Курсовая работа: Инверторные источники питания

Рисунок 1: а) Электрическая схема б) Фазы работы схемы в) Формы напряжений и токов в цепях последовательного инвертора

Последовательный инвертор лучше всего подходит для высокочастотных устройств, так как для требуемых значений 1 и С уменьшаются их габариты. Время периода для одного цикла составляет: T0=T + 2td. где Г = l/ft и t6 - мертвое время.

Выходная частота последовательного инвертора всегда меньше резонансной частоты вследствие наличия мертвой зоны.

Значение выходной частоты может варьироваться путем изменения мертвого времени.

Рисунок 2. Форма выходного напряжения последовательного инвертора

2.2 Параллельный инвертор

Базовая схема параллельного инвертора изображена на рис. 2а. Когда ключ 1 замкнут, помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют положительный потенциал. Выходное напряжение - положительное. Во второй половине периода ключ 1 размыкается и замыкается ключ 2. Помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют отрицательный потенциал и выходное напряжение - отрицательное.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов параллельного инвертора изображены на рис. 2. Параллельные инверторы применяются в низкочастотных устройствах. В них используются трансформатор с отводом из центра первичной обмотки, два тиристора и коммутирующий конденсатор. Источник питания включается между центральным выводом и общей точкой катодов тиристоров.

Эквивалентное нагрузочное сопротивление, пересчитанное в цепь первичной обмотки, подключено параллельно коммутационному конденсатору. Следовательно, инвертор такого типа является параллельным.

В момент времени t= tx тиристор Т1 включается. Напряжение источника питания Е приложено к обмотке трансформатора А. Согласно закону самоиндукции такое же напряжение Е индуцируется на обмотке трансформатора В, но противоположной полярности. Поскольку обмотки А и В соединены последовательно, на них будет суммарное напряжение 2Е. Этим напряжением конденсатор предварительно заряжается до напряжения +2Е.

В момент времени t= t2 тиристор Т2 включается. Полярность напряжений на обмотках А и В меняется на обратную, к конденсатору, и тем самым к тиристору Т1, прикладывается обратное напряжение, за счет чего тиристор Т1 выключается. Полярность напряжения на конденсаторе меняется, и он перезаряжается до напряжения - 2Е. Также меняет на обратное направление ток во вторичной обмотке, то есть через нагрузочное сопротивление протекает переменный ток прямоугольной формы.

Недостатки

а) Номинальное напряжение конденсатора должно быть 2Е.

б) Ток источника питания не является чистым постоянным током.

в) Колебания тока источника питания, являются причиной дополнительного выделения тепла в первичной цепи параллельного инвертора.

Рисунок 3: а) Базовая схема параллельного инвертора; б) Фазы работы схемы; в) Формы напряжений и токов в цепях параллельного инвертора

3. Индуктивная нагрузка

Принцип действия схемы можно объяснить, рассмотрев четыре фазы ее работы. Диоды Dx и D2называются возвратными диодами. Инвертор не может управлять индуктивной нагрузкой без возвратных диодов. Без диодов в схеме имеются большие выбросы напряжения при переключении тиристоров, поскольку нагрузка индуктивная. Эти выбросы напряжения могут разрушить тиристоры. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с индуктивной нагрузкой изображены на рисунке 4.

Фаза I. Тиристор Т1 находится в проводящем состоянии, и через нагрузку протекает ток положительного полупериода. Ток через индуктивную нагрузку линейно увеличивается. В момент времени t= t2 тиристор Т1 принудительно закрывается за счет изменения полярности напряжения на нагрузке. Направление тока при этом сохраняется.

Рисунок 4: а) Схема полумостового инвертора с индуктивной нагрузкой; б) Фазы работы схемы; в) Форма напряжения полумостового инвертора

Фаза II. Ток со стороны нагрузки смещает в прямом направлении диод D2, и он переходит в состояние проводимости. Мощность со стороны нагрузки передается в источник питания V2. Когда величина тока падает до нуля, диод D2 запирается.

Фаза III. Пока диод D2 проводит ток, тиристор Т2 не может находиться в состоянии проводимости, поскольку он смещен в обратном направлении. Как только диод D2 запирается, можно включить тиристор Т2. На промежутке времени t2 - t3 напряжение и ток отрицательные, а мощность - положительная, то есть мощность передается от источника питания к нагрузке. В момент времени t= t4 тиристор Т2 принудительно включается.

Фаза IV. На индуктивной нагрузке изменяется полярность напряжения, но направление тока через нее сохраняется. За счет изменения полярности напряжения диод D1, смещается в прямом направлении. Ток теперь течет по направлению к источнику питания Vv, имеет место рециркуляция мощности. Этот процесс продолжается до тех пор, пока диод D1 не перейдет в закрытое состояние в момент времени t5.

Если тиристор Т1 снова включить, вышеупомянутые процессы повторятся.

При работе инвертора на RL-нагрузку ток в цепи изменяется экспоненциально. Площади положительных и отрицательных периодов не равны, так как на резистивной компоненте нагрузки в противофазные периоды рассеиваются разные мощности.

4. Работы сварочных инверторов от автономных источников питания

В последнее время возрастает применение автономных установок, оборудованных сварочными постами - передвижных ремонтных мастерских, аварийных машин и т.п. В них на шасси установлена коробка отбора мощности с генератором или дизель-генератор и различные потребители, в том числе сварочные посты. Нередко предпочтение отдается инверторным сварочным аппаратам из-за их сравнительно высокого КПД (10-15 кВт при токе сварки до 250 А) и небольших габаритных размерах и массы. К сожалению, производители подобных машин часто ограничиваются подбором генератора и сварочных источников исходя только из мощностных характеристик, что приводит к выходу из строя сварочных аппаратов, а нередко и самих генераторов.

При работе сварочных инверторов от автономных источников питания необходимо учитывать особенности и тех, и других. Так, при индуктивной нагрузке (сварочный трансформатор) внешняя характеристика синхронного генератора имеет резко падающий характер, причем с уменьшением cosц падение напряжения усиливается рисунок 5, кривые 1, 2. При активно-емкостной нагрузке (сварочный инвертор) cosц опережающий и с ростом потребляемого тока напряжение возрастает тем сильнее, чем меньше cosц рисунок 5, кривые 4, 5. При U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока трехфазного короткого замыкания.

Поскольку в основном характер потребляемого тока активно-индуктивный, изготовители генераторов вводят дополнительную положительную обратную связь по току для компенсации падения напряжения на нагрузке, тес ростом тока в нагрузке генератор повышает напряжение.

Инверторные источники имеют емкостной характер нагрузки, поэтому с ростом тока напряжение возрастает, а наличие положительной обратной связи по току приводит к еще большему росту напряжения. Результатом может быть выход из строя инвертора или самого генератора из-за перенапряжений.

Структурная схема типичного инверторного сварочного источника приведена на рис 6. Трехфазное напряжение выпрямляется выпрямителем В и сглаживается емкостным фильтром Сф. Инвертор И преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты, которое понижается трансформатором и выпрямляется выпрямителем В и далее через индуктивный фильтр Сф поступает в нагрузку RH.

На рисунке 7 приведены осциллограммы линейного напряжения на входе обычного инверторного источника (ток сварки 150 А) при питании от синхронного генератора АД-30 мощностью 30 кВт. Емкость конденсатора фильтра Сф равна 40 мкФ. Видно, что кривая линейного напряжения имеет значительные искажения, а амплитуда превышает 700 В. Уменьшение емкости фильтра в 4 раза снижает амплитуду линейного напряжения до 610 В, но в кривой потребляемого тока появляется высокочастотная составляющая, равная частоте инвертирования.

Рисунок 5. Внешние характеристики синхронного генератора

Рисунок 6. Внешние характеристики синхронного генератора

Рисунок 7. Линейное напряжение генератора АД-30: 1 - холостой ход, 2 - при питании обычного инвертора

С ростом потребляемого тока возрастает действующее значение напряжения генератора, причем приращение напряжения зависит от соотношения потребляемой и номинальной мощностей генератора.

Так, при питании четырех обычных сварочных инверторов с суммарной потребляемой мощностью 34 кВт от генератора БГ-100 оно составило 10 В, а при питании такого же числа инверторов от генератора БГ -60 - 40 В. При этом амплитудное значение линейного напряжения возросло от 540 до 696 В. Применение генератора БГ-30 обеспечивает нормальную работу только одного обычного инверторного источника без проведения дополнительных мероприятий.

Именно по этой причине многие изготовители инверторных источников указывают, что суммарная потребляемая мощность не должна быть больше 50% номинальной мощности автономного генератора. Это обусловливает необходимость либо заказывать генераторы с корректорами напряжения, адаптированными для работы с активно-емкостной нагрузкой, либо использовать серийно выпускаемые генераторы с двойным запасом мощности, либо приспосабливать инверторы для обеспечения нормальной работы. В первом случае требуется значительное время, во втором - возникают неоправданные затраты. Ниже приведены варианты решения этой проблемы.

Снижение напряжения холостого хода генератора с 380 до 350-360 В и повышение частоты до 52 Гц позволяют обеспечить нормальную работу источников. Например, при питании четырех источников с потребляемой мощностью по 12-15 кВт от генератора БГ-60 линейное напряжение возрастает до 380 В. Это решение приемлемо для генераторов мощностью от 60 кВт, но не всегда подходит для генераторов меньшей мощности. Включение дополнительной нагрузки в виде сушильных шкафов мощностью 4 кВт снижает приращение напряжения на 4 В при питании от генератора БГ-100, а при питании от генератора БГ -60 - на 74 В. При этом лучше иметь на каждый сварочный пост свою электропечь, а работу организовать так, чтобы электроэнергия потреблялась от генератора непрерывно, когда выключение терморегулятором одной электропечи сопровождалось бы включением другой. Такой способ несколько ограничен в применении.

Включение последовательно в каждый сетевой провод индуктивности и увеличение емкости Сф позволяет обеспечить работу двух источников с потреблением 12-15 кВт от генератора мощностью 30 кВт. Такой вариант решения требует дополнительных фильтров и вмешательства в электрическую схему сварочного источника.

Для устранения искажений напряжения генератора и уменьшения высокочастотных гармонических составляющих необходимо введение радиофильтра и сглаживающих конденсаторов в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя генератора и работы.

5. Универсальный сварочный инвертор Invertec V300-1

В отечественном сварочном производстве давно существует потребность в надежном инверторном источнике на ток 300 А. При этом с точки зрения потребительских свойств (массы, минимума пульсаций, отсутствия неприятного звука) это должен быть высокочастотный, т.е. транзисторный инвертор. Основными недостатками выпускаемых в настоящее время машин такого класса являются низкая ПВ и недостаточный диапазон рабочих температур. Это в сочетании с высокой ценой сдерживает массово применение инверторных источников.

Сегодня на российском рынке появилась машина без указанных недостатков, учитывающая все тонкости эксплуатации сварочного оборудования на российских предприятиях.

Инверторный источник питания Invertec V300-1 является базовым для целой серии инверторов фирмы The Lincoln Electric Company и предназначен для ручной дуговой сварки штучным электродом, аргонодуговой неплавящимся электродом, механизированной сплошной или порошковой проволокой. Основные технические характеристики машины приведены в таблице №1.

В основе конструкции лежит транзисторный инвертор с частотой преобразования 20 кГц. Высокая частота позволяет исключить характерное для источников такого рода неприятное звучание, особенно на больших токах, а также дает исключительно гладкую выходную характеристику и большие возможности для управления основными сварочными параметрами током (падающая характеристика) или напряжением (жесткая).

Таблица 1. Основные технические характеристики Invertec V300-1