Реферат
Целью настоящей работы являются теоретические исследования и имитационное моделирование нормальных и аварийных режимов работы автономного инвертора напряжения резонансного типа.
Произведен анализ литературных источников, связанных с вопросом развития и становления сварочных аппаратов. Сравнение и выбор типа, описываемого оборудование, для сварочного аппарата. Приведено технико-экономическое обоснование, принципиальная схема и принцип действия автономного инвертора напряжения резонансного типа, расчет силовых элементов, расчет транзисторов, выбор дросселя и емкости, а также расчет понижающего трансформатора напряжения. Выбраны схема управления и схема защиты. Проведен анализ выбранных схемных решений по защите и управлению.
Рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности, экологичности, а так же рассчитана экономическая часть выпускной квалификационной работы. Обозначения и сокращения:
? АИН - Автономный инвертор напряжения.
? IGBT - Insulated-gate bipolar transistor (биполярный транзистор с изолированным затвором).
? ШИМ - Широтно-импульсная модуляция.
? КПД - Коэффициент полезного действия.
Содержание
Реферат
Введение
1. Объект исследования
1.1 Основоположники сварки
1.2 Классификация сварочных аппаратов
1.3 Области применения
1.4 Требования, предъявляемые к автономным инверторам
Вывод
2. Проектно-расчетная часть
2.1 Выбор и обоснование схемы
2.2 Расчет силовых элементов
2.3 Выбор транзисторов
2.4. Выбор резистора
2.5 Выбор конденсатора
2.6 Расчет дросселя
2.7 Расчет трансформатора
Вывод
3. Выбор системы защиты и управления
3.1 Обоснование системы управления
3.1.1.ШИМ-контроллер
3.1.2 Задающий генератор
3.1.3 Диаграммы работы АИН резонансного типа с ШИМ
3.2 Система защиты
3.2.1 Выбор элементов системы защиты
3.3 Электрическая схема АИН с системами управления и защиты
Вывод
Заключение
Список литературы
Введение
Современные тенденции развития источников питания сварочной дуги дали толчок в развитии давно известных сварочных инверторных аппаратов для различных видов сварки и многофункциональных аппаратов, совмещающих в себе возможность различных комбинаций сварки. Сварочные инверторы являются самыми современными и распространенными, которые в настоящие время охватывают большую часть потребителей, тем самым вытесняя на второй план классические сварочные трансформаторы.
В отличие от статических источников питания у инверторов отсутствует силовой трансформатор. Работа сварочного инверторного аппарата построена на принципе фазового сдвига напряжения, осуществляемого с помощью современных IGBT-транзисторов. Отклонения тока в таких схемах минимизированы, это позволяет добиваться высокого качества сварки, без разбрызгивания. Свою популярность он завоевал благодаря небольшим размерам и весу, а также стабилизированному постоянному сварочному току, не зависящему от колебаний входного напряжения. В зависимости от сварочного тока инвертора их можно разделить на: инверторы бытового, профессионального и промышленного классов.
Данный аппарат, благодаря своим достоинствам, может быть применен в различных производственных сферах: промышленность, электроэнергетика, легкая промышленность, машиностроение, топливная промышленность и строительство.
В настоящее время основные изменения в сварочных инверторах затронут их качественное усовершенствование. Наиболее важными остаются вопросы улучшения возбуждения дуги, формирования более ровного шва, без разбрызгивания металла во время сварки. Ввиду развития и совершенствования сварочных инверторных аппаратов, производство сварочных преобразователей будет не целесообразно, а доля трансформаторов снизится еще существеннее.
Целью данной работы является теоретически изучить и экспериментально исследовать сварочный инверторный аппарат со стороны его надежности и эффективности, а также провести полный расчет инвертора напряжения и сравнение его с имеющимся инвертором на предприятии. Для оценки работы сварочного инвертора необходимо провести расчет основных силовых элементов. Разработать схемные решения по созданию сварочного инверторного аппарата.
1. Объект исследования
1.1 Основоположники сварки
автономный инвертор напряжение резонансный
Электрическая дуга была открыта в 1802 г. русским академиком В. В. Петровым, который заметил горящую дугу с высокой температурой, возникающую между концами двух стержней из металла при пропускании по ним электрического тока. Изучив это явление, он предложил использовать тепло электрической дуги для расплавления металлов. В 1882 г. Н. Н. Бенардос изобрел другой способ дуговой сварки, основанный на использовании дуги, горящей между угольным электродом и металлом. Н. Г. Славянов изобрел в 1888 г. дуговую сварку, с помощью плавящегося металлического электрода, которая наиболее распространена в настоящее время. Также он широко внедрял свой способ сварки в практику, обучив коллектив рабочих машиностроительного завода. Н. Г. Славянов создал первый сварочный генератор, флюс для повышения качества сварного соединения и автоматический регулятор, для поддержания длины сварочной дуги.
Наибольший вклад в развитие сварочной науки и сварочных аппаратов внесли советские ученые, инженеры и новаторы сварочного производства. Они создали обширное количество видов сварочных аппаратов, электродов, а также разработали автоматизированные сварочные процессы и освоили технику сварки различных металлов.
В настоящее время сварка вытесняет способы неразъемного соединения с помощью заклепок, ввиду ряда своих преимуществ. В последние годы сварочные соединения вытеснили способы неразъемного соединения элементов с помощью заклепок и пайки. Сварочное производство является самостоятельной, развивающейся отраслью промышленности и для ее дальнейшего развития требуется усовершенствование аппаратов и их доработка, а также разработка новых типов сварочных аппаратов.
1.2 Классификация сварочных аппаратов
Сварочные аппараты можно разделить на две группы - бытовые и профессиональные. К бытовым аппаратам относят маломощные, рассчитанные на кратковременные режимы работы. Чаще всего они имеют возможность подключения от стандартной электросети и имеют максимальное значение сварочного тока, не превышающее 180 А. В результате чего с такими устройствами в основном используют электроды диаметром до 4 мм.
К профессиональным сварочным аппаратам относятся устройства, способные работать как от сети 220 В, так и от 380 В. Значения сварочного тока могут превышать значение 200 А, что позволяет использовать электроды диаметром более 4 мм. Они используются на малых и средних предприятиях. Ввиду этого требования к качеству работы довольно высоки. Основными производителями на рынке сварочного оборудования являются: Kemppi, GYSmi, EWM, CON-TACT и т.д.
Согласно литературному обзору, автором была разработана классификация сварочных аппаратов, представленная на рисунке 1.1. Её особенностью является отражение современного состояния на рынке сварочного оборудования.
Сварочные трансформаторы - это аппараты, преобразующие переменное напряжение сети в другое переменное напряжение для сварки, с помощью понижающего трансформатора. Применяется для ручной дуговой сварки штучными электродами, а также при аргонодуговой сварке.
Сварочные выпрямители - это аппараты, которые преобразуют переменный ток сети в постоянный для электросварки. Состоят из силового трансформатора и выпрямителя. Предназначены для дуговой сварки различных металлов и нержавеющей стали. Отличаются своей стабильностью горения дуги и меньшим разбрызгиванием металла, благодаря постоянному току при сварке.
Рисунок 1.1 - Классификация сварочных аппаратов
Сварочные инверторы - это аппарат, включающий в себя инверторный источник питания, который преобразует переменное напряжение в сети в необходимое напряжение и тока для электросварки. Предназначены для применения во всех видах электродуговой и плазменной сварки. В настоящее время сварочные инверторы, благодаря своим преимуществам занимают большую часть рынка и им уделяют огромное количество времени на их совершенствование и развитие.
1.3 Области применения
Сварочные аппараты охватывают все сферы отрасли от машиностроения до газовой промышленности. Сварочные трансформаторы применяют на предприятиях, в цехах, где не требуется мобильность и сварка цветных металлов.
Сварочные выпрямители используют при всех видах сварки, как ручной дуговой, так и полуавтоматической, также их применяют в автоматической сварке, с использованием флюса.
Рисунок 1.2 - Диаграмма соотношений типов аппаратов
Сварочные инверторы применяются во всех видах ручной и полуавтоматической электродуговой сварки, плазменной резки. Инверторы очень популярны при ручной дуговой сварке штучными электродами. Это связано с малыми габаритами и весом, а также с низким электропотреблением по сравнению с трансформаторами и выпрямителями. Малые габариты позволяют рабочему быть более мобильным и работать в местах куда сложно подлезть с другими аппаратами. При ремонтных бытовых работах инвертор имеет широкое распространение, благодаря возможности подключения к стандартной электросети. При аргонно-дуговой сварке инверторы имеют преимущество со стороны точной регулировки параметров режима, что является необходимым при таком типе сварки, которую применяют в случаях, когда необходимо высокое качество сварного соединения. При плазменно-дуговой резке основным преимуществом инвертора является стабильная дуга.
Согласно литературному обзору, была построена круговая диаграмма, описывающая соотношения различных типов сварочных аппаратов, приведена на рисунке 1.2.
1.4 Требования, предъявляемые к автономным инверторам
Сварочные аппараты охватывают все сферы отрасли от машиностроения до газовой промышленности. Ввиду этого предприятиям необходимо иметь оборудование, способное выполнить любую работу по сварке на высшем уровне.
Основными требованиями, предъявляемыми к таким аппаратам, являются:
? стабильность сварочной дуги - режим, при котором сварочная дуга горит длительное время при установленных параметрах, без прерываний и переходов в другие виды разрядов;
? легкий поджиг дуги - возбуждение с помощью кратковременного контакта электрода с металлом, а также последующее их разъединение;
? низкое энергопотребление - обуславливается отсутствием внутренних индуктивных потерь, в отличии от сварочных выпрямителей и трансформаторов;
? обеспечение высокого КПД - КПД сварочного инвертора, с учетом потерь в выходном дросселе, доходит до 90 %;
? стабильный, высокий коэффициент мощности - характеризует эффективность использования потребленной энергии из сети, в случае с инвертором имеет значение близкое к 1;
? небольшой расход электродов - экономия электродов при ручной сварке, в виду того, что у сварочного инвертора разбрызгивание электродов практические отсутствует;
? обеспечение необходимого диапазона регулирования сварочного тока.
Вывод
На основании проведенного обзора типов сварочных аппаратов, их применения, преимуществ и требований к сварочным инверторам для нашей работы выбран автономный инвертор напряжения резонансного типа на IGBT-транзисторах.
2. Проектно-расчетная часть
2.1 Выбор и обоснование схемы
Для расчетов сварочного инвертора была выбрана мостовая схема автономного инвертора резонансного типа на IGBT-транзисторах. Полумостовая и мостовая схемы являются более эффективными для снижения пульсаций входного тока. Мостовая схема выбрана ввиду увеличения мощности инвертора, за счет удвоения транзисторов, относительно полумостовой схемы. Также она имеет расширенные возможности, связанные с управлением выходным напряжением посредством ШИМ.
Выбор АИН резонансного типа обусловлен наличием в схеме колебательного контура, благодаря наличию последовательно соединенных емкости и индуктивности.
В качестве силовых ключей используются IGBT-транзисторы, которые лучше выдерживают перегрузки, имеют меньшие потери, относительно полевых транзисторов. В настоящее время модернизацией и совершенствованием IGBT-транзисторов занимается множество компаний.
Рисунок 2.1 - Схема АИН резонансного типа
2.2 Расчет силовых элементов
Данный раздел включает в себя расчет ключей и элементной базы, входящих в мостовой автономный инвертор резонансного типа на IGBT-транзисторах. Выбор элементов напрямую связан с энергоэффективностью аппарата, что является важным при его расчетах.
При учете диапазона изменений питающей сети (отклонение вниз от номинала на 15%) значение напряжения на выходе входного фильтра не превышает:
U dmin =--2 Ч Uпит = 1, 41 Ч 220 Ч 0,85 = 260 В.
В рабочем режиме Udmin будет еще ниже на величину падения напряжения на диодах выпрямителя и фильтре. Примем значение напряжения с учетом потерь: Udmin = 240 В.
Наибольшее значение напряжения на входе фильтра, определяем из выражения:
U dmax = 1,1 Ч--2 Ч Uпит = 1,1 Ч 1, 41 Ч 220 = 341 В.
Значение тока, протекающего через диоды входного выпрямителя, определяется из выражения:
IVD = I2н = 28,2 7 =14,35 А.
Максимальное обратное напряжения, прикладываемое к диоду выпрямителя, определяется по выражению:
U обр = 1,1 Ч--2 Ч Uпит = 1,1 Ч 1, 41 Ч 220 = 341 В.
Выбираем диодный мост 36MB60A с техническими параметрами, представленными в таблице 2.1.