РЕЗОНАНСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Полезная модель относится к источникам питания сварочной дуги, в частности к инверторным резонансным источникам, и может использоваться в сварочных инверторах с высокими удельными характеристиками отношениями мощность/масса, мощность/объем и высоким КПД.
Известен сварочный инвертор с использованием резонансного преобразования в режиме больших токов (Патент РФ, №2175595, 2001 г).
Его недостатком является сложная схема управления преобразователем, состоящая в наличии дополнительного силового ключа и порогового устройства, управляющего этим ключом. Кроме того, для устойчивого возбуждения сварочной дуги выходное напряжение источника должно быть не менее 70 В, что обеспечивается только коэффициентом трансформации выходного трансформатора. В случае отсутствия выходного дросселя это неизбежно приведет к уменьшению КПД источника.
Известно также устройство, у которого напряжение холостого хода формируется дополнительными слаботочными обмотками выходного трансформатора (Свидетельство РФ на полезную модель №6736, 1998 г.). Но такое техническое решение вызывает увеличение массы и габаритов выходного трансформатора, требует дополнительного пространства для размещения дросселей и выпрямительных диодов, формирующих напряжение холостого хода. Это приводит к увеличению габаритов и удорожанию устройства. Для импульсного способа преобразования, принятого в этой модели характерны более высокие потери на переключение силовых ключей, что вызывает применение меньшей частоты преобразования и увеличение габаритов и массы устройства.
Наиболее близким по сути является инверторный источник сварочного тока (см. L.Malesani, P.Mattavelli, L.Rossetto, P.Tenti, W.Marin, A.Pollmann. "Electronic Welder With High-Frequency Resonant Inverter". IEEE Transactions on Industry Applications. Vol.31, No.2, March/April, 1995, pp.273-279.), содержащий сетевой выпрямитель, устройство управления, полумостовой высокочастотный резонансный инвертор с подключенным к нему выходным трансформатором и последовательным резонансным контуром для формирования силового тока, конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке выходного трансформатора, образующего с ней параллельный колебательный контур и силовой выпрямитель
Однако, устройство имеет недостатки:
Резонансный конденсатор включен относительно общего провода, что усложняет конструкцию сварочного источника в части топологии печатной платы и увеличивает размеры и массу устройства. Нижняя граница частотного диапазона задается фазовым детектором, что усложняет схему устройства управления и снижает его помехоустойчивость. Наличие трансформатора тока ухудшает массо-габаритные характеристики и приводит к удорожанию источника сварочного тока.
Задача полезной модели создание простого по конструкции и надежного устройства, обеспечивающего эффективное управление инвертором, улучшение удельных характеристик, определяемых отношениями мощность/масса, мощность/объем и увеличение КПД.
Технический результат - повышение надежности устройства. Он достигается тем, что в устройство дополнительно введены дифференцирующая RC-цепь, выпрямитель, RC-фильтр, при этом дифференцирующая RC-цепь установлена параллельно конденсатору последовательного резонансного контура, величина емкости конденсатора дифференцирующей цепи составляет не более 1% от емкости последовательного резонансного контура, вход выпрямителя подключен параллельно резистору дифференцирующей RC-цепи, выход выпрямителя соединен со входом устройства управления резонансным источником и с резистором RC-фильтра, параллельно которому соединен конденсатор RC-фильтр.
В данной полезной модели используется частотное управление силой выходного тока, причем весь частотный диапазон лежит выше частоты собственного резонанса силового резонансного контура, образованного конденсатором, дросселем и индуктивностью рассеяния трансформатора. При максимальных нагрузках частота преобразования близка к резонансной, что обеспечивает «мягкую» коммутацию силовых ключей. При средних и малых нагрузках сопротивление контура является индуктивным и включение силовых ключей происходит при нулевом напряжении на них, что уменьшает потери на коммутацию в этих режимах.
На чертеже представлена структурная схема резонансного источника питания сварочной дуги (фиг.1).
Устройство содержит сетевой выпрямитель 1, конденсатор фильтра 2, подключенный параллельно выходу сетевого выпрямителя, устройство управления 3, потенциометр для установки тока сварки 4, потенциометр для установки нижней границы частоты преобразования 5, последовательный резонансный конденсатор 6, дроссель 7, параллельный резонансный конденсатор 8, измерительную дифференцирующую цепь из резистора 9 и конденсатора 10, выпрямитель 11, фильтр с конденсатором 12 и резистором 13, выходной трансформатор 14, силовой выпрямитель на диодах 15 и 16, силовые ключи 17 и 18 с подключенными к ним встречно-параллельными диодами 19, 20 и выравнивающими резисторами 21, 22.
При этом выходы устройства управления 3 соединены с управляющими входами силовых ключей 17 и 18, движок потенциометра 5 подключен ко входу установки нижней границы частоты преобразования устройства управления 3, движок потенциометра 4 подключен ко входу установки тока сварки устройства управления 3. К выходам силовых ключей 17 и 18 подключен первичная обмотка выходного трансформатора 14. последовательно с которой соединены дроссель 7 и конденсатор 6 последовательного резонансного контура, а параллельно - конденсатор 8 параллельного резонансного контура.
Дифференцирующая цепь с резистором 9 и конденсатором 10 установлена параллельно последовательному резонансному конденсатору 6. Вход выпрямителя 11 подключен параллельно резистору 9, а выход выпрямителя 11 через фильтр из резистора 13 и конденсатора 12 соединен со входом обратной связи устройства управления 3.
Устройство работает следующим образом.
При подаче питания на источник, устройство управления 3 начинает поочередно подавать импульсы управления на силовые ключи 17 и 18. Частота переключения силовых ключей обратно пропорциональна току сварочной дуги, но не может быть ниже частоты собственного резонанса силового контура и выше частоты безопасной работы силовых ключей.
Нижняя граница частотного диапазона устанавливается потенциометром 5 таким образом, чтобы ни при каких условиях частота преобразования не превысила частоту собственного резонанса силового контура. Верхняя граница частотного диапазона задается параметрами схемы устройства управления 3. Устройство управления 3 задает необходимую характеристику источнику (делает его источником тока), обеспечивает управление силовыми ключами 17, 18 во всем диапазоне нагрузок и выключение силовых ключей в случае их перегрева. Резистором 4 задается ток сварки.
Сила тока в цепи силовых элементов измеряется с помощью дифференцирующей цепи, состоящей из резистора 9 и конденсатора 10 и подключенной параллельно резонансной емкости 6. Величина емкости конденсатора 10 составляет не более 1% от емкости последовательного резонансного конденсатора 6 и выбирается из условия получения достаточной амплитуды напряжения, снимаемого с резистора 9 для работы выпрямителя 11 во всем диапазоне нагрузок.
Вышесказанное можно подтвердить расчетной формулой. Обозначим ток, протекающий через резонансный контур Iк. При соблюдении условия R9∗C10<0.01/F, где F - максимальная частота преобразования, с достаточной для практики точностью амплитуда тока через дифцепочку будет равна Ir=Iк∗(С6/С10).
Соответственно,
Ui=Ir∗R9-Ud, где Ud - напряжение, падающее на диоде 11.
Напряжение Ui, пропорциональное силе тока через резонансный контур поступает на устройство управления 3, которое формирует падающую выходную вольтамперную характеристику и ограничивает ток через силовые ключи 17, 18 до безопасного уровня.
Постоянная времени С12, R13 выбрана таким образом, чтобы с учетом параметров устройства управления 3, обеспечить полосу пропускания цепи обратной связи не менее 5 кГц.
Параллельный резонансный конденсатор 8 обеспечивает повышение напряжения на выходе сварочного источника на холостом ходу. Это улучшает стабильность поджига сварочной дуги. Конденсатор образует параллельный колебательный контур с индуктивностью первичной обмотки выходного трансформатора 14, настроенный на частоту, лежащую выше частоты преобразования.
Емкость параллельного резонансного конденсатора 8 выбирается таким образом, чтобы выходное напряжение на холостом ходу составляло 70-90 В, тогда как без нее оно бы не превышало 55 В.
Емкость параллельного резонансного конденсатора 8 составляет 1-2% от емкости последовательного резонансного конденсатора 6 и не приводит к значительному увеличению потерь на переключение и к ухудшению управления устройством на холостом ходу. Чтобы уменьшить влияние этих недостатков, устройство на холостом ходу включается периодически на короткие промежутки времени.
Диоды 19 и 20 защищают силовые ключи 17, 18 от выбросов напряжения с индуктивных элементов, резисторы 21 и 22 обеспечивают половину напряжения питания на последовательном резонансном конденсаторе 6 при выключенных силовых ключах.
При использовании предлагаемой модели при проектировании источника питания сварочной дуги в качестве силовых ключей могут быть применены мощные биполярные транзисторы, мощные полевые или IGBT транзисторы.
Положительный эффект заключается в том, что полезная модель может быть применена для создания сварочных инверторов с высокими удельными характеристиками - отношениями мощность/масса, мощность/объем и высоким КПД. Указанный результат достигается применением в полезной модели резонансной схемы преобразования энергии с последовательным резонансом, что позволяет использовать частоту преобразования 100 кгц и выше и обеспечивает простоту и надежность управления инвертором. Для повышения напряжения холостого хода без увеличения коэффициента трансформации выходного трансформатора используется параллельный резонанс, что улучшает условия возбуждения сварочной дуги. Низкие потери на переключение силовых ключей в резонансном инверторе и невысокий коэффициент трансформации выходного трансформатора увеличивают КПД источника. В полезной модели отсутствует токовый трансформатор, его роль играет дифференцирующая RC цепь, подключенная параллельно резонансному конденсатору. Данный способ измерения тока, протекающего через силовую резонансную цепь, отличается простотой и экономичностью, так как здесь применяются только типовые элементы и отсутствуют трудоемкие трансформаторы тока и дорогостоящие датчики электромагнитного поля. Кроме того, техническое решение упрощает конструкцию источника, уменьшает его габаритные размеры и вес.
Источники информации:
1. Патент РФ №2175595 2001 г.
2. Свидетельство РФ на полезную модель №6736 1998 г.
3. L.Malesani, P.Mattavelli, L.Rossetto, P.Tenti, W.Marin, A.Pollmann. "Electronic Welder With High-Frequency Resonant Inverter". IEEE Transactions on Industry Applications. Vol.31, No.2, March/April, 1995, pp.273-279. (прототип)