CC BY
1951Шолохов М. А., к.т.н., директор, 1Фивейский А. М., к.т.н., технический директор, 1Зиновкин А. А., начальник отдела автоматизации и интеграции, 2Мельников А. Ю.
аспирант 1ООО «ШТОРМ», г. Екатеринбург 2Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург
УДК 621.791.03
ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СВАРКЕ
В статье рассмотрены высокочастотные преобразователи, применяемые в современной сварочной технике, показано несомненное преимущество использования технологии Micor в условиях пониженного напряжения питания, возможность использования длинных удлинителей или аккумуляторной батареи, что позволяет достичь более высокой мобильности в выполнении сварочных работ. Ключевые слова: сварочный инвентор, высокочастотный преобразователь, сварочная техника.
При построении сварочных инверторов, применяют три основных типа высокочастотных преобразователей [1]: полумост, ассиметричный («косой») мост и полный мост. Подвидом полумоста и полного моста, являются резонансные преобразователи. В зависимости от системы управления выходными параметрами, преобразователи бывают с ШИМ (широтно-импульсная), с ЧИМ (частотная регулировка), с
фазовой регулировкой, и комбинациями из этих трех. Все эти типы преобразователей имеют свои достоинства и свои недостатки. Начнем с полумоста с ШИМ. Его блок-схема показана на рис. 1. Здесь и далее по тексту: VT1, VT 2, VT 3, VT4 -б и п о л я р н ы й т р а н з и с т о р с изолированным затвором; VD1, VD2 -диод; С1, С2, С3 - конденсатор; Т1 -высокочастотный трансформатор; L1, Др.1 - дроссель; Тт - трансформатор тока; Ос - катушка обратной связи; +ипит - напряжение питания преобразователя.
Это самый простой из двухтактных преобразователей. Недостатком этой схемы является то, что напряжение на п е р в и ч н о й о бм от ке си л о во го трансформатора равно половине напряжения питания. Но с другой стороны, этот факт является плюсом, можно применить сердечник меньшего размера, без опасения захода в режим
Рис. 1. Блок-схема полумоста с ШИМ
насыщения.
Следующая схема -ассиметричный или «косой» мост. Блок-схема такого преобразователя приведена на рис. 2
существенны. Это большие токи через транзисторы, высокие требования к форме управляющих импульсов, а значит использован ие мощных драйверов для управления силовыми
Рис. 2. Блок-
Ассиметричный мост -однотактный, прямоходовой преобразователь.
Первые сварочные инверторы были построены именно, как «косой» мост. Простота, широкие возможности для регулировки выходного тока и помехозащищённость - всё это до сих пор привлекает производителей инверторов по данной схеме.
Недостатки такого п р е о б р а з о в а т е л я д о в о л ь н о
схема ассиметричного моста
ключами. Повышенные требования к конденсаторам входного фильтра, так как электролитические конденсаторы не любят большие импульсные токи. Для удержания транзисторов в области допустимых значений параметров их работы требуются снабберные RCD цепочки.
Следующий тип преобразователя полный мост с ШИМ. Классический двухтактный преобразователь. Его блок-схема приведена на рис. 3.
Блок
упрадления ШИМ
ШИМ БУ
Рис. 3. Блок-схема полного моста с ШИМ
Мостовая схема даёт возможность получить мощность в 2 раза больше, чем полумост, и в 2 раза больше чем ассиметричный, при тех же величинах токов и потерь на переключение. Это объясняется тем, что напряжение на первичной обмотке силового трансформатора равно напряжению питания. Соответственно для получения одинаковой мощности, например с полумостом (в котором напряжение «раскачки» равно 0,5* U пит), потребуется ток через транзисторы в 2 раза меньше. Транзисторы полного моста работают по диагонали, когда VT1-VT3 открыты, VT 2-VT 4 закрыты, и наоборот. Трансформатор тока отслеживает амплитудное значение тока, протекающего через включенную диагональ. Регулировать выходной ток такого преобразователя можно двумя способами: изменять длительность управляющего импульса, оставляя неизменным напряжение отсечки, либо изменять уровень напряжения отсечки, оставляя неизменным длительность управляющих импульсов.
Оба этих способа позволяют изменять выходной ток в достаточно широких пределах. Недостатки и требования у полного моста с ШИМ, точно такие, как и у полумоста с ШИМ.
И наконец, рассмотрим схему высокочастотного преобразователя дл я св а р оч н о го и н ве рте р а -резонансный мост. Его блок-схема представлена на рис. 4.
Как может показаться на первый взгляд, схема резонансного моста не сильно отличается от моста с ШИМ, и это действительно так. Практически дополнительно введена только LC резонансная цепочка, включенная последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора. Однако введение этой цепочки полностью меняет процессы перекачки мощности. Уменьшаются потери, увеличивается КПД, на порядки снижается уровень электромагнитных помех, понижается нагрузка на в хо д н ы е э л е к т р о л и т и ч е ски е конденсаторы. Управлять выходным током резонансного преобразователя можно двумя способами, это частотным и фазовым. Оба они упоминались раньше, в описании резонансного полумоста.
И последний тип ВЧ преобразователя - полный мост с дросселем рассеяния. Его схема практически ничем не отличается от с х е м ы р е з о н а н с н о г о м о с т а (полумоста), точно так же включена LC ц е п о ч к а п о с л е д о в а т е л ь н о с
Рис. 4. Блок-схема резонансного полного моста
трансформатором, только она не является резонансной. Конденсатор работает как симметрирующий, а д р о с с е л ь к а к р е а к т и в н о е сопротивление, величина которого л и н ей н о зави си т от ч астоты . Управление такого преобразователя -частотное. С увеличением частоты -с о п р о т и в л е н и е д р о с с е л я увеличивается, ток через силовой трансформатор уменьшается. Просто и надежно. Большинство промышленных инверторов построены на таком принципе регулировки и ограничения выходного тока.
Подводя итог всему выше описанному, можно с уверенностью сказать, что одним из перспективных н а п р а в л е н и й р а з в и т и я высокочастотных преобразователей для питания сварочной дуги являются резонансные преобразователи.
Стабилизированный источник питания, использующий резонансный режим, действительно представляет собой большой скачок вперед в развитии технологии. Хотя надо ск а з а т ь , ч т о и с п о л ь з о в а н и е резонансных явлений в инверторах, преобразователях и источниках питания появилось задолго до эры полупроводников. Оказалось, что при использовании резонансных явлений часто удавалось получить хорошие результаты. Например, в первых телевизорах необходимые высокие напряжения для кинескопа получали с помощью радиочастотного источника питания. Это был работающий на частоте от 150 до 300 кГц генератор синусоидальных колебаний на электронной лампе, в котором повышение переменного напряжения д о с т и га л о сь в р е з о н а н сн о м радиочастотном трансформаторе. По существу подобные схемы все еще и с п о л ь з ую т с я д л я с о з д а н и я напряжений, по крайней мере, несколько сотен тысяч вольт для различных промышленных и научно-
исследовательских целей.
Также давно было известно, что резонансные выходные цепи инвертора стабилизируют работу электродвигателей и сварочного оборудования. Обычно в разрыв провода, ведущего от источника постоянного напряжения к инвертору, включалась катушка с большой индуктивностью. При этом инвертор ведет себя по отношению к нагрузке как источник тока, что дает возможность легче удовлетворить условию существования резонансных явлений. В этом случае существующие тиристорные инверторы правильнее назвать квазирезонансными — колебательный контур периодически подвергается ударному возбуждению, н о н е п р е р ы в н ы е к о л е б а н и я отсутствуют. Между импульсами возбуждения, колебательный контур отдает запасенную энергию в нагрузку.
Но стоит сказать, что, несмотря на п р о г р е с с п о с р а в н е н и ю с примитивными источниками питания, здесь, тем не менее, имеются вредные последствия нежелательных резонансов. Они проявляются в виде паразитных колебаний, радиопомех, электромагнитных шумов, бросков напряжения и связанных с ними сбоев в работе схемы, что снижает К.П.Д., а также повреждает или даже разрушает активные и пассивные компоненты схемы. Снижение проявления этих негативных явлений возможно при использовании быстродействующих электронных компонентов, входящих в состав высокочастотных резонансных преобразователей. Из сказанного § в ы ш е я с н о , ч т о ш и р о к о е использование резонансного режима работы началось после создания а специализированных интегральных схем (ИС) управления. Эти ИС Е освободили конструкторов от проблем со сбоями, которые неизбежно сопутствуют стремлению использовать резонансный режим на частотах
несколько сот килогерц, где малые размеры компонентов могут дать заметное сокращение габаритов, веса и стоимости.
В 2010 году нашими специалистами был создан ряд сварочных источников для ручной дуговой сварки: Handy-190, Handy-200, X-350 (рис. 5). Данные источники ск о н с т р уи р о в а н ы н а о сн о в е резонансного метода с технологией управления MICOR [2]. Данная технология широко использует современные достижения в развитии высокочастотной силовой электроники и микропроцессорной техники. Так в системе управления силовыми кл юч ам и и сп ол ьзуются ш есть микропроцессоров с тактовой частотой 25-96 MHz. Рабочая частота инвертора достигает 200 KHz. При работе данных и сто ч н и ко в ко н т р о л ь то к а и напряжения происходит 1,5 миллиона раз в секунду, контролируется 27 аналоговых и цифровых параметров
Рис. 5. Источники питания, созданные на основе резонансной технологии Мюог
измерений.
Источники Х350 успешно прошли процедуру аттестации РД 03-614-03 (НАКС) и испытания согласно СТО Газпром 2-3.5-046-2006.
В 2013 году на основе резонансной технологии MICOR была создана серия аппаратов для MIG/MAG сварки - МюогМЮ [3]. Линейка аппаратов МюогМЮ (рис. 6) включает источники питания различной м о щ н о ст и : о т 3 0 0 д о 5 0 0 А. Отличительной особенностью данных
аппаратов является их большое разнообразие возможностей, н еогр ан и ч ен н ы й п отен ци ал к модернизация, а также низкая с т о и м о с т ь , с о п о с т а в и м а я с трансформаторными источниками
Рис. 6. Резонансные инверторные сварочные аппараты серии MicorMIG
питания.
Е щ е о д н о й о б л а с т ь ю распространения технологии MICOR [ 4 ] с т а л о е е п р и м е н е н и е в инновационном аккумуляторном аппарате MICORSTICK 160 (рис. 7), разработанном для ручной дуговой сварки и рассчитанном на токи до 160 А. Возможность работы от аккумуляторной батареи позволяет при отсутствии питающей сети выполнить сварку 21 электродом диаметром 2,5 мм или 9 электродами диаметром 3,2 ^ мм.
Проведенными исследованиями с показано несомненное преимущество использования технологии Мюог в ■ условиях пониженного напряжения х питания, возможность использования длинных удлинителей или ^ аккумуляторной батареи, что в позволяет достичь более высокой мобильности в выполнении сварочных работ.
Список литературы:
1. Негуляев В.Ю. Сварочный инвертор - это просто / В.Ю. Негуляев. -Киев, 2006.-42 с
2. Метод регулировки и управления
сварочным источником с помощью
резонансного контура: пат. № 2245232 Рос
Федерация / Хуберт Аигнер; заявитель и
патентообладатель Фрониус
Интернациональ ГМБХ - № 2002122334/02;
заявл. 12.01.2001; опубл. 27.01.2005.
^ ~ „ . 3. Фивейский A.M. Эргономичные
рис. 7. Сварочныи аппарат^Ю^БТЮК и д Ные инверторные аппараты
160 с аккумуляторнои батарееи MICORMlG для сварки в защитных Газах
MobolePower 1 ллл^ - - ли^Гл
А.М. Фивеискии, А.Ю. Мельников,
Автоматическая сварка. - 2014 .- №3. - С. 64
4. Мельников А.Ю. Инновационный сварочныи аппарат MICORSTICK 160 для
автономнои работы от аккумуляторнои батареи А.Ю. Мельников, А.М. Фивеискии,
ООО «ШТОРМ-ЛОРХ», Территория нефтегаз. - 2013. - № 10. - С. 85.
1Яковлев Д.С., аспирант, 2Шахматов М.В., доктор техн. наук 1ФГБОУ ВПО ЮУрГУ (НИУ) 2АНОО ЮжУралАЦ
УДК 621.791.75
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ ПРИ МНОГОДУГОВОЙ
СВАРКЕ
Разработана нелинейная математическая модель тепловых процессов при многодуговой сварке электросварных труб, позволяющая проводить оценку изменения структуры сварного соединения, полученного при использовании порошковых проволок.
Ключевые слова: многодуговая сварка труб, моделирование, порошковая проволока.
Для обеспечения благоприятной структуры и свойств сварных соединений при многодуговой сварке труб большого диаметра из стали прочности К65 необходим ; анализ и последующая корректировка термических циклов сварки. Как показали « исследования [1], одним из технологических приемов оптимизации термических | циклов является применение порошковой проволоки в многодуговом процессе сварки. При этом для изменения скоростей охлаждения с целью улучшения ! структуры металла в зоне термического влияния, а также для дополнительного микролегирования сварного шва достаточно использовать одну порошковую проволоку в многодуговом сварочном процессе изготовления труб. Для расчета термических циклов, определения скоростей охлаждения различных зон сварного соединения и определение их влияния на структуру и свойства сварного соединения : при многодуговой сварке электросварных труб применялось численное моделирование методом конечных элементов на основе программного комплекса
