ТИРИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2008 года по МПК H02M7/521 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к инверторам, предназначенным преимущественно для электродуговых сварочных аппаратов инверторного типа.

Электродуговые сварочные аппараты инверторного типа, то есть аппараты, в которых питание сварочного трансформатора осуществляется от инвертора с частотой до 100 кГц, нашли широчайшее применение [1, 2, 3]. Инверторы в таких аппаратах могут быть выполнены как по однотактной, так и по двухтактной схеме. Однотактные инверторы дают несколько худшее использование сердечника сварочного трансформатора, чем двухтактные. Однако мостовые двухтактные инверторы создают асимметрию в напряжении питания сварочного трансформатора. С увеличением частоты эта асимметрия увеличивается, приводит к насыщению сердечника трансформатора, что сводит на нет преимущества мостовых инверторов (двухтактных) перед однотактными. Асимметрия исключается в схемах двухтактных инверторов с конденсаторами в силовой цепи. В частности, асимметрия отсутствует в полумостовом инверторе [4, 5]. Недостаток такого инвертора - плохое использование емкости конденсаторов. В мостовом инверторе использование конденсатора вчетверо лучше, но при холостом ходе и малых нагрузках возможны перенапряжения в диагонали нагрузки моста.

Общим недостатком как полумостовых, так и мостовых инверторов является необходимость использования запираемых ключей, то есть транзисторов или запираемых (GTO) тиристоров. Транзисторы ограничивают диапазон мощностей электросварочных аппаратов, а запираемые (GTO) тиристоры имеют более сложную систему управления и главное, большие потери и меньшую допустимую частоту коммутаций по сравнению с обычобычными (SCR) тиристорами.

Известны также инверторы на обычных (SCR) тиристорах с принудительной коммутацией с помощью конденсаторов («С»-коммутация) или сочетанием конденсаторов и индуктивностей («L-C»-коммутация) [6], но принудительная коммутация усложняет силовую схему инвертора. «Классический» тиристорный инвертор на запираемых тиристорах или на обычных тиристорах с принудительной коммутацией описан, в частности, в [6] и содержит в силовой части мост из четырех запираемых тиристоров и обратный мост из четырех диодов. В случае нагрузки трансформаторного типа, например, сварочного трансформатора, в диагональ нагрузки тиристорного инвертора включают конденсатор последовательно с первичной обмоткой трансформатора, а вторичная обмотка через блок в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя подключается выходом постоянного тока упомянутого блока к электроду и свариваемой детали.

Указанный тиристорный инвертор является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

Схема прототипа содержит в силовой части мост из четырех запираемых (GTO) тиристоров и четырех обратных диодов, а также нагрузку в виде сварочного трансформатора, который первичной обмоткой последовательно с конденсатором включен в диагональ нагрузки упомянутого тиристорного инвертора, а вторичной обмоткой подключен к блоку, содержащему выпрямитель и сглаживающий дроссель. Выход постоянного тока указанного блока подключен соответствующими выводами к электроду и свариваемой детали. Схема также содержит типовую систему управления, соединенную соответствующими выходами с управляющими входами тиристоров тиристорного инвертора. Типовая система управления обеспечивает поочередное включение и запирание диагональных пар тиристоров тиристорного инвертора. Система автоматического регулирования является типовым элементом устройства.

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, состоят в следующем:

1. Включение конденсатора последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора может при холостом ходе и малых нагрузках привести к перенапряжениям в диагонали нагрузки (на конденсаторе и первичной обмотке).

2. Запираемые (GTO) тиристоры значительно дороже, а потери в них больше, чем в обычных (SCR) тиристорах. Сложнее и их система управления. Частотные характеристики запираемых тиристоров также хуже, чем обычных, поэтому устройство прототипа может применяться лишь для сравнительно низких частот, что увеличивает массогабаритные показатели устройства в целом.

Технический результат - упрощение силовой схемы устройства, уменьшение потерь, увеличение частоты инвертора и исключение перенапряжений в цепи диагонали нагрузки инвертора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, представляющем тиристорный инвертор и содержащем в силовой части мост из четырех тиристоров и нагрузку в виде сварочного трансформатора, включенного первичной обмоткой последовательно с конденсатором в диагональ нагрузки упомянутого тиристорного инвертора, вторичной обмоткой подключенного к блоку в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя, выход постоянного тока упомянутого блока подключен соответствующими выводами к электроду и свариваемой детали, а также содержащем типовую систему управления, соединенную соответствующими выходами с управляющими входами тиристоров тиристорного инвертора, запираемые тиристоры инвертора заменены обычными (SCR) тиристорами, обратный диодный мост исключен из схемы тиристорного инвертора, а типовая система управления снабжена дополнительно датчиком тока, датчиком сопротивления промежутка «электрод - деталь», элементом задержки, логическим элементом «И», отсекающим диодом и четырьмя ключами, причем датчик тока включен последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора, выход датчика тока соединен с входом элемента задержки, выход элемента задержки подключен к инверсному входу логического элемента «И», датчик сопротивления промежутка «электрод - деталь» включен последовательно с анодом отсекающего диода и соединен свободным концом с плюсом вспомогательного источника постоянного напряжения, катод отсекающего диода и минус вспомогательного источника постоянного напряжения присоединены к соответствующим зажимам «электрод - деталь», выход датчика сопротивления промежутка «электрод - деталь» соединен с прямым входом логического элемента «И», выход логического элемента «И» размножен на управляющие входы четырех ключей, а соответствующие выходы типовой системы управления через упомянутые ключи подключены к управляющим входам тиристоров тиристорного инвертора.

Это позволило заменить запираемые тиристоры обычными, исключить из силовой схемы обратный диодный мост, устранить перенапряжения в цепи диагонали нагрузки инвертора, увеличить частоту и уменьшить потери в инверторе, то есть достичь заданного технического результата.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Для простоты цепи формирования и гальванической развязки сигналов управления на фиг.1 не показаны. Схема содержит в силовой части тиристорный инвертор в виде моста из четырех тиристоров 1÷4 и нагрузку, представляющую собой сварочный трансформатор 5, включенный первичной обмоткой 6 последовательно с конденсатором 7 в диагональ нагрузки тиристорного инвертора 1÷4. Вторичная обмотка 8 сварочного трансформатора 5 подключена к блоку 9 в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя. Выход постоянного тока блока 9 подключен соответствующими выводами к электроду 10 и свариваемой детали 11, например плюсом к электроду 10. Кроме типовой системы управления 12, схема содержит датчик тока 13, датчик сопротивления 14 промежутка «электрод - деталь», элемент задержки 15, логический элемент «И» 16, отсекающий диод 17 и четыре ключа 18÷21. При этом тиристоры 1÷4 - это тиристоры SCR, то есть обычные полууправляемые тиристоры. Датчик тока 13 включен последовательно с первичной обмоткой 6 сварочного трансформатора 5, а его выход соединен со входом элемента задержки 15. Выход элемента задержки 15 подключен к инверсному входу логического элемента «И» 16, датчик сопротивления 14 промежутка «электрод 10 - деталь 11» включен последовательно с анодом отсекающего диода 17 и соединен свободным концом с плюсом вспомогательного источника постоянного напряжения U_в. Катод отсекающего диода 17 и минус вспомогательного источника постоянного напряжения U_в присоединены к соответствующим зажимам «электрод 10 - деталь 11». Выход датчика сопротивления 14 промежутка «электрод 10 - деталь 11» подключен к прямому входу логического элемента «И» 16, а выход логического элемента «И» 16 размножен на управляющие входы четырех ключей 18÷21. Соответствующие выходы типовой системы управления 12 через ключи 18÷21 подключены к управляющим входам тиристоров 1÷4 тиристорного инвертора.

Устройство (фиг.1) функционирует следующим образом. В состоянии готовности к работе включен источник питания инвертора U_п и вспомогательный источник напряжения U_в, причем U_в>U_dм, где U_dм - максимальное напряжение «горящей дуги». Если ток в первичной обмотке 6 сварочного трансформатора 5 отсутствует, то через элемент задержки 15 на инверсный вход логического элемента «И» 16 поступает логический нуль. Если в это же время электрод 10 не соприкасается со свариваемой деталью 11, то ток в цепи датчика сопротивления 14 отсутствует, и с его выхода на прямой вход логического элемента «И» 16 поступает логический ноль. Таким образом, нули на обоих входах логического элемента «И» 16 обеспечивают ноль на его выходе, то есть «запрет» на ключи 18÷21, поэтому отпирающие импульсы из типовой системы управления 12 не проходят на управляющие входы тиристоров 1÷4 тиристорного инвертора. То есть холостой ход исключен. Как только электрод 10 коснется свариваемой детали 11, от вспомогательного источника питания U_в через датчик сопротивления 14, отсекающий диод 17, электрод 10 и деталь 11 потечет ток, что обеспечит логическую единицу на прямом входе логического элемента «И» 16. Сочетание нуля на инверсном и единицы на прямом входах логического элемента «И» 16 дает единицу на его выходе. Все ключи 18÷21 отпираются, и отпирающие импульсы из типовой системы управления 12 поступают на управляющие входы тиристоров 1÷4 тиристорного инвертора. При этом каждый цикл включения диагональной пары тиристоров сопровождается перезарядом конденсатора 7, то есть на первичной обмотке 6 сварочного трансформатора 5 амплитуда напряжения U₇=2U_н, а энергия, поступающая в нагрузку (не считая потерь), за каждый цикл перезаряда конденсатора 7

где С - емкость конденсатора 7, U_п - напряжение источника питания инвертора.

Ток в диагональной паре тиристоров 1, 2 или 3, 4 прерывается естественным путем после перезаряда конденсатора 7. Сказанное иллюстрируется диаграммами на фиг.2: 1 - ток отпирающих импульсов i_y на управляющих входах тиристоров; 2 - напряжение U₇ на конденсаторе 7; 3 - напряжение на первичной обмотке 6 сварочного трансформатора 5 (для большей простоты и наглядности диаграммы 1÷3 выполнены из условия прямоугольности петли гистерезиса сердечника трансформатора 5), 4 - внешние характеристики устройства (т.е. вольт-амперные характеристики дуги) при различной величине емкости «С» конденсатора 7.

Элемент задержки 15 обеспечивает паузу после спада тока первичной обмотки 6 сварочного трансформатора 5 до нуля, необходимую для восстановления запирающих свойств проводившей ток диагональной пары тиристоров.

Для получения семейства внешних характеристик, т.е. для ступенчатой регулировки тока сварки, конденсатор 7 должен состоять как минимум из двух конденсаторов разной емкости и переключателя режимов: два конденсатора дают четыре ступени тока сварки, что достаточно в большинстве практических случаев, три конденсатора с соответствующим переключателем дают до 17 ступеней. Таким образом, дискретность регулирования режимов сварки не является существенным недостатком предложенного устройства.

В то же время реализация инвертора на обычных (SCR) тиристорах и их бестоковая коммутация не только существенно упрощают силовую схему за счет исключения обратного диодного моста и R-С цепей защиты от коммутационных перенапряжений (так называемых «снабберов»), но и значительно уменьшают потери в инверторе, т.к. коммутация (запирание тиристоров) бестоковая, падение напряжения в SCR тиристорах меньше, чем в GTO тиристорах, как отмечено выше, лучше и частотные характеристики SCR тиристоров по сравнению с GTO тиристорами.

В заключение следует отметить, что устройство рассмотрено с нагрузкой в виде сварочного трансформатора. Однако предложенное устройство применимо и для других электротехнологических нагрузок трансформаторного типа, в которых режим холостого хода и малых токов не является рабочим и может быть исключен.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Castolin. GmbH - Германия, kraftz werg, 1994÷1996.

2. «Invertec» - V - 130-S-Lincom. США, 1998.

3. «ДС200» «А/ - Технотрон» - Россия, 1998.

4. В.А.Прянишников. Электроника. Санкт-Петербург, 1998, рис.33.11.

5. О.Г.Булатов и др. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

6. И.Л.Каганов. Промышленная электроника. М.: «Высшая школа», 1968.

Предложен мостовой тиристорный инвертор для нагрузок типа электродуговых сварочных трансформаторов. Отличительной особенностью является система управления, позволившая исключить режимы холостого хода и малых нагрузок, что, в свою очередь, дало возможность выполнить инвертор на обычных (SCR) тиристорах и без обратного диодного моста. Постоянная составляющая в нагрузке предложенного инвертора устранена конденсатором, включенным последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора. Технический результат - упрощение, уменьшение потерь и повышение частоты. 2 ил.

Тиристорный инвертор, содержащий в силовой части мост из четырех тиристоров, а нагрузку в виде сварочного трансформатора, включенного первичной обмоткой последовательно с конденсатором в диагональ нагрузки упомянутого тиристорного инвертора, вторичной обмоткой подключенного к блоку в составе выпрямителя и сглаживающего дросселя, выход постоянного тока упомянутого блока подключен соответствующими выводами к электроду и свариваемой детали, а также содержащий типовую систему управления, соединенную соответствующими выходами с управляющими входами тиристоров тиристорного инвертора, отличающийся тем, что запираемые тиристоры инвертора заменены обычными (SCR) тиристорами, а типовая система управления снабжена дополнительно датчиком тока, датчиком сопротивления промежутка «электрод - деталь», элементом задержки, логическим элементом «И», отсекающим диодом и четырьмя ключами, причем датчик тока включен последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора, выход датчика тока соединен с входом элемента задержки, выход элемента задержки подключен к инверсному входу логического элемента «И», датчик сопротивления промежутка «электрод - деталь» включен последовательно с анодом отсекающего диода и соединен свободным концом с плюсом вспомогательного источника постоянного напряжения, катод отсекающего диода и минус вспомогательного источника постоянного напряжения присоединены к соответствующим зажимам «электрод - деталь», выход датчика сопротивления промежутка «электрод - деталь» соединен с прямым входом логического элемента «И», выход логического элемента «И» размножен на управляющие входы четырех ключей, а соответствующие выходы типовой системы управления через упомянутые ключи подключены к управляющим входам тиристоров тиристорного инвертора.