До питання побудови зварювальних інверторних джерел з підвищеним коефіцієнтом потужності

Abstract

UK: Мета роботи. Розробка зварювального інвертора з корекцією коефіцієнта потужності, з невеликою собівартістю і низькими втратами енергії. Методи дослідження. Запропоновано використати принцип прямого перетворення і розробити "гібридну" схему, що містить основний канал з безпосереднім перетворенням і допоміжний, який має перетворювач з проміжною ланкою постійного струму з невеликим запасом енергії. Оскільки навантаженням для зварювального джерела живлення є зварювальна дуга, миттєві коливання її потужності протягом періоду напруги мережі практично не впливають на процес зварювання через термічну постійну розплавленого металу зварювальної ванни. Ефективне використання особливостей навантаження джерел – зварювальної дуги – дозволяє оптимізувати силову частину, знизити запас енергії в реактивних елементах схеми і поліпшити економічні і масогабаритні параметри джерел. Отримані результати. Проведений аналіз підходів до побудови інверторних зварювальних джерел з підвищеним коефіцієнтом потужності. Запропоновано нову топологію прямоходового інверторного зварювального джерела живлення з корекцією коефіцієнта потужності. На відміну від "класичних" схем з подвійним перетворенням енергії в розробленій схемі передбачена можливість живлення навантаження як безпосередньо від мережі, так і від накопичувача енергії, що є в джерелі. Наведений алгоритм розрахунку частоти перемикання силових ключів джерела, обчислення виконується в реальному часі за умови стабілізації амплітуди потокозчеплення первинної обмотки трансформатора. Розглянута можливість використання інверторних джерел, виконаних за представленою топологією і працюючих з описаним алгоритмом керування, у трифазній мережі живлення. Для підтвердження адекватності розроблених положень створений експериментальний зразок джерела живлення. Отримані осцилограми напруги мережі та споживаного струму джерела при потужності в навантаженні близько 1 кВт та осцилограми в режимі обмеження вихідного струму. Проведені експерименти показали, що джерело має коефіцієнт потужності більше 0,94 у широкому діапазоні потужностей. Наукова новизна. Розроблене джерело не містить додаткових силових компонентів індуктивного типу, має знижену ємність накопичувального конденсатора у ланці постійного струму та спрощену схему обмеження зарядного струму конденсатора. Напруга холостого ходу джерела має підвищене значення, що не залежить від напруги мережі, це дозволяє забезпечити легкий підпал дуги при ручному дуговому зварюванні. Практична цінність. За рахунок підвищеного коефіцієнта потужності середньоквадратичний струм, що споживається від мережі, на 30 – 45 % нижче, ніж у "класичних" інверторних джерелах без коректора коефіцієнта потужності. Це дозволяє забезпечити роботу більшої кількості таких джерел при тому ж струмовому навантаженні мережі та/або забезпечити стабільну роботу в умовах "слабкої" мережі. EN: Purpose. Design a power-factor-corrected, energy- and cost-efficient switchmode power supply for welding. Methodology. It is proposed to use the principle of direct conversion and to develop the "hybrid" power circuit consisting of a main power path using direct conversion and an auxiliary power path having a converter with an intermediate DC link with relatively low stored energy. Since a load to the welding power supply is the welding arc, its instantaneous power fluctuations during the mains voltage period essentially do not influence the welding process due to the thermal constant of the weld pool molten metal. Effective use of this features of the welding arc allows to optimize the power processing, reduce the amount of energy stored in the reactive elements of the circuit and improve the economical, mass and dimensional parameters of the supplies. Findings. A new power factor corrected switchmode power supply topology is proposed utilizing beforementioned principles of power processing. The algorithm for calculating the switching frequency of supply power switches is given. To confirm the adequacy of the developed provisions, an experimental sample of the power supply was created. Oscillograms of mains voltage and source current consumption and oscillograms in output current limitation mode are obtained. The results of experiments showed that the supply has a power factor > 0.94 in a wide range of powers. Originality. A distinctive feature of the supply is the absence of additional inductive components in the power path, a lower capacitance of the DC-link bulk capacitor and a simplified scheme for limiting its inrush current during initial charging. The supply has an increased open circuit voltage, independent of the mains voltage, which allows for easy arc ignition during manual arc welding. Practical value. Due to the increased power factor, the current drawn from the mains is 30 % to 45 % lower than that of widespread inverter supplies without a power factor corrector. These features allow to simultaneously use more power supply units with the same mains current load, and/or to provide stable welding in conditions of a "weak" mains.