Индуктивно-емкостный фильтр
INDUCTIVE CAPACITIVE FILTER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках питания сварочной дуги для фильтрации высоковольтных импульсов напряжения высокой частоты, возбуждаемых осцилляторами.
Полупроводниковые силовые элементы выходных каскадов источников питания подвержены риску потенциального пробоя, обусловленного либо паразитными выбросами напряжения, возникающими на индуктивностях схемы, либо высоковольтными импульсами, возбуждаемыми осциллятором. Паразитные индуктивные выбросы успешно сглаживаются диодами, стабилитронами, варисторами и сапрессорами [Б.Ю. Семенов. // Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс. - 2005. - 416 с.]. Однако на практике наблюдается довольно быстрая деградация свойств этих защитных элементов, что приводит к авариям выходных каскадов источников питания. Наиболее эффективными с практической точки зрения при относительной простоте признаны П-образные LC-фильтры. [Г.С. Векслер. // Электропитание спецаппаратуры: Учебник для вузов. - 2-е изд., пере-раб. и доп. - Киев.: Вища школа. - 1979. - 368 с.] - аналог. При всех своих достоинствах и надежной работе на протяжении длительного времени П-образные LC-фильтры имеют ряд недостатков. Наличие паразитных емкостей в катушках индуктивности приводит к возникновению значительных токов утечки и неэффективной работе фильтра. Стоит заметить, что П-образный LC-фильтр представляет собой колебательный контур с хорошей добротностью, который очень медленно рассеивает запасенную энергию и при определенных условия (условиях резонанса для высших гармоник экспоненциально затухающих импульсов осциллятора), может пропускать через LC-фильтр значительные выбросы напряжения, приводя к аварийным режимам работы источников питания. Негативное влияние описанных недостатков подтвердилось в многочисленных экспериментах по защите источника питания сварочной дуги LC-фильтрами от импульсов высокого напряжения осциллятора «ОСПП3-300» и приводило к неоднократным авариям вплоть до возникновения межфазного короткого замыкания в электро-коммутационной аппаратуре распределительного щита. Поэтому разработка схемных решений для защиты от высоковольтных импульсов является актуальной.
Из уровня техники известен входной помехоподавляющий фильтр [Моргунов Д.Н., Машков С.В., Васильев С.И. // Патент РФ №193304 от 23.10.2019 Бюл. №30] - прототип. Устройство представляет собой два П-образных индуктивно-емкостных фильтра включенных параллельно, причем индуктивности фильтров расположены на одном сердечнике, а начала и концы бифилярных катушек включаются в цепь синфазно, другими словами помехоподавляющий фильтр представляет собой двухобмоточный синфазный дроссель, начала и концы которого шунтированы фильтрующими конденсаторами. Из уровня техники известно, что топология предложенной авторами схемы с конца 60-х годов прошлого столетия стала своего рода «общественным достоянием» (public domain) и стоит на входе каждого современного импульсного блока питания, выпускаемого электронной промышленностью. В описании работы фильтра, а также в описании работы импульсного источника питания, авторы допускают принципиальные ошибки, которые полностью искажают понимание природы синфазной помехи, а также роли фильтрующих конденсаторов, путая их работу и функциональное назначение со сглаживающими конденсаторами, стоящими в цепях постоянного тока и имеющими разницу в номинальных значениях емкости в сотни, а иногда и в тысячи раз, по сравнению с фильтрующими. По этой причине в предложенном авторами устройстве отсутствует заземляющий узел в конце фильтра (правое плечо). Такое схемное решение примерно на 30 dB снижает эффективность работы фильтра по отношению к синфазной помехе. Устройство не пригодно в качестве индуктивно-емкостного фильтра для защиты выходных каскадов источников питания сварочной дуги от ВЧ импульсов высокого напряжения, возбуждаемых осцилляторами.
Задачей настоящего изобретения является разработка индуктивно-емкостного фильтра, который позволит эффективно защищать выходные каскады источников питания сварочной дуги от ВЧ импульсов высокого напряжения, возбуждаемых осцилляторами.
Технический результат достигается за счет того, что гашение паразитных выбросов напряжения производится газовым разрядником, включенным в цепь последовательно с конденсатором, стоящим на входе фильтра, образуя колебательный контур с переменной добротностью, значение которой варьируется в диапазоне от нуля до бесконечности в зависимости от величины напряжения на электродах разрядника.
Принципиальная электрическая схема индуктивно-емкостного фильтра в составе источника питания сварочной дуги представлена на фиг. 1. Условные обозначения на схеме соответствуют ГОСТ 2.710-81 «Единая система конструкторской документации. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах».
Цифрами на схеме обозначены: (1) - индуктивно-емкостной фильтр; (2) - сварочная горелка; (3) - деталь.
Устройство в составе источника питания сварочной дуги работает следующим образом: ВЧ импульсы высокого напряжения, возбуждаемые осциллятором G зажигают сварочную дугу между горелкой (2) и деталью (3); рабочие токи от источника питания GB, проходя через синфазный дроссель, взаимно компенсируют магнитные потоки друг друга, не приводя к насыщению магнитопровода и не препятствуя его работе в качестве симметричного дросселя для синфазной ВЧ помехи высокого напряжения от осциллятора G, и питают сварочную дугу необходимой мощностью; индуктивно-емкостной фильтр (1) благодаря наличию в схеме газового разрядника FA, представляет собой колебательный контур с переменной добротностью, значение которой варьируется в диапазоне от нуля до бесконечности в зависимости от величины напряжения на его электродах (а не сопротивления диссипативного элемента, как в прототипе), причем пороговое напряжение срабатывания газового разрядника и, как следствие, добротность контура может настраиваться в зависимости от величины зазора между электродами; конденсатор С1 дополнительно препятствует возникновению дуги постоянного тока в разряднике FA от источника питания GB; сопротивление конденсатора С2 стремится к нулю для ВЧ импульсов осциллятора G, и шунтирует вход LC-фильтра (1). Эффективность работы устройства проверена многочисленными экспериментами на установке по 3D-печати тугоплавких металлов.