ПОЛУМОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР
SEMI-BRIDGE TRANSISTOR INVERTER

Изобретение относится к области электротехники, а именно к полумостовым транзисторным инверторам, и может использоваться для электродуговой сварки металлов от 1 до 10 мм.
Известен однофазный полумостовой инвертор, содержащий плечо полумоста в виде двух последовательно соединенных в проводящем направлении транзисторов и двух обратных диодов. Второе плечо полумоста образовано двумя последовательно соединенными конденсаторами. В диагональ переменного тока включена нагрузка трансформаторного типа, а диагональ постоянного тока связана с соотвествующими полюсами источника питания, шунтированного сглаживающим конденсатором. Особенность состоит в том, что в схему дополнительно введен четырехобмоточный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, подключенной к системе управления (патент на изобретение РФ №2291550).
Недостатком данного технического решения является сложность намотки трансформатора, его завышенные массогабаритные показатели и более низкий КПД.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является полумостовой транзисторный инвертор, выбранный в качестве прототипа, содержащий в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора (патент на изобретение РФ №2326484).
Основным недостатком данного изобретения является невозможность обеспечения постоянной силы выходного тока при закороченной нагрузке, а также сложная схема управления с обратными связями по току и напряжению.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного и надежного сварочного инвертора с высоким КПД и малыми массогабаритными показателями.
Задача осуществляется за счет того, что в полумостовом транзисторном инверторе, содержащем в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку силового трансформатора, имеющего вторичную обмотку, согласно изобретению, в цепь первичной обмотки трансформатора последовательно включены разделительный конденсатор и регулируемый дроссель, вторичная обмотка трансформатора выполнена по схеме со средней точкой с двухтактным выпрямителем, при этом полумост из двух транзисторов шунтирован двумя резонансными конденсаторами.
Технический результат достигается за счет создания полумостового транзисторного инвертора без обратной связи по току и напряжению, без использования широтно-импульсной модуляции, с использованием токового резонанса первичной обмотки силового трансформатора.
Разделительный конденсатор служит для устранения постоянной составляющей тока, возникающей от несимметрии элементов моста. И он же ограничивает импульсы тока через первичную обмотку. Регулируемый дроссель служит индуктивным элементом в резонансной цепи, образованной совместно с шунтирующими конденсаторами и транзисторными ключами. Кроме того, дроссель регулирует сварочный ток благодаря изменению резонансной частоты, т.к. резонансные конденсаторы составляют колебательный контур совместно с регулируемым дросселем.
Так как нет обратной связи по току и напряжению, становится возможным эксплуатировать сварочный аппарат при коротком замыкании сварочных электродов без уменьшения выходного тока. Резонансная характеристика позволяет уменьшить габариты и вес силового трансформатора и увеличить КПД инвертора за счет увеличения числа колебаний в каждом импульсе.
Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».
Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется электрической схемой, на которой представлена силовая схема и схема управления.
Силовая схема
На входе силовой схемы установлен автоматический выключатель SA1(16A), предназначен для включения/выключения инвертора, а также для защиты внешних цепей от перегрузок, при возникновении внештатных режимов работы инвертора.
Входное напряжение выпрямляется с помощью моста VD6 и фильтруется конденсаторами С5-С7.
Для защиты внешних цепей от броска тока, при заряде конденсаторов фильтра С5-С7 в момент включения в сеть служит резистор R4, который шунтируется контактами реле К1 через 2 секунды, К1 запитано от трансформатора Т1 через диодный мост VD1. Времязадающими элементами являются С4 и R5.
Инвертор выполнен по полумостовой схеме, где элементами одного плеча являются конденсаторы С9, С10, которые по высокой частоте зашунтированы конденсаторами С11, С12 и имеют разрядные цепи из резисторов R7, R8
Средняя точка конденсаторов С9-С12 подключена к первичной обмотке силового трансформатора Т2. Второй конец первичной обмотки трансформатора Т2 подключен через разделительные конденсаторы С13-С23 к регулирующему дросселю L1. Разделительные конденсаторы необходимы для предотвращения протекания постоянной составляющей тока, возникающей из-за несимметрии характеристик силовых элементов и для ограничения тока, протекающего по первичной обмотке силового трансформатора. Дроссель L1 служит элементом высокочастотной колебательной схемы, включающей в себя также конденсаторы С24, С25 и разрядные резисторы R13, R14. Дроссель L1 регулирует выходной ток благодаря подвижному сердечнику с воздушным зазором. Выходной ток регулируется плавно с 30 до 180 А. Принцип регулирования заключается в подстройке/расстройке резонанса колебательной системы. При максимальном резонансе достигается максимальный сварочный ток.
Основными силовыми элементами инвертора являются транзисторы VT1-VT4 и VT5-VT8, в каждой части плеча, включенные параллельно для увеличения пропускаемого тока. Попеременное переключение транзисторов в плече приводит к протеканию переменного тока по первичной обмотке трансформатора Т2. При включении транзисторов VT1-VT4 ток протекает от плюса через обмотку Т2 и заряжает конденсаторы С9-С12. При включении транзисторов VT5-VT8 происходит разряд конденсаторов С9-С12 через обмотку трансформатора Т2 на минус схемы. Для того чтобы транзисторы VT1-VT4 и VT5-VT8 не оказались открытыми одновременно, их открытие и закрытие происходит через защитную паузу, которая обеспечивается импульсами управления с определенной скважностью, генерируемых схемой управления.
Сварочный ток индуцируется во вторичной обмотке трансформатора Т2 со средней точкой и выпрямляется диодами VD8-VD11 после чего, подается на сварочные зажимы инвертора.
Охлаждение радиаторов силовых транзисторов VT1-VT8 и моста VD6 осуществляется с помощью вентилятора M1, запитанного от трансформатора Т1 через диодный мост VD1 и стабилизатор напряжения, собранный на элементах: R6, С8 и VD7.
Схема управления.
На элементах DD1.1-1.3, R1, C3 собран генератор прямоугольных импульсов. Элементы VD3, VD4, R2, R3 предназначены для формирования генератором импульсов заданной скважности.
Триггер DD2.1 предназначен для формирования двухканальных импульсов, сдвинутых по фазе на 180 градусов.
Элементы DD3.1-3.2 предназначены для окончательного формирования импульсов управления прямоугольной формы и заданной скважности с частотой 50 кГц.
Элементы DD3.3, VD12, R9 предназначены для световой индикации красного цвета, сигнализирующей об аварийном отключении инвертора по тепловому режиму, связанном с перегревом радиаторов силовых транзисторов.
Элементы DD3.4, VD13, R10 предназначены для световой индикации зеленого цвета, сигнализирующей о нормальном режиме работы инвертора.
Элементы DD4.1-4.2, R11, термодатчик предназначены для блокирования сигналов управления для затворов силовых транзисторов, при перегреве их радиаторов.
Элементы DD4.3-4.4, VD22, R12 предназначены для блокирования сигналов управления для затворов силовых транзисторов в момент включения и выключения схемы по питанию, для предотвращения состояний логической неопределенности при увеличении или уменьшении питающего напряжения. Элементы R15-R18, VD14-VD21 составляют драйверы выходных транзисторов VT9-VT12.
Элементы R19-R21, С26, С27, Т3, Т4 предназначены для управления силовыми транзисторами. Конденсаторы С26, С27 служат для развязки по постоянному току. Трансформаторы Т3, Т4 предназначены для гальванической развязки схемы управления от силовой схемы. Резисторы R19-R20 предназначены для ограничения зарядного тока затворов силовых транзисторов. Резисторы R21-R22 предназначены для гашения импульсов разряда затворов силовых транзисторов. Блок питания схемы управления состоит из трансформатора Т1, защищенного предохранителями F1, F2, мостового выпрямителя VD2, конденсаторов фильтра С1, С2 и диода развязки VD5 (для увеличения длительности работы схемы управления при отключении питающего напряжения).
Предлагаемый инвертор работает следующим образом.
При подключении устройства к сети происходит заряд конденсаторов С5-С7 входного фильтра через токоограничительный резистор R4 и через две секунды резистор R4 шунтируется контактами реле К1, в результате чего инвертор переходит в штатный режим работы. При переключении транзисторов VT1-VT8 возникают резонансные колебания тока с частотой, в 15 раз превышающей основную частоту в первичной обмотке силового трансформатора Т2, которые передаются во вторичную обмотку, затем выпрямляются диодами VD8-VD11 и подаются к сварочным электродам. В случае продолжительной сварки электродом диаметра 4 мм выходные транзисторы VT1-VT8 могут перегреться, в этом случае сработает тепловая защита. При этом инвертор отключится по схеме управления, зеленый светодиод VD12 «Работа» отключится, а включится красный светодиод VD13 «Перегрев». После охлаждения инвертора, при постоянной работе вентилятора M1, инвертор снова включится и загорится зеленый светодиод VD12 «Работа», а красный светодиод VD13 «Перегрев» отключится.
Достигаемый в представленном к защите техническом решении результат - создание легкого малогабаритного сварочного инвертора повышенной эффективности и надежности с высоким КПД.