Повышение мощности инверторных источников питания для комбинированных сварочных устройств

УДК 621.3

ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ ИНВЕРТОРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННЫХ СВАРОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

© 2013 г. А.В. Павленко, И.В. Васюкое, В.С. Пузин

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассмотрены вопросы выбора выходных фильтров импульсных источников питания для комбинированных сварочных устройств. На основе математического моделирования установлены характеристики источника при изменении параметров фильтра. Подтверждена эффективность использования од-нотактного прямоходового транзисторного преобразователя для комбинированных сварочных устройств. Установлена целесообразность применения двух независимых каналов ШИМ с возможностью плавного изменения частоты и сдвига фаз сигналов управления между каналами в процессе работы.

Ключевые слова: сдвоенный однотактный прямоходовой преобразователь; IGBT; инвертор; внешняя характеристика; сглаживающий фильтр; ИВЭП; источники питания.

The paper deals with the choice of output filters of switching power supplies for combined welding machines. Based on mathematical modeling established characteristics of the source when the filter parameters variable. Confirmed the effectiveness of using a single-cycle forward converter for combined welding machines. The expediency of the use of two independent PWM channels with change frequency and phase control signals between the channels in the process.

Keywords: dual single-ended forward converter; IGBT; the inverter; the external characteristic; smoothing filter; SMPS; power supplies.

При проектировании инверторных источников питания необходимо иметь полную информацию о параметрах и характере нагрузки [1]. Для комбинированных сварочных устройств [2], обеспечивающих сварку полиэтиленовых труб и металлических изделий, выдвигаются требования по обеспечению максимальной мощности при эксплуатации в двух режимах:

- в режиме источника напряжения в диапазоне 8 -48 В и токе до 100 А (нагрузка - электрофиттинг) [3];

- в режиме источника тока (нагрузка - сварочная дуга) в диапазоне при напряжении 20 - 30 В и токе до 240 А [4].

Режим максимальной мощности импульсного источника питания определяет внешняя характеристика, формируемая системой управления, ограничиваемая возможностями силовой части [5] и, в значительной мере, определяемая параметрами выходного фильтра. Для анализа внешних характеристик источника, соответствующих указанным режимам (рис. 1), определения оптимальных режимов работы и выбора конфигурации фильтра был использован метод математического моделирования.

При проведении исследований за основу силовой части источника питания, с учетом динамики характера нагрузки, обеспечиваемого процессом горения сварочной дуги, принят сдвоенный однотактный пря-моходовой преобразователь [6] (рис. 2), представляющий собой два независимых однотактных источника, работающих на общую нагрузку. Для снижения коммутационных потерь в схеме применены регенеративные снабберы [7, 8]. Выбор схемы выходного

фильтра проводился на основании математического моделирования процесса работы выходного каскада источника питания. Моделирование осуществлялось с помощью пакета программ LTspice IV, для вариантов синхронно следующих (0о) и сдвинутых на половину периода (90о) импульсов на входах выпрямителей фильтров, представленных на рис. 3: а - один общий дроссель; б - один двухобмоточный дроссель; в - два отдельных дросселя. На рис. 4 приведена модель выходного фильтра с одним общим дросселем. Напряжения вторичных обмоток имитировались упрощенно в виде источников напряжения с прямоугольной формой импульсов. При этом индуктивность дросселя принималась равной 35 мкГн, сопротивление нагрузки - 0,4 Ом, амплитуда напряжения на вторичной обмотке - 100 В, частота преобразования - 40 кГц, коэффициент заполнения ШИМ - 0,44.

Анализ данных, полученных при моделировании, позволяет сделать вывод, что предпочтительней использовать вариант фильтра (а), однако ранее экспериментально было установлено, что в этом случае имеет место нестабильная работа поцикловой токовой защиты (преждевременное ограничение тока силовых транзисторов), в результате чего источник не обеспечивает расчетной мощности. Для устранения этого эффекта использован двухобмоточный дроссель. Процесс работы преобразователя с таким дросселем не отличается от варианта исполнения (а), однако при этом уменьшается влияние выпрямительных диодов одного инвертора на работу другого.

и, в

40

30

20

10

50

100

150

200

/, А

б

Рис. 1. Зависимость требуемого напряжения (а) и мощности (б) на нагрузке от выходного тока, в режимах электрофит-

тинговой и ручной дуговой сварки:--электрофиттин-

говый режим;-----дуговой режим

Для схемы преобразователя, представленной на рис. 2, было выполнено исследование предельной внешней характеристики при изменении сдвига фаз между управляющими импульсами первого и второго инвертора. На рис. 5 а показано, как меняется предельная внешняя характеристика при сдвиге фаз 0, 45 и 90° соответственно, если за 180° принять период частоты преобразования. Анализ характеристик рис. 5 б позволяет сделать вывод, что максимальная мощность развивается источником при сдвиге фаз инверторов 0°. При этом максимальное выходное напряжение составляет 45 В, так как импульсы инверторов формируются синхронно с коэффициентом заполнения 0,45, а в паузах ток поддерживается только дрос-

селем. В области больших токов в этом случае источник развивает большую мощность, так как оба инвертора отдают максимальный ток в нагрузку одновременно и соответственно выходной ток будет равен сумме токов каждого инвертора. Напряжение на выходе при малых токах, при сдвиге фаз 90° самое высокое и равно 100 В. Это объясняется тем, что увеличивается среднее значение напряжения, приложенное к нагрузке, так как в паузах сигнала одного инвертора формируется импульс другого и процесс работы схемы становится подобным процессу работы двухтактных преобразователей.

При работе сварочного устройства в режиме «электродуговая сварка» ток дуги (упрощенная ВАХ сварочной дуги строится по формуле Ш = 20 + 0,04 I) [4], определяется из точки пересечения вольтампер-ных характеристик источника питания и дуги. Как видно из рис. 5, максимальный ток дуги для данного источника питания при различных углах сдвига фаз будет отличаться незначительно, например для углов сдвига фаз 0, 45 и 90° максимальный ток дуги будет 192, 192 и 185,6 А соответственно. При этом в диапазоне токов меньше 80 и больше 230 А изменение сдвига фаз при работе позволяет достичь больших напряжений при тех же токах, чем при неизменном сдвиге (рис. 6).

При неизменной частоте работы ШИМ выходной дроссель необходимо рассчитывать исходя из требуемого коэффициента пульсаций для минимального тока нагрузки. В случае широкого диапазона нагрузок как для комбинированного сварочного источника это приводит к большой массе и габаритам дросселя. Для их снижения, предполагается изменять частоту ШИМ в зависимости от уставки по току. Так, частота ШИМ должна повышаться при снижении уставки по току, однако должно соблюдаться условие, чтобы увеличивающиеся потери в полупроводниковых элементах не привели к снижению продолжительности включения. Также не следует допускать, чтобы действующий ток в IGBT транзисторах превышал максимально допустимый для данной частоты. Для проверки сделанных предположений было проведено математическое моделирование для режима постоянной и изменяемой частоты ШИМ.

Рис. 2. Сдвоенный однотактный прямоходовой преобразователь

а

VD1

T1 -ц-

I, A

VD2

L1

VD3

г

200 X1 150--

50—

0

100*-* ------— + ^^

0,0004

I, An-

0,00042

0,00044

0,00046

I

0,00048

t, c

200

Xi 150----------

100p-*------

50-

0,0004

0,00042

0,00044

0,00046

0,00048

t, c

I, A

200-

X1150------------

100"

50

0

0,0004

s-----4-

0,00042

I-

0,00044

0,00046

_ _

0,00048

t, c

Рис. 3. Результаты моделирования работы --режим 90о;

Рис. 4. Модель фильтра с общим дросселем

Результаты исследований приведены в табл. 1 и 2, где IoutAVG - среднее значение выходного тока; Кп -коэффициент пульсаций выходного тока; Pvtmax -пиковая мощность потерь в силовом транзисторе; Pvtavg - средняя мощность потерь в силовом транзи-

выходного фильтра источника питания: ;----режим 0о

сторе; f - частота ШИМ; - действующее значе-

ние тока через силовой транзистор. Стабилизация тока осуществлялась по мгновенному значению тока силового транзистора (тока первичной обмотки силового трансформатора), т. е. по мгновенному значению тока нагрузки, приведенному к первичной обмотке [5].

Анализ табл. 1 и 2 показывает, что изменением частоты ШИМ в зависимости от нагрузки можно снизить коэффициент пульсаций, не увеличивая при этом габаритов источника (рис. 7).

По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. С помощью регулирования угла сдвига фаз между каналами ШИМ инверторов в процессе работы можно получить более высокое выходное напряжение на отдельных участках внешней характеристики источника и, следовательно, более эффективно использовать сдвоенный однотактный прямоходовой преобразователь (рис. 6).

а

0

б

в

от уставки по току. Так, увеличение частоты при той же величине индуктивности дросселя позволит снизить пульсации тока при малой уставке.

Рис. 6. Внешняя характеристика источника при изменяемом сдвиге фаз в процессе работы

б

Рис. 5. Экспериментально полученные внешняя характеристика (а) и выходная мощность (б) источника питания при сдвиге фаз между ШИМ инверторов, 0, 45 и 90°. Маркеры показывают измеренные точки характеристик

2. С целью снижения габаритов силовой части источника питания, путем использования дросселя с меньшей индуктивностью (обеспечивая при этом допустимые пределы пульсаций выходного тока) целесообразно изменять частоту ШИМ в зависимости

Рис. 7. Зависимость коэффициента пульсаций выходного тока от его значения

3. Проведенное исследование позволило уточнить требования к системе управления импульсным источником тока для комбинированного сварочного устройства. Установлена целесообразность применения двух независимых каналов ШИМ с возможностью плавного изменения частоты и сдвига фаз сигналов управления между каналами в процессе работы.

Таблица 1

Работа инвертора при неизменной частоте ШИМ

а

Токоограничение Ivtmax, A IoutAVG, A Кп, % Pvtmax, ВТ Pvtavg, ВТ f кГц IvtRMS, A

63 263,39 0,794 8825 54,818 40 26,143

48,8 175,02 1,284 5818 30,388 40 16,805

36 117,8 1,95 4312 18,623 40 11,363

20,67 57,665 5,524 2484 9,412 40 6,495

10,36 27,033 11,815 1838 4,499 40 2,662

Таблица 2

Работа инвертора с изменяемой частотой ШИМ

Токоограничение Ivtmax, A IoutAVG, A Кп, % Pvtmax, ВТ Pvtavg, ВТ f, кГц IvtRMS, A

63 263,39 0,794 8825 54,818 40 26,143

48 200.24 0.895 6200 39.025 50 19,176

36 162.97 0.684 6233 33.069 80 14,411

20,28 85.393 1.078 3200 19.312 100 7,590

10 33.049 2.759 1680 9.013 100 3,313

4. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании источников питания с повышенной удельной мощностью и широким диапазоном выходных параметров.

Статья подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения НИР на тему «Создание высоковольтного источника питания с повышенной удельной мощностью» (соглашение № № 14.132.21.1607 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы»).

Литература

1. Большенко А.В., Павленко А.В., Гринченков В.П., Пу-зин В.С. Регуляторы тока для устройств микроплазменного оксидирования // Электротехника, 2012. № 05. С. 27 - 33.

2. Патент РФ 87957 РФ Ш В29С 65/34 (2006.1). Универсальный аппарат для электродуговой сварки металлов и электрофитинговой сварки пластиковых труб // П.С. Ко-

Поступила в редакцию

маров, А.А. Постников, В.С. Пузин, А.А. Гуммель Заявл. 23.04.2009; Опубл. 27.10.2009 // Бюл. № 30.

3. ISO 12176-2:2008. Plastics pipes and fittings. Equipment for fusion jointing polyethylene systems. Part 2: Electrofusion.

4. Володин В.Я. Современные сварочные аппараты своими руками. СПб., 2008. 304 с.

5. Петров С. Методы регулирования и стабилизации тока нагрузки сварочных инверторов // Силовая электроника, 2008. № 4. C. 67 - 73.

6. Гончаров А. Начальная школа построения импульсных dc/dc-преобразователей (пятый класс) // Электронные компоненты, 2003. № 6. C. 39 - 43.

7. Официальный сайт ресурса «Силовая электроника для любителей и профессионалов» [Электронный ресурс]: Как включать и выключать силовые ключи, чтобы потери на переключение были минимальны? или метод разделения первичной обмотки трансформатора как универсальное средство для мягкого переключения. режим доступа: http://multikonelectronics.com/subpage.php?p= 8&i=11#Kak, свободный.

8. Павленко А.В., Васюков И.В., Пузин В.С. Влияние защитных цепей силовых полупроводниковых приборов на параметры преобразовательной установки // Изв. вузов. Электромеханика. 2011. № 3. С. 22 - 28.

27 декабря 2012 г.

Павленко Александр Валентинович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-13. E-mail: rn61de@mail.ru

Васюков Иван Владимирович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: vasuck@rambler. ru

Пузин Владимир Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-51-13. E-mail: vspuzin@gmail.ru

Pavlenko Alexander Valentinovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 2-55-1-13. E-mail: rn61de@mail.ru

Vasyukov Ivan Vladimirovich - post-graduate student, SRSTU department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail:vasuck@rambler.ru

Puzin Vladimir Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electric and Electronic Devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-51-13. E-mail: vspuzin@gmail.ru