должен обеспечи<strong>в</strong>ать упра<strong>в</strong>ляемость<br />
динамических характеристик ин<strong>в</strong>ертора.<br />
В с<strong>в</strong>язи с этим на со<strong>в</strong>ременном этапе<br />
раз<strong>в</strong>ития цифро<strong>в</strong>ой микросхемотехники<br />
предста<strong>в</strong>ляется разумным построение систем<br />
упра<strong>в</strong>ления преобразо<strong>в</strong>ателем, а <strong>в</strong>озможно,<br />
и с<strong>в</strong>арочного ин<strong>в</strong>ертора полностью на осно<strong>в</strong>е<br />
специализиро<strong>в</strong>анных цифро<strong>в</strong>ых сигнальных<br />
контроллеро<strong>в</strong>.<br />
Следует отметить, что задача создания со<strong>в</strong>ременного<br />
с<strong>в</strong>арочного оборудо<strong>в</strong>ания для<br />
электродуго<strong>в</strong>ой с<strong>в</strong>арки требует знаний<br />
не только <strong>в</strong> области сило<strong>в</strong>ой электроники<br />
и микропроцессорной техники, но и знания<br />
физических процессо<strong>в</strong>, протекающих <strong>в</strong> электрической<br />
дуге. Это требует обязательного<br />
при<strong>в</strong>лечения специалисто<strong>в</strong> <strong>в</strong> области технологии<br />
с<strong>в</strong>арки.<br />
Литература<br />
1. Бардин А. И., Мишаче<strong>в</strong> А. П., Романо<strong>в</strong> А. В.<br />
Патент РФ №2018424. Источник питания с<strong>в</strong>арочной<br />
дуги постоянного тока. БИ № 16. 1994.<br />
2. Improving the Full-bridge Phase-shift ZVT<br />
Converter for Failure-free Operation<br />
Under Extreme Conditions in Welding and Similar<br />
Applications. Hubert Aigner – Fronius<br />
Schweissmaschinen KG A-4600 Wels-Thalheim,<br />
Austria, Kenneth – Dierberger Advanced Power<br />
Technology Inc Bend, Oregon 97702 USA,<br />
Denis Grafham – Advanced Power Technology<br />
Inc, B-1330 Rixensart, Belgium, 1998 г. АРТ.<br />
3. A New ZVS-PWM Full-Bridge Converter<br />
Yungtaek Jang and Milan M. Jovanović: Delta<br />
Products Corporation, Power Electronics<br />
Laboratory, Research Triangle Park, NC 27709,<br />
U.S.A., 2004.<br />
4. A New PWM ZVS Full-Bridge Converter<br />
Yungtaek Jang and Milan M. Jovanović, Power<br />
Electronics Laboratory, Delta Products<br />
Corporation, P. O. Box 12173, 5101 Davis Drive,<br />
Research Triangle Park, NC 27709, 2006.<br />
5. Рекомендации по применению сило<strong>в</strong>ых полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых<br />
приборо<strong>в</strong>. Приложение<br />
на сайте www.semikron.com<br />
6. APTLGF75U120T. Data sheet.<br />
www.power-e.ru<br />
119
Change language