Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор)
Описаны наиболее распространенные схемы транзисторных источников питания электрической дуги. Рассмотрены особенности параллельной работы транзисторов, способы защиты от перенапряжений и формирования траектории переключения, современные драйверы, конструкции высокочастотных трансформаторов, корректор...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101279 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) / А.В. Лебедев // Автоматическая сварка. — 2012. — № 9 (713). — С. 34-40. — Бібліогр.: 40 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859585547585978368 |
|---|---|
| author | Лебедев, А.В. |
| author_facet | Лебедев, А.В. |
| citation_txt | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) / А.В. Лебедев // Автоматическая сварка. — 2012. — № 9 (713). — С. 34-40. — Бібліогр.: 40 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Описаны наиболее распространенные схемы транзисторных источников питания электрической дуги. Рассмотрены особенности параллельной работы транзисторов, способы защиты от перенапряжений и формирования траектории переключения, современные драйверы, конструкции высокочастотных трансформаторов, корректоры мощности, системы управления плавлением и переносом электродного металла.
The paper describes the most widely accepted schematics of electric arc transistor power sources. Features of parallel operation of transistors, methods of overvoltage protection and switching path formation, modern drivers, designs of high-frequency transformers, power correctors, systems of control of electrode metal melting and transfer are considered.
|
| first_indexed | 2025-11-27T09:17:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.75.037:621.311.6
ТРАНЗИСТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ (ОБЗОР)
А. В. ЛЕБЕДЕВ, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Описаны наиболее распространенные схемы транзисторных источников питания электрической дуги. Рассмотрены
особенности параллельной работы транзисторов, способы защиты от перенапряжений и формирования траектории
переключения, современные драйверы, конструкции высокочастотных трансформаторов, корректоры мощности,
системы управления плавлением и переносом электродного металла.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электродуговая сварка, источник
питания, транзистор, трансформатор, система управле-
ния, плавление и перенос металла
Ведущие производители сварочного оборудования
в основном изготавливают источники питания для
электродуговой сварки транзисторного типа. Тирис-
торные выпрямители и выпрямители со ступенча-
тым переключением напряжения выпускаются в
небольших количествах. Транзисторные источни-
ки имеют небольшую массу и габариты, высокую
точность регулирования и быстродействие. Прос-
тейшим транзисторным источником является ис-
точник на основе импульсного регулятора (чоп-
пера) (рис. 1). По сравнению с инверторными
источниками транзисторы работают при сущес-
твенно меньших напряжениях без сквозных то-
ков, схема управления намного проще, отсутс-
твует высокочастотный трансформатор. Чопперные
источники генерируют относительно небольшие по-
мехи и мало искажают напряжение сети, коэффи-
циент мощности близок к 1. Недостатком является
большая масса. Чопперный источник Origo Mig
4002с ( ESAB) на 400 А имеет массу 139 кг. Мас-
са инверторного источника Origo Mig 4001i на
такой же ток равна 43,5 кг. Один из первых тран-
зисторных чопперных источников, выполненный в
Украине в 1972 г. в Институте электродинамики
по заказу Института электросварки им. Е. О. Патона,
был предназначен для сварки в космосе плавящимся
электродом. Максимальный ток составлял 300 А,
питание 27 В от бортовой сети космического ко-
рабля. В 1980-х годах Институт электродинамики
разработал чопперные источники на 500 А для
многопостовой полуавтоматической сварки в су-
достроении [1]. Для исследования переноса ме-
талла при сварке плавящимся электродом был из-
готовлен источник на 1000 А, который снижал
потери металла на разбрызгивание до 0,5 % при
сварке в углекислом газе [2, 3].
Использование в чоппере двух транзисторов
и высокочастотного трансформатора дает возмож-
ность отказаться от сетевого трансформатора
(рис. 2). Другие названия такой схемы — одно-
тактный преобразователь, асимметричный мост,
«косой» мост [4–6]. Использование такой схемы
устраняет причины, вызывающие сквозные токи
и несимметричное намагничивание высокочастот-
ного трансформатора. Поэтому в начальный пе-
риод развития инверторных источников «косые»
мосты были очень популярны. Сейчас значитель-
ная доля источников выполняется по этой схеме.
Уменьшение пульсаций выходного напряжения и
повышение мощности достигается работой двух
«косых» мостов на одну нагрузку (рис. 3). Не-
достаток «косого» моста — увеличенная в два
раза масса высокочастотного трансформатора —
устраняет полумостовая схема (рис. 4). Такая схе-
ма наиболее часто применяется в источниках
мощностью несколько киловатт и сетевым нап-
ряжением 220 В. Однако в ней существует воз-
можность прохождения сквозного тока через
транзисторы, что может вывести инвертор из
строя. Другим недостатком является увеличенная
© А. В. Лебедев, 2012
Рис. 1. Схема понижающего импульсного регулятора (чоп-
пера)
Рис. 2. Схема асимметричного («косого») моста
34 9/2012
в два раза токовая нагрузка на транзисторы по
сравнению с мостовой схемой (рис. 5). В Инсти-
туте электродинамики опытный образец мостово-
го сварочного инвертора с питанием от сети 380 В
был выполнен в 1982 г. Отсутствие в то время
надежно работающих транзисторов на напряже-
ния более 600 В не позволило внедрить его в се-
рийное производство. Эта проблема полностью
не решена даже сейчас. Максимально допустимый
ток наиболее популярных IGBT транзисторов при
температуре корпуса 25 °С 50 А. С повышением
температуры до 100 °С ток заметно падает. Для
надежной работы транзисторов их необходимо
загружать не более чем на 3050 % от макси-
мально допустимого тока. Поэтому даже в источ-
никах с питанием от напряжения 220 В и свароч-
ным током 120 А часто используют параллельное
включение транзисторов, которое начали исполь-
зовать еще в 1950-е годы [7]. Надежность такого
соединения может быть меньше, чем надежность
одного транзистора, так как возрастает количество
полупроводниковых кристаллов и паек. Чтобы не
уменьшать, а увеличить надежность параллельно-
го соединения, в Институте электродинамики был
предложен способ глубокого резервирования. В
начале 1960-х годов с использованием этого спо-
соба был выполнен транзисторный коммутатор
на ток 100 А [8]. Параллельно было соединено
1000 (тысяча!) германиевых транзисторов, каж-
дый из которых имел максимально допустимый
ток 0,4 А. Транзисторы проходили предваритель-
ную сортировку по падению напряжения. Соеди-
няли параллельно транзисторы с одинаковым па-
дением напряжения, что уменьшало разброс тока
между транзисторами. Кроме того, в цепь эмит-
тера и базы каждого транзистора включали пре-
дохранители. Отказ транзистора вызывал сгора-
ние предохранителей и его отключение. Ток, ко-
торый коммутировал отказавший транзистор, пе-
рераспределялся между оставшимися транзисто-
рами. Так как все транзисторы даже в случае ком-
мутирования максимального тока работали су-
щественно недогруженные, то увеличение тока на
1/1000 не снижало надежности работы. Теорети-
ческие исследования и эксперименты подтверди-
ли высокую надежность такого соединения. В сов-
ременных сварочных источниках способ глубо-
кого резервирования не используется, поэтому от-
каз одного транзистора может вывести источник
из строя.
При конструировании высокочастотных сило-
вых трансформаторов необходимо решить две ос-
новные проблемы: получить минимальную индук-
тивность рассеяния и принять меры по устране-
нию влияния поверхностного эффекта в провод-
никах. Индуктивность рассеяния вызывает паузы
в выпрямленном напряжении, которые снижают
эффективность источника [9]. Наиболее простой
способ борьбы с индуктивностью рассеяния —
использовать ее как индуктивность в резонансном
источнике питания. В остальных случаях следует
уменьшать индуктивность путем минимизации
расстояния между обмотками и их секциониро-
ванием. В современных источниках используется
частота от 20 до 80 кГц. Магнитопроводы тран-
сформаторов изготавливают из феррита. Глубина
проникновения тока в проводник на таких часто-
тах составляет от 0,5 до 0,34 мм. Поэтому имеет
смысл использовать провода с поперечными раз-
мерами не более 12 мм. В источниках мощ-
ностью несколько киловатт токи относительно не-
большие, поэтому первичная обмотка мотается
проводом круглого сечения. Во вторичной обмот-
ке используется параллельное соединение прово-
дов круглого или прямоугольного сечения [6, 10,
11]. Другим вариантом уменьшения влияния по-
верхностного эффекта является применение в ка-
честве проводников литцендрата, который можно
заменить одновременной намоткой параллельны-
ми проводниками. В трансформаторах большей
мощности первичная обмотка мотается провод-
ником прямоугольного сечения. Вторичная об-
мотка может быть изготовлена из медной изоли-
Рис. 3. Схема источника питания, состоящая из двух асиммет-
ричных мостов
Рис. 4. Схема полумостового инвертора
Рис. 5. Схема мостового инвертора
9/2012 35
рованной ленты с толщиной, равной удвоенной
глубине проникновения тока и шириной, закры-
вающей всю первичную обмотку. По такой кон-
струкции был сделан в 1982 г. для инверторного
источника питания трансформатор броневого ти-
па мощностью 15 кВт (ПВ = 100 %) массой 1 кг.
Современные источники питания в основном
используют броневые трансформаторы как наи-
более технологичные, реже стержневые и коль-
цевые, хотя они уменьшают индуктивность рас-
сеяния и улучшают условия охлаждения. Еще
реже применяют наиболее технологичные ка-
бельные трансформаторы. Для источника мощ-
ностью 3 кВт магнитопровод кабельного тран-
сформатора состоит из нескольких ферритовых
колец с площадью поперечного сечения 8 см2,
обмотками w1 = 12 и w2 = 2 витка [12, 13].
В современных источниках питания в основ-
ном используют IGBT транзисторы. Полевые
транзисторы применяют намного реже. При па-
раллельном соединении IGBT транзисторов тран-
зистор, имеющий меньшее напряжение насыще-
ния, пропускает больший ток и больше нагрева-
ется [14, 15]. Наибольшее влияние на надежность
соединения оказывает знак температурного коэф-
фициента напряжения насыщения (ТКНН). Если
ТКНН имеет положительное значение, то в тран-
зисторе с большим током увеличивается темпе-
ратура, падение напряжения возрастает, что при-
водит к уменьшению тока. Если ТКНН имеет от-
рицательное значение, то транзистор с большим
током больше нагревается, падение напряжения
на нем уменьшается, что приводит к еще большей
нагрузке по току и дальнейшему нагреву. В IGBT
транзисторах знак ТКНН зависит от тока. Нап-
ример, для транзисторов типа GA100TS60SQ при
небольших токах ТКНН отрицательный, а при
больших — положительный [15]. Существует нес-
колько факторов, способствующих выравниванию
токов между параллельно соединенными транзис-
торами [16]. Первый фактор — транзисторы дол-
жны иметь одинаковую температуру, что дости-
гается установкой их на одном радиаторе. В этом
случае температуры кристаллов отличаются нез-
начительно, что способствует снижению дисба-
ланса токов. Повышение общего тока (второй фак-
тор) вызывает увеличение падения напряжения на
всех транзисторах, что способствует еще более
равномерному распределению [15]. Третий фак-
тор — соединение предварительно подобранных
транзисторов с одинаковыми падениями напря-
жения. Этим достигается разница в токах меньше
5 % [17, 18]. Если не подбирать транзисторы, то
с увеличением их количества возрастает нерав-
номерность распределения токов, которая в конце
концов приведет к выходу из строя одного из
них. В источниках питания соединяют параллель-
но также диоды выпрямителя сварочного тока.
Для уменьшения токов дисбаланса следует ис-
пользовать диоды с одинаковым падением нап-
ряжения [18].
Кроме неравномерного распределения токов, в
статике существует неравномерное распределение
токов в динамике. Это вызвано разными временами
включения и выключения транзисторов и порого-
выми напряжениями отпирания. Подбор транзис-
торов по одинаковым динамическим характеристи-
кам практически не применяется. Поэтому для
уменьшения дисбаланса токов в динамике целесо-
образно в цепь управления каждого транзистора
включать сопротивление [18]. Неравномерность
распределения токов при переключении транзисто-
ров вызывается индуктивностями соединительных
проводников [19]. Применение IGBT модулей сни-
мает с разработчика задачу уменьшения неравно-
мерного распределения токов между дискретными
транзисторами и диодами [20].
Управление выходным напряжением источни-
ка питания возможно несколькими способами.
Первый — изменение напряжения питания ин-
вертора, например, с помощью чоппера. Второй
способ — использование регулируемого свароч-
ного выпрямителя выходного напряжения. Тре-
тий, наиболее часто используемый способ, регу-
лирование инвертора [21]. Регулирование возмож-
но широтно-импульсной модуляцией (ШИМ),
ШИМ с регулируемым фазовым сдвигом (ШИМ-
ФС), изменением частоты (ЧИМ) или комбинаци-
ями способов. Наиболее простой и часто исполь-
зуемый способ — это ШИМ. В мостовом инверторе
при ШИМ транзисторы плеча коммутируются од-
новременно. Если транзисторы плеча коммутиро-
вать с временным сдвигом (ШИМ-ФС), то можно
снизить динамические потери и помехи. При ЧИМ
возможно изменение длительности импульса при
постоянной длительности паузы или ее изменении
при постоянной длительности импульса. Частотный
способ чаще всего применяется в бюджетных и са-
модельных источниках [6, 11].
На надежность источника и энергетическую
эффективность большое влияние оказывают про-
цессы переключения транзисторов. В моменты пе-
реключения в кристалле транзистора выделяется
большая мощность, вызывающая ускоренное ста-
рение кристаллов. Применение цепочек из кон-
денсаторов, диодов и резисторов (снабберы) поз-
воляет в моменты переключения перевести ток
транзистора на конденсатор [21, 22]. В перерывах
между коммутациями энергия, запасенная в кон-
денсаторе, рассеивается в сопротивлении, увели-
чивая температуру внутри источника. При неболь-
ших паузах между коммутациями конденсатор не
успевает разрядиться, эффективность снаббера
снижается. Более сложные цепочки с дополни-
тельной индуктивностью обеспечивают возврат
энергии [4, 5, 21]. Эффективно действующие снаб-
36 9/2012
беры достаточно громоздки. Наиболее простым
способом улучшения условий переключения тран-
зисторов и повышения безопасности их работы
является отключение напряжения питания от ин-
вертора в моменты коммутации дополнительным
транзистором. Современные IGBT транзисторы
могут кратковременно пропускать максимально
допустимый ток при максимально допустимом па-
дении напряжения на них. Поэтому во многих
источниках не используются специальные уст-
ройства для формирования траектории переклю-
чения транзисторов. Часто обходятся применени-
ем одного высокочастотного конденсатора по пи-
танию инвертора, расположенного максимально
близко к транзисторам.
Напряжение на транзисторе, даже кратковре-
менно, не должно превышать максимально до-
пустимого значения. Коммутационные перенап-
ряжения, вызванные индуктивностью проводов,
могут достигать сотен вольт. Уменьшение пере-
напряжений достигается снижением площади
контура протекания тока внутри инвертора [20,
21, 23]. Ограничение коммутационных перенап-
ряжений осуществляется также конструировани-
ем контуров с минимальной площадью. Приме-
нение транзисторно-диодных модулей уменьшает
перенапряжения.
Еще одним способом снижения динамических
потерь и перенапряжений является применение
резонансных инверторов, в которых переключе-
ние транзисторов происходит при нулевом токе
или напряжении [5, 6, 21, 24–27]. Чаще всего пер-
вичная обмотка высокочастотного трансформато-
ра включается последовательно с конденсатором
C и индуктивностью L. В этом случае переклю-
чение транзисторов происходит при нулевом токе.
Конденсатор также устраняет постоянную состав-
ляющую тока намагничивания. Схемы с парал-
лельным включением С, L и первичной обмотки
применяют реже. Инвертор должен обеспечивать
широкий диапазон регулирования напряжения и
тока при изменении нагрузки в диапазоне от ко-
роткого замыкания до холостого хода. В таких
условиях тяжело обеспечить коммутацию тран-
зисторов без тока во всех режимах. Поэтому в
некоторых случаях динамические потери резонан-
сного инвертора могут превышать потери в обыч-
ных инверторах. Наиболее часто резонансные ин-
верторы применяют в источниках с питанием от
сети 220 В. Ток регулируется частотным методом.
Переключение транзисторов при нулевом токе про-
исходит при максимальном сварочном токе и ми-
нимальной частоте. При возрастании частоты им-
педанс контура возрастает, сварочный ток умень-
шается. Напряжение на конденсаторе во время ре-
зонанса может достигать нескольких киловольт [6,
11]. Исследование и проектирование резонансного
инвертора аналитическими методами — сложная
задача, более удобно моделировать его с помощью
пакетов MatLab, MicroCap и др. [26].
Ток, потребляемый из сети сварочным инвер-
тором, имеет импульсную составляющую, обус-
ловленную зарядом входного конденсатора. Осо-
бенно существены импульсные токи при питании
от однофазной сети. Это увеличивает среднеквад-
ратичное значение потребляемого тока и искажает
напряжение сети. Применение корректоров коэф-
фициента мощности (ККМ) уменьшает среднек-
вадратичный ток, позволяет увеличить сварочный
ток при той же нагрузке на сеть. Это особенно
актуально для источников питания, подключен-
ных к маломощной сети [4]. Достаточно простой
и эффективно работающий ККМ можно пост-
роить на схеме преобразователя с повышением
напряжения (рис. 6). Выходное напряжение ККМ
равно 400 В, что позволяет применить коэффи-
циент трансформации 5/1 и уменьшить ток тран-
зисторов. Такую же схему можно применить при
питании от трехфазной сети. Дальнейшее умень-
шение искажений сети требует более сложных ал-
горитмов управления и схем [4, 28]. Корректоры
мощности усложняют в целом источник питании
и повышают стоимость. Поэтому, несмотря на
преимущества, они применяются редко.
Для хорошего зажигания дуги и предотвраще-
ния ее обрывов напряжение холостого хода ис-
точника должно быть 6080 В. Напряжение на
дуге на токе 200 А не превышает 24 В. Если при-
менять коэффициент трансформации трансформа-
тора, обеспечивающий плавное регулирование
напряжения в диапазоне от 0 до 80 В, то тран-
зисторы в рабочем режиме будут пропускать уве-
личенный ток короткими импульсами. Это повы-
шает потери энергии и вынуждает использовать
транзисторы с большим допустимым током. По-
этому выгодно применять трансформаторы, мак-
симальное вторичное напряжение которых равно
номинальному напряжению дуги, а для повыше-
ния напряжения холостого хода применять до-
полнительный, маломощный источник питания с
крутопадающей характеристикой. Для того чтобы
не использовать отдельный инвертор, повышен-
ное напряжение для маломощного выпрямителя
можно получить от дополнительной обмотки ос-
новного трансформатора. Другим способом явля-
Рис. 6. Схема источника питания с ККМ
9/2012 37
ется применение умножителя вторичного напря-
жения [6]. Дежурный ток в дуге будет поддер-
живаться все время, что снижает требования к
индуктивности сглаживающего дросселя.
Транзисторы и диоды выходят из строя даже
при кратковременном превышении напряжения
выше предельных значений. Поэтому крайне важ-
но обеспечить быстродействующую защиту от пе-
ренапряжений. Перенапряжения возникают во
время коммутационных процессов в самом ин-
верторе, при обрывах дуги или могут приходить
из питающей сети. Перенапряжения сглаживают-
ся с помощью демпфирующих цепочек, макси-
мальное значение ограничивается стабисторами
[21]. Наиболее часто стабисторами защищается
затвор транзистора, так как из-за емкости между
затвором и коллектором напряжение при комму-
тации может неконтролируемо возрасти. Стабис-
торы увеличивают емкость цепи управления, что
может вызвать высокочастотную генерацию. Су-
щественно реже стабисторы защищают выводы
коллектор–эмиттер, хотя это повышает надеж-
ность. Достаточно часто RC цепочками и стабис-
торами защищают диоды выпрямителя сварочно-
го тока [4, 6, 12]. При подключении напряжения
сети происходит заряд конденсаторов питания ин-
вертора. Для предотвращения кратковременного
увеличения тока, который может вывести из строя
диоды входного выпрямителя, последовательно
включается резистор, который после заряда кон-
денсаторов шунтируется контактами реле. Такая
схема применяется практически во всех однофаз-
ных источниках питания.
Кроме перенапряжений, для транзистора опас-
но превышение тока, температуры, работа в ак-
тивном режиме, высокочастотные генерации. Це-
лесообразно возложить часть защиты от таких
опасных воздействий на драйверы, которые могут
быть выполнены в виде одной микросхемы или
в гибридном исполнении. Последний тип отлича-
ется большими функциональными возможностя-
ми [29]. В одном корпусе микросхемы могут со-
держаться драйверы для управления верхним и
нижним плечами инвертора. Для упрощения драй-
вер верхнего плеча питается от конденсатора, за-
ряжаемого от источника питания нижнего драй-
вера при замкнутом нижнем транзисторе. Драй-
веры в гибридном исполнении часто имеют
встроенный источник питания схемы верхнего
плеча. Драйверы обеспечивают задержку между
включениями транзисторов верхнего и нижнего
плеча, устраняя сквозные токи. Для предотвра-
щения работы транзисторов в активной области
контролируется напряжение на транзисторе в от-
крытом состоянии [30]. В драйвер может быть
встроена защита от превышения током допусти-
мого значения. В качестве датчика тока может
быть использован шунт, включенный в цепь эмит-
тера нижнего транзистора или дополнительный
вывод транзистора. Более совершенные драйверы
различают мягкое и жесткое короткое замыкание.
Мягкое замыкание происходит в нагрузке, соеди-
ненной с инвертором кабелем, имеющим индук-
тивность. Жесткое происходит внутри инвертора
и намного опаснее. Драйверы определяют тип за-
мыкания, изменяя при этом алгоритм отключения.
Наиболее функционально полными являются
драйверы с использованием цифровой техно-
логии, обеспечивающие адаптацию под конкрет-
ные условия применения [31].
Инверторные источники питания дают воз-
можность управлять плавлением и переносом
электродного металла. Фирма «Lincoln Electric»
разработала способ переноса металла при сварке
в CO2 силами поверхностного натяжения (Surface
Tension Transfer). Основными его преимущества-
ми являются уменьшение разбрызгивания, ста-
бильность процесса сварки, меньшее количество
дыма. В России похожее управление применяет
«Технотрон» при сварке корневых швов трубопро-
водов [32]. Исследование переноса металла силами
поверхностного натяжения проводилось ранее в
Институте электросварки им. Е.О. Патона и Инсти-
туте электродинамики НАН Украины [2, 3, 33].
Фирма «Fronius» разработала способ управле-
ния переносом металла с торговой маркой CMT
(Cold Metal Transfer). Во время короткого замы-
кания проволока оттягивается назад, протекание
тока прекращается, капля переходит в ванну без
брызг. Уменьшается нагрев изделия и выделение
вредных веществ. Подобные работы по ускоре-
нию перехода металла с помощью пульсирующей
подачи проволоки проводили в Институте элект-
росварки им. Е. О. Патона в 1970-е годы [34]. В
CMT Advanced полярность напряжения на элек-
троде изменяется во время короткого замыкания.
Отрицательная полярность увеличивает скорость
плавления электрода. На положительной поляр-
ности обеспечивается контролируемый преци-
зионный перенос металла. Соотношения между
положительными и отрицательными полярностя-
ми определяются индивидуально [35].
Фирма «Lorch» объединила несколько алгорит-
мов управления под общей торговой маркой Speed
— «Мастер скорости» [36]. По сравнению с обыч-
ной имульсно-дуговой сваркой SpeedPulse умень-
шает диаметр капель и увеличивает их количес-
тво. Перенос металла становится похожим на
струйный. Увеличивается провар и производи-
тельность на 48 %. Технология SpeedArc пред-
назначена для сварки металла толщиной до 15 мм
в узкую разделку за один проход. Увеличенный
вылет электрода способствует предварительному
нагреву проволоки и повышению скорости плав-
ления на 30 %. Подобные исследования систем
автоматического управления при сварке с увели-
38 9/2012
ченным вылетом были начаты в 1970-е годы [37,
38]. Для полуавтоматической сварки вертикаль-
ных швов применяют технологию SpeedUp. В го-
рячей фазе горения дуги увеличенный ток расп-
лавляет материал. В холодной стадии небольшой
ток обеспечивает точное заполнение шва. Похо-
жий способ приведен в работе [39]. Там же ис-
следованы траектории движения держателя при
полуавтоматической сварке вертикальных швов и
предложены алгоритмы управления скоростью
подачей, позволяющие еще больше снизить раз-
брызгивание и увеличить производительность.
Технология SpeedRoot предназначена для сварки
корня шва с зазором шириной до 8 мм методами
MIG–MAG. Создаются управляемые колебания
сварочной ванны в направлении электрода. Пере-
нос капли в ванну происходит при коротком за-
мыкании без тока в момент движения ванны от
электрода, что уменьшает температуру металла.
Фирма «Kemppi» свои алгоритмы управления
представляет под торговой маркой Wise. Полуав-
томатическая и автоматическая сварка корня шва
с зазором выполняется технологией WiseRoot с
поперечными колебаниями электрода. Система
управления контролирует объем ванны и перио-
дически отключает подачу проволоки, давая вре-
мя металлу остыть. Технология WiseThin позво-
ляет сваривать металл толщиной до 0,6 мм.
В работе [40] показано, что колебания руки
сварщика могут накладываться на скорость дви-
жения проволоки к поверхности изделия, увели-
чивая потери металла и ухудшая формирование
шва. Стабилизировав реальную скорость подачи
проволоки в дугу, можно снизить разбрызгивание.
Особенно заметный эффект регулирования ско-
рости подачи проволоки можно получить при
сварке вертикальных швов. Такой способ управ-
ления пока не используется в серийном оборудо-
вании.
Развитие систем автоматического управления
сдерживается отсутствием углубленной инфор-
мации о сварочном процессе. Как и много лет
назад, основными сигналами обратных связей ос-
тались сварочный ток и напряжение. Напряжение
на дуге удобно измерять в корпусе источника пи-
тания. Реально в этот сигнал входят падения нап-
ряжения на индуктивностях кабелей, подводящих
ток от источника к дуге, падение напряжения в
месте контакта проволоки с наконечником. При
коротком замыкании в последней стадии разру-
шения перемычки падение напряжения не превы-
шает нескольких вольт и его быстрые изменения
заполняются помехами, имеющими близкий час-
тотный спектр. Для эффективного управления
сваркой необходимо знать мгновенные размеры
капли и ванны, их температуру, состав выделяе-
мого газа. Эту информацию можно было бы по-
лучить видеодатчиками. Высокая температура ду-
ги, разбрызгивание, портативность горелки и
сложность системы управления препятствует их
применению. Для системы управления необходи-
мо знать скорость движения проволоки к дуге.
Скорость подачи проволоки часто измеряют по
ЭДС якоря двигателя. Погрешность такого изме-
рения — десятки процентов. Реальная скорость
движения проволоки в зону горения дуги еще
больше отличается из-за упругих деформаций
проволоки в шланге, периодических остановок в
результате приваривания электрода к токоподво-
дящему наконечнику, колебаний руки сварщика.
Не зная главных параметров сварки, невозможно
сделать хорошую систему управления.
В структурной схеме системы управления ди-
намические характеристики инвертора можно
представить звеном с чистым запаздыванием Т/2,
равным половине периода выходного напряже-
ния. Микропроцессорную систему управления
также можно представить звеном с чистым запаз-
дыванием, значение которого зависит от алгорит-
ма управления и быстродействия микропроцессо-
ра. Для сглаживания пульсаций выпрямленного
напряжения используют дроссель в сварочной це-
пи. Для хорошего сглаживания пульсаций тока
постоянная времени сварочной цепи должна су-
щественно превышать T. В системе управления
используют обратные связи по току и напряже-
нию, сигналы которых также должны фильтро-
ваться с постоянными времени, намного превы-
шающими T. Поэтому суммарное время звеньев
с чистым запаздыванием и постоянных времени
структурной схемы составляет единицы милли-
секунд. Окончательная стадия разрыва перемыч-
ки между электродом и ванной проходит за еди-
ницы микросекунд [2, 33]. Хаотические движения
капли на торце электрода при сварке в активных
газах находятся в килогерцовом диапазоне час-
тот. Поэтому современные источники не в сос-
тоянии реагировать на многие быстропротекаю-
щие процессы в дуге.
Развитие транзисторных источников питания
началось в 1950-е годы с появлением кристал-
лических триодов. В советский период было
выполнено много разработок, опережавших свое
время. Сейчас они внедряются в производство ве-
дущими фирмами под различнымии торговыми
марками. По мере развития элементной базы воз-
можности источников питания будут расширять-
ся. Перспективными направлениями улучшения
являются увеличение надежности параллельного
соединения транзисторов, расширение диапазо-
нов мягкой коммутации транзисторов, надежная
защита от всех, даже редко встречающихся ава-
рийных случаев. Для обратных связей будут ис-
пользоваться размеры капли и ванны, их
температура, состав выхлопных газов дуги. По-
явятся алгоритмы управления для работы в мик-
9/2012 39
росекундном диапазоне. Скорость подачи прово-
локи будет регулироваться в соответствии с ко-
лебаниями руки сварщика.
1. Регулирование режимов механизированной сварки в CO2
при использовании многопостовых источников тока /
Ю. И. Драбович, А. В. Лебедев, В. В. Кравченко и др. //
Автомат. сварка. — 1987. — № 10. — С. 70–71.
2. Лебедев А. В. Исследование управляемого переноса ме-
талла при сварке в CO2 // Там же. — 1991. — № 3. —
С. 33–38.
3. Транзисторный источник питания для дуговой сварки /
А. В. Лебедев, Н. П. Гриценко, И. В. Довбищенко и др. //
Там же. — 1994. — № 9/10. — С. 50–51.
4. Перспективная схемотехника сварочных инверторов.
http://radiohobby.org/modules/news/article.php
5. Петров С. Перспективная схемотехника сварочных инвер-
торов // Совр. электроника. — 2009. — № 1. — С. 36–45.
6. Негуляев В. Ю. Сварочный инвертор — это просто. —
Киев, 2005. — 42 с.
7. Конев Ю. И. Параллельное включение кристаллических
триодов // Полупроводниковые приборы и их примене-
ние.— 1957. — Вып. 1. — С. 41–52.
8. Проектирование мощных высоконадежных статических
преобразователей / А. С. Абрамов, В. Г. Вигдорчик,
Г. М. Веденеев, Ю. И. Драбович // Устройства преобра-
зоват. техники. — 1969. — Вып. 3. — С. 82–93.
9. Лебедев А. В. Выпрямление прямоугольного напряжения
// Пробл. техн. электродинамики. — 1976. — № 57. —
С. 66–69.
10. Назаров В. И., Рыженко В. И. Сварочный инвертор. —
Рыбинск: Оникс, 2008. — 40 с.
11. Володин В. Я. Современные сварочные аппараты своими
руками. — С.-Пб.: Наука и техника, 2008. — 304 с.
12. Борисов Д. А. Электрическая схема сварочного инверто-
ра. http://nanolife.info/svarochnoe-oborudovanie/
13. Петров С. Схемотехника промышленных сварочных инвер-
торов // Совр. электроника. — 2007. — № 8. — С. 42–47.
14. Parallel operation of dynex IGBT modules. Application
Note. AN5505-1.3 DYNEX SEMICONDUCTOR LTD. July
2002.
15. Roccaro, R. Filippo, M. Salato. AC TIG Welding: Output in-
verter design basics. APPLICATION NOTE. AN-1045. In-
tern. Rectifier. — 2/10/2003.
16. International Rectifier. IR AN-990 «Application charac-
terization of IGBTs».
17. Драбович Ю. И., Пономарев И. Г. Исследование процес-
сов в мостовой схеме инвертора при отказах транзисто-
ров // Пробл. техн. электродинамики. — 1974. — № 45.
— С. 56–62.
18. Колпаков А. Особенности параллельного соединения мо-
дулей IGBT // Компоненты и технологии. — 2005. —
№ 5. — С. 31–37.
19. Колпаков А. Подключение сигнальных цепей в мощных
преобразовательных устройствах // Новости электрони-
ки. — 2008. — № 15. — С. 25–29.
20. Симкин Я., Колпаков А. Особенности применения сило-
вых IGBT модулей фирмы Semikron // Электронные ком-
поненты. — 2002. — № 6. — С. 18–16.
21. Lebedev A. V. Transistorized power sources for arc welding.
— Harwood Acad. publ., 1998. — 180 p.
22. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная тех-
ника. — М.: Техносфера, 2005. — 632 с.
23. Лебедев А. В., Кравченко В. В. Уменьшение коммута-
ционных перенапряжений в импульсных преобразовате-
лях. М., 1986.— Деп. в ВИНИТИ, 1986, №18734.
24. Dudrik J., Dzurko P. Arc welder with series-parallel reso-
nant DC-DC converter. // Acta Technica CSAV.— 2006.—
51. — P. 415–426.
25. Петров С. Перспективы применения резонансных преоб-
разователей в качестве источников сварочного тока // Совр.
схемотехника. — 2006. — № 7. — С. 16–23.
26. Фельдшер И. Ф. Компьютерное моделирование квазире-
зонансного инверторного источника питания для дуго-
вой нагрузки // Математичні машини і системи. — 2007.
— № 1. — С. 117–121.
27. Horvath M., Borka J. Up-to-date, integrated, multifunctional
energy converters of welding technologies // Proc. of EPE-
PEMC conf. 2006, Portoroz, Slovenia. — 2006. — Vol. 2–11.
— P. 70–75.
28. Leejn, Kim JJH., Kim S.S., Won CY., Kim Y.S., Choi S. Har-
monic reduction of CО2 welding machine using single-
switch, three-phase boost converter with six order harmonic
injection PWM. IEEE ISIET01 Proc. — 2001. — 3. —
P. 1526–1529.
29. Крапп Й. Защитные функции современных драйверов
IGBT // Силовая электроника. — 2010. — № 5. — С. 40–48.
30. Никитин А. Современные высоковольтные драйверы
MOSFET- и IGBT-транзисторов // Новости электроники.
— 2006. — № 6. — С. 23–31.
31. Геммер Р., Квиз П., Венд М. IGBT-драйверы с програм-
мно-управляемыми характеристиками // Силовая элект-
роника. — 2010. — № 5. — С. 38–39.
32. Создание многофункционального инверторного источ-
ника для сварки с управляемым переносом электродного
металла / О. Б. Гецкин и др. // Тяж. машиностроение. —
2009. — № 2. — С. 16–20.
33. Патон Б. Е., Лебедев А. В. Управление плавлением и пе-
реносом электродного металла при сварке в углекислом
газе // Автомат. сварка. — 1988. — № 11. — С. 1–5.
34. Управление процессом сварки программированием пода-
чи проволоки / Б. Е. Патон, Н. М. Воропай, В. Н. Бучин-
ский и др. // Там же. — 1977. — № 1. — С. 1–5.
35. Еще больше возможностей с CMT Advanced // Weld+Vi-
sion. — 2009. — № 23.
36. Принцип Качество. Промышленная программа компании
«Lorch».— Lorch Schweisstechnik GmbH, 2011.
37. Лебедев А. В. Структурная схема процесса саморегули-
рования дуги при переносе металла с короткими замыка-
ниями // Автомат. сварка. — 1978. — № 5. — С. 7–12.
38. Лебедев А. В. Влияние тепловыделения в вылете элект-
рода на процесс саморегулирования дуги // Там же. —
1978. — № 7.— С. 10–16.
39. Лебедев А. В. Управление скоростью подачей проволоки
при механизированной сварке вертикальных швов // Там
же. — 1986. — № 3. — С. 34–39.
40. Лебедев А. В., Супрун С. А. Эффективность стабили-
зации сварочного тока при полуавтоматической сварке //
Там же. — 1978. — № 10. — С. 37–42.
The paper describes the most widely accepted schematics of electric arc transistor power sources. Features of parallel
operation of transistors, methods of overvoltage protection and switching path formation, modern drivers, designs of
high-frequency transformers, power correctors, systems of control of electrode metal melting and transfer are considered.
Поступила в редакцию 24.04.2012
40 9/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101279 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T09:17:29Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лебедев, А.В. 2016-06-01T18:23:01Z 2016-06-01T18:23:01Z 2012 Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) / А.В. Лебедев // Автоматическая сварка. — 2012. — № 9 (713). — С. 34-40. — Бібліогр.: 40 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101279 621.791.75.037:621.311.6 Описаны наиболее распространенные схемы транзисторных источников питания электрической дуги. Рассмотрены особенности параллельной работы транзисторов, способы защиты от перенапряжений и формирования траектории переключения, современные драйверы, конструкции высокочастотных трансформаторов, корректоры мощности, системы управления плавлением и переносом электродного металла. The paper describes the most widely accepted schematics of electric arc transistor power sources. Features of parallel operation of transistors, methods of overvoltage protection and switching path formation, modern drivers, designs of high-frequency transformers, power correctors, systems of control of electrode metal melting and transfer are considered. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) Transistorised power supplies for electric arc welding (Review) Article published earlier |
| spellingShingle | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) Лебедев, А.В. Научно-технический раздел |
| title | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) |
| title_alt | Transistorised power supplies for electric arc welding (Review) |
| title_full | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) |
| title_fullStr | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) |
| title_full_unstemmed | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) |
| title_short | Транзисторные источники питания для электродуговой сварки (Обзор) |
| title_sort | транзисторные источники питания для электродуговой сварки (обзор) |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101279 |
| work_keys_str_mv | AT lebedevav tranzistornyeistočnikipitaniâdlâélektrodugovoisvarkiobzor AT lebedevav transistorisedpowersuppliesforelectricarcweldingreview |