УДК 621.341.572, 621.791.75
DOI: 10.15587/1729-4061.2021.246397
Разработка универсального источника для полуавтоматической сварки переменным током и индукционного нагрева
В. В. Бурлака, Е. В. Лаврова, С. К. Поднебенная, В. П. Иванов, С. В. Буриков Запропоновано схемне рішення і алгоритм управління джерелом живлення для напівавтоматичного зварювання на змінному струмі з поліпшеними енерге- тичними та масогабаритними характеристиками. Відмінною особливістю роз- робленого джерела є відсутність вихідного випрямляча: зварювання здійснюється високочастотним змінним струмом. Це дозволило значно знизити втрати по- тужності в джерелі, а також отримати можливість реалізації індукційного на- гріву шляхом підключення до виходу джерела індуктора.
Ще однією відмінною особливістю розробленого джерела є підвищений кое- фіцієнт потужності і знижений рівень вищих гармонік споживаного струму. Ко- ефіцієнт потужності описаного джерела досягає 0,94 проти 0,5÷0,7 у джерел, що мають звичайний випрямляч з ємнісним згладжуванням.
Розроблене джерело має в своєму складі систему живлення приводу подачі дроту зі стабілізацією швидкості за рахунок позитивного зворотного зв'язку за струмом двигуна. Це дозволило забезпечити стійку роботу приводу подачі в ши- рокому діапазоні швидкостей. Розроблено також макет пальника для зварювання флюсовим дротом, що містить привод подачі і котушку з дротом (діаметром до 100 мм) розташованої, з метою зменшення габаритів, в ручці пальника.
Крім функції зварювання, джерело дозволяє вирішувати завдання індукційно- го нагріву та/або гарту невеликих деталей, для чого до його виходу підключається малогабаритний індуктор.
Випробування джерела показали працездатність запропонованих ідей і схем- них рішень. Габарити джерела становлять 190×107×65 мм, маса 1,4 кг, вихідний струм до 120 А. Запропоноване технічне рішення дозволяє створювати малогаба- ритні, легкі, універсальні, зручні в використанні джерела живлення для напівав- томатичного зварювання з опцією індукційного нагріву.
Ключові слова: напівавтоматичне зварювання, джерело живлення, індукцій- ний нагрів, якість електроенергії, коефіцієнт потужності, FCAW зварювання.
1. Введение
Полуавтоматическая сварка широко используется в промышленности, строи- тельстве, при проведении ремонтных работ. Сварка осуществляется сплошным электродом или порошковой проволокой, которые подают в сварочную ванну [1–
3]. Обычно сварка ведется в среде защитного газа (Gas Metal Arc Welding – GMAW, или Metal Inert Gas – MIG процесс), или самозащитной порошковой про-
Not
a reprint
волокой (Flux Cored Arc Welding – FCAW) [1–4]. Для питания сварочной дуги при полуавтоматической сварке используются источники с жесткой выходной вольт- амперной характеристикой [2, 3]. Это связано с тем, что при жесткой характери- стике источника имеет место саморегулирования длины дуги. При этом средний сварочный ток определяется скоростью подачи сварочной проволоки. Сварка осуществляется на постоянном токе для обеспечения стабильного горения дуги.
Таким образом, для обеспечения процесса полуавтоматической сварки необ- ходим источник питания с регулируемым выходным напряжением и аппаратура для подачи электродной проволоки в зону сварки. Если сварка производится в га- зовой среде, то необходима также газовая аппаратура.
Источник питания и привод подачи электродной проволоки в подавляющем большинстве случаев объединяют в одном устройстве. В нем же устанавливается и клапан подачи газа с электрическим управлением. Такой подход ведет к тому, что сварочный полуавтомат имеет существенные габариты и массу, чем ограничи- вает мобильность сварщика. При необходимости производить сварку в труднодо- ступных местах, на высоте, брать с собой крупногабаритный тяжелый полуавто- мат далеко не всегда удобно и практично. Приходится использовать горелку с длинным шлангом, что также не всегда удобно.
В связи с этим актуальной является задача создания источников для полуав- томатической сварки, которые обладают малой массой и габаритами. Для умень- шения габаритов источника актуальным является разработка новых энергоэффек- тивных преобразователей электроэнергии, а также вынесение из корпуса источни- ка привода подачи электродной проволоки. Перемещение привода подачи и ка- тушки с проволокой непосредственно в горелку исключает необходимость в при- менении гибкого шланга и снизить требуемую мощность привода. В результате возможно создание компактного сварочного полуавтомата с небольшой себестои- мостью, применение которого эффективно для работ небольшого объема в труд- нодоступных местах, требующих мобильности сварщика.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Большое распространение получили инверторные сварочные источники пи- тания для полуавтоматической сварки. Они имеют меньшие габариты [2] и мас- су [3], чем источники со сварочными низкочастотными трансформаторами, луч- шие регулировочные свойства [4], что делает их более удобными в работе. Но при этом их масса и размеры ограничивают применение данных источников. Относи- тельно большой вес и габариты полуавтоматов продиктованы тем, что в них прихо- дится располагать газовую аппаратуру и привод подачи проволоки со сменной ка- тушкой. Масса инверторного полуавтомата обычно весьма существенна (одни из са- мых легких – 12,8 кг, Tesla Weld FCAW 240 (Украина) [5], только для катушек с диа- метром до 100 мм; 11 кг – Edon SMARTMIG 275 (Китай) [6]; 14 кг – Kaiser ARC- FLUX 120 (Китай) [7]), что все же ограничивает мобильность сварщика.
For
reading
only
Обойтись без газовой аппаратуры можно за счет применения флюсовой про- волоки, позволяющей сваривать без защитного газа [8]. Ее удобно использовать при работах на высоте или в стесненных пространствах [9]. Это обуславливается тем, что в подобные условия трудно доставить полуавтомат с газовой защитой.
Помимо этого, возможно размещение привода подачи проволоки непосред- ственно в горелке [10]. Катушку с электродной проволокой также можно распо- ложить в горелке, ограничившись использованием только катушек небольшого диаметра (до 100 мм) и массой до 0,5 кг. Вынесение катушки и привода подачи в горелку позволяет существенно снизить габариты последнего, поскольку от при- вода не требуется проталкивать проволоку через шланг горелки, имеющий длину порядка 3 м. Кроме этого, снижаются габариты и источника питания.
На рынке существуют решения для MIG/FCAW сварки с питанием от батарей [11], которые представляют собой просто сварочную горелку с приводом подачи проволоки. Однако такие системы даже не имеют регулятора сварочного тока. Тем не менее, они пользуются популярностью не только в своей нише граж- данского рынка, но также и у военных.
Возможность использования законов изменения параметрами процесса свар- ки является одним из главных требований к современному источнику сварочного тока, поскольку позволяет управлять глубиной проплавления [12] и размерами сварного соединения [13]. Поэтому следует также учитывать необходимость из- менения коэффициента мощности, что в вышеуказанных работах сделано не было.
Кроме обеспечения приемлемых параметров сварочного процесса, в совре- менных условиях к источнику питания также предъявляются требования соответ- ствия действующим стандартам электромагнитной совместимости [14, 15]. Здесь следует отметить, что подавляющее большинство присутствующих на рынке ис- точников для полуавтоматической сварки не соответствуют нормам эмиссии выс- ших гармоник тока техническими средствами [16]. Таким образом, при разработке нового оборудования следует также уделять внимание и вопросу электромагнит- ной совместимости [17].
В работе [18] проведен анализ спектра потребляемого тока типового свароч- ного инвертора и обоснована необходимость применения средств коррекции ко- эффициента мощности и снижения уровня гармоник потребляемого тока в подоб- ном оборудовании. Так, в документе [19] содержатся базовые рекомендации по выбору оборудования и требования по фильтрации гармоник в распределительных сетях предприятий. Известные производители сварочного оборудования, в частно- сти Lincoln Electric, также уделяют внимание вопросам электромагнитной совме- стимости и учету потерь, в т. ч. финансовых, из-за снижения качества электро- энергии [20].
В работе [21] предложено решение проблем эмиссии высших гармоник за счет применения специализированных аппаратных средств – активных фильтров.
В [22] предложено схемное решение источника, в котором вопросы фильтрации высших гармоник решены схемотехнически и алгоритмически. В первом случае
Not
a reprint
решение требует затрат на новое оборудование, во втором – повышается стои- мость источника.
В работе [23] предложено оригинальное схемное решение сварочного инвер- тора с безмостовым корректором коэффициента мощности на основе SEPIC топо- логии. Схема отличается небольшим количеством активных силовых компонентов в главной силовой цепи, однако режимы их работы сопровождаются действием повышенных напряжений, что приводит к повышению требований к компонентам и увеличению себестоимости сварочного источника.
Для снижения себестоимости оборудования разрабатываются схемные реше- ния, в которых преобразование переменного напряжения сети в выходное посто- янное с гальванической изоляцией и коррекцией коэффициента мощности выпол- няется в одном непосредственном преобразователе [24]. Схемы с непосредствен- ным преобразованием не получили широкого распространения в сварочном обо- рудовании из-за различных сложностей в управлении и обеспечении стабильности горения сварочной дуги.
Проблему составляет также непостоянство нагрузки сварочного источника. В процессе сварки режим работы последнего меняется от холостого хода до корот- кого замыкания за очень короткое время. Так, при полуавтоматической сварке в среде углекислого газа частота коротких замыканий может составлять более 100 Гц. Кроме того, подобный диапазон частот применяется при создании управ- ляющих механических воздействий, как для проволочного [25], так и для ленточ- ного [26] электродов. В работе [27] управление переносом электродного металла использовано при многоэлектродной наплавке. Однако вопросы изменения режи- ма работы и, соответственно, требований к работе источника питания в них не бы- ли рассмотрены. В связи с этим актуальны исследования в области совершенство- вания алгоритмов управления преобразователями в составе сварочных источни- ков. Например, работа [28] посвящена разработке эффективных методов управле- ния трехфазным корректором коэффициента мощности с учетом нестационарного характера нагрузки в виде сварочной дуги. В работе [29] предложен вариант пост- роения однофазного выпрямителя с повышенным коэффициентом мощности, от- личающийся небольшим числом компонентов.
Все это позволяет утверждать, что исследования, направленные на создание энергоэффективных источников с повышенным коэффициентом мощности и хо- рошей динамикой регулирования выходного тока являются актуальными.
3. Цель и задачи исследования
Целью работы является разработка малогабаритного универсального источ- ника для полуавтоматической сварки с дополнительной возможностью работы с индуктором сопоставимой мощности, что позволит решить задачу индукционного нагрева. При этом источник должен иметь сниженный уровень гармоник в по- требляемом от сети токе, т. е. повышенный коэффициент мощности. Это даст воз-
For
reading
only
можность уменьшить токовую нагрузку на питающую сеть и/или обеспечить ра- боту большего количества источников при той же токовой нагрузке сети.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
– разработать схему силовой части источника и провести ее моделирование;
– разработать малогабаритный привод подачи проволоки для полуавтомати- ческой сварки;
– провести экспериментальное исследование источника с высокочастотным выходом для полуавтоматической сварки;
– провести испытания источника в режиме индукционного нагрева и иссле- дование его энергетических показателей.
4. Материалы и методы исследования
В ходе разработки и создания экспериментального образца источника для по- луавтоматической сварки использовались известные методы расчета и моделиро- вания электрических схем. Из теоретических методов использовались символиче- ский метод расчета цепей синусоидального тока; математический аппарат преоб- разования Лапласа; методы анализа частотных характеристик электрических це- пей; методы анализа и синтеза систем автоматического управления. Для расчетов использовался программный пакет MathCad (США).
Программа для микроконтроллера источника разрабатывалась с использова- нием свободно распространяемой среды разработки на языке С++.
В ходе экспериментов измерение потребляемой мощности источника произ- водилось ваттметром Feron TM55 (Китай), позволяющем измерять действующее напряжение, действующий ток, активную мощность, коэффициент мощности.
Оценка выходного тока источника (из-за трудности его непосредственного изме- рения) осуществляласть с помощью высокочастотного трансформатора тока 750:1 и осциллографа DSO-1202B (Китай). Этот же осциллограф использовался при от- ладке источника и проверке адекватности математических моделей реальному эксперименту.
Измерения постоянного напряжения в цепях управления источника осу- ществлялись с помощью мультиметров M890D (Китай), DT890 (Китай).
Оценка качества сварного шва производилась путем сравнения со сварными швами, полученными при сварке полуавтоматом ТЕМП-059М (ПДУ-150-У3-220) (Україна) в аналогичных режимах и тех же материалах.
5. Результаты исследования и моделирования источника для полуавто- матической сварки переменным током
5. 1. Разработка схемы силовой части источника и ее моделирование При решении задачи создания малогабаритных (а значит, и удобных) свароч- ных источников предложено питать дугу переменным током высокой частоты, что позволяет не устанавливать выпрямитель сварочного тока и снизить потери энер- гии в источнике. При этом стабильность горения дуги не ухудшается за счет того,
Not
a reprint
что на высокой частоте скорость изменения тока большая и дуговой промежуток не успевает деионизироваться (его постоянная времени составляет 10-5÷10-4 с). Но проблемой является то, что индуктивность сварочного контура (она имеет порядок нескольких мкГн) представляет на типовых частотах преобразования (30÷100 кГц) большое реактивное сопротивление, что вызывает необходимость обеспечения большого напряжения холостого хода источника. Эта задача может быть решена за счет установки последовательно с выходом источника конденсатора, который вместе с индуктивностью сварочного контура и индуктивностью рассеяния сило- вого трансформатора образует последовательную резонансную цепь. Регулирова- ние тока дуги при этом осуществляется изменением частоты.
Для повышения коэффициента мощности источника необходимо обеспечить управление формой кривой потребляемого от сети тока. Использование корректо- ра коэффициента мощности позволяет решить эту проблему, но существенно по- вышает себестоимость источника. По сути, в его составе появляется еще один преобразователь, рассчитанный на полную мощность источника.
Другим вариантом является использование пассивных схем коррекции коэф- фициента мощности, не требующих введения в схему силовых электронных клю- чей. Одно из таких решений и было взято за основу при разработке схемы источ- ника, а именно – применен выпрямитель по схеме Valley Fill.
Схема силовой части разработанного источника приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема силовой части источника
Источник состоит из выпрямителя, выполненного по схеме “Valley Fill” (эле- менты BR1, VD1…VD3, C1, C2, NTC1) [17, 18], нагруженного на полумостовой резонансный инвертор [19]. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом BR1 и поступает на диодно-емкостный каскад VD1…VD3, C1, C2, NTC1. Заряд конденсаторов С1 и С2 происходит при их последовательном соединении через VD2 и NTC1. Термистор NTC1 служит для ограничения амплитуды импульса тока начального заряда конденсаторов при включении источника в сеть. Здесь следует отметить, что за счет применения схемы Valley Fill цепи заряда и разряда конден- саторов разнесены, что дало возможность использовать термистор для ограниче-
For
reading
only
ния зарядного тока без необходимости установки мощного шунтирующего реле. В имеющихся в продаже источниках цепи заряда работают с полным рабочим то- ком, что вынуждает применять дополнительное реле шунтирования элементов ограничения тока начального заряда.
Разряд конденсаторов С1 и С2 происходит при их параллельном соединении через диоды VD1 и VD3. Напряжение на С1 и С2 поддерживается на уровне поло- вины амплитуды входного (сетевого) напряжения. Таким образом, при
|uсети|>0,5Um (Um – амплитуда напряжения сети) диоды VD1 и VD3 закрыты и нагрузка (полумост VT1VT2C3C4) питается непосредственно от сети через мост BR1. Если |uсети|<0,5Um, нагрузка питается от конденсаторов С1 и С2 через VD1 и VD3. Диаграмма выходного напряжения выпрямителя по схеме Valley Fill показа- на на рис. 2.
Рис. 2. Выходное напряжение выпрямителя Амплитуда сетевого напряжения на рис. 2 принята за единицу.
Благодаря тому, что большую часть времени нагрузка питается от сети напрямую, появляется возможность управления формой кривой потребляемого тока за счет модуляции активной мощности инвертора. Это позволяет повысить коэффициент мощности источника и снизить потребляемый от сети ток за счет снижения неактивной мощности. При этом на сварочный процесс модуляция мощности почти не оказывает влияния за счет тепловой инерционности расплав- ленного металла сварочной ванны. В то же время, запас энергии конденсаторов С1 и С2 позволяет поддерживать горение дуги (режим «дежурной» дуги) в интервалы перехода сетевого напряжения через ноль.
Выпрямленное напряжение поступает на полумостовой инвертор, выполнен- ный на транзисторах VT1 и VT2. Он нагружен на первичную обмотку высокоча- стотного силового трансформатора Т1. Конденсаторы С3 и С4 образуют среднюю точку по высокой частоте. Вторичная обмотка Т1 через силовой резонансный кон- денсатор С5 подключена к выходным клеммам.
При полуавтоматической сварке к выходу источника подключаются свароч- ные кабели, соединяющие выходные клеммы с горелкой и с изделием. Индуктив- ность сварочных кабелей представлена на рис. 1 дросселями L1 и L2.
Not
a reprint
Полумост работает с коэффициентом заполнения 50 %, при этом изменяемым параметром является частота. Его выходное напряжение имеет вид меандра. Как известно [20], такой сигнал может быть представлен в виде ряда Фурье, содержа- щем гармоники с нечетными номерами.
Для анализа процессов, протекающих в преобразователе, воспользуемся схе- мой замещения, представленной на рис. 3.
Рис. 3. Схема замещения высокочастотной части На рис. 3 приняты обозначения:
– L1, L2 – индуктивность первичной и вторичной обмоток Т1, соответственно;
– LM – взаимная индуктивность обмоток Т1;
– CR – резонансная емкость (соответствует конденсатору С5 на рис. 1);
– LH – индуктивность нагрузки (соответствует L1+L2 на рис. 1);
– RH – эквивалентное активное сопротивление нагрузки (дуги);
– e1 – выходное напряжение полумостового инвертора.
Для анализа удобно использовать метод расчета по основной гармонике, по- скольку выходная цепь источника имеет явно выраженный резонансный характер (цепь CRLH, рис. 3). Поэтому устойчивая работа предлагаемого источника для сварки высокочастотным током возможна только при наличии эффективной авто- матики поддержания требуемого токового режима.
Сварочную дугу с достаточной для практических расчетов по основной гар- монике точностью можно считать активным сопротивлением, учитывая, что дуго- вой промежуток не успевает деионизироваться за время перехода тока через ноль.
На рис. 3 дуга представлена эквивалентным сопротивлением RH. Поскольку при полуавтоматической сварке напряжение на дуге составляет 12…18 В при токе 100…180 А, RH имеет порядок десятых долей ома (0,05…0,2 Ом).
Обозначим операторное сопротивление элементов справа по схеме от LM (рис. 3) как ZH(s), где s – параметр преобразования Лапласа:
L1-LM L2-LM
LM
CR
e1 RН
С4 С3
LН
i1
For
reading
only
2
1 .
H M H H
R
Z s L L L s R
C s
(1)
Найдем сопротивление, на которое нагружен источник e1:
1 1
3 4
1 M H .
M
M H
L s Z s
Z s L L s
C C s L s Z s
(2)
Тогда выходной ток полумоста будет определяться как:
1 1
1
.
E s
I s
Z s
(3)
Поскольку в схеме замещения (рис. 3) активное сопротивление только одно – это резистор RH, то, воспользовавшись балансом активной мощности, можно запи- сать, что вся активная мощность, развиваемая источником ЭДС (электродуговой сварки), будет выделяться в RH. Но так как RH – это сопротивление дуги, то эта мощность и будет полезной. Тогда для синусоидального режима с угловой часто- той ω можно записать:
R e
1 1
,P E j I j (4)
где I1 j – сопряженный комплекс тока I1.
На рис. 4 показаны графики зависимости выходной мощности от частоты напряжения источника ЭДС e1 (рис. 3) при разных сопротивления нагрузки RH. Параметры схемы при расчетах следующие: L1=2,44 мГн, L2=152 мкГн, LM=608 мкГн, LH=2 мкГн, С3=С4=9,4 мкФ, CR=1,35 мкФ. При этом реализовано ограничение тока I1 на уровне 50 А. Построение выполнено для диапазона частот 40…120 кгц. Эти параметры соответствуют экспериментальному источнику, опи- санному ниже.
Как видно из рис. 4, путем изменения частоты можно в широких пределах ре- гулировать мощность, выделяющуюся в нагрузке. На практике нижняя граница рабочей частоты определяется по условию насыщения магнитопровода силового высокочастотного трансформатора. Верхняя же граница рабочей частоты ограни- чивается несколькими факторами: это потери переключения в силовых ключах, быстродействие системы управления и потери на перемагничивание сердечника трансформатора.
Not
a reprint
Рис. 4. Графики зависимости выходной мощности от частоты при разных сопро- тивлениях нагрузки RH (1 – 0,17 Ом, 2 – 0,18 Ом, 3 – 0,12 Ом, 4 – 0,1 Ом, 5 –
0,08 Ом)
Нетрудно заметить, что мощность в нагрузке при регулировании частотой нельзя снизить до нуля. Однако это не представляет проблемы при решении зада- чи питания сварочной дуги, так как полуавтоматическая сварка на очень низких токах не выполняется.
Переключение транзисторов полумоста (VT1, VT2 на рис. 1) должно осу- ществляться с бестоковой паузой, необходимой для предотвращения «сквозных»
токов. На рис. 5 показаны диаграммы сигналов в разработанном источнике.
Рис. 5. Диаграммы сигналов в схеме источника
For
reading
only
Сигналы управления верхним (VT1) и нижним (VT2) транзисторами показа- ны условно с положительной и отрицательной полярностью. Между закрытием одного транзистора и открытием другого выдерживается бестоковая пауза DT.
Так как нагрузка полумоста имеет явно выраженный резонансный характер (рис. 4), форма выходного тока полумоста имеет вид, близкий к синусоидальному.
Поскольку режим сварки может сопровождаться быстрыми изменениями со- противления нагрузки (от обрыва до короткого замыкания), система управления должна быстро реагировать на возмущающие воздействия и эффективно стабили- зировать выходной ток полумоста.
Для измерения выходного тока в экспериментальном источнике применена синхронизация аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) с моментами пере- ключения транзисторов. Выборки сигнала тока производятся на 4-кратной выход- ной частоте, с интервалами в 90 электрических градусов. На рис. 4 они обозначе- ны как i0…i3. Полагая выходной ток полумоста i1(t) синусоидальным
1 1ms in ,
i t I t (5)
где I1m – амплитуда выходного тока, А;
ω – угловая частота выходного тока, с–1; φ – начальная фаза.
Можно записать выражения для токовых выборок в следующем виде:
0 1m s in S H ;
i I T (6)
1 1 s i n ;
m S H 2
i I T
(7)
2 1m s in S H ;
i I T (8)
3 1
s i n 3 ,
m S H 2
i I T
(9)
где TSH – время выборки-хранения АЦП, с.
Нетрудно заметить, что i0=–i2, а i1=–i3. Кроме того, выражение для i1 можно переписать в виде:
1 1m c o s S H .
i I T (10)
Тогда по данным токовых выборок можно записать:
Not
a reprint
2 2
2
1 0 2 1 3
4I m i i i i ; (11)
0 2
1 3
a r c tg .
S H
i i
T
i i
(12)
Таким образом, по четырем выборкам за период вычисляется амплитуда и фаза выходного тока. Строго говоря, для этого достаточно двух выборок, взятых с интервалом 90 электрических градусов [30, 31]. Однако из-за наличия масштаби- рующих цепей на входе АЦП в его входной сигнал добавляется постоянная со- ставляющая, которая необходима для работы на линейном участке передаточной характеристики АЦП. Эта постоянная составляющая должна затем удаляться про- граммно, но использование двух вышеприведенных выражений для оценки ам- плитуды и фазы позволяет исключить этот шаг, поскольку в этих выражениях присутствуют только попарные разности выборок.
Вычисленная амплитуда тока I1m используется для сравнения с заданием и определения необходимого смещения частоты ω. Фаза же используется для опре- деления характера выходного тока: индуктивный (т. е. работа на частоте выше ре- зонансной) или емкостный (в противном случае).
Здесь следует отметить, что из амплитудно-частотной характеристики нагрузки, показанной на рис. 4, следует, что один и тот же ток можно получить при двух разных частотах: одна ниже резонансной, вторая – выше. Но, учитывая особенности работы силовых компонентов (транзисторов и антипараллельных ди- одов) энергетически выгоднее работать на частотах исключительно выше резо- нансной, чтобы избежать добавочных потерь из-за обратного восстановления ан- типараллельных диодов. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы знак выходного тока был положительным при закрытии верхнего транзистора и отри- цательным при закрытии нижнего, при этом знак тока не должен изменяться во время бестоковой паузы. В экспериментальном источнике это достигается за счет работы исключительно на частотах выше резонансной частоты системы. При этом фаза выходного тока рассчитывается с учетом не только длительности бестоковой паузы DT и времени TSH, но и времени распространения сигнала в цепях управле- ния транзисторами, а также времени перезаряда емкостей их затворов. Общая структура системы управления преобразователем показана на рис. 6.
На рис. 6 сигнал I1REF – задание на выходной ток. Регулятор и блок вычисле- ния I1m, φ выполнены в виде программы микроконтроллера. Управляемый генера- тор и формирователь бестоковых пауз DT реализованы на бортовом аппаратном таймере. Также предусмотрена быстродействующая защита преобразователя от перегрузки, выполненная на двух компараторах и логическом элементе 2ИЛИ.
При выполнении условий i1(t)>Imax или i1(t)<–Imax происходит немедленное отклю- чение обоих силовых транзисторов до конца периода выходной частоты, а регуля- тор в такой ситуации быстро увеличивает частоту генератора.
For
reading
only
Рис. 6. Структура системы управления преобразователем
В нормальном режиме работы (при |i1(t)|<Imax) регулятор поддерживает вы- ходной ток за счет изменения частоты генератора. Для повышения коэффициента мощности источника при выходных токах, ниже максимального, выполняется мо- дуляция I1REF пропорционально квадрату выпрямленного напряжения сети.
5. 2. Разработка малогабаритного привода подачи проволоки для полу- автоматической сварки
Привод подачи проволоки выполнен малогабаритным и размещен в горелке.
Механическая часть привода состоит из двигателя постоянного тока с возбужде- нием от постоянных магнитов, редуктора и подающего ролика, к которому пас- сивным роликом прижимается сварочная проволока. Поскольку применен малога- баритный маломощный двигатель, возникла задача стабилизации его скорости вращения при колебаниях момента нагрузки на валу. Так как установка каких- либо датчиков скорости приведет к усложнению механики привода и увеличению его габаритов, применен регулятор скорости с положительной обратной связью по току якоря. Его структурная схема показана на рис. 7.
Рис. 7. Структурная схема регулятора скорости
Регулятор содержит усилитель (звено с коэффициентом передачи КУ), выход которого подключен к якорю двигателя М. Напряжение на якоре обозначено как
Not
a reprint
ua. Сигнал, пропорциональный току якоря двигателя (ia) через цепь обратной связи (звено с коэффициентом передачи КОС) поступает на входной сумматор, на кото- рый также подается сигнал задания скорости UREF.
Из теории электрических машин [30] известно, что для поддержания скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения следует стабилизировать его ЭДС якоря которая определяется как
м е х,
ea C (13)
где СΦ– конструкционный коэффициент, Вс;
ωмех – механическая частота вращения вала, с-1.
С другой стороны, ЭДС якоря может быть выражена как
a a a a,
e u i r (14)
где ua – напряжение на якоре, В;
ia – ток якоря, А;
ra – сопротивление якоря, Ом.
Регулятор со структурой, показанной на рис. 7, обеспечивает формирование напряжения на якоре, определяемого как
КО С К .У
a R E F a
u U i (15)
Из двух последних выражений следует:
КО С КУ .
a R E F a a a
e U i i r (16)
Если обеспечить выполнение равенства КО С КУ ra, то ЭДС якоря будет определяться как ea U R E F КУ и не зависеть от тока якоря. Это обстоятельство использовано для стабилизации скорости двигателя при колебаниях момента нагрузки на валу.
В экспериментальном образце регулятор скорости подачи реализован на опе- рационном усилителе LM358, а выходной каскад управления двигателем выпол- нен на импульсном преобразователе MC34063, обеспечивающем выходной ток не менее 1 А. Применение импульсного преобразователя позволило повысить КПД регулятора, отказаться от теплоотвода, уменьшить габариты платы и разместить его непосредственно возле двигателя, в ручке горелки. Размеры платы регулятора составляют 3035 мм.
For
reading
only
5. 3. Результаты экспериментального исследования источника с высоко- частотным выходом для полуавтоматической сварки
Авторами разработан и изготовлен экспериментальный образец инверторного источника питания с высокочастотным выходом (ток до 120 А, габариты источни- ка 190×107×65 мм, масса 1,4 кг), в котором реализована дополнительная опция работы с индуктором. Фото внешнего вида источника приведено на рис. 8.
Рис. 8. Внешний вид экспериментального источника
Управление источником реализовано на однокристальном микроконтроллере STM32F072C8T6, имеющем 32-битное ARM ядро с тактовой частотой до 48 МГц и развитую периферию (ЦАП, компараторы, таймеры, АЦП). В силовой части применены транзисторы SGT40N60NPFD, управляемые от драйвера IRS2186. Для измерения выходного тока полумоста применен трансформатор тока AS-105 с ко- эффициентом трансформации 750:1. Силовой трансформатор намотан на торои- дальном ферритовом сердечнике Т50/30/20 и содержит 20 витков в первичной об- мотке и 5 витков во вторичной. Резонансный конденсатор составлен из 5 металло- пленочных конденсаторов MKPH 0,33 мкФ1200 В, соединенных параллельно.
В источнике также предусмотрен изолированный нестабилизированный выход 15 В 1 А для подключения регулятора скорости привода подачи элек- тродной проволоки.
В режиме полуавтоматической сварки испытания осуществлялись с порош- ковой проволокой AWS Е71Т-11 диаметром 0,9 мм на кассете с емкостью 0,5 кг.
Рекомендованный сварочный ток для этой проволоки составляет 100…130 А, что хорошо согласуется с параметрами источника. Испытания показали устойчивое горение дуги и стабильное формирование сварного шва при сварке высокочастот- ным током. Эскиз горелки для полуавтоматической сварки порошковой проволо- кой приведен на рис. 9.
Порошковая проволока подается в зону сварки с помощью сопла (поз. 1), где расположен токоподвод, через мундштук (поз. 2). Управление приводом подачи (поз.
6) осуществляется с помощью кнопки (поз. 3), расположенной на ручке горелки (поз.
4). Привод подачи (поз. 5) совместно с кассетой (поз. 6) крепится непосредственно к
Not
a reprint
корпусу горелки, в тыльной ее части, что повышает мобильность устройства. Пита- ние привода подачи осуществляется с помощью кабеля управления (поз. 7). Свароч- ный ток подводится к горелке кабелем питания (поз. 8).
Рис. 9. Горелка для сварки порошковой проволокой
Система управления приводом выполнена в соответствии с п. 5. 2, плата при- вода размещена в рукоятке горелки.
5. 4. Результаты испытаний источника в режиме индукционного нагрева и исследование его энергетических показателей
Дополнительные ресурсы повышения стойкости изделий и инструмента обеспечивает термическая обработка сварных и наплавленных швов с градиентом физико-механических и эксплуатационных свойств по ширине шва или высоте наплавленного слоя. Рабочий слой приобретает качественные характеристики, близкие к композиционным материалам [30].
Использование инструмента для локальной термообработки позволит расши- рить функциональные возможности сварочного оборудования и диапазон решае- мых технологических задач. Поскольку разработанный источник имеет выход пе- ременного тока, предусмотрена возможность подключения к нему индуктора для решения задач индукционного нагрева. Никаких изменений в алгоритме работы регулятора при этом вообще не требуется. Условием нормальной работы с индук- тором является лишь получение резонансной частоты контура в диапазоне 40÷90 кгц. При меньшей резонансной частоте будет невозможен выход на требуе- мую мощность, при большей – будет очень малый диапазон регулирования.
For
reading
only
Для испытаний в режиме индукционного нагрева к источнику подключался индуктор, изготовленный из медного неизолированного провода диаметром 4,3 мм и содержащий 5 витков диаметром 60 мм, длина намотки 35 мм. Провод изолирован каптоновой лентой. Фото индуктора показано на рис. 10.
Рис. 10. Фото индуктора, использованного в экспериментах
Измерения потребляемой от сети мощности показали, что источник развивает мощность более 2 кВт в максимальном режиме. Выходная частота при этом со- ставляла порядка 70 кгц.
В перспективе возможна реализация режима индукционного нагрева на тре- тьей гармонике, что даст возможность перекрыть диапазон от 40 кгц до 360 кгц (40÷120 кгц – обычный режим на первой гармонике, 120÷360 кгц – работа на тре- тьей гармонике).
Коэффициент мощности разработанного экспериментального источника со- ставляет 0,90,95, в зависимости от выходной мощности (измерения проводились прибором Feron TM55). Это значительно лучше показателей источников, имею- щихся на рынке, имеющих коэффициент мощности в диапазоне 0,50,7. Таким образом, потребляемый от сети ток описанного источника в 1,31,6 раза меньше, чем у имеющихся, при той же активной мощности. Это свойство позволяет ис- пользовать разработанный источник в «слабых» сетях, с большой длиной сетевого провода (с удлинителями), а также обеспечить возможность одновременной рабо- ты большего числа источников при той же токовой нагрузке сети.
6. Обсуждение результатов исследований разработанного источника Разработан малогабаритный источник для полуавтоматической сварки и при- вод подачи электродной проволоки, объединенный в одном узле с горелкой. Со- бран экспериментальный образец такого источника и проведены его испытания.
Доказана возможность реализации полуавтоматической сварки на высокочастот- ном переменном токе и подтверждены ожидания по коэффициенту мощности раз- работанного источника.
