Вторичный источник питания

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источникам питания инверторного типа и предназначено для ручной электросварки, сварки в среде аргона и углекислого газа. Технический результат - упрощение источника питания, повышение его надежности, уменьшение коммутационных потерь. Вторичный источник питания инвертного типа содержит однофазный мостовой транзисторный инвертор, подключенный к сетевому выпрямителю и нагруженный на первичную обмотку силового трансформатора с последовательно включенным в ее цепь конденсатором. Вторичная обмотка через выпрямитель с нулевым выводом питает нагрузку, шунтированную, вместе со сглаживающим дросселем, обратным диодом. Система управления содержит датчик и задатчик тока, компаратор и блок управления инвертором. Упомянутый блок выполнен в виде автогенератора переменного напряжения прямоугольной формы, высокой частоты, питается от сетевого выпрямителя и нагружен на коммутирующий транфсформатор, четыре вторичных обмотки которого соединены встречно-последовательно каждая с обмотками импульсного насыщающегося трансформатора и подключен к базам транзисторов инвертора. 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источникам питания инверторного типа, предназначенным преимущественно для ручной электросварки, сварки в среде аргона и углекислого газа. Широко известны электросварочные аппараты инверторного типа, содержащие в силовой части сетевой диодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором на выходе и подключенный к этому выпрямителю транзисторный инвертор (модулятор) с обратными диодами, нагруженный на силовой трансформатора (см. "Transpocket-1400" - производство Австрии, каталог 1995-96 гг., "Castolin GmbH" - Германия, Krafzwerq, 1994-96 гг. , "ДС 200 A1" - Технотрон, Россия; InvertecV 130-S" - Lincoln, США).

Вторичная обмотка силового трансформатора через диодный выпрямитель подключена к нагрузке и? вместе с последовательно включенным в ее цепь сглаживающим дросселем, шунтирована обратным диодом. Система управления содержит датчик и задатчик тока, а также замкнутую систему регулирования широтно-импульсным (ШИМ) методом. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств относится то, что невозможно использование экономичной двухтактной мостовой схемы инвертора из-за неизбежной асимметрии напряжения на силовом трансформаторе при высоких частотах, а также необходимость использования в инверторе транзисторных модулей с оптронной развязкой и индивидуальных источников смещения на каждый модуль, что усложняет и удорожает установку. Нужно также отметить, что потери в модуле (составном транзисторе) несколько больше, чем в одиночном транзисторе.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является вторичный источник питания на основе резонансных мостовых инверторов, у которых на выходе инвертора последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включен конденсатор (см. Булатов О.Г. и др. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии, гл. 2. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.) и принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве 1. Практически неприменимы для гальванической развязки импульсные трансформаторы; требуются транзисторные модули с оптронной развязкой.

2. Требуются индивидуальные источники смещения транзисторов. Это усложняет установку в целом и увеличивает коммутационные потери.

Для расширения диапазона нагрузок в сторону уменьшения и для увеличения рабочей частоты инвертора тиристоры (в установках небольшой мощности) обычно заменяют транзисторными модулями, а для уменьшения количества диодов и потерь в них выходной мостовой выпрямитель заменяют выпрямителем с нулевой схемой. Упрощенная схема прототипа с упомянутыми непринципиальными изменениями приведена на фиг. 1 и содержит в силовой части сетевой диодный выпрямитель (для простоты не показан), сглаживающий конденсатор 1 на выходе выпрямителя, подключенный к нему мостовой транзисторный инвертор 2, 3, 4, 5 с обратным диодным мостом 6, 7, 8, 9, нагруженный на первичную обмотку 10 силового трансформатора 11 с последовательно включенным в цепь этой обмотки конденсатором 12 или группой конденсаторов, переключаемых для изменения емкости. Вторичная обмотка 13 силового трансформатора 11 подключена к диодному выпрямителю 14, 15 по схеме с нулевым выводом. Выход выпрямителя присоединен к нагрузке 16, шунтированной, вместе с последовательно включенным сглаживающим дросселем 17, обратным диодом 18. Силовая часть схемы прототипа приводится в упомянутой выше книге О.Г.Булатова, на рис. 3.3,a, стр. 70 (тиристорный вариант). Система управления содержит компаратор 19, связанный инверсным входом с датчиком тока 20, прямым входом с задатчиком тока 21, а выходом с входом блока управления инвертором 22, выходы которого подключены к соответствующим управляющим входам транзисторных модулей 2, 3, 4, 5, а вход соединен с одним из выходов блока питания 23. Система управления с идентичной структурой приведена на рис. 5.4 упомянутой книги Булатова. Вместо общепринятого термина "компаратор" в книге принят термин "схема сравнения". Остальные элементы относятся к блоку управления инвертором. Принцип работы системы - это классический принцип "систем с отрицательной обратной связью по регулируемой координате". Его описание дано на стр. 118 упомянутой книги.

К важным достоинствам прототипа по сравнению с приведенными аналогами относятся: 1. Отсутствие постоянной составляющей в выходном напряжении инвертора, что позволяет в качестве силового использовать малогабаритный трансформатор с сердечником без зазора.

2. Удвоение амплитуды напряжения на нагрузке при неизменном средневыпрямленном его значении, что облегчает зажигание дуги и позволяет почти вдвое уменьшить амплитуду тока в силовых транзисторах.

3. Коммутация тока осуществляется в диапазоне рабочих нагрузок не транзисторами инвертора, а конденсатором, что уменьшает перенапряжения и потери.

4. Постоянная мощность в нагрузке.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Технический результат - упрощение источника питания, повышение его надежности, уменьшение коммутационных потерь. Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, включающем инвертор, подключенный к сетевому выпрямителю со сглаживающим конденсатором на выходе и выполненный в виде однофазного транзисторного моста с обратным диодным мостом, нагруженного на первичную обмотку силового трансформатора, последовательно с которой включена емкость из одного или нескольких конденсаторов, соединяемых переключателем в различные группы разной суммарной емкости, а вторичная обмотка упомянутого силового трансформатора подключена к диодному выпрямителю по однофазной схеме с нулевым выводом, к выходу которого подключены последовательно соединенные нагрузка и сглаживающий дроссель, шунтированные обратным диодом, и систему управления в составе компаратора, связанного инверсным входом с выходом датчика тока, включенного в одно из плеч упомянутого диодного выпрямителя, прямым входом с задатчиком тока, а выходом - с блоком управления инвертором.

Особенность заключается в том, что упомянутый блок управления инвертором выполнен в виде автогенератора переменного напряжения прямоугольной формы высокой частоты с частотозадающей R - C цепочкой из двух последовательно соединенных резисторов и конденсатора, причем параллельно одному из упомянутых резисторов подключен диагонально переменного тока диодный мост, с диагональю постоянного тока, шунтированной в проводящем направлении транзистором, управляющий вход которого шунтирован резистором отрицательного смещения и подключен к выходу упомянутого компаратора, переход коллектор - база шунтирован резистором положительного смещения, вход питания упомянутого автогенератора подключен непосредственно к упомянутому сглаживающему конденсатору, к выходу автогенератора подключены две одинаковые полуобмотки коммутирующего трансформатора, его четыре одинаковые вторичные обмотки соединены встречно-последовательно каждая с одной из четырех одинаковых вторичных обмоток насыщающегося импульсного трансформатора и через токоограничивающие резисторы подключены к базам соответствующих транзисторов упомянутого инвертора, а первичная обмотка насыщающегося импульсного трансформатора подключена через токоограничивающий резистор и диод к пятой вторичной обмотке коммутирующего трансформатора и шунтирована обратным диодом. Это позволило упростить схему, исключив из нее блок питания с источниками смещения, обеспечить непосредственное управление силовыми транзисторами инвертора без модулей с оптронной развязкой, т.е. увеличить надежность, уменьшить потери в силовых транзисторах.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в форме изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна". Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и прочнее); - увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; - выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлено: на фиг. 2 - схема вторичного источника питания, на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений, на фиг. 4 - внешние характеристики при различных ступенях мощности сварки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключается в следующем. Устройство (фиг. 2) содержит в силовой части сглаживающий конденсатор 1, подключенный к выходу сетевого выпрямителя, не показанного на схеме для простоты, инвертор в составе транзисторного мозга 2, 3, 4, 5; обратного диодного моста 6, 7, 8, 9, подключенных к сетевому выпрямителю диагонально постоянного тока, силового трансформатора 10, первичная обмотка которого 11 включена последовательно с конденсатором 12 в диагонально переменного тока транзисторного моста, а две вторичные полуобмотки 13 и 14 подключены к диодному однофазному выпрямителю 15, 16 по схеме с нулевым выводом, к выходу которого последовательно со сглаживающим дросселем 17 подключена нагрузка 18, шунтированная вместе с дросселем обратным диодом 19. В одно из плеч диодного однофазного выпрямителя включен датчик тока 20. Система управления содержит блок управления инвертором в составе типового автогенератора 21 переменного напряжения прямоугольной формы, подключенного входом через размыкающий контакт 22 реле защиты (для простоты катушка реле не показана) к сетевому выпрямителю, а выходом к коммутирующему трансформатору 23 с двумя первичными одинаковыми полуобмотками 24 и 25. Вторичные четыре одинаковые обмотки этого трансформатора 26, 27, 28 и 29 включены встречно-последовательно каждая со вторичными обмотками 30, 31, 32 и 33 импульсного насыщающегося трансформатора 34, первичная обмотка 35 которого через диод 36 и токоограничивающий резистор 37 подключена к пятой вторичной обмотке 38 коммутирующего трансформатора 23 и шунтирована обратным диодом 39. Частотозадающая цепочка автогенератора 21 содержит последовательно соединенные и подключенные к управляющему входу автогенератора два резистора 40, 41 и конденсатор 42. Резистора 41 подключен также к диагонали переменного тока диодного моста 43, 44, 45 и 46, диагональ постоянного тока которого шунтирована в проводящем направлении транзистором 47, управляющий вход которого шунтирован резистором 48 и подключен к выходу компаратора 49, а цепь коллектор - база шунтирована резистором 50. Кроме компаратора 49 в систему управления входят задатчик тока 51 и упомянутый датчик тока 20. Причем выход датчика тока 20 подключен к инверсному, а выход задатчика тока 51 к прямому входам компаратора 49. Для ограничения тока последовательно в цепи без транзисторов инвертора включены резисторы 52, 53, 54 и 55.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При включении установки в сеть конденсатор 1 заряжается и автогенератор 21 через коммутирующий трансформатор 23 выдает переменное напряжение прямоугольной формы U₁ (см. диаграмму 1 на фиг. 3) с максимальной рабочей частотой, так как транзистор 47 отперт сигналом положительного смещения через резистор 50, и частотозадающая цепочка 40-41-42 имеет минимальную постоянную времени RxC. Одновременно генерирует импульсы импульсный насыщающийся трансформатор 34, причем амплитуды этих импульсов примерно вдвое больше, чем амплитуда напряжения U₁ (кривая 2 на фиг. 3), а длительность t_в этих импульсов равна времени восстановления запирающих свойств силовых транзисторов 2, 3, 4, 5 инвертора. В результате алгебраического суммирования напряжений вторичных обмоток трансформаторов 23 и 34 получается напряжение с большим на t_в отрицательным полупериодом (кривая 3 на фиг. 3), подаваемое на базы силовых транзисторов инвертора. Такая форма напряжения обеспечивает максимальное использование по напряжению инвертора и, одновременно, четкое отрицательное смещение транзисторов в нерабочий полупериод, что, в свою очередь, гарантирует высокую помехозащищенность без дополнительных источников отрицательного смещения. В диагонали переменного тока инвертора в результате суммирования напряжений разных плеч формируется напряжение U₂ (кривая 4 на фиг. 3), подаваемое через конденсатор 12 на обмотку 11 силового трансформатора 10. Наличие конденсатора 12 обеспечивает удвоение амплитуды напряжения (кривая 5 на фиг. 3) при рабочих токах нагрузки, т.е. при сварке, причем с увеличением тока амплитуда напряжения не уменьшается (уменьшается лишь среднее и действующее значение). Таким образом, обеспечиваются благоприятные условия для поджига и стабильного горения дуги. Кроме того, конденсатор исключает постоянную составляющую напряжения из-за неизбежной асимметрии инвертора и исключает насыщение трансформатора при уменьшении частоты. По мере увеличения тока нагрузки сигнал с датчика тока 20 увеличивается и при токе, равном заданному, этот сигнал становится больше сигнала с задатчиком тока 51, транзистор 47 выходит из насыщения и начинает запираться. Увеличивается сопротивление частотозадающей цепочки, так как происходит расшунтирование резистора 41. В результате уменьшается частота и внешняя характеристика источника с естественной гиперболической - участок 1 переходит на крутопадающий участок 2 (см. фиг. 4). Точка пересечения кривой 2 с прямой 3, представляющей собой падение напряжения во внутреннем сопротивлении источника, сети и сварочных проводов, то есть суммарное падение напряжения до точки короткого замыкания характеризует максимальное значение тока короткого замыкания. Гипербола 1 показывает, что при данном значении емкости конденсатора 12 мощность сварки до начала токоограничения постоянна. Более того, даже при размыкании системы регулирования, например из-за неисправности, мощность останется постоянной и, значит, постоянным, вплоть до короткого замыкания, будет потребляемый из сети ток. При работе токоограничиения (кривая 2 на фиг. 4) мощность уменьшается по мере увеличения тока до тока короткого замыкания (i^*_к.з. на фиг. 4). Изменением задания тока задатчика 51 можно изменять и установку токоограничения (кривая 2' на фиг. 4) в широких пределах, однако расширять частотный диапазон автогенератора 21 в пределах более чем 2,5:1 нецелесообразно, так как при снижении частоты увеличиваются пульсации тока в цепи нагрузки и несколько увеличиваются габариты трансформатора 23. Заметим, что на габаритах силового трансформатора 10 регулирование частоты вниз от максимального значения не отражается, так как с ростом тока нагрузки длительность перезаряда конденсатора 12 при любой частоте уменьшается (см. кривую 6 на фиг. 3).

Для расширения пределов регулирования тока при ограниченном вниз частотном диапазоне целесообразно ступенчатое переключение емкости 12. Например, всего два конденсатора с соотношением емкостей 1:2 дают четыре ступени мощности сварки: 1^*, 0,66^*, 0,33^*, 0,22^* (см. кривые 4, 5, 6 на фиг. 4). Внутри каждой ступени осуществляется плавное регулирование задатчиком тока 51.

При превышении током нагрузки допустимого значения срабатывает реле максимального тока, например герконовое. Его катушка (для простоты не показана) может быть включена на выход датчика тока 20. Размыкается контакт 22 в цепи питания автогенератора. Прекращается генерация управляющего напряжения и транзисторы инвертора запираются.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области электротехники;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Вторичный источник питания, включающий инвертор, подключенный к сетевому выпрямителю со сглаживающим конденсатором на выходе и выполненный в виде однофазного транзисторного моста с обратным диодным мостом, нагруженного на первичную обмотку силового трансформатора, последовательно с которой включена емкость из одного или нескольких конденсаторов, соединяемых переключателем в различные группы различной суммарной емкости, а вторичная обмотка упомянутого силового трансформатора подключена к диодному выпрямителю по однофазной схеме с нулевым выводом, к выходу которого подключены последовательно соединенные нагрузка и сглаживающий дроссель, шунтированные обратным диодом, и систему управления в составе компаратора, связанного инверсным входом с выходом датчика тока, включенного в одно из плеч упомянутого диодного выпрямителя, прямым входом - с задатчиком тока, а выходом - с блоком управления инвертором, отличающийся тем, что упомянутый блок управления инвертором выполнен в виде автогенератора переменного напряжения прямоугольной формы высокой частоты с частотозадающей R-C-цепочкой из двух последовательно соединенных резисторов и конденсатора, причем параллельно одному из упомянутых резисторов подключен диагональю переменного тока диодный мост с диагональю постоянного тока, шунтированной в проводящем направлении транзистором, управляющий вход которого шунтирован резистором отрицательного смещения и подключен к выходу упомянутого компаратора, переход коллектор - база шунтирован резистором положительного смещения, вход питания упомянутого автогенератора подключен непосредственно к упомянутому сглаживающему конденсатору, к выходу автогенератора подключены две одинаковые первичные полуобмотки коммутирующего трансформатора, его четыре одинаковые вторичные обмотки соединены встречно-последовательно каждая с одной из четырех одинаковых вторичных обмоток насыщающегося импульсного трансформатора и через токоограничивающие резисторы подключены к базам соответствующих транзисторов упомянутого инвертора, а первичная обмотка насыщающегося импульсного трансформатора подключена через токоограничивающий резистор и диод к пятой вторичной обмотке коммутирующего трансформатора и шунтирована обратным диодом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4