Источник питания установки тлеющего разряда Советский патент 1984 года по МПК H05B7/16 

2, Источник по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен магнитно связанным с шунтирующим дросселем и включенным встречно ему

вторым шунтирующим дросселем, один .конец которого соединен с анодом камеры, а другой через встречно включенный обратный диод -с катодом камеры.

1. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ УСТАНОВКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА, содержащий источник постоянного тока с фильт- ровым конденсатором на выходе, один вывод которого через токоограничивающий дроссель, тиристорный мост с дозирующим конденсатором и дросселем в диагонали и диод связан с катодом камеры тлеющего разряда, анод которой заземлен и соединен с другим выводом конденсатора, допол- нительный тиристор, шунтирующий и дополнительный дроссели, о т ЛИ чающийся тем, что, с целью повышения экономичности и надежности в работе, он снабжен пороговым элементом, включенным в цепь управления дополнительного тиристора, подключенного анодом через допол(Л нительный дроссель к катодам тиристоров катодной группы моста, а катодом - к катоду камеры и аноду дио§ да, связанному катодом с анодами тиристоров анодной группы моста и через шунтирующий дроссель - с анодом камеры.

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано например, в установках тлеющего разряда для химико-термической обработки изделий. Известны устройства для питания установок тлеющего разряда, предназначенных для химико-термической обработки изделий, в которых в цепь технологического тока устройства вкл чается балластное сопротивление, огр ничивающее ток при переходе тлеющего разряда в дуговой, что, соответствен но, уменьшает повреждение обрабатыва мых изделий CllОднако в данном устройстве на бал ластном сопротивлении в номинальном режиме (при протекании технологического тока тлеющего разряда) теряется около }0% мощности устройства, чт существенно снижает КПД устройства и его экономичность. Известны источники питания установок тленщего разряда с более высокими энергетическими показателями, содержащие тиристорный мост с конден саторной коммутацией, в котором энер гия одного импульса питания, передаваемого в нагрузку, ограничивается, так называемым дозирующим (коммутирующим) конденсатором. Данный источник питания содержит также токоограничиваюпщй реактор, обратный вен тиль, обеспечивающий при отключении моста сброс энергии, запасенной в реакторе, и шунтируюпщй нагрузку тиристор, позволякнций снизить энергию, поступающую в нагрузку при дуговых разрядах С23. Однако этот источник питания уста новок тлеющего разряда обладает рядо существенных . недостатков, снижающих надежность и экономичность установки . К одним из недостатков данного устройства относятся тяжелые условия работы тиристоров моста, работающего в режиме принудительной конденсаторной коммутации, что снижает надежность работы установки. Это обстоятельство ограничивает возможность повышения рабочей частоты инвертирования и препятствует сохранению емкости дозирующего конденсатора с увеличением мощности установки, что соответственно ограничивает возможность интенсификации технологических процессов и уменьшает надежность защиты деталей от повреждений при переходах тлеющего разряда в дуговой. Другим недостатком данного источника питания являются неблагоприятные условия его пуска. Связано это с высоким сопротивлением межэлектродного промежутка камеры тлеющего разряда (ЮП КТР) в процессе пуска и наличием в цепи перезаряда коммутирующей емкости большой индуктивности токоограничивающего реактора. При этом ток перезаряда конденсатора может не превысить тока удержания тиристоров и они не откроются. Для обеспечения пуска в таком источнике питания ЮП КТР шунтируется малым активным сопротивлением. Экспериментально доказано, что для .обеспечения надежности пуска данной установки на токи.разряда 600 А необходимо шунтировать межэлектродный промежуток камеры тлеющего разряда активным сопротивлением 100 300 Ом, что вызывает большие потери в них (в номинальном режиме они составляют 4-5 кВт, а в режиме катод- ного распыления, когда разрядное напряжение Bbmie - около 10 кВт). Кроме того, низкая частота дуговых разрядов в режиме очистки деталей, существенно увеличивает длительность этого процесса. Связано это, во-первых, с ограниченными возможностями увеличить рабочую частоту тиристорного моста, а во-вторых, с тем, что для обеспечения коммутацион ной устойчивости преобразователя, особенно при больших мощностях, нужна большая емкость дозирующего конденсатора. Поэтому для ограничения энергии дугового разряда до уровня достаточного для очистки, но не приводящего к повреждению обрабатываемых деталей, НЭП КТР шунтируется короткозамыкающим тиристором. При этом снимаются управляющие импульсы с тиристоров моста, а энергия запасенная в токоограничивающем реак торе, рассеивается в контуре, который образует токоограничивающий реактор, короткозамьшающий. тиристор и обратный вентиль. Ввиду малости активных потерь ток в этом контуре будет .протекать достаточно долго и удерживать короткозамьжающий тиристор в открытом состоянии, что в конечном счете значительно увеличит паузу между дуговыми разрядами и соответственно увеличит длительность процесса очистки. Наиболее близким к изобретению является источник питания установки тлеющего разряда, содержащий источник постоянного тока с фильтровым конденсатором на выходе, один вывод которого через токоограничивающий дроссель, тиристорный мост с дозиру щим конденсатором и дросселем в диагонали и диод связан с катодом каме ры тлеющего разряда, анод которой заземлен и соединен с другим выводом конденсатора, дополнительный тиристо шунтирующий и дополнительный дроссели. В отличие от предьщущего устройст за в цепь (разрядного) тока включен тиристор емкостного прерывателя, который прерывает ток в упомянутом кон туре, а через дополнительные диоды происходит сброс (в фильтровый конденсатор) энергии, запасенной в токо ограничивающем реакторе, и перезаряд конденсатора емкостного прерывателя. Это позволяет увеличить частоту дуговых разрядов до 700 Гц, что повышает производительность установкиСЗ Однако в известном устройстве существенного повьш1ения частоты с цель дальнейшей интенсификации технологических процессов, получить не удается по указанным причинам, а также ц связи с ограниченными возможностями повышения рабочей частоты емкостного прерывателя, работающего в режиме принудительной конденсаторной коммутации . Усложнение силовой части схемы привело также к усложнению организации ее управления и потребовало ввести . дополнительные блоки управления тиристорами емкостного прерывателя. Кроме того, дозаряд конденсатора емкостного прерывателя происходит через активное сопротивление, на котором теряется часть мощности из-за чего снижается КПД. Все это снижает надежность и экономичность установки. Целью изобретения является повышение экономичности и надежности источника питания и установки тлеющего разряда, за счет повьш1ения рабочей частоты перезаряда дозирующего конденсатора и уменьшения его емкости, что, сбответственно, позволяет интенсифицировать технологические процессы и повысить надежность защиты деталей.при дуговых разрядах за счет существенного уменьшения активных потерь, а также за счет упрощения силовой части источника питания и его системы управления. Поставленная цель достигается тем что, источник питания установки тлеющего разряда, содержащий источник постоянного тока с фильтровым конденсатором на выходе, один вывод которого через токоограничивающий дроссель, тиристорный мост с дозируюпдагм конденсатором и дросселем в диагонали и диод связан с катодом камеры тлеющего разряда, анод которой заземлен и соединен с другим выводом конденсатора, дополнительный тиристор, шунтирующий и дополнительный дроссели, снабжен пороговым элементом, включенным в цепь управления дополнительного тиристора, подключенного анодом через дополнительный дроссель к катодам тиристоров катодной группы моста, а катодом - к катоду камеры и аноду диода, связанному катодом с анодами тиристоров анодной группы моста и через шуйтирующий дроссель с анодом камеры. Кроме того, с целью повышения КПД и более эффективного ограничения напряжения источник питания может быть 5 снабжен магнитно связанным с шунтирующим дросселем и включенным встре но ему вторым шунтирующим дросселем один конец которого соединен с анод камеры, а другой через встречно вкл ченный обратный диод - с катодом ка меры. На чертеже представлена схема устройства. Устройство Содержит источник 1 постоянного тока с фильтровым конденсатором 2, тиристорный мост -3 с дозирующим конденсатором 4 в диагонали, дроссель 5, камеру 6 тлеющего разряда (КТР), межэлектродный промежуток (ЮП), который подключен через диод 7, тиристорный мост 3 и токоограничиванщий дроссель 8 к источнику 1 постоянного тока, шунти рующий дроссель 9 подсоединен параллельно МЭП КТР 6 через вентиль 7 дополнительный тиристор 10, подсоед ненный анодом через дополнительный дроссель 11 к катодной группе тиристоров моста 3, катодом через диод 7 - к анодной группе, пороговый элемент 12, шунтирующий анод и управляющий электрод тиристора 10 выполнен, например, на переключающих полупроводниковых приборах (ди нисторах), соединенных последовательно с токоограничивающим резисто ром. Кроме этого, источник питания установок тлеющего разряда содержит дополнительный шунтирующий дроссель 13, который магнитно связан с щунти рующим дросселем 9 и включен встреч но ему, причем для увеличения коэффициента связи оба шунтирующих дрос селя могут быть намотаны на общий каркас в два параллельных привада с одинаковым количеством витков; обратный диод 14, через который шунти рующий дроссель 13 подсоединяется параллельно ЮП КТР 6. Источник питания установок тлеющего разряда работает следующим образом. Предварительно от источника 1 постоянного тока Заряжается конденсатор 2. Затем осуществляется пуск тиристорного моста 3 путем поочеред ной подачи управляюш 1х импульсов на его перекрестные тиристоры. Поскольку ЮП КТР 6 (нагрузка) шунтирован дросселем 9 тиристорный мост 3 (инвертор) оказывается на5груженным на параллельный R L контур, где RH сопротивление МЭП КТР 6; Lg L - индуктивность дросселя 9. Это позволяет обеспечить работу инвертора в резонансном режиме во всем диапазоне изменения параметров МЭП. Так, в момент пуска тиристорного моста 3 МЭП КТР 6 имеет высокое сопротивление, и ток перезаряда коммутирующего (дозирующего) конденсатора 4 проходит практически лишь через дроссель 9 и замыкается по контуру: плюс источника 1, дроссель 9, соответствующие перекрестные тиристоры моста 3, конденсатор 4, дроссель 5, дроссель 8 и минус источника 1 . Выбором параметров R, L, С контура, где R - суммарное активное сопротивление элементов контура| L| Lg-fLj + Lg - суммарная индуктивность дрогселей 9,. 5 и 8, емкость конденсатора 4, обеспечивается работа моста в режиме резонансного инвертора на минимальной частоте, определяемой собственной частотой контура: MMHrji р Обеспечить колебательный ток в процессе пуска не сложно, так как R , определяемое лишь активным сопротивлением проводов, дроссейей 9, 5 и 8 и т.п., весьма мало. Вследствие протекания колебательного тока на дросселе 9 формируется напряжение, меняющее свой знак примерно в середине периода перезаряда конденсатора 4. Положительное напряжение, возникающее на дросселе 9 в первую часть периода,прикладывается через диод 7 к ЮП КТР 6, а отрицательное, возникающее во второй части периода удерживается диодом 7, так что к МЭП КТР 6 оно не прикладывается. После запуска тиристорного моста 3, работающего в режиме резонансного инвертора, напряжения на элементах колебательного R, L, С контура и, в частности, на дросселе 9 нарастают в течение ряда периодов рабочей частоты. Когда положительное напряжение на дросселе 9, прикладываемое к МЭП КТР 6, достигнет величины напряжения зажигания тлеющего разряда, произойдет возбуждение тлеющего разряда. Величина индуктивности L дросселя 9 выбирается не менее, чем в два ра больше суммы индуктивностей (Ьг. дросселей 5 и 8 с тем, чтобы получит требуемое высокое напряжение (У.,„) на МЭИ в процессе пуска и на других технологических этапах, когда сопротивление МЭП велико, без значительно раскачки напряжения (V) на конден саторе 4. Действительно, если положить Lq 2/3( + Lg ) , a требуемое У„др 2V.j , то из ориентировочной формулы опре; еляющей напряжение на МЭП O/di l можно определить V Ц которое при указанных условиях соста ляет всего V . Таким образом, в процессе пуска к МЭП прикладывается однополярное, достаточно высокое для возбуждения тлеющего разряда напряжение, обеспечива.ется надежное отпирание тирист ров моста 3, в связи с чем отпадает необходимость шунтировать МЭП низкоомным сопротивлением, как в известном устройстве, После возбуждения тлеющего разряд сопротивление ЮП существенно уменьшится. При этом произойдет перераспределение тока по параллельным ветвям (нагрузочного R..L„-контура) обратно пропорционально сопротивлению МЭП ( индуктивному сопротивлению дросселя 9 ( и)1нр ). В этой связи для обеспечения благоприятного распределения тока в номинальном, наиболее длительном, режиме (этап насьщения) индуктивное сопротивление дросселя выбирается на .порядок вьпие сопротивления МЭП, т.е При этом подавляющая часть тока протекает через нагрузку На кратковременном этапе катодно распыления, когда сопротивление ЮП больше индуктивного сопротивления дросселя 9, через дроссель 9 протекает большая часть тока, а через нагрузку - лишь ток, который она потребляет. На этом же этапе так же, как и на этапе пуска, к нагрузке приклады ваются импульсы достаточно высокого по .амплитуде напряжения, длительностью не менее половины периода перезаряда конденсатора А. За счет протекания реактивного тока через дроссель 9 возможно было бы накапливание избыточной энергии в контуре и рост напряжения на конденсаторе 4 и других элементах источника питания. Однако, благодаря включению тиристора 10, обеспечивается ограничение напряжения на элементах схемы и исключаются перегрузки. Включение тиристора 10 происходит в момент отпирания очередных перекрестных тиристоров моста 3, когда приложенное к нему прямое напряжение, равное разности напряжений на коммутирующем конденсаторе 4 и на дросселе 5, превысит напряжение срабатывания порогового устройства 12. В результате включения тиристора 10 образуется два контура, по которым протекают токи, направленные в цепи тиристора 10 навстречу друг другу. В первом контуре, сос тоящем из коммутирующего конденсатора 4, дросселя 5, проводящих тиристоров моста 3, проводящего диода 7, дросселя 11 и тиристора 10, замыкается колебательный ток перезаряда коммутирующего конденсатора 4, направленный в цепи тиристора 10 по направлению его прямого тока. Во втором контуре, состоящем из фильтрового конденсатора 2, параллельного Rf U -KOHTypa, тиристора 10 и дросселей 11 и 8, замыкается ли нейно нарастающий ток, направленный в цепи тиристора 10 встречно току перезаряда. В момент, когда прямой колебательный ток и нарастающий обратный ток уравняются, тиристор 10 выключится . Параметры схемы выбраны таким L8 LS ЧГ 8 образом Lg Lj Lg что тиристор 1 о выключается на спаде тока перезаряда конденсатора 4. При этом перезаряд конденсатора 4 происходит с существенным ограничением отбора мощности от источника 1 постоянного тока, так как тиристорный мост 3 с конденсатором 4 в диагонали практически зашунтирован тиристором 10 и энергия поступает в нагрузочный Ск LI,-контур через тиристор 10, дроссели 11 и 8 помимо тиристорного моста 3. Энергия, запасенная в дросселях 9 и 8 к моменту выключения тиристора 10, несколько дозарядит конденсатор 4. Однако уровень дозаряда будет не существенным, так как суммарная индуктивность дросселя 8 и эквивалент ной L, индуктивности параллельного Rj-Lj -контура, приведенного к последовательной схеме замещения, будет больше индуктивности дросселя 5 L -fLg Lg . Поэтому ток в цепи дросселей 9 и 5 не успеет к. моменту выключения тиристора 10 достичь сколь-нибудь существенного значения (т.е. энергий, запасенная в дросселя 9 и 8, к этому моменту времени буде мала). Это позволяет получить требуемую степень ограничения напряжения на конденсаторе 4 и других элементах схемы. Причем степень ограничения можно регулировать изменением уровня напряжения срабатывания порогово го устройства 12. На этапах пуска и катодного расп ления напряжение к нагрузке прикладывается лишь часть (неменее полови ны) периода перезаряда конденсатора 4, что несколько снижает КПД установки. Для того, чтобы обеспечить напряжение на нагрузке в течение всего периода, параллельно ЮП чере диод 14 подсоединяется дополнительный шунтирующий дроссель 13, магнит но связанный с дросселем 9 и включенный встречно ему. При этом на дросселе 13 индуцируется напряжение, находящееся, в пр тивбфазе с напряжением на дросселе 9, поэтому, когда в первой части пе риода на дросселе 9 положительное напряжение, прикладываемое к МЭП через диод 7, на дросселе 13 отрицательное, удерживаемое заперты диодом 14, и, наоборот, когда во второй части периода на дросселе 9 отрицательное напряжение, удерживае мое запертым диодом 7, на дросселе 13 - положительное напряжение, прикладываемое к нагрузке .через диод 1 Таким образом, к МЭП в течение всего периода перезаряда конденсатора 4 прикладывается положительное напряжение. Одновременно уменьшается реактивная энергия, перекачиваемая помимо нагрузки,поскольку во второй части периода энергии, запасенной в дросселе 9, она передается в нагрузку. Вместе с тем, когда потребление энергии нагрузкой -трезмерно мало, через дроссель 13 осуществляется сброс избыточной энергии, накапливаемой в колебательном контуре, что повышает надежность.ограничения напряжения на конденсаторе 4 и других элементах схемы. Осуществляется это следующим образом. Если во второй части периода напряжение на дросселе 13 окажется больше суммарного напряжения на фильтровом конденсаторе 2 и дросселе 8 на величину напряжения срабатывания порогового устройства 12, то откроется тиристор 10. При этом ток возврата избыточной реактивной энергии с дросселя 13 потечет в фштьт ровый конденсатор 3 по цепи: дроссель 13 - конденсатор 2- дроссель 8дроссель 11 - тиристор Ю диод 14 На этапах очистки и насыщения работа схемы аналогична. На этапе насьш(ения, как уже отмечалось, индуктивное сопротивление дросселя 9 выбирается на порядок выше сопротивления МЭП КТР 6. На этапе очистки каждый импульс напряжения, приложенный к МЭП от дросселя 9 в момент включения очередных тиристоров моста 3, приводит, как правило, к появлению дуговых разрядов и резкому снижению сопротивления МЭП. При этом на обоих этапах дроссель 9 шунтируется низким сопротивлением МЭП КТР 6 и практически исключается из работы схемы. В результате через ЮП КТР 6 протекает колебательный ток перезаряда конденсатора 4 по цепи: плюс источника 1 - МЭП КТР 6 - диод 7 соответствующие перекрестные тиристоры моста 3 - конденсатор 4 - дроссели 5 и 8 - минус источника 1 постоянйого тока, напряжение на нем приобретает форму, близкую к полусинусоиде, а максимальное значение в 1,2 1,3 раза превышает таковое источника постоянного тока 1. Частота и длительность импульсов дуговых (тлеющих) разрядов определяется периодом перезаряда конденсатора 4 или собственной частотой -Г колебательного контура U)j s:Tjf У( 5 8ГК Выбором соответствующих параНбтров указанного колебательного контура LJ, Lg, С| можно надежно ограничить энергию, поступающую в нагрузк на один импульс дугового разряда на уровне,.не приводящем к повреждению обрабатываемых изделий, и обеспечит требуемую достаточно высокую частот дуговых (тлеющих) разрядов, которая может более, чем в 5 раз превышать максимальную частоту дуговых (тлеющих) разрядов известного устройства На этих этапах время, предоставляемое тиристорам моста 3 для восст новления управляемости, является минимальным, определяется собственн частотой колебательного контура (LgfLg), С и остается благодаря этому, на допустимом уровне, обеспечивающем надежность коммутации ти ристоров . На этапе насыщения изменением частоты возможно достаточно широкое регулирование мощности подводимой к нагрузке, а на этапе очистки регулирование частоты дуговых разрядов (паузы между ними). На этапе очистки, ввиду малости активного сопротивле.ния, и на этапе насыщения при нескольких случайных переходах тлеющего разряда в дуговой может наблюдаться накопление избыточной энергии в колебательном контуре резонансного инвертора (моста 3), т.е. рост напряжения на конденсаторе 4. Однако и на этих этапах обеспечивается описанное ограничение потребления энергии ко,лебательным контуром от источника 1 постоянного тока за счет вклю.чения тиристора 10. При этом вследствие шунтирования дросселя 9 напряжение на внутреннем дросселе 5 возрастает, а разность напряжений на конденсаторе 4 и дрос селе 5, прикладываемая к тиристору и его пороговому устройству 12, со ответственно уменьшится. f Поэтому включение тиристора 10 будет происходить при более высоком напряжении на конденсаторе 4. Изменением (снижением) уровня на пряжения срабатывания порогового устройства 12 можно добиться требуе мого напряжения на конденсаторе 4. Снижение этого уровня легко производится, например, закорачиванием части последовательно соединенных n реключающих полупроводниковых прибо ров (динисторов) порогового устройства 12. Таким образом, в предлагаемом источнике питания установок тлеющего разряда тиристорный мост 3 работает в режиме резонансного инвертора во всем диапазоне изменения нагрузки от х.х. до КЗ. При этом существенно облегчаются условия работы его тиристоров (в 3-4 раза увеличивается ми нимальное время, предоставляемое тиристорам для восстановления управляемости, уменьшаются ЛMt и перенапряжения при их включении), что позволяет более чем в 5 раз повысить рабочую частоту тиристорного моста 3, а вследствие этого сохранить выходную мощность, в 5-7 раз уменьшить емкость коммутирующего (дозирукицего) конденсатора. Последнее обстоятельство в свою очередь позволяет более надежно защитить поверхность обрабатываемых изделий от повреждений, за счет безусловного ограничения энергии одного импульса дугового разряда на допустимом уровне (без шунтирования ЮП короткозамыкающим тиристором). Кроме того, благодаря более высокой частоте и безусловному ограничению энергии одного импульса дугового разряда, появляется возможность повысить более, чем в 3 раза частоты дуговых разрядов на этапе очистки, что существенно уменьшает длительность данного процесса. Благодаря исключению резисторов в шунтирую1щх МЭП и резисторов в цепях сброса избыточной энергии удается уменьшить активные потери и на 2-3% повысить КПД источника питания. Существенно удается упростить силовую часть источника питания и его систему управления за счет исключения емкостного прерывающего устройства, короткозамыкающего тиристора и их систем управления. Кроме того, напряжение на ЮП КТР предлагаемого источника питания изменяется автоматически в требуемых пределах, принимая высокое, но ограниченное до допустимого уровня значение на этапе катодного распыления и на этапе очистки в момент до образования дуги, и снижаясь до напряжения источника пос13тоянного тока на этапе насьш1ения. Вместе с тем, высокое требуемое напряжение на НЭП КТР получается 109676514 за счет раскачки напряжения при более низком напряжении источника..