Чем отличается выпрямитель от инвертора

Чем отличается выпрямитель от инвертора

Малогабаритные сварочные инверторы для монтажных работ

В наступившем веке бесспорным лидером в производстве сварочной техники становятся инверторные источники питания. Это еще раз подтвердила прошедшая в сентябре 2001 года в Эссене (Германия) 15-я международная выставка Schweissen & Schneiden («Сварка и резка»), являющаяся крупнейшим мировым смотром сварочных технологий и оборудования.

Если на выставке 1997 года производители демонстрировали достижения в разработке инверторных источников, то последняя выставка показала, что почти 80% представленной сварочной техники было построено на основе инверторных выпрямителей. В одном из номеров нашего журнала (см. № 6, 2003 г.) мы рассказывали о сварочных инверторах, однако сейчас хотелось бы еще раз остановиться на этой теме.

Инверторные выпрямители

В отличие от обычных выпрямителей, у которых трансформатор работает на частоте сетевого напряжения 50 Гц, в инверторных выпрямителях он стал работать на высоких частотах (килогерцы и десятки килогерц). Повышение частоты тока, протекающего через силовой трансформатор, позволило существенно уменьшить его массу и габариты. Если у обычных выпрямителей величина, характеризующая отношение сварочного тока к массе, равна 1–1,5 А/кг, то у инверторных выпрямителей, собранных на «скоростных» тиристорах, этот показатель вырос до 4–5 А/кг.

Основным принципом работы инверторного источника питания является многократное поэтапное преобразование электрической энергии. Обратившись к блоксхеме инверторного выпрямителя (рис. 1.), можно выделить основные этапы преобразования:

  • выпрямление сетевого переменного напряжения частотой 50 Гц первичным выпрямителем, собранном из силовых диодов по мостовой схеме;
  • преобразование выпрямленного напряжения с повышенными пульсациями в переменное напряжение высокой частоты;
  • понижение переменного напряжения высокой частоты импульсным высокочастотным трансформатором до значения, соответствующего напряжению сварки с формированием необходимого вида вольтамперной характеристики;
  • преобразование вторичным выпрямителем переменного напряжения высокой частоты, имеющего величину сварочного напряжения, в постоянное напряжение со сглаживанием пульсаций тока.

Рис. 1. Блоксхема инверторного выпрямителя

Весь процесс преобразования регулируется за счет обратных связей блоком управления, который обеспечивает необходимые статические и динамические характеристики сварочного тока.

Почему же инверторные выпрямители заняли лидирующее положение в сварочных технологиях. Безусловно, основным достоинством сварочных инверторов являются их малые размеры и масса, что делает их более удобными и мобильными, в 10–12 раз снижается материалоемкость оборудования. Низкие пульсации тока (не более долей процента), высокая скорость регулировки, легкое зажигание и высокая стабильность сварочной дуги, возможность получения всего спектра вольтамперных характеристик от крутопадающих до жестких и возрастающих — все это обусловило хорошие сварочные качества инверторных выпрямителей. Кроме того, они имеют высокий кпд (до 90%), потери электроэнергии у них снижаются до 10 раз, а нагрузка источника (ПВ) возрастает до 80–100%. Высокая мобильность позволяет использовать подобные источники питания при выполнении монтажных работ в стационарных и полевых условиях.

Экскурс в историю

Одним из первых шагов в развитии регулируемых источников питания стал разработанный в 1905 году австрийским профессором Розенбергом сварочный генератор поперечного поля, у которого напряжение на дуге менялось с ростом сварочного тока. В 1907 году первый генератор с регулируемым напряжением был выпущен заводом Lincoln Electric (США). Появление в 50-х годах селеновых диодов позволило создавать мощные выпрямители для дуговой сварки. Следующим важным этапом стало начало производства силовых кремниевых тиристоров, которое началось в 60–70-х годах. Их применение позволило плавно изменять величину сварочного тока не за счет магнитного потока силового трансформатора или генератора, а на основе обратных связей и фазовой регулировки угла включения тиристоров. Одним из первых образцов были выпрямители серии Tilark компании Kemppi (Финляндия), собранные по схеме «силовой трансформатор — тиристорный выпрямительный блок». Эта схема дала возможность получать различные вольт-амперные характеристики, снизить пульсации тока и стала классической для сварочных выпрямителей.

В 1977 году Kemppi выпустила на рынок сварочный выпрямитель Hilark-250. Он был собран на базе «скоростных» тиристоров, которые преобразовывали постоянный ток в переменный с частотой 2–3 кГц. Выпуск серии выпрямителей Hilark и стал началом триумфального шествия инверторных источников питания для дуговой сварки. Использование инверторных переключателей позволило быстро перестраивать источник питания, получать различные вольт-амперные характеристики, используемые для разных сварочных процессов — MMA, TIG, MIG/MAG, — и перейти в дальнейшем к реализации принципа сварочных мультисистем. Такие мультисистемы серии PS, работающие на частоте 5 кГц, начали поставляться Kemppi в 1981–1982 годах.

С появлением на рынке силовой электроники модульных биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) частота инвертирования (а следовательно, и частота работы сварочного трансформатора) выросла до 20 кГц, при этом отношение сварочного тока к массе источника питания повысилось вдвое. На базе IGBT-транзисторов стали выпускать малогабаритные источники для сварки методами MMA, TIG, MIG/MAG, плазменной резки. Одним из первых инверторов на транзисторах IGBT был выпрямитель серии Master компании Kemppi, работающий на частоте 20 кГц. Инверторы этой серии поступили в продажу в 1991 году.

Следующая стадия развития связана с появлением в 90-х годах полевых МОП-транзисторов серии MOSFET (Metal Ocside Semiconductor Field Effect Transistor). За счет применения силовых MOSFET-транзисторов частота инвертирования повысилась до десятков килогерц. Например, компания ESAB (Швеция) стала выпускать малогабаритные «бытовые» источники Caddy, работающие в диапазоне максимальных токов от 130 до 250 А. Массогабаритные характеристики при этом продолжают снижаться. В частности, инвертор Caddy-150, выпускаемый ESAB, имеет массу всего 7,7 кг и работает на частоте 49 кГц; инверторный источник питания серии AristoArc-400 (ESAB) весит 45 кг. Сейчас инверторы Caddy-150 заменяются на более совершенные источники питания OrigoArc-150 массой всего 6,9 кг.

Читайте также:  Пропадает картинка с рабочего стола windows 7

Предложения инверторов

Компания Kemppi продемонстрировала на выставке в Эссене инверторы Minarc-110 и Minarc-140 массой в 4,2 кг, работающие на частоте 80 кГц. Эти инверторы обладают возможностью работать со сварочными кабелями длиной до 50 м без существенного падения напряжения. Ток максимальной нагрузки для Minarc-110 составляет 110 А при ПВ=50% и 80 А при ПВ=100%, для Minarc-140 — 140 А при ПВ=35% и 100 А при ПВ=100%; потребляемый ток 13 А и 16 А соответственно. Плавная регулировка сварочного тока; возможность сварки TIG с контактным поджигом дуги; кпд, равный 80%; максимальное напряжение дуги 24,4 В и 25,6 В соответственно; рабочая температура от –20°C до +40°C; класс защиты IP 23C — делают эти источники идеальными аппаратами для работы в труднодоступных местах.

Инверторы Invertec V 140-S Lincoln Electric имеют встроенные функции Arc Force, Hot Start и возможность питания от генераторов с нестабильным сетевым напряжением.

К сожалению, российские производители сварочной техники намного отстали от мирового уровня развития инверторных технологий. Это связано не только с общим десятилетним спадом экономики, но также и с отсутствием элементной базы силовых высокочастотных полупроводниковых элементов отечественного производства и неразвитостью конструкторско-технологической школы разработки сварочных инверторов.

Среди российских производителей можно было бы выделить Государственный рязанский приборный завод с источниками питания серии «Форсаж» и ЗАО «Спецэлектромаш» (Санкт-Петербург). Его инвертор ВДУЧ-1371, выпускаемый в двух вариантах (для сварки MMA и для сварки TIG с встроенным газовым клапаном) отличается простотой и надежностью конструкции, а заявленная производителем возможная нагрузка в 100% ПВ практически соответствует реальности. Немного портят впечатление от аппарата невзрачный дизайн, неудобное подключение сварочных кабелей (болты на лицевой панели), отсутствие рукоятки для переноски и неустойчивая работа при нестабильном сетевом напряжении.

Одни из наиболее интересных инверторных выпрямителей на российском рынке предлагает ООО НПЦ «ПромЭл-2000» (Москва). В результате применения ноу-хау в схеме инверторного блока и оригинального метода теплоотвода удалось создать серию малогабаритных инверторных выпрямителей ВМЕ и ВМ на базе полевых МОП-транзисторов серии MOSFET. Производство инверторов размещено на ОАО МЗ «Прогресс» (Астрахань).

Инверторы предназначены для ручной дуговой сварки штучными электродами диаметром от 1,6 до 6,0 мм на прямой и обратной полярностях большинства углеродистых, легированных и нержавеющих сталей с получением сварных швов высокого качества. Получение на выходе выпрямителя необходимой для качественной сварки высокочастотной составляющей осуществляется за счет инвертирования тока в пилообразную форму с частотой до 150 кГц. Это обеспечивает легкий поджиг, устойчивое горение и высокую эластичность дуги.

Сравнительные испытания различных типов сварочных инверторов, проведенные одним сварщиком на мостовых металлоконструкциях с использованием одних сварочных материалов, показали, что качество сварных швов, выполненных с использованием выпрямителей серии ВМЕ, было значительно выше за счет более эффективного сглаживания выходного тока. В результате этого перенос расплавленного металла приобретал почти «струйный» характер, что резко снижало разбрызгивание металла. Поскольку инверторы серии ВМЕ/ВМ работают практически в режиме короткого замыкания, их электробезопасность соответствует международным нормам IEC 974. Электромагнитная совместимость выпрямителей обеспечивается благодаря полному экранированию высокочастотного излучения инверторного преобразователя алюминиевым корпусом. Высокое качество сварки обеспечивается автоматическим поддержанием параметров дуги, а компенсация колебания напряжения питающей сети позволяет применять аппараты на стройплощадках или в полевых условиях при работе с передвижными генераторами с плавающим выходным напряжением (напряжение питания может колебаться от 187 до 242 В). Малая масса инверторов ВМЕ/ВМ дает возможность использовать их с длинными кабелями питания, что в сочетании с низким напряжением холостого хода (60–80 В) гарантирует большую электробезопасность при работе в емкостях, подвалах и закрытых помещениях.

За разработку и освоение серийного выпуска инверторных выпрямителей серии ВМЕ/ВМ ООО НПЦ «ПромЭл-2000» в 2002 году и 2003 году было награждено двумя золотыми медалями Международного салона инноваций и инвестиций и дипломами многих московских и региональных выставок.

В настоящее время совместно с ФГУП Институт сварки России (Санкт-Петербург) разрабатывается серия малогабаритных полуавтоматов для сварки в среде защитных газов на базе инверторов ВМЕ-140 и ВМ-300. На базе инверторов серии ООО «Спарк» (Северодвинск) создал сварочную установку для сварки TIG. Ведутся испытания мобильной установки для плазменной сварки и резки.

Таблица. Сравнительные характеристики малогабаритных сварочных инверторов

Напряжение
питания, В

Потреб-ляемая
мощность, кВ–А

Диапазон
сварочного
тока, А

Выпрямитель — устройство для преобразования переменного тока в постоянный.
Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный.

Бестрансформаторные блоки питания включают в себя по большому счету два выпрямителя и один инвертор.
Первый выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, который инвертор преобразует в ВЧ переменный (десятки килогерц), который второй выпрямитель преобразует в постоянный.

Читайте также:  Пояс ван аллена википедия

В чистом виде инверторы применяются для преобразования постоянного тока в переменный промышленной частоты 50 гц в схемах аварийного электропитания ИБП или для питания бытовой аппаратуры от автомобильных аккумуляторов/генераторов.

Малогабаритные сварочные инверторы для монтажных работ

В наступившем веке бесспорным лидером в производстве сварочной техники становятся инверторные источники питания. Это еще раз подтвердила прошедшая в сентябре 2001 года в Эссене (Германия) 15-я международная выставка Schweissen & Schneiden («Сварка и резка»), являющаяся крупнейшим мировым смотром сварочных технологий и оборудования.

Если на выставке 1997 года производители демонстрировали достижения в разработке инверторных источников, то последняя выставка показала, что почти 80% представленной сварочной техники было построено на основе инверторных выпрямителей. В одном из номеров нашего журнала (см. № 6, 2003 г.) мы рассказывали о сварочных инверторах, однако сейчас хотелось бы еще раз остановиться на этой теме.

Инверторные выпрямители

В отличие от обычных выпрямителей, у которых трансформатор работает на частоте сетевого напряжения 50 Гц, в инверторных выпрямителях он стал работать на высоких частотах (килогерцы и десятки килогерц). Повышение частоты тока, протекающего через силовой трансформатор, позволило существенно уменьшить его массу и габариты. Если у обычных выпрямителей величина, характеризующая отношение сварочного тока к массе, равна 1–1,5 А/кг, то у инверторных выпрямителей, собранных на «скоростных» тиристорах, этот показатель вырос до 4–5 А/кг.

Основным принципом работы инверторного источника питания является многократное поэтапное преобразование электрической энергии. Обратившись к блоксхеме инверторного выпрямителя (рис. 1.), можно выделить основные этапы преобразования:

  • выпрямление сетевого переменного напряжения частотой 50 Гц первичным выпрямителем, собранном из силовых диодов по мостовой схеме;
  • преобразование выпрямленного напряжения с повышенными пульсациями в переменное напряжение высокой частоты;
  • понижение переменного напряжения высокой частоты импульсным высокочастотным трансформатором до значения, соответствующего напряжению сварки с формированием необходимого вида вольтамперной характеристики;
  • преобразование вторичным выпрямителем переменного напряжения высокой частоты, имеющего величину сварочного напряжения, в постоянное напряжение со сглаживанием пульсаций тока.

Рис. 1. Блоксхема инверторного выпрямителя

Весь процесс преобразования регулируется за счет обратных связей блоком управления, который обеспечивает необходимые статические и динамические характеристики сварочного тока.

Почему же инверторные выпрямители заняли лидирующее положение в сварочных технологиях. Безусловно, основным достоинством сварочных инверторов являются их малые размеры и масса, что делает их более удобными и мобильными, в 10–12 раз снижается материалоемкость оборудования. Низкие пульсации тока (не более долей процента), высокая скорость регулировки, легкое зажигание и высокая стабильность сварочной дуги, возможность получения всего спектра вольтамперных характеристик от крутопадающих до жестких и возрастающих — все это обусловило хорошие сварочные качества инверторных выпрямителей. Кроме того, они имеют высокий кпд (до 90%), потери электроэнергии у них снижаются до 10 раз, а нагрузка источника (ПВ) возрастает до 80–100%. Высокая мобильность позволяет использовать подобные источники питания при выполнении монтажных работ в стационарных и полевых условиях.

Экскурс в историю

Одним из первых шагов в развитии регулируемых источников питания стал разработанный в 1905 году австрийским профессором Розенбергом сварочный генератор поперечного поля, у которого напряжение на дуге менялось с ростом сварочного тока. В 1907 году первый генератор с регулируемым напряжением был выпущен заводом Lincoln Electric (США). Появление в 50-х годах селеновых диодов позволило создавать мощные выпрямители для дуговой сварки. Следующим важным этапом стало начало производства силовых кремниевых тиристоров, которое началось в 60–70-х годах. Их применение позволило плавно изменять величину сварочного тока не за счет магнитного потока силового трансформатора или генератора, а на основе обратных связей и фазовой регулировки угла включения тиристоров. Одним из первых образцов были выпрямители серии Tilark компании Kemppi (Финляндия), собранные по схеме «силовой трансформатор — тиристорный выпрямительный блок». Эта схема дала возможность получать различные вольт-амперные характеристики, снизить пульсации тока и стала классической для сварочных выпрямителей.

В 1977 году Kemppi выпустила на рынок сварочный выпрямитель Hilark-250. Он был собран на базе «скоростных» тиристоров, которые преобразовывали постоянный ток в переменный с частотой 2–3 кГц. Выпуск серии выпрямителей Hilark и стал началом триумфального шествия инверторных источников питания для дуговой сварки. Использование инверторных переключателей позволило быстро перестраивать источник питания, получать различные вольт-амперные характеристики, используемые для разных сварочных процессов — MMA, TIG, MIG/MAG, — и перейти в дальнейшем к реализации принципа сварочных мультисистем. Такие мультисистемы серии PS, работающие на частоте 5 кГц, начали поставляться Kemppi в 1981–1982 годах.

С появлением на рынке силовой электроники модульных биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) частота инвертирования (а следовательно, и частота работы сварочного трансформатора) выросла до 20 кГц, при этом отношение сварочного тока к массе источника питания повысилось вдвое. На базе IGBT-транзисторов стали выпускать малогабаритные источники для сварки методами MMA, TIG, MIG/MAG, плазменной резки. Одним из первых инверторов на транзисторах IGBT был выпрямитель серии Master компании Kemppi, работающий на частоте 20 кГц. Инверторы этой серии поступили в продажу в 1991 году.

Читайте также:  Smarty php код в шаблоне

Следующая стадия развития связана с появлением в 90-х годах полевых МОП-транзисторов серии MOSFET (Metal Ocside Semiconductor Field Effect Transistor). За счет применения силовых MOSFET-транзисторов частота инвертирования повысилась до десятков килогерц. Например, компания ESAB (Швеция) стала выпускать малогабаритные «бытовые» источники Caddy, работающие в диапазоне максимальных токов от 130 до 250 А. Массогабаритные характеристики при этом продолжают снижаться. В частности, инвертор Caddy-150, выпускаемый ESAB, имеет массу всего 7,7 кг и работает на частоте 49 кГц; инверторный источник питания серии AristoArc-400 (ESAB) весит 45 кг. Сейчас инверторы Caddy-150 заменяются на более совершенные источники питания OrigoArc-150 массой всего 6,9 кг.

Предложения инверторов

Компания Kemppi продемонстрировала на выставке в Эссене инверторы Minarc-110 и Minarc-140 массой в 4,2 кг, работающие на частоте 80 кГц. Эти инверторы обладают возможностью работать со сварочными кабелями длиной до 50 м без существенного падения напряжения. Ток максимальной нагрузки для Minarc-110 составляет 110 А при ПВ=50% и 80 А при ПВ=100%, для Minarc-140 — 140 А при ПВ=35% и 100 А при ПВ=100%; потребляемый ток 13 А и 16 А соответственно. Плавная регулировка сварочного тока; возможность сварки TIG с контактным поджигом дуги; кпд, равный 80%; максимальное напряжение дуги 24,4 В и 25,6 В соответственно; рабочая температура от –20°C до +40°C; класс защиты IP 23C — делают эти источники идеальными аппаратами для работы в труднодоступных местах.

Инверторы Invertec V 140-S Lincoln Electric имеют встроенные функции Arc Force, Hot Start и возможность питания от генераторов с нестабильным сетевым напряжением.

К сожалению, российские производители сварочной техники намного отстали от мирового уровня развития инверторных технологий. Это связано не только с общим десятилетним спадом экономики, но также и с отсутствием элементной базы силовых высокочастотных полупроводниковых элементов отечественного производства и неразвитостью конструкторско-технологической школы разработки сварочных инверторов.

Среди российских производителей можно было бы выделить Государственный рязанский приборный завод с источниками питания серии «Форсаж» и ЗАО «Спецэлектромаш» (Санкт-Петербург). Его инвертор ВДУЧ-1371, выпускаемый в двух вариантах (для сварки MMA и для сварки TIG с встроенным газовым клапаном) отличается простотой и надежностью конструкции, а заявленная производителем возможная нагрузка в 100% ПВ практически соответствует реальности. Немного портят впечатление от аппарата невзрачный дизайн, неудобное подключение сварочных кабелей (болты на лицевой панели), отсутствие рукоятки для переноски и неустойчивая работа при нестабильном сетевом напряжении.

Одни из наиболее интересных инверторных выпрямителей на российском рынке предлагает ООО НПЦ «ПромЭл-2000» (Москва). В результате применения ноу-хау в схеме инверторного блока и оригинального метода теплоотвода удалось создать серию малогабаритных инверторных выпрямителей ВМЕ и ВМ на базе полевых МОП-транзисторов серии MOSFET. Производство инверторов размещено на ОАО МЗ «Прогресс» (Астрахань).

Инверторы предназначены для ручной дуговой сварки штучными электродами диаметром от 1,6 до 6,0 мм на прямой и обратной полярностях большинства углеродистых, легированных и нержавеющих сталей с получением сварных швов высокого качества. Получение на выходе выпрямителя необходимой для качественной сварки высокочастотной составляющей осуществляется за счет инвертирования тока в пилообразную форму с частотой до 150 кГц. Это обеспечивает легкий поджиг, устойчивое горение и высокую эластичность дуги.

Сравнительные испытания различных типов сварочных инверторов, проведенные одним сварщиком на мостовых металлоконструкциях с использованием одних сварочных материалов, показали, что качество сварных швов, выполненных с использованием выпрямителей серии ВМЕ, было значительно выше за счет более эффективного сглаживания выходного тока. В результате этого перенос расплавленного металла приобретал почти «струйный» характер, что резко снижало разбрызгивание металла. Поскольку инверторы серии ВМЕ/ВМ работают практически в режиме короткого замыкания, их электробезопасность соответствует международным нормам IEC 974. Электромагнитная совместимость выпрямителей обеспечивается благодаря полному экранированию высокочастотного излучения инверторного преобразователя алюминиевым корпусом. Высокое качество сварки обеспечивается автоматическим поддержанием параметров дуги, а компенсация колебания напряжения питающей сети позволяет применять аппараты на стройплощадках или в полевых условиях при работе с передвижными генераторами с плавающим выходным напряжением (напряжение питания может колебаться от 187 до 242 В). Малая масса инверторов ВМЕ/ВМ дает возможность использовать их с длинными кабелями питания, что в сочетании с низким напряжением холостого хода (60–80 В) гарантирует большую электробезопасность при работе в емкостях, подвалах и закрытых помещениях.

За разработку и освоение серийного выпуска инверторных выпрямителей серии ВМЕ/ВМ ООО НПЦ «ПромЭл-2000» в 2002 году и 2003 году было награждено двумя золотыми медалями Международного салона инноваций и инвестиций и дипломами многих московских и региональных выставок.

В настоящее время совместно с ФГУП Институт сварки России (Санкт-Петербург) разрабатывается серия малогабаритных полуавтоматов для сварки в среде защитных газов на базе инверторов ВМЕ-140 и ВМ-300. На базе инверторов серии ООО «Спарк» (Северодвинск) создал сварочную установку для сварки TIG. Ведутся испытания мобильной установки для плазменной сварки и резки.

Таблица. Сравнительные характеристики малогабаритных сварочных инверторов

Напряжение
питания, В

Потреб-ляемая
мощность, кВ–А

Диапазон
сварочного
тока, А

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector