Источник питания для технологических установок постоянного тока

 

Использование: источник может быть использован в качестве источника питания постоянным током. Сущность изобретения: источник содержит последовательный тиристорный 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 M 7/521

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4788384/07 (22) 05.02.90 (46) 23.06,92. Бюл. М 23 (71) Ленин градский электротехнический институт им. B.È. Ульянова (Ленина) (72) П.А, Кошелев, С,В, Парамонов и С.А.

Ермолин (53) 621.314.5 (088.8) (56) Ривкин Г,А. Преобразовательные устройства, — М.: Энергия, 1970, с.60 — 80.

Гладков Э.П, и др. Совершенствование управления процессами дуговой сварки на базе высокочастотных преобразователей энергии. Сварочное производство, 1984, М

3.

Авторское свидетельство СССР

N - 1074672, кл. В 23 К 9/00, 1982. (54) ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕС ИХ УСТАНОВОК ПОСТОЯННОГО

ТОКА (57) Использование: источник может быть использован в качестве источника питания постоянным током. Сущность изобретения: источник содержит последовательный тиристорный инвертор, состоящий из двух мостов 3, 4 и подключенный входом через. Ы 1742968 А1 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 (20, 27, 28) и 21 (22, 29, 30) и индуктивного элемента 25 (26, 33, 34) Выход каждого моста через конденсатор 35 (36) подключен к первичной обмотке 6трансформатора 5, Система управления инвертором включает управляемый задающий генератор 10, вход которого соединен с выходом схемы 18 сравнения, а выход через коммутатор 11, распределители 12, 13 импульсов и схему

ИЛИ 14 соединен с управляющими электродами тиристоров вентильных ячеек, Соответствующие входы схемы 18 сравнения соединены с источником напряжения задания, датчиком 16 тока и входом компаратора

17. выходом соединенным с входом управления коммутатора 11, Указанное выполнение источника обеспечивает расширение диапазона технологического тока в "ðåäíåì на 25% от максимального значения без коммутации сильноточных цепей. 4 ил, 1742968

1 1 R2

fo=

2л LC 4L>

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковым преобразователям электрической энергии переменного тока в постоянный с промежуточным звеном повышенной частоты, и может 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 пассивных фильтрующих цепей и всей установки, например, в электродуговой технологии, в особенности в дуговой сварке, плазменной и микроплазменной технологии, лазерной технологии, регулируемом приводе постоянного 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 нагрузки (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 малых его значений эффективность оборудования снижается за счет ухудшения массо-габаритных параметров.

Лучшими характеристиками при прочих равных условиях обладают источники питания с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты, структура которых включает в себя последовательно соединенные и питающиеся от сети переменного тока входной выпрямитель, входной 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 способ в сочетании с последовательным резонансным инвертором требует минимальных элементных затрат, Устройство содержит соединенные последовательно и питающиеся от сети пере5

ЗО

40 менного 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 (ЧИМ) 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: где L — эквивалентная индуктивность контура коммутации;

С вЂ” емкость коммутирующего конденсатора;

R — активная составляющая сопротивления контура.

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

1742968

1 /fp, а период повторения Ty = =1 /fy 2То.

После выпрямления двухполупериодным выходным выпрямителем частота пульсаций технологического тока составляет f =

2 fy и уменьшаетсяс 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 сказывается 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 показателях-.

Цель 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 содержиi последовательнo 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-п арал лел ь но соеди нен н ых 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

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

10 подключен к выходу датчика тока и к другому входу схемы сравнения, выходом соединенной с входом задающего генератора, а другой вход — к выходу источника опорного

55 напряжения.

На фиг. 1 показана схема установки, н фиг. 2 и 3 — внешние и регулировочные характеристики; на фиг. 4 — вариант схемной реализации блоков 11 — 14, Источник питания для технологических установок содержит питающиеся от сети переменного тока последовательно соединенные входной выпрямитель 1 (фиг. 1), входной фильтр 2. последовательный тиристорный инвертор, состоящий из двух мостов 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 управления 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, компаратор 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 соединение тиристора и диода. индуктивные элементы (катушки индуктивности) 23 — 26 второго моста — вентильные ячейки 27-30. катушки 31 — 34, Выходные диагонали мостов подключены параллельно первичной обмотке трансформатора одними полюсами непосредственно, другими — через конденсаторы 35 и 36. Первый вход компаратора 17 подключен к выходу датчика 1.6 тока и к первому входу схемы 18 сравнения, второй— к источнику 37 опорного напряжения, выход— к управляющему входу двухпозиционного коммутатора 11, Выход задающего генератора 10 в зависимости от состояния коммутатора подключен 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

1742968

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

pi = c,n c,.

Допустим, что технологический ток уменьшается (это можно обеспечить умен ьшением 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 изобра5 жается 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), 10 Предположим, что в точке 3 ток нагрузки

15 (фиг, 2) достигает порогового значения 1л, при котором величина сигнала датчика 16 тока сравняется с опорным напряжением источника 37, Компаратор 17 изменит состо15 яние (например, из нОн в н1н), что приведет к изменению состояния коммутатора 11 из состояния 1 в состояние 2. Распределение импульсов генератора 10 осуществляется теперь вторым распределителем 13, кото20 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

25 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

30 соединением катушки 23, ячейки 19, конденсатора 35, обмотки 6, ячейки 30, катушки 34, В данном случае эквивалентная индуктивность контура L равна удвоенной индуктивности L< одной из катушек, емкость С—

35 емкости Ск одного конденсатора 35 или 36, в волновое сопротивление рг = 2 L,/C, =

= 2 ð . т.е. в 2 раза увеличивается, Для поддержания выбранного значения тока 1л при увеличенном выходном сопро40 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, 45 3) в положение 3 на регулировочной харак1 теристике 42.

На внешних характеристиках (фиг, 2) положение точки 3 сохраняется, но сами характеристики изменяют конфигурацию (пунк50 тирные линии на фиг, 2), соответствуя инвертору с новыми параметрами, а именно крутизна их возрастает, прежняя мощность нагрузки достигается при большом значении fó.

При дальнейшем уменьшении тока нагрузки изображающие точки на фиг. 2 и 3 перемещаются в направлении 4, ри увеличении тока нагрузки растет частота fó, изображающая точка перемещается из положения 4 в положение 3, а если ток превышает p, компаратор 17 (фиг, 1) возвраща1742968

5

25

ЗО

40

55 ется в состояние "О", коммутатор — e 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 обраl зом, если из соображений сглаживания пульсаций тока или по другим причинам минимально допустимое значение частоты инвертирования составляет fM«, то, как видно из фиг, 3, изменение алгоритма переключения вентилей инверторных мостов, описанное выше, позволяет ограничить минимальный ток нагрузки значением

lo вместо Ir, характерного для прототипа, Расширение диапазона технологического тока в сторону меньших его значений составляет Л! = I> — lo (фиг, 3), что в практических случаях соответствует 20-30 /о. Поскольку частота инвертирования при этом не опускается ниже значения fMlnH 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 абариты этих элементов. Кроме того, их рассредоточение улучшает тепловой режим. увеличивает эффектив-. ность системы охлаждения.

При прочих равнь х 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 вторыы входам схем И 48 — 55. Вход схемы НЕ 47 подключен к второму входу схемы И 45, вторым входам схем И 56 — 63 и к выход компаратора 17, Выходы схем И 45, 46 чере."схему ИЛИ 64 и цепь первой вход — выхо 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 ИЛИ 14 реализована на элементах 6673. 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 B 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 10 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, 12

1742968

55

Из изложенного следует, что поставленная цель: расширение диапазона технологического тока в сторону малых его значений при сохранении массогабаритных показателей достигнута путем введения новых элементов и связей, а именно: автономный инвертор выполнен в виде двух мостов, выходы которых через конденсаторы подключены к первичной обмотке трансформатора, а в систему управления введены второй распределитель импульсов, коммутатор и схема

ИЛИ, выходы первого и второго распределителей через схему ИЛИ подключены к управляющим цепям тиристоров инвертора, входы через коммутатор — к выходу задающего генератора, управляющий вход коммутатора — к выходу компаратора, Предлагаемый источник питания технологических установок постоянного тока дает возможность изменения его параметров, в частности параметров схемы замещения силовой части без коммутации сильноточных цепей, и имеет устойчивые и стабильные параметры разряда при дуговой нагрузке, полученные за счет существенного (в 2 раза) роста внутреннего сопротивления источника питания и соответствующего увеличения крутизны внешней характеристики в области малых токов, где дуговой разряд наиболее подвержен внешним воздействиям.

Формула изобретения

Источник питания для технологических установок постоянного тока, содержащий последовательно соединенные входной выпрямитель, входной фильтр, последовательный тиристорный инвертор, включающий два конденсатора, выводы одних обкладок которых объединены в общую точку, и цепочку из последовательно соединенных первого индуктивного элемента, двух пар из встречно-параллельно включенных тиристора и диода каждая, и второго индуктивного элемента, причем свободные выводы индуктивных элементов образуют вход инвертора, а общая точка соединения конденсаторов и общая точка соединения указанных пар из тиристоров и диодов образуют выход инвертора, соединенный с первичной обмоткой трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен вы5 ходной выпрямитель, к выходу которого подключена цепь нагрузки, а также систему управления инвертором, содержащую задающий генератор, схему сравнения, источник напряжения задания, распределитель им10 пульсов, датчик тока, коммутатор, схему

ИЛИ, источник опорного напряжения, причем датчик тока включен последовательно с цепью нагрузки, один вход схемы сравнения соединен с источником напряжения зада15 ния, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона технологического тока в сторону малых его значений при сохранении массогабаритных показателей, параллельно входу инвертора дополнитель20 но введена вторая цепочка из последовательно соединенных третьего индуктивного элемента, двух пар из встречно-параллельно включенных тиристора и диода каждая и четвертого индуктивного элемента, т,е. образо25 ван симметричный мост, параллельно входу инвертора включен второй аналогичный мост, другие обкладки конденсаторов подключены к общим точкам соединения пар из тиристоров и диодов дополнительно введен30 ных последовательных цепочек, общие точки соединения пар тиристоров и диодов других цепочек обоих мостов объединены, в систему управления введен второй распределитель импульсов и компаратор, выходы

35 первого и второго распределителей импульсов через схему ИЛИ подключены к управляющим цепям тиристоров иíвертора, входы через коммутатор — к выходу задающего генератора, управляющий вход коммутатора—

40 к выходу компаратора, один вход которого подключен к выходу датчика тока и к первому входу схемы сравнения, другой — к источнику опорного напряжения, второй вход схемы сравнения подключен к источнику на45 пряжения задания, а выход ее — к входу задающего генератора.

1742968

° /) 9и8. Л вша

ФL! Г..б

1742968

Составитель П,Кошелев

Редактор Н.Химчук Техред М.Моргентал Корректор М Кучерявая

Заказ 2293 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101