Спектральный состав знакопеременного тока сварочного инвертора

УДК 621.314

А. В. Земсков, А. В. Пивкин

СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ЗНАКОПЕРЕМЕННОГО ТОКА СВАРОЧНОГО ИНВЕРТОРА

Аннотация. Проектирование преобразовательных устройств (в частности, сварочных инверторов) связано с необходимостью выполнения требований по их электромагнитной совместимости. Для решения этой задачи необходимо оценить спектральный состав фидерных токов преобразователя. На примере сварочного инвертора переменного тока частоты 30 кГц показан способ осуществления такой оценки путем компьютерного моделирования процессов в схеме. Достоверность полученной картины спектра выходного тока инвертора подтверждена результатами испытаний физического образца. Приведены зависимости, отражающие связь спектральной мощности и ширины спектра со скважностью импульсов тока. Показано, что в момент обрыва электрической дуги в спектре на частоте около 5 МГ ц появляются новые составляющие значительной амплитуды.

Ключевые слова: сварочный инвертор, электрическая дуга, спектр тока.

Abstract. Design of converting devices (particularly, welding inverter) is associated with the necessity to meet the requirement of electromagnetic compatibility. To solve this problem it is necessary to evaluate a spectral content of feeder current in the converter. By the example of the 30kHz AC welding inverter the authors show the implemetation of such evaluation by means of computer modeling of processes in a circuit. Reliability of the obtained image of the output current spectrum is proved by the research results of a physical sample. The article adduces the dependences between the spectral power and width and the current pulse ratio. It is shown that at the moment of electric arc break on the frequence of 5MHz, there appear new components of considerable amplitude.

Key words: welding inverter, electric arc, current spectrum.

В последние два десятилетия в области сварочного оборудования четко прослеживается тенденция перехода от громоздких трансформаторнодроссельных аппаратов переменного и постоянного тока к малогабаритным и эффективным транзисторным инверторным сварочным аппаратам (ИСА). Подавляющее большинство представленных на рынке отечественных и зарубежных ИСА предназначено для осуществления сварки только постоянным током. Предпринимаются попытки создания таких аппаратов для сварки на переменном токе килогерцового диапазона [1, 2]. Для задания и поддержания величины сварочного тока во всех ИСА используется способ широтноимпульсной модуляции (ТТТИМ). При явных преимуществах этого способа у него есть один серьезный недостаток, связанный с особенностью работы силовых IGBT и MOSFET транзисторов в ключевом режиме. При коммутации транзисторов из-за высоких скоростей переключения и наличия конструктивных и паразитных реактивностей схемы на транзисторах возникают значительные импульсные перенапряжения. Импульсные токи и напряжения являются основными причинами формирования широкого спектра фидерных и эфирных радиопомех. С учетом значительных токов, протекающих через

транзисторы, трансформаторные элементы, входной и выходной фидеры (кабели), мощность таких помех может быть весьма значительной и выходящей за уровни, разрешенные российскими и зарубежными стандартами по электромагнитной совместимости (ЭМС). Разработчики сварочного оборудования далеко не всегда понимают причины возникновения таких помех и не принимают должных мер к их подавлению. Это приводит к серьезным проблемам при сертификации сварочных аппаратов.

Вопросы, связанные с требованиями ЭМС сварочных аппаратов в настоящее время исследованы недостаточно, что усложняет процесс их проектирования, производства и эксплуатации. Если по вопросам ЭМС ИСА постоянного тока имеется ряд публикаций [3, 4], то по ИСА, генерирующих знакопеременный ток повышенной частоты, информации явно недостаточно. Авторы настоящей работы попытались хотя бы частично восполнить этот пробел.

За объект исследования была принята схема инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока, выполненная по схеме сдвоенного полумоста [5] (рис. 1).

СУ СУ СУ СУ

Рис. 1. Упрощенная схема инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока

Сварка на знакопеременном токе частоты ультразвукового диапазона, по предварительным данным, позволяет обеспечить повышенную прочность сварочного соединения, поэтому дальнейшие работы в этом направлении могут оказаться весьма полезными [б].

В инверторе отсутствует выходной выпрямитель, поэтому в сварочном кабеле форма знакопеременных импульсов тока близка к прямоугольной. Такая форма тока приводит к расширению его спектрального состава и может служить причиной радиопомех.

Спектральный состав тока анализировался на компьютерной модели ИСА в среде Matlab Sym Power System и на функциональном макете аппарата. Схема компьютерной модели аппарата приведена на рис. 2.

В данной модели использованы следующие блоки библиотеки: VT1-VT4 - IGBT транзисторы; VD1-VD8 - диоды; Gl, G2 - генераторы импульсного напряжения, импульсы которых сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180°. Для каждого блока имеется возможность задать все необходимые параметры.

Например, в блоке УТ1 заданы следующие параметры:

- сопротивление во включенном состоянии: 61 мОм;

- индуктивность во включенном состоянии: 12 нГн;

- падение напряжения в прямом направлении: 2 В;

- время спада тока до уровня 0,1 от тока в момент выключения: 1 мкс;

- сопротивление демпфирующей цепи: 22 Ом;

- емкость демпфирующей цепи: 3300 пФ.

В модель введена индуктивность Ьпр, которая включает в себя индуктивность выводов и распределенную индуктивность силовых шин и силовых проводников. Значение этой индуктивности оказывает существенное влияние, так как при коммутации больших токов с высокой скоростью ее наличие приводит к возникновению перенапряжений на силовых ключах [7].

На рис. 3 приведена временная диаграмма выходного тока, полученная путем компьютерного моделирования, а на рис. 4 - осциллограмма выходного напряжения (пропорционального току нагрузки) макетного образца, измеренная на нагрузке 0,3 Ом.

2.36 2.38 2.4 2.42 2.44 2.46 2.48 2.5 2.52

Рис. 3. Временная диаграмма тока в нагрузке, полученная в модели при скважности 10, частоте 30 кГц и нагрузке 0,3 Ом

5,75

2,25 ->------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-,0В -0.06 -0,04 -0,02  0,02 0,04 0,0В В,08

"Пте

Рис. 4. Осциллограмма напряжения на нагрузке реального аппарата при скважности 10, частоте 30 кГц, нагрузке 0,3 Ом

При исследовании были заданы следующие исходные параметры: рабочая частота - 30 кГц, нагрузка - 0,3 Ом, скважность - 2-10.

На рис. 5 отображен спектр выходного тока инвертора, полученный на компьютерной модели, из которого следует, что в нем отсутствует постоянная составляющая, а его ширина достигает 400-500 кГц. Измерения, выполненные на физическом макете, подтвердили эти выводы.

Рис. 5. Спектр выходного тока при скважности 10, частоте 30 кГц и нагрузке 0,3 Ом

Величина сварочного тока и энергетическая мощность спектра связаны при ШИМ-регулировании с величиной скважности импульсов тока транзисторов инвертора. Соответствующая зависимость приведена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость спектральной мощности от скважности импульсов при частоте 30 кГц и нагрузке 0,3 Ом

Характер изменения ширины спектра импульсов тока от скважности изображен на рис. 7.

Очевидно, что на спектральный состав выходного тока существенное влияние будет оказывать процесс обрыва сварочной дуги. На рис. 8 представлена временная диаграмма тока нагрузки, отражающая момент обрыва дуги.

600

500

400

13, кГц

300

200

2 4 6 3 10

Рис. 7. Характер изменения ширины спектра импульсов тока в зависимости от скважности

Рис. 8. Временная диаграмма тока нагрузки на этапе обрыва сварочной дуги

В компьютерной модели процесс обрыва дуги имитировался переключением резисторов: высокоомного - для режима холостого хода и низкоомного - для режима горящей дуги [8]. На вид переходного процесса при обрыве дуги и соответственно на спектральный состав оказывают влияние индуктивность вторичной обмотки трансформатора, емкость вторичной обмотки трансформатора, индуктивность сварочного кабеля. Процесс носит затухающий колебательный характер.

На рис. 9 приведен спектральный состав тока с учетом факта обрыва

дуги.

Видно, что на участке вблизи 4 МГц при обрыве дуги возникает мощный спектральный выброс, связанный с появлением в токе новых спектральных составляющих. Устранить этот выброс схемотехническими решениями не представляется возможным.

40 - I і і і і і і і і -

30 - -

ЪА 20 -

10 -

0 , I ц ,

0 і 2 3 4 5 г^иепсу (Нг) 6 7 8 9 10 к 106

Рис. 9. Спектральный состав тока при обрыве дуги

Выводы

1. Широтно-импульсный способ регулирования сварочного тока в ИСА знакопеременного тока приводит к формированию широкого спектра составляющих, интегральная мощность и ширина которого существенно зависят от скважности импульсов.

2. В моменты обрыва дуги в зоне частот 4-5 МГц возникает мощный спектральный выброс, устранить который схемотехническими методами не представляется возможным.

3. На примере сварочного инвертора показано, что компьютерное моделирование процессов в схемах преобразовательных устройств позволяет получить информацию о спектральном составе входных и выходных токов, что дает возможность разработчикам принять необходимые решения для обеспечения соответствия создаваемых аппаратов требованиям стандартов по электромагнитной совместимости.

Список литературы

1. Патент 2311996. Российская Федерация. МПК 8 В23 К9/09. Способ дуговой сварки и устройство для его осуществления / Бардин В. М., Борисов Д. А. - Опубл. 2007, Бюл. № 34.

2. Бардин, В. М. Моделирование переходных процессов в сварочном инверторе переменного тока высокой частоты / В. М. Бардин, Д. А. Борисов // Современная электроника. - 2011. - № 1. - С. 54-55.

3. Пивкин, А. В. Спектральный состав тока инверторных сварочных аппаратов /

A. В. Пивкин, В. М. Бардин, Д. А. Борисов // Электроника и информационные технологии. - 2009. - Специальный выпуск (6). - иКЬ: http://fetmag.mrsu.ru/2009-2/pdf/spectral_composition_of_current.pdf (Зарегистрировано 12.01.2010 под номером 0420900067/0048).

4. Колпаков, А. И. Проблемы электромагнитной совместимости мощных импульсных преобразователей / А. И. Колпаков // Силовая Электроника. - 2006. -№ 2. - С. 40-45.

5. Патент 2412031. Российская Федерация. МПК В23 К9/10. Устройство для элек-тродуговой сварки / Бардин В. М., Борисов Д. А. - Опубл. 2011, Бюл. № 5.

6. Бардин, В. М. Сварочный аппарат переменного тока высокой частоты /

B. М. Бардин, Д. А. Борисов // Сварочное производство. - 2011. - № 5.

7. Колпаков, А. И. ЮБТ: инструкция по эксплуатации, или об уважительном отношении к силовой электронике / А. И. Колпаков // Силовая Электроника. -2007. - № 1. - С. 17-26.

8. Бардин, В. М. Электрические модели сварочной дуги / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Электроника и информационные технологии. - 2010. - Вып. 2 (9). -

URL: http://fetmag.mrsu.ru/2010-2/pdf/WeldingArc.pdf зарегистрировано 14.02.2011 под номером 0421000067/0035.

Земсков Антон Владимирович

аспирант, Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева

E-mail:lordio@ramЫer.ru

Пивкин Антон Викторович

студент, Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева

E-mail:antonyxy@gmail.com

Zemskov Anton Vladimirovich Postgraduate student, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

Pivkin Anton Viktorovich

Student, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

УДК 621.314 Земсков, А. В.

Спектральный состав знакопеременного тока сварочного инвертора / А. В. Земсков, А. В. Пивкин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 97-104.