Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки
Определена область устойчивой работы конвертера по напряжению на дуге. Установлена зависимость коэффициента усиления тока конвертера от его КПД, напряжения блока питания и падения напряжения на дуге. Найдена аналитическая зависимость тока дуги от падения напряжения на ней, напряжения блока питания...
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102820 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки / В.С. Гвоздецкий // Автоматическая сварка. — 2010. — № 9 (689). — С. 20-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102820 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1028202016-06-13T03:05:36Z Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки Гвоздецкий, В.С. Научно-технический раздел Определена область устойчивой работы конвертера по напряжению на дуге. Установлена зависимость коэффициента усиления тока конвертера от его КПД, напряжения блока питания и падения напряжения на дуге. Найдена аналитическая зависимость тока дуги от падения напряжения на ней, напряжения блока питания и частоты коммутации. Показана необходимость использования ферритового сердечника в дросселе, индуктивность которого уменьшается с увеличением тока. Обоснована необходимость буферного конденсатора. An area of stable operation of a converter in arc voltage range was determined. The dependence of coefficient of converter current amplification on its efficiency, voltage of power supply unit and arc-drop voltage was established. An analytical dependence of arc current on arc voltage drop, voltage of power supply unit and switching frequency was found. The necessity of application of ferrite core in a throttle, inductance of which reduces with current increase, was shown. The necessity of a buffer capacitor was proved. 2010 Article Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки / В.С. Гвоздецкий // Автоматическая сварка. — 2010. — № 9 (689). — С. 20-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102820 621.791.4 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Гвоздецкий, В.С. Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки Автоматическая сварка |
| description |
Определена область устойчивой работы конвертера по напряжению на дуге. Установлена зависимость коэффициента
усиления тока конвертера от его КПД, напряжения блока питания и падения напряжения на дуге. Найдена аналитическая зависимость тока дуги от падения напряжения на ней, напряжения блока питания и частоты коммутации.
Показана необходимость использования ферритового сердечника в дросселе, индуктивность которого уменьшается
с увеличением тока. Обоснована необходимость буферного конденсатора. |
| format |
Article |
| author |
Гвоздецкий, В.С. |
| author_facet |
Гвоздецкий, В.С. |
| author_sort |
Гвоздецкий, В.С. |
| title |
Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки |
| title_short |
Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки |
| title_full |
Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки |
| title_fullStr |
Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки |
| title_full_unstemmed |
Аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки |
| title_sort |
аналитическое исследование регулятора тока источника питания микроплазменной сварки |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102820 |
| citation_txt |
Аналитическое исследование регулятора тока
источника питания микроплазменной сварки / В.С. Гвоздецкий // Автоматическая сварка. — 2010. — № 9 (689). — С. 20-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT gvozdeckijvs analitičeskoeissledovanieregulâtoratokaistočnikapitaniâmikroplazmennojsvarki |
| first_indexed |
2025-07-07T12:52:34Z |
| last_indexed |
2025-07-07T12:52:34Z |
| _version_ |
1836992698036256768 |
| fulltext |
УДК 621.791.4
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРА ТОКА
ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ
В. С. ГВОЗДЕЦКИЙ, д-р техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Определена область устойчивой работы конвертера по напряжению на дуге. Установлена зависимость коэффициента
усиления тока конвертера от его КПД, напряжения блока питания и падения напряжения на дуге. Найдена аналитичес-
кая зависимость тока дуги от падения напряжения на ней, напряжения блока питания и частоты коммутации.
Показана необходимость использования ферритового сердечника в дросселе, индуктивность которого уменьшается
с увеличением тока. Обоснована необходимость буферного конденсатора.
К л ю ч е в ы е с л о в а : микроплазменная сварка, плазмот-
рон, плазма, факел плазмы, падение напряжения на дуге,
транзисторный модуль, снаббер, индуктивность, дроссель,
буферный конденсатор, частота коммутации
Исследования по микроплазменной сварке в Ин-
ституте электросварки им Е. О. Патона начались
во второй половине 1960 годов. Работы велись
параллельно как по фундаментальным исследо-
ваниям малоамперной дуги, так и по прикладным
вопросам разработки технологий и оборудования.
Особенности каждого способа сварки требовали
разработки не только новых технологий и схем
питания дуги, но и новых специализированных
источников питания, учитывающих эти особен-
ности.
Широкомасштабное внедрение микроплазмен-
ной сварки во всех отраслях промышленности
пришлось на 1970–1985 годы. Было изготовлено и
передано в промышленность более 15 тыс. ед. обо-
рудования и автоматов для сварки тонких металлов,
в том числе алюминия и его сплавов. Оборудование
и технологии продавали зарубежным фирмам
Швеции, Японии, Франции и других стран.
В настоящее время спрос на микроплазменную
сварку существенно сократился. Одной из основ-
ных причин является устаревшее оборудование.
Оно габаритное, энерго- и материалозатратное,
трудно поддается ремонту из-за устаревших ком-
плектующих. Его нельзя применить для высокос-
коростных процессов сварки тонколистовых кон-
струкций из алюминия и его сплавов.
Поэтому разработка малогабаритного высоко-
динамичного оборудования на основе серийных
инверторных блоков питания и конвертеров яв-
ляется актуальной и перспективной задачей.
Современная промышленность выпускает ма-
логабаритные инверторные блоки питания с вы-
сокой энергоемкостью (около 536 Вт/кг) в боль-
шом ассортименте и количестве, а также мощные
полевые и биполярные транзисторы по доступным
ценам. Все это создает предпосылки для разра-
ботки нового поколения оборудования для мик-
роплазменной сварки с высокими динамическими
свойствами с аналоговым или цифровым управ-
лением режимами сварки.
Целью данной работы является всесторонний
анализ работы конвертера понижающего типа
применительно к разработке источника питания
для микроплазменной сварки, а также выявление
новых возможностей для создания перспективных
технологий, отвечающих современным требова-
ниям, что позволит увеличить спрос на простой,
надежный и эффективный способ сварки металлов
малых толщин.
Такой источник состоит из инвертора RSP-
1500-48 и чоппера. Его схема изображена на ри-
сунке и аналогична схемам, описанным в работах
[1, 2], с тем отличием, что энергия, накопленная
в конденсаторе снаббера, при открытии транзис-
тора сбрасывается не на R2, а в дугу через элек-
трод или сопло плазмотрона.
В работе [3] выполнен анализ преобразователя
понижающего типа в линейном приближении в
установившемся режиме (не при первом вклю-
чении), работающего на омически емкостную наг-
рузку для электронной аппаратуры. Отличитель-
ной особенностью рассматриваемого материала
является то, что преобразователь работает на ду-
говую нагрузку (нелинейный элемент электричес-
кой цепи) в широком диапазоне регулировки тока
дуги, например, 5…50 А при различных падениях
напряжения на дуге, зависящих от канала сопла
плазмотрона, длины дуги, рода и расходов защит-
ных газов, в диапазоне частот, безопасных для
слухового восприятия.
Детальное и целостное описание работы схемы
источника питания нелишнее для технологов-
сварщиков, использующих микроплазму в техно-
логических процессах обработки различных ма-
териалов.
Инструментом для микроплазменной сварки
является плазмотрон. Для подготовки его к работе
© В. С. Гвоздецкий, 2010
20 9/2010
необходимо подать плазмообразующий газ (ар-
гон), зажечь дежурную дугу и установить так, что-
бы факел плазмы, исходящий из канала плазмот-
рона, касался анода — изделия. Режим короткого
замыкания и возбуждения дуги с короткого за-
мыкания в данной работе не рассматривается.
При включенном блоке питания и подаче уп-
равляющего напряжения на затвор открывается
транзистор, напряжение источника питания Uп
поступает на разрядный промежуток «электрод–
изделие», что приводит к возникновению дуги
прямой полярности. Благодаря самоиндукции ток
дуги нарастает постепенно. Когда он достигает
заданного блоком управления значения Im, тран-
зистор выключается. Падение напряжения на ин-
дуктивности изменяет полярность, диод VD1 от-
крывается и дуга начинает питаться от индук-
тивности. Энергия, запасенная в ней во время от-
крытого состояния транзистора, сбрасывается на
дугу в течение времени τ0 закрытого состояния
транзистора. Если τ0 велико, то энергия с индук-
тивности сбрасывается полностью. В этом случае
конвертер выдает отдельные импульсы тока с эк-
споненциальной формой заднего фронта. По мере
уменьшения τ0 импульсы сближаются и наступает
момент, когда пауза между ними исчезает. Даль-
нейшее уменьшение τ0 приводит к тому, что пос-
ледующий импульс накладывается на задний
фронт предыдущего, образуя тем самым нижний
уровень тока I0. При этом индуктивность отдает
только часть энергии. Верхний уровень тока Im
задает блок управления. Чем меньше τ0, тем выше
уровень I0, т. е. I0 = f(τ0). Разница между Im и
I0 определяет амплитуду пульсаций тока дуги. С
одной стороны, амплитуда пульсаций должна
быть небольшой, так как при этом уменьшается
сила звукового излучения дуги, с другой, умень-
шение амплитуды пульсаций сужает диапазон ре-
гулировки тока и существенно увеличивает час-
тоту коммутации конвертера.
При больших значениях тока Im увеличивается
вероятность двойного дугообразования в плазмот-
роне, а при больших пульсациях тока дуги ухуд-
шается качество защиты металла шва. Синхронно
с пульсациями тока развиваются колебания в
столбе дуги. Столб дуги то расширяется при на-
растании тока, то сужается при его спаде. Эти
колебания передаются в зону защитного газа, что
приводит к подсосу воздуха. Это же явление име-
ет место и при импульсной сварке с нулевой сос-
тавляющей тока между импульсами. При огра-
ниченной мощности блока питания амплитуду то-
ка Im > Iп (номинальное значение тока источника
питания) может обеспечить буферный электро-
литический конденсатор, подключенный на входе
конвертера. Большая его емкость позволяет фор-
мировать импульсы тока большой амплитуды,
значительно превышающей нагрузочный ток бло-
ка питания Iп. В течение времени τ1 открытого
состояния транзистора дуга питается фактически
от конденсатора. После закрытия транзистора
блок питания дозаряжает конденсатор до напря-
жения Uп и восстанавливает потери энергии кон-
денсатора. Поэтому максимальную амплитуду то-
ка Im >> Iп ограничивает не ток блока питания,
а тип транзистора. Например, транзистор
GA200SA60U пропускает ток 100 А, а транзистор
SKM180A позволяет развивать ток до 180 А.
Рассмотрим работу конвертера понижающего
типа на постоянном токе при определенных допу-
щениях. Падение напряжения на дуге (при Iд ≥ 5 А)
[4] и значение индуктивности не зависят от тока
дуги. Пренебрегаем всеми электрическими поте-
рями на активных и пассивных элементах чоп-
пера. Эти потери требуют дополнительных затрат
энергии блока питания. Они подробно описаны
в работе [2]. Принятые допущения никак не вли-
яют на анализ работы регулятора тока сварки,
они только упрощают математический анализ. В
ходе исследований все эти потери учитываются
в виде КПД преобразователя.
Структурная схема источника питания микроп-
лазменной сварки: 1 — транзисторный модуль;
2 — снаббер
9/2010 21
Известно, что для получения тока Im блок пи-
тания должен затратить энергию не только на пи-
тание дуги, но и на накопление энергии в ин-
дуктивности. Когда транзистор закрывается, эта
энергия возвращается в цепь и питает дугу при
отключенном блоке питания. Сколько энергии в
ней накопилось, столько же она отдает дуге.
При включении транзистора ток не сразу дос-
тигает своего номинального значения, как при
балластном реостате, а нарастает постепенно. Яв-
ление самоиндукции заключается в появлении до-
полнительной ЭДС, пропорциональной скорости
изменения тока, но имеющей обратный знак. По-
этому закон Ома применительно к дуговой сварке
можно записать в следующем виде:
Uп – Uд – LdI/dt = IR или dI/dt + (R/L)I = (Uп – Uд)/L, (1)
где Uд — падение напряжения на дуге; L — ин-
дуктивность дросселя; R — омическое сопротив-
ление силовой цепи; I — сила тока; t — текущее
время.
Рассмотрим закономерность нарастания тока
при включении транзистора. Под действием нап-
ряжения блока питания Uп, приложенного к раз-
рядному промежутку «электрод–изделие», воз-
буждается основная дуга и ток начинает нарас-
тать.
Разделяя переменные в уравнениях (1) и про-
ведя интегрирование, находим
–RdI/(Uп – Uд – IR) = (R/L)dt;
Uп – Uд – IR = Aexp(–Rt/L). (2)
Постоянная интегрирования A определяется из
начальных условий: при t = 0 I = I0 > 0. Очевидно,
что A = Uп – Uд – I0R. Пропуская промежуточные
выкладки, находим
I = (Uп – Uд)(1 – exp(–Rt/L))/R + I0exp(–Rt/L). (3)
Для упрощения анализа воспользуемся разло-
жением в ряд Тейлора и ограничимся линейным
членом ряда. В этом случае выражение (3) при-
нимает вид
I = I0 + (Uп – Uд – I0R)t/L. (4)
Видно, что ток I нарастает линейно (как и в
работе [3]). При достижении значения Im блок
управления выключает транзистор. Длительность
времени открытого состояния транзистора, в те-
чение которого ток I нарастает от I0 до Im, вы-
числяется по формуле
τ1 = (Im – I0)L/(Uп – Uд – I0R). (5)
Заметим, что ток I является не только током
дуги, током блока питания, но и током накопления
энергии в индуктивности L. При выключенном
транзисторе блок питания отсоединяется (Uп =
= 0) и дуга питается от индуктивности L через
сбрасывающий диод VD1, минуя шунт R1. Ток
I начинает спадать от значения Im до I0. Из урав-
нения (2), опуская математические выкладки, на-
ходим
I = Im – (Uд + ImR0)τ/L, (6)
здесь R0 = R – R1.
Видно, что ток линейно спадает во времени.
При τ = τ0 уравнение (6) принимает вид
I0 = Im – (Uд + ImR0)τ0/L. (7)
Длительность закрытого состояния транзисто-
ра равна
τ0 = (Im – I0)L/(Uд + ImR0) ≈ (Im – I0)L/Uд. (8)
Обозначим отношение τ1 к τ0 через β. С учетом
выражений (5) и (7), пренебрегая членами I0R и
ImR0 в силу их малости по сравнению с Uп и Uд,
β принимает вид
β ≈ Uд /(Uп – Uд). (9)
Форма импульса тока дуги близка к равно-
бедренному треугольнику, если 2Uд незначитель-
но меньше Uп. Параметр β составляет около 0,85
при Uд = 22 В и Uп = 48 В. Если Uп >> 2Uд, то
τ1 сокращается, уменьшается β, увеличивается
частота коммутации в 1,47 раза при Uп = 60 В
по сравнению с Uп = 48 В. Уменьшается также
и период одного цикла T = (τ1 + τ0). Заменяя τ1
через β, имеем
T = τ0(1 + β). (10)
Используя выражения (4)–(8), легко опре-
делить средние значения тока дуги Iд и тока блока
питания Iп за один цикл (период Т). Опуская ма-
тематические выкладки, они принимают вид
Iд = (Im + I0)/2, Iп = (Im + I0)Uд/(2Uп). (11)
Анализируя выражение (11), приходим к вы-
воду, что Iд > Iп и он тем больше, чем меньше
падение напряжения на дуге и выше напряжение
Uп блока питания.
В реальном преобразователе блок питания рас-
ходует энергию не только на накопление и пи-
тание дуги, но и на электрические потери в чоп-
пере. Они тем меньше, чем качественнее и ра-
циональнее выполнен монтаж.
Отношение мощности, выделяемой на дуге, к
мощности, потребляемой от блока питания, есть
КПД конвертера, т. е.
(UдIд)/(UпIп) = η, или Iд/Iп = ηUп/Uд. (12)
Если подключить амперметры на входе и вы-
ходе конвертера, то они будут показывать разные
значения. Амперметр в цепи дуги покажет боль-
22 9/2010
ший ток, чем амперметр в цепи блока питания.
Отношение этих токов есть коэффициент усиле-
ния тока. Измеренный коэффициент усиления то-
ка равнялся 1,64, а вычисленный КПД конвертера
η = 0,75 (при Uд = 22 и Uп = 48 В). В работе
[2] он составляет 0,75…0,81. Это расхождение
объясняется, возможно, тем, что коэффициент
усиления тока дуги измеряли на макете, а не на
реальном конвертере.
Остановимся еще на одной важной характе-
ристике преобразователя — отношении тока I0
к Im. Они задаются и регулируются блоком уп-
равления.
Обозначим это отношение через α. Из (8) на-
ходим
1 – α = (Uд/L)(τ0/Im). (13)
Легко видеть, что параметр α не зависит от
тока Im, если линейно связать параметр τ0 с током
Im соотношением τ0 = γIm (γ — коэффициент
пропорциональности, cA–1). Тогда (13) принимает
вид
α = 1 – (γUд/L) (14)
и отношение I0 к Im перестает зависеть от Im во
всем диапазоне его регулировки. Это означает,
что при регулировке тока Im необходимо также
регулировать параметр τ0, связанный с ним ли-
нейным соотношением. Разработка такого блока
управления — задача будущих исследований.
В аналоговых схемах управления регулируется
только ток Im, а параметр τ0 имеет фиксированное
значение. Если схема управления по параметру
τ0 настроена так, что при токе дуги, например,
Iд = 20 А параметр α = α0, то при регулировке
тока Iд > 20 А параметр α увеличивается, т. е.
α > α0. Разница между токами Im – I0 уменьшает-
ся (1 – α) < (1 – α0). Это только улучшает процесс
микроплазменной сварки и качество шва. При то-
ках дуги Iд < 20 А параметр α начинает умень-
шаться (α < α0) и разница Im – I0 увеличивается.
По мере уменьшения тока Iд ток I0 быстро стре-
мится к нулю. Это обусловлено тем, что энергия,
накапливаемая в индуктивности, уменьшается
квадратично с уменьшением тока Im. Она, задолго
до повторного открытия транзистора, полностью
сбрасывается в дугу и ток I0 = 0. Дуга горит в
виде отдельных импульсов тока, даже с паузами
между ними. Процесс сварки с нарушением неп-
рерывности тока дуги затрудняет формирование
шва, а иногда делает невозможным его получение.
В этом и заключается главный недостаток схемы
управления с фиксированным значением τ0. Итак,
обоснована необходимость модернизации сущес-
твующей схемы управления конвертером в сос-
таве источника питания для микроплазменной
сварки.
Интересно, что даже при такой схеме управ-
ления существует значение α1, которое не зависит
от тока Im, т. е. сохраняет постоянное значение
во всем диапазоне регулировки тока дуги. Этот
случай наступает тогда, когда разность токов Im –
– I0, умноженная на некоторое число δ, равна току
дуги, т. е. когда Iд = δ(1 – α1)Im. Приравнивая пра-
вую часть этого уравнения к правой части урав-
нения (11) и сокращая Im, имеем
(1 + α1)/2 = δ(1 – α1) или δ = (1 + α1)/(2(1 – α1)). (15)
Использовав выражения (7)–(9) и (15), ток дуги
принимает вид
Iд = δUд(Uп – Uд)/(UпLF), (16)
где F — частота коммутации.
Дифференцируя Iд по Uд и приравнивая про-
изводную нулю, находим, что ток Iд достигает
максимального значения Imax
Imax = δUп/(4LF) при Uд = 0,5Uп. (17)
В то же время Imax определяется, исходя из
максимальной мощности, передаваемой блоком
питания дуги, т. е.
Imax = ηWп/Uд = 2ηWп/Uп при Uд = 0,5Uп, (18)
где Wп — мощность блока питания.
Приравнивая правые части (17) и (18), находим
δ = 8ηWпLF/Uп
2. (19)
Подставляя значения параметров η, Uп, Wп в
(19) и проведя вычисления, находим δ = 1,171875
(при LF = 2⋅10–5 Гн⋅1,5⋅104 Гц = 0,3). Подставляя
это значение δ в (15), вычисляем α1 = 0,4.
Из (11) вычисляем Iд = 0,7Im. Такое же значение
тока дуги Iд имеем из разности δ(Im – I0), т. е.
имеем тождество, а выражение (16) принимает
вид
Iд = 1,167Uд(Uп – Uд)/(UпLF) при α1 = 0,4. (20)
Устойчивая работа регулятора тока со сбросом
энергии дросселя на дугу через диод VD1 воз-
можна только при Uд < 0,5Uп. При приближении
Uд к 0,5Uп ЭДС самоиндукции уменьшается и
когда она становится меньше Uд, дроссель пе-
рестает сбрасывать энергию на дугу. При отк-
рытии транзистора ЭДС суммируется с Uп и ско-
рость нарастания тока увеличивается приблизи-
тельно в 2 раза. Во столько же раз увеличивается
ЭДС самоиндукции. При некоторых обстоятель-
ствах процесс становится неуправляемым, что
опасно для транзистора. Таким образом, длину
дуги можно изменять только в зоне Uд < 0,5Uп.
9/2010 23
Уравнение (20) интересно, так как позволяет
рассчитать диапазон регулировки тока Iд, но и
диапазон частот, безопасный для слухового вос-
приятия. Если произведение IдL задать постоян-
ным, то частота F перестает зависеть от тока Iд,
т. е. дроссель преобразователя необходимо изго-
тавливать с ферритовым сердечником, индуктив-
ность которого уменьшается с увеличением тока
Iд.
Рассчитать такой дроссель непросто не только
потому, что магнитная восприимчивость феррита
меняется с температурой нагрева, но и потому,
что она сложно зависит от напряженности маг-
нитного поля. В таком случае можно воспользо-
ваться экспериментальной графической зависи-
мостью L = f(Iд). Эту зависимость легко можно
получить, если дроссель нагружать током от ак-
кумулятора (например, автомобильного) и регу-
лировать ток реостатом, а индуктивность изме-
рять, например, приборами «Измеритель имми-
танса Е7-15» или UT603.
Хотя в математическом анализе функции гра-
фически не задают, но часто используют их гра-
фические представления, легкая обозримость и
наглядность графика делают его незаменимым
вспомогательным средством исследования функ-
ций. Отметим, что индуктивность дросселя с фер-
ритовым сердечником с увеличением тока Iд в пре-
деле стремится к постоянному значению, когда на-
магниченность феррита достигает насыщения. Если
при токе Iд = 50 А индуктивность достигла пос-
тоянного значения, например, L = 20 мкГн, а при
токе Iд = 5 А она составляет 200 мкГн (Iд L =
= 10–3), то преобразователь тока будет работать
при постоянной частоте 13,9 кГц во всем диа-
пазоне регулировки тока Iд = 5…50 А (при Uп =
= 48 В, Uд = 22 В и α1 = 0,4). Исходя из того,
что F — величина постоянная, уравнение (20)
можно представить в виде
IдLF = 1,167Uд(Uп – Uд)/Uп < 13,9. (21)
Правая часть этого уравнения для микроплаз-
менной сварки есть величина постоянная при не-
изменной длине дуги Uд = const. При микроплаз-
менной сварке Uд < 22 В в зависимости от выбора
рода защитного газа, длины дуги [4], а также ди-
аметра канала сопла плазмотрона. Поэтому для это-
го способа сварки блок питания RSP-1500-48 с нап-
ряжением 48 В вполне приемлем, тем более, что
верхний предел регулировки Uп достигает 56 В.
Экспериментально изготовить дроссель на
феррите не представляет затруднений. Чем мень-
ше индуктивность, тем меньше его массогабарит-
ные параметры, материальные и трудовые затраты
на изготовление. Если даже индуктивность будет
незначительно отличаться от Iд L = 10–3, то частота
при регулировке тока дуги немного «плавает».
Главное, чтобы она не выходила из зоны, безо-
пасной для слухового восприятия.
Рассмотрим работу буферного конденсатора.
Предположим, что конденсатор, заряженный до
напряжения Uп, отключаем от блока питания и
через конвертер нагружаем на дугу. Она горит
до тех пор, пока конденсатор не разрядится до
напряжения Uc = 2Uд.
Количество энергии ΔWc, израсходованной
конденсатором на питание дуги, записывается как
ΔWc = ηC(Uп
2 – 4Uд
2)/2, (22)
где C — емкость конденсатора; η — КПД пре-
образователя.
Дуга за период T потребляет энергию IдUдT.
Разделив ΔWc на энергию, потребленную дугой,
находим количество циклов N
N = ηC(Uп
2 – 4Uд
2)F/(2UдIд). (23)
Подставляя указанные выше значения пара-
метров (Uп, Uд, F, η) и проведя вычисления для
C = 5,6⋅10–3 Ф, имеем N = (8,4; 5,6; 4,2; 2,8) при
токах Iд = (50; 75; 100; 150) А соответственно.
Эти вычисления показывают, что электролитичес-
кий конденсатор в составе конвертера понижаю-
щего типа крайне необходим при маломощных
инверторных блоках питания. Ток дуги может в
1,5…2 раза превышать нагрузочный ток блока пи-
тания.
Один блок питания RSP-1500-48, даже при за-
ниженном КПД преобразователя η = 0,75, пере-
дает дуге 1125 Вт мощности. Для микроплазмен-
ной сварки при Uд = 22 В ток дуги составляет
51 А, а при Uд = 18 В ток Iд = 62,5 А. Коэффициент
усиления тока равен соответственно 1,64 и 2. При
этом ток, потребляемый от блока питания, равен
31 А, что составляет 97 % максимального тока
нагрузки. При подключении инвертора по схеме,
изображенной на рисунке, с проходными конден-
саторами он стабильно работал на дуговой экви-
валент с балластным реостатом в течение 45 мин
даже с перегрузкой по мощности на 13 %.
Таким образом, первым ограничителем тока
дуги является мощность блока питания. Ток дуги
можно увеличить в 2 раза, если параллельно вклю-
чить два таких блока. Разработчик предусматри-
вает параллельную работу блоков на общую наг-
рузку. Однако не каждый транзистор может ком-
мутировать большие токи дуги. Здесь вступает
в силу второе ограничение для тока дуги — мак-
симальный ток коллектора Ic, т. е.
Ic ≥ Im = 1,4286 Iд или Iд ≤ 0,7Ic. (24)
При использовании в преобразователе транзис-
тора GA200SA60 источник питания ограничен
сверху током Iд = 70 А, а на транзисторе SKM180A
24 9/2010
— током дуги Iд = 126 А. Поэтому для источника
питания с одним блоком RSP-1500-48 рекомен-
дуется транзистор GA200SA60, а для работы двух
блоков параллельно — транзистор SKM180A.
Выводы
1. Установлена область устойчивой работы пре-
образователя, которая определяется падением
напряжения на дуге Uд < 0,5Uп.
2. Аналитически показано, что конвертер с ин-
дуктивным накопителем является усилителем то-
ка. Коэффициент усиления прямо пропорциона-
лен произведению ηUп и обратно пропорционален
падению напряжения на дуге.
3. Индуктивность дросселя с ферритовым сер-
дечником уменьшается с увеличением тока и стре-
мится к постоянному значению, когда намагни-
ченность сердечника достигает насыщения. Такой
дроссель обеспечивает плавную регулировку тока
дуги и поддерживает частоту в выбранном диа-
пазоне, если LIд ≈ const.
4. Определена зависимость тока дуги от па-
дения напряжения на ней, напряжения блока пи-
тания, индуктивности дросселя и частоты, поз-
воляющая вычислять диапазон регулировки тока
дуги с приемлемой амплитудой пульсаций в ин-
тервале частот, безопасном для слухового восп-
риятия.
5. Показано, что на базе серийных инвертор-
ных блоков питания и конвертера понижающего
типа можно разработать современный малогаба-
ритный энергоемкий высокодинамичный источ-
ник питания микроплазменной сварки для паде-
ний напряжения на дуге Uд < 0,5Uп.
1. Коротынский А. Е., Махлин Н. М., Богдановский В. А. К
расчету электронных регуляторов сварочного тока для
многопостовых сварочных систем // Автомат. сварка. —
2002. — № 12. — С. 19–27.
2. Кункин Д. Д. Система управления процессом сварки ТИГ
сталей малой толщины // Там же. — 2008. — № 12. —
С. 17–19.
3. Пилинский В. В. Источник вторичного электропитания с
бестрансформаторным выходом для электронной аппа-
ратуры. — Киев: Изд. КПИ, 1985. — 120 с.
4. Микроплазменная сварка / Под ред. академика Б. Е. Па-
тона. — Киев: Наук. думка, 1979. — 245 с.
An area of stable operation of a converter in arc voltage range was determined. The dependence of coefficient of
converter current amplification on its efficiency, voltage of power supply unit and arc-drop voltage was established. An
analytical dependence of arc current on arc voltage drop, voltage of power supply unit and switching frequency was
found. The necessity of application of ferrite core in a throttle, inductance of which reduces with current increase, was
shown. The necessity of a buffer capacitor was proved.
Поступила в редакцию 16.12.2009
Малогабаритные установки для ЭЛС в приборостроении
Десять установок CB-112/103 с
внутренними размерами вакуумной
камеры 640.640.640 мм введены в
промышленную эксплуатацию для
ЭЛС небольших изделий. Время ва-
куумирования до 5⋅10–4 мм рт. ст.
составляет меньше 5 мин.
ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ
тел./факс: (38044) 525-43-19
E-mail: office@technobeam.com.ua
РАЗРАБОТАНО В ИЭС
9/2010 25
|