Особенности работы сварочных инверторов от автономных источников электропитания

Гецкин О.Б - начальник отдела маркетинга и сбыта
Кудров И.В. - инженер исследователь
Яров В.М. - заведующий НИЛ, к.т.н.

Благодарю Вас за Ваше участие в подготовке и проведении конкурса сварщиков ОАО «Газпром».

В последнее время появляется все больше автономных установок, оборудованных сварочными постами. Это различные передвижные ремонтные мастерские, аварийные машины и т.п. В них на различные шасси установлена коробка отбора мощности с генератором или дизель-генератор и различные потребители, в том числе - сварочные посты. Нередко предпочте-ние отдается инверторным сварочным аппаратам из-за их сравнительно высокого КПД (10 - 15 кВт при токе сварки до 250 А) и небольших габаритах и массы. К сожалению, производители подобных машин часто довольно формально подходят к их комплектации, ограничиваясь подбором генератора и сварочных источников исходя только из мощностных характеристик. Зачастую это приводит к выходу из строя сварочных аппаратов, а не редко и самих генераторов.

При работе сварочных инверторов от автономных электромашинных источников электропитания необходимо учитывать особенности и тех и других. Так, при индуктивной нагрузке (сварочный трансформатор), внешняя характеристика синхронного генератора имеет резко падающий характер, причем с уменьшением cos падение напряжения усиливается (рис.1, X >0). При активно-емкостной нагрузке (сварочный инвертор) cos опережающий и с ростом потребляемого тока напряжение возрастает тем сильнее, чем меньше cos (рис.1, X <0). При U=0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока трехфазного короткого замыкания.

Поскольку большинство потребителей имеют активно-индуктивный характер потребляемого тока, изготовители генераторов вводят дополнительную положительную обратную связь по току для компенсации падения напряжения на нагрузке. Т.е. с ростом тока в нагрузке генератор повышает напряжение.

Инверторные источники, как потребители, имеют емкостной характер, поэтому с ростом тока в нагрузке напряжение возрастает, а наличие положительной обратной связи по току при-водит к еще большему росту напряжения. Результатом может быть выход из строя инвертора или самого генератора из-за перенапряжений.

Структурная схема типичного инверторного сварочного источника представлена на рис.2. Трехфазное напряжение выпрямляется неуправляемым выпрямителем В и сглаживается емкостным фильтром C_Ф. Инвертор И преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты, которое понижается трансформатором и выпрямляется неуправляемым выпрямителем, а далее, через индуктивный фильтр L_Ф поступает в нагрузку R_Н.

На рис.3. приведены осциллограммы линейного напряжения на входе обычного инверторного источника (ток сварки 150 А) при питании от синхронного генератора АД-30 мощностью 30 кВт. Емкость конденсатора фильтра C_Ф равна 40 мкФ. Как видно, кривая линейного напряжения имеет значительные искажения, а амплитуда превышает 700 В. Уменьшение емкости фильтра в 4 раза снижает амплитуду линейного напряжения до 610 В, но в кривой потребляемого тока появляется высокочастотная составляющая, равная частоте инвертирования, что, конечно, не желательно.

С ростом потребляемого тока действующее значение напряжения генератора возрастает, причем приращение напряжения зависит от соотношения потребляемой и номинальной мощности генератора. Так при питании 4-х обычных сварочных инверторов с суммарной потребляемой мощностью 34 кВт от генератора БГ-100 оно составило 10 В, а при питании такого же количества инверторов от генератора БГ-60 составило 40 В, при этом амплитудное значение линейного напряжения возросло с 540 до 696 В. Генератор БГ-30 допускает нормальную работу только одного обычного инверторного источника без принятия дополнительных мероприятий.

Именно по этой причине многие изготовители инверторных источников указывают, что суммарная потребляемая мощность не должна быть больше 50% номинальной мощности автономного генератора. Возникает практическая потребность либо заказывать генераторы с корректорами напряжения адаптированными для работы с активно-емкостной нагрузкой, либо использовать серийно выпускаемые генераторы с двойным запасом мощности, либо приспосабливать инверторы для обеспечения нормальной работы. Первый путь потребует более значительного времени, второй ведет к неоправданным затратам. Рассмотрим некоторые разумные варианты решения этой проблемы.

1. Снижение напряжения холостого хода генератора с 380В до 350 - 360В и повышение частоты до 52 Гц позволяют обеспечить нормальную работу источников. Например, при питании 4-х источников с потреблением по 12-15 кВт от генератора БГ-60 линейное напряжение возрастает до нормальных 380 В. Это решение приемлемо для генераторов мощностью от 60 кВт, но не всегда работает на генераторах меньшей мощности.

2. Включение дополнительной нагрузки в виде сушильных шкафов мощностью 4 кВт снижает приращение напряжения на 4В при питании от генератора БГ-100, а при питании от БГ-60 на 74В. При этом лучше иметь на каждый сварочный пост свою электропечь, а их работу организовать так, чтобы они потребляли электроэнергию от генератора непрерывно в соответствии с [2], когда выключение терморегулятором одной электропечи сопровождалось бы включением другой. Такой путь несколько ограничен в применении.

3. Включение последовательно в каждый сетевой провод индуктивности и увеличение емкости C_Ф позволяет обеспечить работу двух источников с потреблением 12-15 кВт от генератора мощностью 30 кВт. Такой вариант решения требует дополнительных фильтров и вмешательства в сварочный источник.

4. Для устранения искажений напряжения генератора и уменьшения высокочастотных гармоник необходимо введение радиофильтра и сглаживающих конденсаторов в соответствии с рекомендациями завода изготовителя генератора и [3].

5. В ряде случаев необходимо модернизировать регулятор напряжения генератора (блок корректора напряжения), так как при дуговой сварке могут возникнуть низкочастотные колебания напряжения, при которых мгновенные значения напряжения генератора превысят допустимые для данного типа инверторного источника. Например, вместо положительной обратной связи по току ввести отрицательную и изменить параметры корректирующих звеньев регулятора. Это требует вмешательства в генератор и не всегда приводит к желаемому результату.

6. Использование в инверторе LC-фильтра вместо емкостного благоприятно сказывается на работе генератора. Это позволяет исключить перенапряжения и полностью использовать мощность генератора.

Инверторный источник для сварки покрытыми электродами ДС 250.33 предназначен для работы в тяжелых трассовых условиях, снабжен встроенными LC-фильтрами и адаптирован для работы от автономных генераторов. На рис.4. приведены осциллограммы линейного напряжения генератора БГ-30 при питании от него 2-х источников ДС 250.33. Видно, что перенапряжения отсутствует, и ДС 250.33 является исключительно корректным потребителем.

Литература

1. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. ч.2. М.-Л., Энергия, 1965г. 707с.

2. Лабунцов В.А., Обухов С.Г., Яров В.М. Способ регулирования напряжения группы регу-ляторов. Авт.св-во СССР №307899 БИ №15, 1972г.

3. Рекомендации по типовым схемам подавления индустриальных радиопомех от электроустройств различного назначения. М., Связь, 1979.

Рис. 1 Внешние характеристики синхронного генератора

Рис. 2 Структурная схема инверторного сварочного источника

Рис. 3 Линейное напряжение генератора 30кВт:
красная линия - холостой ход,
черная линия - при питании обычного инвертора

Рис. 4 Линейное напряжение генератора 30кВт:
красная линия - холостой ход,
черная линия - при питании ДС 250.33