Способ защиты транзисторов от перегрузок в цепях сварочного оборудования Советский патент 1991 года по МПК B23K9/10 

сл

с

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано преимущественно для сварки и наплавки плавящимся и неплавящимся электродом в различных отраслях народного хозяйства, Цель изобретения - повышение надежности транзисторов и качества работы транзисторного регулятора за счет совершенство- вания способа защиты транзисторов регулятора от перегрузок. Защиту осуществляют путем поочередной коммутации транзисторов с источником управляющего сигнала, а частоту коммутации устанавливают пропорционально нагрузке транзисторов. При превышении частотой коммутации заданного значения отключают питание транзисторов. Это позволяет обеспечить уменьшение уровня пульсации на выходе регулятора и уменьшить число ложных срабатываний защиты. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано преимущественно для сварки и наплавки плавящимся и неплавящимся электродом в различных отраслях народного хозяйства.

Цель изобретения - повышение надежности транзисторов и качества работы транзисторных регуляторов в цепях сварочного оборудования за счет совершенствования защиты транзисторов от перегрузки

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для реализации способа осщиты транзисторов; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема коммутатора; на фиг.З - результаты испытаний известного и предлагаемого способов.

Сущность изобретения состоит в том, что два мощных транзистора, включенные в цепь параллельно, коммутируют поочередно с одним источником сигнала, а частоту коммутации устанавливают пропорциональной нагрузке транзисторов и при превышении частотой коммутации заданного значения (уставки) отключают питание транзисторов. Поочередное включение транзисторов уменьшает нагруженность их полупроводниковой структуры. С увеличением нагрузки транзисторов нагруженность полупроводниковой структуры возрастает, увеличивается рассеивающая мощность, температура, и чтобы обеспечить теплоот- вод от транзисторов необходимо чаще их переключать. С этой целью с ростом нагрузки транзисторов повышается частота их коммутации. При уменьшении нагрузки частота коммутации вновь уменьшается. Таким образом действует защита в режиме номинальных нагрузок, являющаяся активной.

О 00

ю о

00

реагирующей на характер изменения нагрузки. Вместе с тем, повышая частоту коммутации, нельзя получить непрерывную мощность рассеяния, превышающую паспортную, в связи с тем, что с ростом частоты коммутации увеличиваются потери на переключение транзисторов, В связи с этим, при достижении частотой коммутации определенного значения (уставки) режим работы устройства идентифицируется как аварийный и питание транзисторов отключается. Описанный способ защиты транзисторов обуславливаает широкий диапазон изменения нагрузки и отключение питания в аварийном режиме. Таким образом, активная защита осуществляется в течение всего времени работы транзисторов, как в режиме номинальных нагрузок, так и в аварийном режиме. Вероятность ложного срабатывания аварийной защиты (отключения питания) снизилась ввиду того, что для такого срабатывания необходим не только всплеск отбираемой мощности, который может быть случайным и кратковременным, но и факт равенства частоты коммутации значению уставки, соответствующему аварийному режиму работы.

Предлагаемый способ защиты транзисторов от перегрузок осуществляется следующими действиями:

Транзисторный регулятор составляют из двух параллельно включенных транзи- сюров, которые поочередно коммутируют с источником управ/--тощего сигнала.

Частоту коммутации устанавливают пропорциональной нагрузке транзисторов, а сигнал, содержащий информацию о нагрузке регулятора, снимают с шунта, включенного последовательно с транзисторным регулятором.

Текущее значение частоты сравнивают со значением уставки и при равенстве указанных частот отключают питание транзисторного регулятора.

Практически указанный способ защиты транзисторов может быть реализован с помощью устройства, блок схема которого приведена на фиг.1. Устройство содержит транзисторный регулятор 1, шунт 2, дуговой промежуток 3, задатчик 4 частоты, коммутатор 5. частотомер 6, сравнивающее устройство 7, аварийный выключатель 8 и сварочный источник 9 питания.

Устройство работает следующим образом.

Сварочный ток, регулируемый транзисторным регулятором 1, через шунт 2 питает сварочную дугу 3. Сигнал, пропорциональный нагрузке транзисторного регулятора 1, снимается с шунта 2 и подается на задатчик

А частоты (фиг.1), выходной прямоугольный сигнал которого управляет работой коммутатора 5, обеспечивающего поочередную работу транзисторов транзисторного регулятора 1. Сигнал такой же частоты подается на частотомер 6 и результат измерения частоты поступает на сравнивающее устройство 7, где он сравнивается со значением уставки и в случае превышения подается

0 команда на срабатывание аварийного выключателя 8, отключающего питание транзисторного регулятора: сварочный источник 9 питания,

В качестве примера реализации спосо5 ба приводится вариант конкретного исполнения устройства, выполненного по приведенной выше блок-схеме. В качестве сварочного источника питания использовался выпрямитель типа ВДУ-504. Транзи0 сторный регулятор выполнен на двух транзисторах типа ТК-152-100, включенных параллельно. Шунт использовался стандартный-500 А, 75 мВ. В качестве частотомера использовался стандартный частотомер Ф

5 5041, имеющий цифровую форму выдачи информации в коде 8-4-2-1. Функции сравнивающего устройства и аварийного выключателя выполнял стандартный дискриминатор типаа П215, воспринимающий

0 сигнал в указанном коде и имеющий релейный выход исполнительного устройства, Коммутатор разработан специально, его принципиальная электрическая схема приведена на фиг.2.

5 Коммутатор выполнен на пяти транзисторах типа p-n-р. Первый каскад коммутатора выполнен на транзисторе 10 по схеме с разделенной нагрузкой с фиксированным напряжением базы. На входе коммутатора

0 (выход 11) установлен разделительный конденсатор 12. Резистор 13 включен в коллекторную цепь транзистора 10, а резистор 14 - в эмиттерную. На транзисторах 15 и 16 выполнены каскады усиления по

5 схеме с общим эмиттером, нагрузкой каскадов являются резисторы 17 и 18 соответственно. База транзистора 15 соединена с эмиттером транзистора 10, а база транзистора 16 - с коллектором транзисторов 19 и

Q 20, выполнен двухканальный ключ, нагрузкой плеч которого являются резисторы 21 и 22. По цепи питания транзисторный ключ развязан относительно первых каскадов коммутатора посредством RC-фильтра 23,

g 24. В эмиттерные цепи транзисторов 19 и 20 включены резисторы 25 и 26 соответственно. Базовые выводы транзисторов 19 и 20 соединены с общим проводом посредством резисторов 27 и 28 соответственно. Кроме того, к базам упомянутых транзисторов подключены аноды диодов 29 и 30, катоды которых соединены между собой и поданы на вывод 31 коммутатора. Кроме того, к базам транзисторов 19 и 20 подключены аноды диодов 32 и 33. котоды которых соединены с коллекторами транзисторов 15 и 16 соответственно. Коллектор транзистора 19 соединен с выводом 34, а коллектор транзистора 20 - с выводом 35 коммутатора.

Работает коммутатор следующим образом.

На вход коммутатора (вывод 11) поступает напряжение прямоугольной формы от задатчика частоты. Частота указанного сигнала прямо пропорционально зависит от нагрузки транзисторного регулятора. Конденсатор 12 исключает влияние выходных цепей задатчика частоты на режим работы первого каскада коммутатора по постоянному току. При отсутствии входного сигнала (во время паузы между прямоугольными импульсами) транзистор 10 находится в закрытом состоянии, что обеспечивается соответствующим подбором значений сопротивлений резисторов 36 и 37, образующих делитель напряжения, которые определяют режим покоя транзистора 10. Поскольку транзистор 10 закрыт, сопротивление его перехода эмиттер-коллектор велико, величина тока, протекающего через упомянутый переход мала, следовательно, падение напряжения на резисторе 14, имеющем малое сопротивление, невелико, поэтому потенциал базы транзистора 15 будет близок к потенциалу его эмиттера, транзистор 15 - закрыт. Сопротивление перехода эмиттер - коллектор указанного транзистора велико, через упомянутый переход про- ходитток небольшой величины, равный току покоя коллектора Ik . При этом напряжение на коллекторе транзистора 15 близко к напряжению коллекторного Ек питания первых каскадов коммутатора за вычетом падения напряжения на резисторе 17. Величина упомянутого резистора выбрана такой, чтобы отрицательный потенциал, являющийся разрешающим сигналом, поданный с коллектора транзистора 15 через диод 32 к базе транзистора 19, обеспечил открытое состояние последнего транзистора, которое, однако, не является состоянием насыщения, а положение рабочей точки транзистора соответствует активному режиму работы транзистора 19. Диодный ключ 32, 29 обеспечивает отсутствие влияния упомянутого разрешающего сигнала на транзистор 20, и влияние управляющего сигнала, поступающего на вход 31 коммутатора на режим работы транзисторов 15 и 16 Аналогичные

функции выполняет диодный ключ 33, 30.t Управляющий сигнал, обеспечивающий любой необходимый алгоритм управления сварочным током, и никак не связанный с работой рассматриваемого коммутора по обеспечению поочередности работы силовых транзисторов регулятора, поступает на вход31 (вывод 31) коммутатора и через диод 29 на базу транзистора 19. Через открытый

0 транзистор 19 протекает ток, соответствующий упомянутому сигналу: через резистор 25, переход эмиттер-коллектор транзистора 19 и резистор 21, являющийся коллекторной нагрузкой транзистора 19, Падение

5 напряжения на резисторе 21, являющееся отображением управляющего сигнала, через вывод 34 коммутатора поступает на базу соответствующего силового транзистора регулятора и обеспечивает его работу в не0 обходимом режиме. В это же время, когда транзистор 10 закрыт, ток через его эмит- терно-коллекторный переход мал, однако сумма падений напряжения на резисторе 14 и на эмиттерно-коллекторном переходе, со5 противление которого у закрытого транзистора весьма велико, достаточна для создания отрицательного отпирающего потенциала для базы транзистора 16, которая соединена с коллектором транзистора 10.

0 Транзистор 16 открыт и находится в состоянии насыщения, что соответствует максимальному значению тока коллектора указанного транзистора и минимальному значению сопротивления перехода эмит5 тер-коллектор транзистора 16. Последнее обстоятельство приводит к тому, что потенциал коллектора транзистора 16 близок к потенциалу его эмиттера, который равен нулю (поскольку соединен с общим проводом),

Q следовательно, отрицательный потенциал, снимаемый с коллектора транзистора 16, являющийся разрешающим сигналом для транзистора 20, будет недостаточным для открытия транзистора 20. Закрытый транзи5 стор 20 будет обуславливать малое значение тока в цепи: резистор 26 - эмиттерно-коллекторный переход транзистора 20 - резистор 22, и, следовательно, крайне малое значение падения напряжеQ ния на резисторе 22, имеющем малое собственное сопаротивление. Поэтому на вывод 35 коммутатора не будет поступать сигнал, необходимый для работы второго силового ранзистора регулятора. Таким образом, в

5 момент паузы прямоугольного входного сигнала на входе коммутатора (вывод 11) состояние коммутатора таково, что один из силовых транзисторов регулятора (соединенный с выводом 34 коммутатора) находится в рабочем состоянии, а другой

(соединенный с выводом 35)- в нерабочем. С приходом отрицательного прямоугольного сигнала на вход коммутатора (вывод 11) потенциал базы транзистора 10 становится отрицательным относительно его эмиттера и соответствующим режиму насыщения транзистора. Режим насыщения характеризуется небольшим значением сопротивления перехода эмиттер-коллектор транзистора, вследствие чего через упомянутый переход протекает максимальный ток (ток насыщения, IK ). Указанный ток проходит по цепи: общий привод - резистор 14 - паереход эмиттер-коллектор транзистора 10 - резистор 13 - отрицательный провод источника коллекторного питания, создавая падения напряжения на указанных участках, Падение напряжения на резисторе 14 возрастет ориентировочно от величины до величины К14 1к (где RH - сопротивление резистора 14), что приведет к увеличению отрицательного потенциала эмиттера транзистора 10 относительно общего провода. Отрицательный потенциал базы транзистора 15 относительно эмиттера транзистора 15 также возрастет, поскольку эмиттер транзистора 15 непосредственно соединен с общим проводом, а база транзистора 15 соединена с эмиттером транзистора 10. Упомянутое увеличение отрицательного потенциала базы транзистора 15 относительно его эмиттера приведет к открытию транзистора 15 и переходу в состояние насыщения, вследствие чего сопротивление эмиттерно-коллектор- ного перехода транзистора 15 уменьшится, что сделает потенциал коллектора транзистора 15 близким к потенциалу общего провода, с которым соединен эмиттер транзистора 15. Таким образом, отрицательный потенциал коллектора транзистора 15 уменьшится и станет близким к нулю и разрешающий сигнал, снимаемый с коллектора упомянутого транзистора через диод 32 на базу транзистора 19, исчезнет, что приведет к уменьшению отрицательного потенциала базы транзистора 19 и его запиранию вследствие действия обратной связи, которая состоит из резисторов 25 и 27,

Указанная связь действует следующим образом: падение напряжения на резисторе 25 в любом режиме работы транзистора имеет полярность: плюс на нижнем по схе.- ме конце резистора 25, а минус - на верхнем. При исчезновении отрицательного разрешающего сигнала на базе транзистора 19 ток эмиттерно-коллекторного перехода уменьшится до величины к указанная выше полярность сохранится и положительный потенциал с нижнего (по схеме) конца

резистора 25 через резистор 27 закроет транзистор 19 и переведет его в состояние отсечки, вследствие чего наличие небольшого по амплитуде управляющего сигнала на

входе 31 коммутатора не приведет к открытию транзистора 19. Запирание транзистора 19 приведет к снижению падения напряжения на резисторе 21 до весьма малой величины и, следовательно, к уменьше0 нию сигнала на выводе 34 коммутатора, что приведет к закрытию силового транзистора регулятора, который до сих пор был в рабочем состоянии. Вместе с тем, одновременно с упомянутым выше переходом транзистора

5 Ю в состояние насыщения, сопротивление его эмиттерно-коллекторного перехода упадет настолько существенно, что потенциал коллектора транзистора 10 снизится несмотря на некоторое увеличение падения

0 напряжения на резисторе 14, которое будет небольшим в силу небольшой величины сопротивления резистора 14, Снижение потенциала коллектора транзистора 10 приведет к уменьшению отрицательного

5 потенциала базы транзистора 16 относительно его эмиттера и, следовательно, к его запиранию. Закрытое состояние транзистора характеризуется небольшим значением коллекторного тока и значительной величи0 ной сопротивления эмиттерно-коллекторного перехода. В этой связи отрицательный потенциал коллектора транзистора 16 существенно увеличится и приблизится к величине Ек - IK Ri8, где Hie - сопротивление

5 резистора 18. Разрешающий сигнал, снимаемый с упомянутого коллектора также увеличится и через диод 33 поступит на базу транзистора 20, чем обеспечит положение рабочей точки транзистора 20, соответству0 ющее активному режиму. Транзистор 20 будет управляться сигналом с входа 31 коммутатора и по описанному выше механизму введет в работу второй силовой транзистор регулятора. Таким образом, когда

5 после паузы на вход коммутатора (вывод 11) пришел отрицательный прямоугольный импульс, состояние силовых транзисторов коммутатора сменилось на противоположное. Теперь первый транзистор (соединенQ ный с выводом 34 коммутатора) находится в нерабочем состоянии, а второй (соединенный с выводом 35) - в рабочем. В соответствии с описанным алгоритмом работы коммутатора частота переключения сило5 вых транзисторов транзисторного регулятора равна частоте прямоугольного сигнала, поступающего на вход 11 коммутатора от задатчика частоты. Независимо от этого транзисторный регулятор обеспечивает заданный алгоритм изменения сварочного тока в соответствии с сигналом, поступающим на вход 31 коммутатора.

Проводились эксперименты с использованием описанного устройства, где реализуется предлагаемый способ защиты транзисторов для следующих условий сварки: Сварочный источник питания - ВДУ-504 Полуавтомат ПДГ-508. Сварочная проволока диаметром 0,8 мм. Марка проволоки и основного металла - 06Х18Н10Т. Свароч- ный ток 120-140 А. Напряжение на дуге 24-26 В. Защитный газ - аргон. Расход защитного газа- 12-16 л/мин. Скорость сварки 18-22 м/ч. Рабочий диапазон изменения частоты коммутации 5-16 кГц. Значение ча- стоты уставки 16 кГц. Для аналогичных условий использовалось устройство, где использовался способ защиты силовых транзисторов, аналогичный принятому в известном устройстве. В качестве примера, характеризующего надежность работы системы защиты принималось число отказов п регулятора, в течение определенного времени t работы при нагрузке, превышающий допустимую для транзисторов регулятора на 20-40%. Результаты испытаний приведены на фиг.З, где приведены зависимости числа отказов п устройств от времени t их работы для предлагаемого (кривая А) и для известного (кривая Б) способов защиты. В качестве параметра, характеризующего качество работы регулятора с предлагаемой системой защиты был принят коэффициент пульсаций выходного напряжения регулятора. Результаты испытания качества работы транзисторных регуляторов с предлагаемой и известной структурой построения системы защиты силовых транзисторов приведены в таблице.

Из фиг.З видно, что предлагаемая сие- тема защиты работает заметно эффективнее известной, что выражается в меньшем числе отказов. Качество работы регулятора, характеризуется коэффициентом пульсаций выходного напряжения при использовании известного способа составляет 0,1-0,2 (таблица). Коэффициент пульсаций выходного напряжения при использовании предлагаемого способа защиты транзисторов зависит от частоты коммутации и находится в диапазоне 0,02-0,08, что превосходит показатели известного способа и обусловлено тем. что несмотря на переключения силовы транзисторов регулятор проводит ток постоянно ввиду того, что один из транзисторов всегда находится в рабочем состоянии, а в известном способе защиты существуют моменты, когда в регуляторе нет транзисторов, находящихся в проводящем состоянии, ввиду чего возрастает коэффициент пульсаций выходного напряжения.

По сравнению с известным предлагаемый способ защиты силовых транзисторов дает возможность повысить надежность работы транзисторных регуляторов сварочного тока и повысить качество их работы.

Формула изобретения Способ защиты транзисторов от перегрузок в цепях сварочного оборудования, заключающийся в том, что транзисторы включают параллельно, отличающий- с я тем, что, с целью повышения надежности и улучшения качества работы транзисторного регулятора, осуществляют поочередную коммутацию транзисторов с источником управляющего сигнала, частоту коммутации регулируют пропорционально току нагрузки транзисторов, при превышении частотой коммутации допустимого значения отключают питание транзисторов.

Pt/lJ

23

art «ft g(i .rg

tfW/

Редактор Е.Папп

Составитель В.Ганюшин

Техред М.МоргенталКорректор М.Максимишинец

-t4

33

35

15

1

2

.20