ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B23K9/00 B23K9/10 

Изобретение относится к электросварке и может быть использовано при разработке источников питания для дуговой сварки. Известны преобразователи [1 и 2] содержащие резонансный инвертор с обратными вентилями, трансформатор, выпрямитель, емкостной сглаживающий фильтр. Известные преобразователи имеют высокий КПД и позволяют стабилизировать ток в дуговом промежутке.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь [3] имеющий кроме перечисленных узлов вспомогательный последовательный LC-контур, подключенный параллельно первичной обмотке трансформатора. Благодаря этому цепи к запираемым тиристорам инвертора прикладывается обратное напряжение, а инвертор имеет высокую коммутационную устойчивость во всех режимах работы.

Первым недостатком преобразователя является то, что в нем в качестве обратных вентилей применены тиристоры, что увеличивает стоимость преобразователя, поскольку тиристор примерно вдвое дороже аналогичного диода.

Вторым недостатком известного преобразователя является то, что в нем нельзя применить наиболее быстродействующие асимметричные тиристоры (тиристоры проводящие в обратном направлении), не рассчитанные на приложение большого обратного напряжения. Применение более быстродействующих тиристоров позволило-бы увеличить частоту инвертирования и уменьшить габариты и массу преобразователя.

Третьим недостатком прототипа является увеличение тока короткого замыкания по сравнению с номинальным током, поскольку конденсатор вспомогательного LC-контура в паузе между импульсами тока отдает накопленную энергию в нагрузку.

Четвертым недостатком является то, что под действием напряжения конденсатора вспомогательного LC-контура, в паузе между импульсами, сердечник трансформатора продолжает перемагничиваться, что увеличивает потери в нем и может привести к его насыщению.

Цель изобретения повышение частоты инвертирования, повышение КПД, снижение массы и габаритов преобразователя, уменьшение стоимости, уменьшение разницы между номинальным током и током короткого замыкания.

Цель достигается тем, что в преобразователе, содержащем последовательный резонансный инвертор с обратными вентилями, основной и вспомогательный резонансный LC-контур, трансформатор, выпрямитель и емкостной сглаживающий фильтр, вспомогательный последовательный LC-контур подключен к диагонали переменного тока инвертора, причем последовательно с указанным контуром включен двунаправленный ключ и вторая обмотка дросселя основного резонансного контура.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря наличию вспомогательного контура с включенными в его цепь второй обмоткой дросселя основного колебательного контура и двунаправленным ключом, амплитуда тока в обратных вентилях инвертора не уменьшается ниже некоторой величины, определяемой параметрами вспомогательного контура, а его длительность остается постоянной во всех режимах работы инвертора. Тем самым гарантируется надежная коммутация тиристоров инвертора при высокой частоте инвертирования.

На фиг. 1 приведены схема полумостового варианта предлагаемого преобразователя. Преобразователь содержит тиристоры инвертора 1 и 2, обратные диоды 3 и 4, дроссели основного резонансного контура, имеющие первые обмотки 5, 6 и вторые обмотки 7, 8, конденсатор основного контура 9, силовой трансформатор 10, выходной выпрямитель 11, емкостной фильтр 12, дроссель вспомогательного LC-контура 13, конденсатор вспомогательного LC-контура 14, двунаправленный ключ 15, конденсаторы делителя 16 и 17. Вход преобразователя зашунтирован блокирующим конденсаторов 18, выход подключен к дуговому промежутку 19. Включение в цепь вспомогательного контура двух вторых обмоток дросселей 7 и 8 объясняется тем, что в этом варианте схемы дроссель основного LC-контура разделен на две части, каждая из которых работает в течении одного полупериода.

Работу схемы поясняют временные диаграммы на фиг. 2 и 3, на которых представлены токи управления тиристорами инвертора i_у1, i_у2, сигнал управления двунаправленным ключом i_у15, ток в конденсаторе основного резонансного контура i₉, напряжение на этом конденсаторе U₉, ток в конденсаторе вспомогательного контура i₁₄ напряжение на этом конденсаторе U₁₄.

Преобразователь работает следующим образом. Пусть к моменту отпирания тиристора 1 и двунаправленного ключа 15 конденсаторы 9 и 14 были заряжены с отрицательной полярностью, а напряжение на конденсаторах 16 и 17 было одинаковым. Число витков обмоток 5 8 дросселей основного резонансного контура должно быть одинаковым. После подачи в момент t₀ импульсов управления на тиристор 1 и ключ 15 в конденсаторах 9 и 14 начинают протекать токи

где E входное напряжение преобразователя;
U_g(t₀) начальное напряжение на конденсаторе 9;
U_н' h приведенное к первичной обмотке напряжение на конденсаторе 12;
ω₁ собственная частота основного контура;
U₁₄(t₀) начальное напряжение на конденсаторе 14;
ω₂ собственная частота вспомогательного контура;
L₁ суммарная индуктивность основного колебательного контура, включающая индуктивность первой обмотки 5 дросселя основного контура и индуктивность рассеяния трансформатора 10;
L₂ суммарная индуктивность дросселя 13 и индуктивность второй обмотки 8 дросселя основного контура.

Параметры обоих контуров выбираются исходя из условия ω₁= ω₂ Напряжение на обмотке 5 не влияет на ток во вспомогательном контуре, поскольку оно компенсируется точно таким же напряжением второй обмотки 7 этого же дросселя. После перехода тока в тиристоре 1 в момент t₁ через нуль тиристор 1 закрывается, конденсатор 9 заряжается до напряжения U_gm, а конденсатор 14 до напряжения U_14m-E. Далее в схеме отпирается обратный диод 3, и во вспомогательном контуре формируется ток противоположной полярности, разряжающий конденсатор 14

Протекая через диод 3, этот ток создает обратное напряжение для запираемого тиристора 1. Ток противоположный полярности в конденсаторе 9 и в первичной обмотке трансформатора 10 может возникнуть только при выполнении условия

В этом случае (фиг. 2) на интервале t₂ t₁

Если условие (4) не выполняется, то обратная полуволна тока в конденсаторе 9 (фиг. 3) не формируется. Если бы вспомогательный контур отсутствовал, то при невыполненнии условия (4) тиристор 1 оставался бы открытым и после момента t₁, так как через него продолжал бы протекать ток намагничивания трансформатора 10. Интервал проводимости тиристора 1 зависел бы от индуктивности намагничивания трансформатора 10 и был бы значительно больше интервала t₁ t₀. Это означает, что частота работы преобразователя без дополнительного резонансного контура была бы значительно меньше, чем с контуром. При наличии вспомогательного контура его ток на интервале t₁ t₀ компенсирует ток намагничивания трансформатора 10, благодаря чему проводивший тиристор закрывается, а шунтирующий его обратный диод открывается. Таким образом, наличие вспомогательного контура с вторыми обмотками дросселей основного контура позволяет поддерживать постоянным интервал проводимости обратных диодов и тем самым обеспечивать коммутацию тиристоров вне зависимости от режима работы преобразователя и вплоть до режима холостого хода, когда условие (4) заведомо не выполняется. При наличии вспомогательного контура после перехода в момент t₂ через нуль тока диода 3 указанный диод закрывается. Примерно в этот же момент должен быть снят отпирающий сигнал с двунаправленного ключа 15. Далее в первичной обмотке трансформатора 10 имеет место бестоковая пауза, поскольку закрыты все тиристоры, диоды и двунаправленный ключ. Ток намагничивания трансформатора 10 переходит во вторичную обмотку.

После отпирания момент t₃ тиристора 2 и двунаправленного ключа 15 вследствие симметрии схемы процессы повторяются, но токи в соответствующих интервалах протекают в обратных направлениях, а конденсаторы 9 и 14 заряжаются с противоположной полярностью. Двунаправленный ключ 15 необходим для предотвращения неконтролируемого обмена энергией между конденсаторами 9 и 14 после запирания обратных диодов. Если бы двунаправленный ключ отсутствовал, то в интервале t₃ t₃ конденсатор 14 колебательно перезаряжался бы, обмениваясь энергией с конденсатором 9. Это в зависимости от фазы включения следующего тиристора привело бы либо к увеличению тока вспомогательного контура, либо к его уменьшению. Это вынуждает увеличивать установленную мощность эго элементов (т.е. увеличивать рабочее напряжение конденсатора 14 и сечение провода дросселя 13), так как регулирование тока нагрузки возможно только изменением частоты, поэтому фаза включения тиристора может быть любой и надо исходить из худшего случая.

Вторым следствием неконтролируемого обмена энергией является увеличение тока короткого замыкания по сравнению с номильным током. Это объясняется тем, что в режиме короткого замыкания потери в нагрузке малы, и процесс колебательного перезаряда конденсатора 14 затухает медленнее, чем в режиме сварки.

При наличии двунаправленного ключа фаза включения тиристора всегда равна нулю, поскольку двунаправленный ключ открывается одновременно с тиристором. Это позволяет стабилизировать амплитуду тока во вспомогательном контуре ключа позволяет также создать режим бестоковой паузы в первичной обмотке трансформатора 10 и т ем самым исключить его одностороннее намагничивание. Это позволяет увеличить индукцию в его сердечнике, уменьшить его габариты и массу.

Для надежной коммутации тиристров инвертора ток вспомогательного контура должен компенсировать ток намагничивания трансформатора. В грамотно рассчитанном трансформаторе ток намагничивания по крайней мере на один-два порядка меньше тока нагрузки в номинальном режиме. Поэтому установленная мощность элементов вспомогательного контура тоже по крайней мере на порядок меньше установленной мощности основного контура (при наличии двунаправленного ключа). По этой же причине сам двунаправленный ключ должен быть рассчитан на ток в несколько десятков раз меньше тока тиристоров и может быть выполнен, например, на двух встречно-параллельно включенных транзисторах.

В предлагаемой схеме по сравнению с прототипом число тиристоров меньше, применяемые тиристоры защищены от обратного напряжения обратными диодами, что позволяет применить более быстродействующие асимметричные тиристоры. Поскольку диод дешевле аналогичного тиристора, то себестоимость предлагаемого преобразователя меньше, чем у аналога. Применение более быстродействующих тиристоров и устранение паузы между импульсами прямых и обратных вентилей позволяет увеличить частоту инвертирования и уменьшить габариты и массу реактивных элементов. Гарантированная во всех режимах бестоковая пауза в первичной обмотке трансформатора позволяет устранить одностороннее намагничивание трансформатора, уменьшить потери в нем и дополнительно уменьшить габариты, а также предотвратить передачу в нагрузку энергии на первичной цепи в паузе между импульсами тока.

Использование: ручная и автоматическая дуговая сварка на постоянном токе. Сущность изобретения: преобразователь содержит тиристорный резонансный инвертор с обратными диодами, основной и вспомогательный резонансный LC-контур, силовой трансформатор, выпрямитель и емкостной выходной фильтр. Дополнительный LC-контур включен в диагональ переменного тока инвертора; последовательно с ним включены дополнительная обмотка дросселя основного LC-контура и двунаправленный ключ. Благодаря этому преобразователь сохраняет работоспособность во всех режимах от холостого хода до короткого замыкания, поскольку в цепи вспомогательного контура всегда формируются импульсы прямого и обратного тока стабильной амплитуды и длительности. Протекая по обратному диоду, инвертора обратная полуволна тока вспомогательного контура запирает тиристор инвертора, даже если в цепи основного LC-контура обратная полуволна тока не формируется. 3 ил.

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательный резонансный инвертор с обратными вентилями, основной последовательный резонансный LС-контур, вспомогательный резонансный LС-контур, трансформатор, выходной выпрямитель с емкостным фильтром, отличающийся тем, что вспомогательный LС-контур включен в диагональ переменного тока инвертора, причем последовательно с ним включены вторая обмотка дросселя основного LС-контура и двунаправленный ключ.