Источник питания для технологических установок постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК H02M7/521 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковым преобразователям электрической энергии переменного тока в постоянный с промежуточным звеном повышенной частоты, и мо- жет найти применение в качестве источника питания постоянным током в случаях, когда широкий диапазон тока нагрузки сочетается с требованием малых его пульсаций при незначительных габаритах и массе пассив- ных фильтрующих цепей и всей установки, например, в электродуговой технологии, в особенности в дуговой сварке, плазменной и микроплазменной технологии, лазерной технологии, регулируемом приводе посто- янного тока и т.п.

Известны источники питания для технологических установок постоянного тока, содержащие последовательно включенные и питающиеся от сети переменного тока трансформатор, управляемый выпрямитель и фильтр, а также систему управления выпрямителем.

Недостатком таких устройств является невозможность получения малых токов на- грузки (при больших углах включения тиристоров) при заданной пульсации и малых габаритах фильтра и всей установки. Недостаток этот объясняется низкой (50 Гц) частотой сети, постоянной и низкой частотой пульсации тока. Учитывая, что габариты и масса трансформатора установки растут с увеличением тока нагрузки, а габариты и масса фильтра - с уменьшением тока, при расширении диапазона тока в сторону ма- лых его значений эффективность оборудования снижается за счет ухудшения массо-габаритных параметров.

Лучшими характеристиками при прочих равных условиях обладают источники пита- ния с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты, структура которых включает в себя последовательно соединенные и питающиеся от сети переменного тока входной выпрямитель, вход- ной фильтр, инвертор, трансформатор, выходной выпрямитель выходной фильтр и цепь нагрузки.

Управляемым звеном в источнике питания является инвертор, который может быть выполнен в виде одной или нескольких мостовых или полумостовых схем; в инверторе могут использоваться различные способы регулирования: широтно-импульсное, фазовое, частотно-импульсное. Последний спо- соб в сочетании с последовательным резонансным инвертором требует минимальных элементных затрат,

Устройство содержит соединенные последовательно и питающиеся от сети переменного тока входной выпрямитель, инвертор, трансформатор, выходной выпрямитель, а также систему управления инвертором, содержащую задающий генератор, датчик тока нагрузки, схемы сравнения и источника опорного напряжения.

Недостатком устройства является узкий диапазон регулирования технологического тока, который объясняется наличием в цепи нагрузки дросселя (выходного фильтра), эффективность которого при частотно-импульсном регулировании не остается постоянной.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее соединенные последовательно входной выпрямитель, входной фильтр, тиристорный инвертор, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выходной выпрямитель и цепь нагрузки, а также систему управления инвертором, содержащую задающий генератор, схему сравнения, источник напряжения задания, распределитель импульсов, датчики тока и напряжения нагрузки, причем датчик тока включен последовательно с цепью нагрузки, выход его подключен к первому входу схемы сравнения, второй вход которой через делитель подключен к источнику напряжения задания.

Недостатком устройства является узкий диапазон технологического тока, что объясняется следующими явлениями.

При частотно-импульсном регулировании (НИМ) мощность, отдаваемая инвертором в нагрузку, пропорциональна отношению частоты управления fy (частоты включения тиристоров инвертора) к собственной частоте инвертора fo, определяемой параметрами резонансного коммутирующего контура и сопротивлением нагрузки:

fn J-I - Т°

R

4 Lгде L- эквивалентная индуктивность контура коммутации;

С - емкость коммутирующего конденсатора:

R - активная составляющая сопротивления контура.

Для уменьшения технологического тока и, следовательно, мощности в нагрузке необходимо уменьшать fy. Когда fy становится равной 0,5 fo выходной ток инвертора становится гранично-непрерывным, а при дальнейшем снижении fy - прерывистым, имея вид знакочередующихся отрезков синусоиды с частотой fo, длительность которых То

1/fo, а период повторения Ty 1/fy 2То. После выпрямления двухполупериодным выходным выпрямителем частота пульсаций технологического тока составляет fn 2 fу и уменьшается уменьшением среднего значения тока нагрузки. Таким образом, чтобы, например, установить среднее значение тока нагрузки, равное половине тока максимального граничного режима, необходимо выбрать fy 0,25 fo, при этом в выпрямленном токе будут присутствовать паузы с длительностью То.

Поскольку для поддержания дугового разряда и для многих других целей требуется сглаженный ток, в цепь нагрузки включают фильтр, в данном случае - сглаживающую индуктивность (дроссель). Известно, что сглаживающее действие дросселя пропорционально его индуктивности, току и частоте пульсаций, поэтому в области малого тока, когда уменьшается и его частота, эффективность дросселя резко снижается. Выбор большой индуктивности, рассчитанной на минимальный ток, отрицательно ска- зывается на параметрах установки в области больших токов: растут потери, снижается быстродействие, резко возрастает масса выходного фильтра и всей установки из-за роста сечения магнитопровода дросселя, которое приходится рассчитывать по допустимой магнитной индукции материала и максимальном значении тока нагрузки. Таким образом в прототипе не обеспечивается широкий диапазон тока нагрузки при удовлетворительных массогабаритных по- казателяхЦель изобретения - расширение диапазона технологического тока в сторону малых его значений при сохранении массогабаритных показателей.

Поставленная цель достигается тем, что в инвертор дополнительно введены три цепочки, каждая из которых аналогична основной и содержит последовательно соединенные первый индуктивный элемент, две пары из встречно-параллельно включенных тиристора и диода каждая, и второго индуктивного элемента, включенные параллельно основной цепочке, причем вывод другой обкладки первого конденсатора подключен к общей точке соединения пар из встречно-параллельно соединенных тиристора и диода первой дополнительной цепочки, вывод другой обкладки второго конденсатора подключен к общей точке соединения аналогичных пар второй дополнительной цепочки, общая точка соединения аналогичных пар третьей дополнительной цепочки подключена к общей точке соединения таких же пар основной цепочки, а

система управления дополнительно снабжена вторым распределителем импульсов и компаратором, причем выходы обоих распределителей импульсов через схему ИЛИ

подключены к управляющим цепям тиристоров цепочек, их входы через коммутатор - к выходу задающего генератора, управляющий вход коммутатора соединен с выходом компаратора, один вход которого

0 подключен к выходу датчика тока и к другому входу схемы сравнения, выходом соединенной с входом задающего генератора, а другой вход - к выходу источника опорного напряжения.

5 На фиг. 1 показана схема установки; Р- фиг. 2 и 3 - внешние и регулировочные характеристики; на фиг. 4 - вариант схемной реализации блоков 11-14.

Источник питания для технологических

0 установок содержит питающиеся от сети переменного тока последовательно соединенные входной выпрямитель 1 (фиг. 1), входной фильтр 2. последовательный тири- сторный инвертор, состоящий из двух мос5 тов 3 и 4, трансформатор 5 с первичной 6 и вторичной 7 обмотками и выходной выпрямитель 8, цепь нагрузки, включающая в себя сглаживающий дроссель 9 и активное сопротивление 15, а также систему управле0 ния инвертором, содержащую управляемый задающий генератор 10, коммутатор 11, два распределителя 12 и 13 импульсов, схему ИЛИ 14, включенный последовательно с цепью нагрузки 15 датчик 16 тока, компара5 тор 17. схему 18 сравнения и источник напряжения задания (на фиг. 1 не показан).

В состав инверторов входят: первого моста - вентильные ячейки 19-22, представляющие собой встречно-параллельное сое0 динение тиристора и диода, индуктивные элементы (катушки индуктивности) 23-26, второго моста - вентильные ячейки 27-30. катушки 31-34. Выходные диагонали мостов подключены параллельно первичной об5 мотке трансформатора одними полюсами непосредственно, другими - через конденсаторы 35 и 36. Первый вход компаратора 17 подключен к выходу датчика 16 тока и к первому входу схемы 18 сравнения, второй 0 к источнику 37 опорного напряжения, выход - к управляющему входу двухпозиционного коммутатора 11.

Выход задающего генератора 10 в зависимости от состояния коммутатора подклю5 чен к входу первого 12 или второго 13 распределителей импульсов, выходы которых через схему ИЛИ 14 подключены к управляющим цепям тиристоров мостов 3 и 4. Выход схемы 18 сравнения подключен к входу управляемого задающего генератора

10, а на второй вход ее подается напряжение задания.

Источник питания работает следующим образом.

При рассмотрении работы устройства в динамике примем обычные допущения от идеальности вентилей и трансформатора, линейности пассивных элементов инвертора, симметрии мостов.

Допустим, что коммутатор 11 (фиг. 1) находится в состоянии 1; при этом выходные импульсы генератора 10 поступают на вход первого распределителя 12, далее через схему ИЛИ 14 - к управляющим цепям тиристоров.

Распределитель 12 построен таким образом, что обеспечивается следующий алгоритм управления тиристорами мостов 3 и 4: одновременно включаются тиристоры ячеек 19, 22, 27 и 30; затем одновременно включаются тиристоры ячеек 20, 21, 28. 29; затем снова 19, 22, 27, 30 и так далее. Предположим, что данной частоте включения тиристоров fy и сопротивлению нагрузки соответствует пояснение 1 изображающей точки на внешней характеристике 38 (фиг 2) и положение 1 на регулировочной характеристике (фиг. 3). При одновременном включении ячеек 19, 22, 27 30 ток входного выпрямительного фильтра 2 протекает по двум параллельным ветвям, первая из которых образована последовательным соединением катушки 23, ячейки 19, конденсатора 35, первичной обмотки 6 трансформатора 7, ячейки 22, катушки 26. Вторая ветвь содержит последовательно соединенные катушку 31, ячейку 27, конденсатор 36, обмотку 6, ячейку 30, катушку 34.

Волновое сопротивление коммутирующего контура, являющееся основной частью выходного сопротивления инвертора

,-f.

причем в рассматриваемом случае эквивалентная индуктивность контура L равна индуктивности LK одной из катушек 23, 26, 31 или 34, а емкость С - удвоенной емкости Ск одного из конденсаторов 35 или 36. Таким образом, в данном случае

р Vu/2CK.

Допустим, что технологический ток уменьшается (это можно обеспечить уменьшением сигнала задания подаваемого на

второй вход схемы 18 сравнения и, как следствие, уменьшением частоты fy. На внешней и регулировочной характеристиках устройства (фиг. 2 и 3 соответственно) это изображается перемещением рабочей точки по нагрузочной прямой 39 из положения 1, через положение 2 в направлении стрелки к точке 3, лежащей на внешней характеристике 40 (фиг. 2).

0 Предположим, что в точке 3 ток нагрузки 15 (фиг. 2) достигает порогового значения п, при котором величина сигнала датчика 16 тока сравняется с опорным напряжением источника 37. Компаратор 17 изменит состо5 яние (например, из О в 1), что приведет к изменению состояния коммутатора 11 из состояния 1 в состояние 2. Распределение импульсов генератора 10 осуществляется теперь вторым распределителем 13, кото0 рый построен таким образом, что обеспечивается следующий алгоритм включения тиристоров мостов 3 и 4: одновременно включаются тиристоры ячеек 19 и 30, затем 21 и 28, затем 27 и 22. затем 20 и 29, снова

5 19 и 30 и так далее.

При одновременном включении ячеек, например 19 и 30. ток входного выпрямительного фильтра 2 протекает по одной ветви, образованной последовательным

0 соединением катушки 23, ячейки 19, конденсатора 35, обмотки 6, ячейки 30, катушки 34. В данном случае эквивалентная индуктивность контура L равна удвоенной индуктивности LK одной из катушек, емкость С 5 емкости Ск одного конденсатора 35 или 36. а волновое сопротивление pi Y2 LK/CK 2 pi. т.е. в 2 раза увеличивается.

Для поддержания выбранного значения тока 1П при увеличенном выходном сопро0 тивлении инвертора схема 18 сравнения вырабатывает сигнал, приводящий к увеличению частоты fy и скачкообразному перемещению изображающей точки из положения 3 на регулировочной характеристике 41 (фиг.

5 3} в положение 3 на регулировочной характеристике 42.

На внешних характеристиках (фиг. 2) положение точки 3 сохраняется, но сами ха- рактерис ики изменяют конфигурацию (пунк0 тирные линии на фиг. 2), соответствуя инвертору с новыми параметрами, а именно крутизна их возрастает, прежняя мощность нагрузки достигается при большом значении fy. При дальнейшем уменьшении тока на5 грузки изображающие точки на Фиг. 2 и 3 перемещаются в направлении 4. (ри увеличении тока нагрузки растет частота fy, изображающая точка перемещается из положения 4 в положение 3, а если ток превышает п, компаратор 17 (фиг. 1) возвращается в состояние О, коммутатор - в состояние 1, а включение в структуру первого распределителя импульсов 12 обеспечивает уменьшение выходного сопротивления инвертора, необходимое для получения больших значений нагрузочного тока. Дальнейший путь изображающей точки на внешней характеристике: 3-2-1, на регулировочной - скачком 3-3-2-1. Таким образом, если из соображений сглаживания пульсаций тока или по другим причинам минимально допустимое значение частоты инвертирования составляет тмин, то, как видно из фиг, 3, изменение алгоритма переключения вентилей инверторных мостов, описанное выше, позволяет ограничить минимальный ток нагрузки значением lo вместо In, характерного для прототипа. Расширение диапазона технологического тока в сторону меньших его значений составляет АI 1П - lo (фиг. 3), что в практических случаях соответствует 20-30%. Поскольку частота инвертирования при этом не опускается ниже значения тмин, масса и габариты дросселя 9 в цепи нагрузки 15 (фиг. 1) и установки в целом сохраняются,

Увеличение по сравнению с прототипом в 4 раза количества элементов, входящих в состав инверторных мостов, существенного влияния на массогабаритные показатели установки не оказывают по следующим причинам. При той же мощности установки в предлагаемом устройстве ток вентильной ячейки и катушки индуктивности в 4 раза меньше, чем в прототипе, что объясняется наличием двух мостов и использованием всего напряжения выпрямительного фильтра 2 (фиг, 1) вместо 0,5 этой величины в прототипе, а именно величина тока определяет массу и габариты этих элементов. Кроме того, их рассредоточение улучшает тепловой режим, увеличивает эффективность системы охлаждения.

При прочих равных условиях суммарная емкость конденсаторов 35. 36 та же, что и в прототипе. Дополнительный положительный эффект изобретения проявляется при работе на дуговую нагрузку, так как в режиме малых токов (сварка металлов малых толщин, режим дежурной дуги плазмотрона, стадия рафинирования в дуговой печи и т.п.) сопротивление источника питания увеличивается, внешняя характеристика приближается к вертикальной, что приводит к повышению устойчивости разряда, стабилизации его тока, снижению вероятности обрыва дуги.

Реализация блоков 11-14.

Выход управляемого генератора 10 подключен к счетному входу Т-триггера 43, к

второму входу схемы И 44 и к первому входу схемы И 45. Выход триггера 43 подключен к первому входу схемы И 46, второй вход которой подключен к выходу схемы НЕ 47, а выход - к второму входу схемы И 46 и к вторые входам схем И 48-55. Вход схемы НЕ 47 подключен к второму входу схемы И 45, к вторым входам схем И 56-63 и к выходу компаратора 17. Выходы схем I/I 45, 46 чере;

схему ИЛИ 64 и цепь первой вxoд-выxo схемы И 44 соединен с входом кольцевогс счетчика 65 с коэффициентом пересчета 4, выходы которого соединены с первыми входами схем И 48-63, а их выходы через схемы

ИЛИ 66-73 и цепи формирования и гальванической развязки - с управляющими электродами тиристоров вентильных ячеек 19-22, 27-30, попарно образуя следующие связи: 66-19, 67-20, 68-21, 69-22, 70-27, 71-28,

72-29, 73-30. В данном варианте роль коммутатора 11 выполняет схема НЕ 47 в сочетании с логическими элементами 48-63, схема ИЛ И 14 реализована на элементах 66- 73. В целях уменьшения аппаратурных затрат в распределителях 12 и 13 импульсов использованы общие элементы.

Если с выхода компаратора 17 поступает сигнал О, импульсы генератора 10, частота которых делится на два триггером 43, через

элементы 46, 64, 44 попадают на вход кольцевого счетчика 65. С его выходов через элементы 48-55, образующие управляемый дешифратор, и схемы ИЛИ 66-73 эти импульсы поступают в управляющие цепи тиристоров инверторных мостов 3, 4, причем последовательность включения тиристоров обеспечивает низкое выходное сопротивление инвертора.

Когда при снижении тока компаратор 17 изменит состояние с О на 1, импульсы генератора 1,0 попадают на вход счетчика 65. минуя триггер 43. Управляемый дешифратор изменяет свою структуру так, что в работу

включаются его элементы 56-63, с выходов которых через элементы 66-73 импульсы поступают в управляющие цепи тиристоров инверторных мостов 3 и 4, а последовательность включения тиристоров

обеспечивает высокое выходное сопротивление инвертора. В обоих случаях частота включения тиристоров в два раза ниже частоты импульсов генератора 10.

Таким образом может быть реализовано переключение распределителей 12 и 13 импульсов посредством коммутатора 11 по выходному логическому сигналу компаратора 17. что и представлено в виде функциональной схемы на фиг. 1.

i i174296812

Из изложенного следует, что поставлен- указанных пар из тиристоров и диодов обра- ная целы расширение диапазона технологи- зуют выход инвертора, соединенный с пер- ческого тока в сторону малых его значений вичной обмоткой трансформатора, к при сохранении массогабаритных показате- вторичной обмотке которого подключен вылей достигнута путем введения новых эле- 5 ходной выпрямитель, к выходу которого под- ментов и связей, а именно: автономный ключена цепь нагрузки, а также систему инвертор выполнен в виде двух мостов, вы- управления инвертором, содержащую зада- ходы которых через конденсаторы подклю- ющий генератор, схему сравнения, источник чены к первичной обмотке трансформатора, напряжения задания, распределитель им- а в систему управления введены второй рас- 10 пульсов, датчик тока, коммутатор, схему пределитель импульсов, коммутатор и схема ИЛИ, источник опорного напряжения, при- ИЛИ, выходы первого и второго распредели- чем датчик тока включен последовательно с телей через схему ИЛИ подключены к управ- цепью нагрузки, один вход схемы сравнения ляющим цепям тиристоров инвертора, соединен с источником напряжения зада- входы через коммутатор - к выходу задаю- 15 ния, отличающийся тем, что, с целью щего генератора, управляющий вход комму- расширения диапазона технологического татора - к выходу компаратора.тока в сторону малых его значений при соПредлагаемый источник питания техно- хранении массогабаритных показателей, логических установок постоянного тока дает параллельно входу инвертора дополнитель- возможность изменения его параметров, в 20 но введена вторая цепочка из последова- частности параметров схемы замещения си- тельно соединенных третьего индуктивного ловой части без коммутации сильноточных элемента, двух пар из встречно-параллельно цепей, и имеет устойчивые и стабильные па- включенных тиристора и диода каждая и чет- раметры разряда при дуговой нагрузке, пол- вертого индуктивного элемента, т.е. образо- ученные за счет существенного (в 2 раза) 25 ван симметричный мост, параллельно входу роста внутреннего сопротивления источни- инвертора включен второй аналогичный ка питания и соответствующего увеличения мост, другие обкладки конденсаторов под- крутизны внешней характеристики в обла- ключены к общим точкам соединения пар из сти малых токов, где дуговой разряд наибо- тиристоров и диодов дополнительно введен- лее подвержен внешним воздействиям.30 ных последовательных цепочек, общие точФормула изобретенияки соединения пар тиристоров и диодов

Источник питания для технологических других цепочек обоих мостов объединены, в установок постоянного тока, содержащий систему управления введен второй распре- последовательно соединенные входной вы- делитель импульсов и компаратор, выходы прямитель, входной фильтр, последователь- 35 первого и второго распределителей импуль- ный тиристорный инвертор, включающий сов через схему ИЛИ подключены к управля- два конденсатора, выводы одних обкладок ющим цепям тиристоров инвертора, входы которых объединены в общую точку, и цепоч- через коммутатор - к выходу задающего теку из последовательно соединенных перво- нератора, управляющий вход коммутатора - го индуктивного элемента, двух пар из 40 к выходу компаратора, один вход которого встречно-параллельно включенных тиристо- подключен к выходу датчика тока и к перво- ра и диода каждая, и второго индуктивного му входу схемы сравнения, другой - к источ- элемента, причем свободные выводы ин- нику опорного напряжения, второй вход дуктивных элементов образуют вход ин- схемы сравнения подключен к источнику на- вертора, а общая точка соединения 45 пряжения задания, а выход ее - к входу за- конденсаторов и общая точка соединения дающего генератора.

Использование: источник может быть использован в качестве источника питания постоянным током. Сущность изобретения: источник содержит последовательный тири- сторный инвертор, состоящий из двух мостов 3, 4 и подключенный входом через изадания фильтр 2 к выходу входного выпрямителя 1, а выходом через трансформатор 5 и выпрямитель 8 - к цепи нагрузки. Каждый мост включает две параллельно включенные последовательные цепочки из индуктивного элемента 23 (24, 31, 32), вентильных ячеек 19

Фиг.З

46

43

Т

Г w

ЦГ1 I

Lf

w l

uu

40

U

От лоз. /3 wci.

S6

ffS

к SO

/

59

41

, 1Q

li -

72 K29

73 R30