Способ преобразования сетевого переменного напряжения в ток сварки

 

Использование: изобретение относится к источникам питания, а более конкретно к источникам питания для сварки. Сущность изобретения: способ преобразования сетевого переменного напряжения, в ток сварки включает выпрямление сетевого напряжения, преобразование выпрямленного напряжения в высокочастотное напряжение инвертора, частота которого больше частоты сетевого напряжения, трансформаторное понижение высокочастотного напряжение инвертора до напряжения, необходимого для создания тока сварки. Выпрямление сетевого напряжения осуществляют с одновременным умножением сетевого напряжения в N раз, где N больше или равно 1,5. Это позволяет применить более дешевые транзисторы, имеющие меньшие рабочие токи, при максимально допустимом напряжении между коллектором и эмиттером (V_{эм/колл}), большем напряжения сети (V_сети) в указанные N раз. Источник питания, реализующий данный способ, имеет небольшие габариты, вес и стоимость. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к источникам питания, а более точно, к источникам питания для сварочных аппаратов.

Известны способы преобразования сетевого напряжения в ток сварки, включающие понижение сетевого напряжения до напряжения сварки, выпрямление и сглаживание пониженного напряжения. Такие способы реализуют с помощью традиционных источников питания для сварки на постоянном токе, имеющих трансформатор для понижения сетевого переменного напряжения до 40-85 В и тиристорный выпрямитель для выпрямления пониженного напряжения и изменения величины тока, при этом заданный постоянный ток подается к сварочному электроду через нагрузочный дроссель, обеспечивающий сглаживание пульсаций. Такие способы обуславливают большой вес и габариты источников из-за громоздкости низкочастотных трансформаторов и дросселя. Управление тиристором достаточно сложно, кроме того, тиристоры имеют существенные ограничения по быстродействию, что оказывается важным при применении других схем преобразования.

Для преодоления указанных недостатков применяются способы преобразования сетевого напряжения в ток сварки, включающие выпрямление сетевого напряжения, преобразование выпрямленного сетевого напряжения в высокочастотное напряжение инвертора, частота которого больше частоты сетевого напряжения, трансформаторное понижение высокочастотного напряжения инверторанапряжения, необходимого для создания тока сварки, выпрямление и сглаживание пониженного напряжения. Такие способы реализуют с помощью инверторных источников питания для сварки, использующих высокочастотные транзисторы (F > 2 кГц) инверторы, которые преобразуют выпрямленное сетевое переменное напряжение в переменное напряжение высокой частоты. Преобразованное напряжение понижается выходным трансформатором и выпрямляется, после чего подается на сварочный электрод через нагрузочный дроссель. Трансформатор и дроссель, работающие на высокой частоте, имеют значительно меньшие габариты и вес.

Такие способы преобразования сетевого напряжения в ток сварки описаны (авт. св. СССР N 1348105, кл. В 23 К 9/10, 9/00, 1987 и N 675555, кл. Н 02 М 3/335, 1979, а также в патенте США N 4503316, кл. В 23 К 9/10, 1985 наиболее близкий аналог).

Способ преобразования сетевого напряжения в ток сварки, описанный в указанном патенте США, реализуется с помощью устройства, содержащего множество инверторных источников питания, схему параллельного соединения инверторных источников питания, датчик общего выходного тока и датчики выходного тока каждого из инверторов. Каждый инверторный источник питания содержит выпрямитель сетевого напряжения, транзисторный инвертор с двухтактной схемой, в диагональ которой включена первичная обмотка выходного трансформатора, причем вторичная обмотка выходного трансформатора подключена к выпрямителю нагрузочного тока. Выпрямитель через нагрузочный дроссель подключен к выходу устройства, где включены датчик тока данного инверторного источника питания и датчик общего тока всех инверторов, а также датчик выходного напряжения. Этот инверторный источник питания содержит также устройство для задания сварочного тока и узел управления шириной импульсов (ШИМ), которые подаются на базы транзисторов двухтактной схемы инверторного источника питания. Датчики и устройства для задания сварочного тока подключены к схеме сравнения, которая подсоединена к ШИМ.

Способ преобразования сетевого напряжения в ток сварки, описанный в указанном патенте США, имеет следующие недостатки. При высокочастотном преобразовании в инверторе используются транзисторы, которые должны пропускать значительный ток при сравнительно невысоком (равном сетевому) напряжении. Такие транзисторы являются достаточно мощными и имеют большие габариты и стоимость. Выходной трансформатор в этом случае имеет первичную обмотку из сравнительно толстых проводов, что сказывается на габаритах из-за недостаточного коэффициента заполнения окна трансформатора.

Способ преобразования сетевого напряжения в ток сварки позволяет использовать для высокочастотного преобразования в инверторе транзисторы с меньшими токами и большими напряжениями между коллектором и эмиттером и, соответственно, менее дорогие.

Способ преобразования сетевого напряжения в ток сварки позволяет использовать для понижения высокочастотного напряжения инвертора трансформатор с более тонким проводом первичной обмотки и, соответственно, с более высоким коэффициентом заполнения окна трансформатора. Таким образом, способ преобразования сетевого напряжения в ток сварки позволяет реализовать источник питания, имеющийуменьшенную удельную массу источника на единицу сварочного тока (менее 0,4 кг/А), потребляемую мощность, габариты и стоимость.

Существенные признаки способа преобразования сетевого напряжения в ток сварки включают: выпрямление сетевого напряжения, преобразование выпрямленного напряжения в выскочастотное напряжение инвертора, частота которого больше частоты сетевого напряжения, трансформаторное понижение высокочастотного напряжения инвертора до напряжения, необходимого для создания тока сварки, (далее указаны отличительные признаки) причем выпрямление сетевого напряжения осуществляют с одновременным умножением сетевого напряжения в N раз, где N больше или равно 1,5.

Кроме того, в другом варианте осуществления способа пониженное высокочастотное напряжение инвертора выпрямляют и сглаживают до подачи на сварочные электроды.

Кроме того, в другом варианте осуществления способа высокочастотный ток инвертора распараллеливают между несколькими транзисторами инвертора, имеющими максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером (U_{эм/колл}), большее напряжения сети (U_сети) в указанные N раз.

Указанные технические решения в совокупности обеспечивают достижение указанных выше технических результатов.

Далее приводится описание предпочтительного варианта выполнения изобретения. описания.

На фигуре 1 источник питания, реализующий предложенный способ; на фигуре 2 транзисторная ячейка; на фигуре 3 устройство формирования базовых токов транзисторов; на фигуре 4 вспомогательный источник питания и стабилизатор напряжения; на фигуре 5 выпрямитель нагрузочного тока с нагрузочным дросселем и датчиком нагрузочного тока; на фигуре 6 выпрямитель сетевого напряжения. на фигуре 7 узел выдачи управляющих сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); на фигуре 8 временные диаграммы работы источника питания; на фигуре 9 вольт-амперная характеристика источника питания.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 выпрямитель сетевого напряжения; 2 транзисторный инвертор; 3 выпрямитель нагрузочного тока; 4 - узел выдачи управляющих сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); 5 - датчик нагрузочного тока; 6 первый конденсатор транзисторного инвертора; 7 - второй конденсатор транзисторного инвертора; 8 первая транзисторная ячейка транзисторного инвертора; 9 вторая транзисторная ячейка транзисторного инвертора; 10 выходной трансформатор; 11 первичная обмотка выходного трансформатора; 12 вторичные обмотки выходного трансформатора; 13 - управляющий трансформатор; 14 обмотка запуска управляющего трансформатора; 15 первая обмотка базового тока управляющего трансформатора; 16 вторая обмотка базового тока управляющего трансформатора; 17 первая управляющая обмотка управляющего трансформатора; 18 вторая управляющая обмотка управляющего трансформатора; 19 схема формирования базового тока транзистора; 20 вход управления ШИМ; 21 первый выход ШИМ; 22 второй выход ШИМ; 23 вспомогательный источник питания; 24 формирующий дроссель; 25 стабилизатор напряжения; 26 первый рекуперационный диод; 27 второй рекуперационный диод; 28 вспомогательная обмотка выходного трансформатора; 29 вход питания ШИМ; 30 выход источника питания для сварки; 31 первый транзистор транзисторной ячейки; 32 второй транзистор транзисторной ячейки; 33 согласующий трансформатор; 34 первая обмотка согласующего трансформатора; 35 вторая обмотка согласующего трансформатора; 36 токовый вход транзисторной ячейки; 37 первый резистор транзисторной ячейки; 38 - второй резистор транзисторной ячейки; 39 токовый выход транзисторной ячейки; 40 делитель базового тока смещения; 41 резистор схемы формирования базового тока; 42 диод схемы формирования базового тока; 43 конденсатор схемы формирования базового тока; 44 выход схемы формирования базового тока транзистора; 45 вход вспомогательного источника питания; 46 двухтактная схема (диодный мост); 47 конденсатор вспомогательного источника питания; 48 выход вспомогательного источника питания; 49 вход стабилизатора напряжения; 50 резистор стабилизатора напряжения; 51 стабилитрон стабилизатора напряжения; 52 конденсатор стабилизатора напряжения; 53 - выход стабилизатора напряжения, соединенный с ШИМ; 54 схема зашиты; 55 - выход стабилизатора напряжения, соединенный с общей точкой управляющих обмоток 17, 18 управляющего трансформатора 13; 56 первый вход выпрямителя нагрузочного тока; 57 второй вход выпрямителя нагрузочного тока; 58 первый диод выпрямителя нагрузочного тока; 59 второй диод выпрямителя нагрузочного тока; 60 нагрузочный дроссель; 61 вход сетевого напряжения; 62 первый диод выпрямителя сетевого напряжения; 63 второй диод выпрямителя сетевого напряжения; 64 первый конденсатор выпрямителя сетевого напряжения; 65 - второй конденсатор выпрямителя сетевого напряжения; 66 выход выпрямителя сетевого напряжения; 67 схема формирования импульсов ШИМ; 68 первый транзистор усилителя импульсов ШИМ; 69 второй транзистор усилителя импульсов ШИМ; 70 первый делитель базового тока смещения; 71 второй делитель базового тока смещения; 72 первый выход схемы формирования импульсов ШИМ; 73 второй выход схемы формирования импульсов ШИМ; 74 база транзистора 68; 75 база транзистора 69.

Предложенный способ преобразования сетевого напряжения в ток сварки предусматривает выполнение следующих основных операций. Вначале производится выпрямление переменного сетевого напряжения с умножением в N раз сетевого напряжения, где N больше или равно 1,5. Конкретное значение N определяется максимально допустимым напряжением между коллектором и эмиттером выбранных для инвертора транзисторов. При дальнейшем описании принято, что N равно 2. При этом получается достаточно простая схема реализации умножения и достаточно сильно проявляется полезный эффект предложенного способа.

Затем полученное повышенное постоянное напряжение подается в качестве питающего напряжения на инвертор, где осуществляется преобразование постоянного напряжения в высокочастотное напряжение. Транзисторы инвертора работают при повышенном напряжении и при уменьшенных токах.

В некоторых случаях ток в инверторе может распараллеливаться на нескольких совместно работающих транзисторах, что позволяет применить менее мощные транзисторы.

Высокочастотное напряжение инвертора подается на выходной трансформатор, где осуществляется его понижение до величины напряжения сварки. Затем, в случае необходимости, осуществляется выпрямление высокочастотного напряжения и его сглаживание.

Дальнейшее описание предложенного способа осуществляется на примере работы источника питания для сварки, реализующего предложенный способ.

Источник питания для сварки (фиг.1) содержит выпрямитель сетевого напряжения 1, транзисторный инвертор 2, выпрямитель нагрузочного тока 3, узел выдачи управляющих сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) 4, датчик нагрузочного тока 5, вспомогательный источник питания 23, стабилизатор напряжения 25. Выпрямитель сетевого напряжения 1 подключен к входу транзисторного инвертора 2, выход которого подсоединен к выпрямителю нагрузочного тока 3 и к вспомогательному источнику питания 23. К выходу выпрямителя нагрузочного тока 3 подключена нагрузка сварочный электрод и свариваемый материал (на фиг.1 не показаны). В цепи тока на выходе выпрямителя нагрузочного тока 3 установлен датчик нагрузочного тока 5. Датчик нагрузочного тока 5 подключен к входу управления 20 ШИМ 4.

Вспомогательный источник питания 23 подключен к стабилизатору напряжения 25, выход которого подключен для подачи электропитания к входу 29 ШИМ 2. Выходы 21 и 22 ШИМ подключены к транзисторному инвертору 2. Транзисторный инвертор 2 содержит две одинаковые транзисторные ячейки 8 и 9, включенные последовательно, и два включенных последовательно конденсатора 6 и 7. Транзисторные ячейки 8 и 9 и конденсаторы 6 и 7 образуют двухтактную схему (полумост), одна диагональ которой (точка соединения ячейки 8 и конденсатора 6 точка соединения ячейки 9 и конденсатора 7) соединена с выходами выпрямителя 1 сетевого напряжения, а во вторую диагональ (точка соединения ячеек 8 и 9 точка соединения конденсаторов 6 и 7) включены первичная обмотка 11 выходного трансформатора 10 и формирующий дроссель 24. Выходной трансформатор 10 имеет две вторичные обмотки 12, имевшие общую среднюю точку, и вспомогательную обмотку 28, обеспечивающую подачу переменного тока на вспомогательный источник питания 23.

Транзисторный инвертор 2 имеет также управляющий трансформатор 13, предназначенный для подачи сигналов управления от узла 4 к базам транзисторов ячеек 8 и 9. Управляющий трансформатор 13 имеет обмотку запуска 14, первую 15 и вторую 16 обмотки базового тока транзисторов ячеек 8 и 9 и первую 17 и вторую 18 управляющие обмотки. Первая обмотка базового тока 15 через схему формирования базового тока транзистора 19 подключена к транзисторной ячейке 8, а вторая обмотка базового тока 16 через схему формирования базового тока транзистора 19 подключена к транзисторной ячейке 9. Обмотка запуска 14 включена между средней точкой соединенных последовательно ячеек 8 и 9 и формиpующим дросселем 24, при этом формирующий дроссель 24 и первичная обмотка 11 выходного трансформатора 10, как уже упоминалось, представляют собой диагональ двухтактной схемы инвертора 2. Первая 17 и вторая 18 управляющие обмотки управляющего трансформатора 13 соединены и подключены к выходу стабилизатора напряжения 25. Другие концы обмоток 17 и 18 подключены к выходам 21 и 22 (соответственно) ШИМ 4. Транзисторный инвертор 2 имеет также два последовательно соединенных рекуперационных диода 26 и 27, которые подключены к выходу выпрямителя сетевого напряжения 1, их точка соединенияподключена к точке соединения обмотки запуска 14 и формирующего дросселя 24.

На фиг. 2 показана транзисторная ячейка 8 (ячейка 9 полностью ей идентична), которая входит в состав инвертора 2. Ячейка 8 содержит два транзистора 31 и 32, коллекторы которых соединены и подключены к токовому входу ячейки 8. Ячейка 8 содержит также согласующий трансформатор 33, имеющий две соединенные обмотки 34 и 35. Эмиттеры транзисторов 31 и 32 подключены к концам обмоток 34 и 35 (соответственно), средняя точка этих обмоток является токовым выходом 39 транзисторной ячейки 8. Ячейка 8 имеет резисторы 37 и 38, подключенные к базам транзисторов 31 и 32, и резисторный делитель напряжения 40, обеспечивающий необходимые токи и напряжения на базах транзисторов 31 и 32. Транзисторы 31 и 32 имеют максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером в N раз больше сетевого напряжения (в рассматриваемом простейшем случаев N равно 2), о чем подробнее будет написано при рассмотрении работы устройства.

На фиг. 3 показана схема формирования базового тока 19, подключенная своим выходом 44 к входу транзисторной ячейки 8 (к резистору 37). Схема 19 содержит параллельно соединенные конденсатор 43 и последовательную цепочку из диода 42 и резистора 41.

На фиг.4 показаны вспомогательный источник питания 23, стабилизатор 25 и схемы защиты 54. Вспомогательный источник питания 23 содержит диодный мост 46 и конденсатор 47. Вход 45 вспомогательного источника питания 23 подключен к вспомогательной обмотке 28 выходного трансформатора 10. Выход 48 источника питания 23 подключен к входу 49 стабилизатора напряжения 25, содержащего резистор 50, стабилитрон 51 и конденсатор 52. Схема защиты 54 в данном конкретном случае представлена в виде диода, с выхода которого 55 напряжение питания подается на общую точку управляющих обмоток 17 и 18 управляющего трансформатора 13. Далее, другие концы обмоток 17 и 18 подключены к выходам 21 и 22 (соответственно) узла ШИМ 4, а более точно через нагрузочные резисторы к коллекторам транзисторов выходных усилителей ШИМ 4. Диод 54 защищает транзисторы выходных усилителей ШИМ от обратных напряжений, которые могут возникнуть в обмотках 17 и 18. Выход 53 стабилизатора напряжения 25е подключен к ШИМ 4 для питания его схем.

Следует отметить, что конкретные схемы вспомогательного источника питания 23 и стабилизатора напряжения 25 могут быть различными, но они должны обеспечивать работу ШИМ 4 во всех режимах работы источника питания для сварки, кроме момента его включения.

На фиг.5 показаны выпрямитель нагрузочного тока 3 и датчик нагрузочного тока 5. Выпрямитель нагрузочного тока 3 содержит нагрузочный дроссель 60 и два диода 58 и 59, у которых два полюса одного знака соединены. Входы 56 и 57 выпрямителя нагрузочного тока 3 образованы другими (не соединенными между собой) полюсами диодов 58 и 59 и выводом дросселя 60. Входы 56 и 57 выпрямителя нагрузочного тока 3 подключены к вторичным обмоткам 12 выходного трансформатора 10.

Датчик нагрузочного тока 5 показан в виде резистора, включенного последовательно в цепь нагрузочного тока. Напряжение с резистора 5 подается на вход 20 узла ШИМ 4. Датчик 5 может быть выполнен по-разному. Например, резистор может бытьустановлен последовательно с первичной обмоткой 11 трансформатора 10 или в качестве датчика тока может быть использован отдельный трансформатор.

В источнике питания для сварки для управления ШИМ может также использоваться напряжение в межэлектродном промежутке, для чего выход источника питания подключается к дополнительному входу управления ШИМ 4 (на рисунках не показан).

Выпрямитель сетевого напряжения 1 (фиг.6) выполнен по схеме умножителя напряжения, в данной конкретной схеме удвоителя напряжения. Он содержит цепочку из двух последовательно соединенных диодов 62 и 63 и цепочку из двух последовательно соединенных конденсаторов 64 и 65. Обе цепочки соединены своими концами (т.е. включены параллельно). Сетевое напряжение подается на вход 61, который подсоединен к точкам соединения диодов 62 и 63 и конденсаторов 64 и 65, а полюса выхода 66 выпрямителя сетевого напряжения соединены с общими точками соединения обеих указанных цепочек диодов и конденсаторов.

На фиг. 7 показан узел выдачи управляющих сигналов с широтно-импульсной модуляцией 4. Этот узел может быть устроен традиционным способом и содержать схему уставки напряжения, с которым сравнивается напряжение, снимаемое с датчика 5 нагрузочного тока; генератор, задающий частоту работы инвертора 2; формирователь-модулятор ширины выдаваемых импульсов в зависимости от результатов сравнения напряжения датчика 5 с напряжением уставки; усилители, работающие на управляющие обмотки 17 и 18 управляющего трансформатора 13.

Необходимые ограничения на работу узла 4 ШИМ, временные диаграммы на фиг.8 и вольт-амперная характеристика на фиг.9будут описаны при рассмотрении работы источника питания для сварки.

В качестве узла 4 ШИМ может быть использована схема 67 формирования импульсов ШИМ с двумя токовыми усилителями на транзисторах 68 и 69. Схемой 67 может быть, например микросхема "XR-494 PULSE-WIDTH MODULATING REGULATOR, описанная в справочнике ("IC MASTER", 1983, том 2, с. 3189). Базы 74 и 75 транзисторов 68 и 69 соединены соответственно с задающими напряжение делителями 70 и 71 и выходами 72 и 73 схемы 67. Коллекторы транзисторов 68 и 69 через выходы 21 и 22 подключены к обмоткам 17 и 18 трансформатора 13. Выход стабилизатора 25 соединен с входом питания 29 узла ШИМ.

Предлагаемый источник питания для сварки работает следующим образом.

Сетевое напряжение промышленной частоты (например 220 В) подается на вход 61 (фиг. 6) выпрямителя 1 сетевого напряжения (фиг.1). Выпрямитель 1 представляет собой схемы "удвоения", где каждый из конденсаторов 64 и 65 поочередно заряжается полуволной выпрямленного напряжения, а суммарное выпрямленное напряжение, превышающее 600 В, поступает на выход 66. Это выпрямленное напряжение питает транзисторный инвертор 2 (фиг.1). В момент включения источника питания происходит самовозбуждение инвертора. Рассмотрим первые такты работы инвертора без учета влияния ШИМ. Ток, проходящий от токового входа 36 транзисторной ячейки 8 до токового выхода 39 транзисторной ячейки 9 через резисторы делителей базового тока смещения 40 обеих ячеек, создает небольшое открывающее напряжение смещения, через резисторы 37 и 38 (фиг.2) поступающее на базы транзисторов 31 и 32. При появлении выпрямленного сетевого напряжения первымприоткроется транзистор, у которого коэффициент усиления по току наибольший. Допустим, что открылся транзистор 31 ячейки 8, которая таким образом оказалась открытой (взаимодействие транзисторов 31 и 32 между собой будет рассмотрено ниже). Ток от первого полюса выпрямителя через токовый вход 36 поступает в ячейку 8. С токового выхода 39 транзисторной ячейки 8 через обмотку 14 трансформатора 13, обмотку дросселя 24, первичную обмотку 11 трансформатора 10 и конденсатор 7 ток поступает к другому полюсу выпрямителя 1 сетевого напряжения. Ток, протекающий через обмотку 14 имеет одно направление, когда открыта ячейка 8, и противоположное направление, когда открыта ячейка 9.

При протекании этого тока по обмотке 14 на обмотке 15 возникает напряжение, создающее ток через схему 19 формирования базового тока транзистора и сопротивления 37 и 38, который полностью открывает и поддерживает транзисторную ячейку 8 в открытом состоянии, а в обмотке 16 возникает напряжение, закрывающее транзисторную ячейку 9. Ток через ячейку 8 будет протекать до завершения насыщения сердечника трансформатора 13. При этом пропадает напряжение на обмотке 15 и прекратится базовый ток через схему формирования 19. Пропадание тока через ячейку 8 и обмотку 14 вызовет под действием самоиндукции появление в сердечнике магнитного потока обратного направления. Этот магнитный поток вызывает появление на обмотках трансформатора 13 импульса напряжения обратного направления. Напряжение на обмотке 15 закрывает транзисторы ячейки 8, а напряжение на обмотке 16 создает ток, открывающий транзисторную ячейку 9. Когда транзисторная ячейка 9 открывается, создается следующая цепь протекания тока инвертора: от первого полюса выпрямителя черезконденсатор 6, первичную обмотку 11 трансформатора 10, обмотку дросселя 24, через обмотку 14 трансформатора 13, токовый вход 36 ячейки 9, через ячейку 9, с токового выхода 39 ячейки 9 к другому полюсу выпрямителя 1 сетевого напряжения. Этот ток протекает до завершения насыщения сердечника трансформатора 13 в обратном (относительно направления магнитного потока, наводимого током через ячейку 8) направлении. Затем цикл перемагничивания повторяется.

Магнитные потоки в сердечнике трансформатора 13, создаваемые токами ячеек 8 и 9, направлены противоположно. Обмотки 15 и 16 намотаны встречно и таким образом относительно обмотки 14, что при открытой ячейке, например 8, напряжение, находящееся на обмотке 15, поддерживает открывающий ячейку 8 базовый ток, а напряжение на обмотке 16 закрывает ячейку 9. Аналогично, ток открытой ячейки 9, проходя через обмотку 14, наводит в обмотке 16 напряжение, поддерживающее ток, открывающий ячейку 9, и напряжение на обмотке 16, закрывающее ячейку 8.

Описанная работа инвертора изменяется под воздействием ШИМ 4, который самовозбуждается и начинает работать, как только на вторичной вспомогательной обмотке 28 трансформатора 10 возникает напряжение, достаточное для того, чтобы заработал вспомогательный источник питания 23 и через стабилизатора 25 подал питание на ШИМ 4. Схема 67 формирования импульсов ШИМ (фиг.7) создает на своих выходах 72 и 73 попарно-симметричные управляющие импульсы (фиг. 8 а, b), которые с постоянной частотой поступают на базы транзисторов 68 и 69 усилителей. Эти импульсы не перекрываются во времени, т.е. между их появлением существует пауза, например импульс на выходе 72 начинается спустя некоторое время после того, как прекратился импульс навыходе 73. При отсутствии управляющих импульсов транзисторы 68 и 69 усилителя импульсов ШИМ открыты и через них протекают токи I₁ и I_z (фиг.8 с, d), которые перекрываются во времени. Управляющие импульсы, поступая на базы 74 и 75 транзисторов 68 и 69 усилителя импульсов ШИМ, закрывают эти транзисторы, причем во время паузы открытыми бывают оба транзистора 68 и 69. (Во время паузы обмотки 17 и 18 оказываются закороченными одна на другую, при этом они шунтируют все вторичные обмотки). Токи транзисторов 68, 69 протекают от выхода 55 (фиг.4) стабилизированного вспомогательного источника питания через обмотки 17 и 18 на землю. Когда с появлением импульса на выходе 72 схемы 67 (фиг.7) закрывается транзистор 68, первая 17 управляющая обмотка управляющего трансформатора 13, соединенная с выходом 21, размыкается, ток I₁ по ней прекращается (фиг.8 с). По второй 18 управляющей обмотке управляющего трансформатора 13 продолжает течь ток I_z. Ток I_z создает магнитный поток, наводящий на обмотках 15 и 16е "пички" напряжения (фиг.8 е, f) на базах транзисторов транзисторных ячеек 8 и 9. Один из "пичков" напряжения создает ток I_в1, открывающий ячейку, например 8 (фиг. 8 g). Ток через открывшуюся ячейку 8, проходя по обмотке 14, создает магнитный поток, который поддерживает ячейку 8 открытой (до следующей паузы).

Затем опять начинается импульс тока I₁ (фиг. 8с), оба транзистора 68 и 69 оказываются открытыми и возникает следующая пауза, которая заканчивается с окончанием импульса тока I_z (фиг. 8 d). По окончании этой паузы закрывается транзистор 69, размыкается вторая управляющая обмотка 18 управляющего трансформатора 13, соединенная с выходом 22, ток по ней прекращается, возникает импульс напряжения (фиг. 8 f),порождающий пичок тока в базы транзисторов ячейки 9 (фиг. 8 h), который открывает эту ячейку и т.д.

Ширина импульсов U_шим1, U_шим2 (фиг.8 а, b) на выходах 72 и 73 одинакова, она зависит от сигнала, поступающего на вход 20 схемы 67 формирования импульсов ШИМ. Этот сигнал приходит с датчика 5 нагрузочного тока. Параметры схемы подбираются таким образом, чтобы собственная частота самовозбуждения инвертора 2 была ниже частоты работы ШИМ 4 в полтора-два раза. Поэтому временные характеристики работы транзисторных ячеек определяются импульсами ШИМ.

Напряжение, возникающее на вспомогательной обмотке 28 трансформатора 10, подается на вход 45 вспомогательного источника питания 23, выпрямляется двухтактной схемой 46, сглаживается конденсатором 47 и через выход 48 вспомогательного источника питания 23 поступает на вход 49 стабилизатора напряжения 25. Далее, напряжение делится между балластным резистором 50 и стабилитроном 51, сглаживается конденсатором 52 и через выход 53 подается для питания ШИМ. На другой выход 55, соединенный с общей точкой первой 17 и второй 18 управляющих обмоток трансформатора 13, напряжение поступает через схему защиты 54, не пропускающую к стабилизатору 25 импульсы обратного напряжения, возникающие при перемагничивании трансформатора 13.

Переменное напряжение, образующееся в диагонали транзисторно-конденсаторного полумоста, прикладывается к первичной обмотке 11 выходного трансформатора 10, трансформируется во вторичную обмотку 12. Переменный ток (фиг.8 k) выпрямляется выпрямителем 3 нагрузочного тока, сглаживается (фиг.8 l) нагрузочным дросселем 60 и через датчик 5нагрузочного тока подается на выход 30 источника питания. Нагрузочный дроссель уменьшает пульсацию тока на выходе до 15% Разберем работу транзисторной ячейки с двумя транзисторами 31 и 32, изображенную на фиг.2. Обмотки 34 и 35 трансформатора 33 включены в цепи эмиттеров в противофазе. Поэтому ток транзистора 32 втекает в начало обмотки 35, а ток транзистора 31 в конце обмотки 34. При равных токах транзисторов 31 и 32 намагниченность трансформатора 33 равна нулю. Если при включении транзисторов один из них начнет включаться раньше, то ток открытого транзистора начнет наводить на обмотке еще запертого транзистора напряжение, которое усилит базовый ток последнего и ускорит его отпирание. Аналогично, если один из транзисторов запирается раньше другого, ток еще открытого транзистора наводит на обмотке запирающегося транзистора напряжение, усиливающее его базовый ток, и задерживает его запирание. Таким образом, предложенная схема транзисторной ячейки обеспечивает одновременное отпирание и запирание транзисторов 31 и 32, а также симметрию их работы в открытом состоянии.

Мощные транзисторы имеют существенное время рассасывания носителей при переключении. Из-за этого при уменьшении длительности импульса на выходе инвертора в той части рабочего диапазона токов, где токи уменьшаются, возникает нестабильность работы инвертора. Эта нестабильность может быть уменьшена за счет снижения рабочей частоты инвертора, что нежелательно, т.к. влечет за собой увеличение веса и габаритов трансформаторов. Другим способом уменьшения времени рассасывания может быть уменьшение токов транзисторов. Этот может быть достигнуто за счет соответствующего повышения первичного постоянного напряжения и применения "распределенной" нагрузки, например, описанной выше параллельной работы нескольких менее мощных и более высоковольтных транзисторов. Кроме того, менее мощные, хотя и более высоковольтные транзисторы значительно дешевле и в большей степени освоены отечественной промышленностью.

В момент выключения транзисторов в описанной выше паузе между импульсами дроссель 24 и выходной трансформатор 10 будут иметь запас энергии и будут создавать ЭДС, которая будет поддерживать протекание тока по обмоткам дросселя и трансформатора в прежнем направлении. Этот ток будет замыкаться, например, через конденсатор 7 и рекуперационный диод 27 и по параллельной цепи через конденсатор 6, конденсаторы 64, 65 выпрямителя сетевого напряжения диод 27. Таким образом, энергия, накопленная в дросселе и выходном трансформаторе, уменьшает пульсацию тока нагрузки и уменьшает энергию, потребляемую из сети.

На фиг. 9 показана вольт-амперная характеристика источника питания для сварки. При этом, источник питания для сварки работает в двух режимах. Первый режим характеризуется одновременным линейным увеличением сварочного тока I_св от I_MIND (дуги) и уменьшением напряжения U₁ в межэлектродном промежутке от U_хх (холостого хода) до U_2св (сварки) при постепенном сближении электродов. Импульсы ШИМ при работе источника питания в первом режиме имеют постоянную ширину, а линейность вольт-амперной характеристики обеспечивается действием формирующего дросселя 24. Первый режим завершается и начинается второй режим, когда сварочный ток I_cв достигает некоторого порогового значения I_МАХИ (источника), величина которого задается опорным напряжением уставки в ШИМ 4. Во втором режиме источник питания для сварки работает как генератор тока, т.е. при дальнейшем сближении электродов и уменьшении напряжения в межэлектродном промежутке, сварочный ток I_МАХИ остается практически постоянным. Это достигается с помощью соответствующего уменьшения ширины импульсов ШИМ 4.

При известных способах преобразования сетевого напряжения в ток сварки напряжение сети U_c понижается с помощью выходного трансформатора. При этом в инверторе используются транзисторы, имеющие максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭМАХ несколько большее, чем U_c. Такие транзисторы являются достаточно мощными, пропускают значительный ток, но имеют большие габариты и стоимость. Выходной трансформатор в этом случае имеет первичную обмотку из сравнительно толстых проводов, что сказывается на габаритах трансформатора.

В предложенном способе преобразования сетевого напряжения в ток сварки сетевое напряжение сначала преобразуется в N раз большее выпрямленное напряжение (например, в два раза большее) путем использования схемы умножения (удвоения) напряжения. Таким образом, на выходе выпрямителя сетевого напряжения создается напряжения N·U_c, а в инверторе используются высоковольтные транзисторы, у которых U_КЭМАХ, больше, чем N·U_c.

Очевидно, что в этом случае ток, проходящий через транзисторы и первичную обмотку выходного трансформатора будет в N раз меньше, чем в прототипе. Это позволяет использовать более дешевые и меньшие по габаритам транзисторы, имеющие меньшие токи и более высокое рабочее напряжение. Кроме того, используется менее толстый провод для первичной обмотки выходного трансформатора (правда, число витков этой обмотки увеличивается). Более тонкий провод плотнее укладывается в трансформаторе, что дает известные преимущества по весу, габаритам и стоимости трансформатора.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает уменьшение удельной массы источника на единицу сварочного тока (до величины менее 0,04 кг/А), габаритов, потребляемой мощности и стоимости.

Формула изобретения

1. Способ преобразования сетевого переменного напряжения в ток сварки, включающий выпрямление сетевого напряжения, преобразование выпрямленного напряжения инвертором в высокочастотное напряжение, частота которого больше частоты сетевого напряжения, трансформаторное понижение высокочастотного напряжения инвертора до напряжения, необходимого для создания тока сварки, отличающийся тем, что выпрямление сетевого напряжения осуществляют с одновременным умножением сетевого напряжения в N раз, где N больше или равно 1,5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после понижения высокочастотного напряжения его выпрямляют и сглаживают до подачи на сварочные электроды.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что высокочастотный ток пропускают через несколько параллельно установленных транзисторов, имеющих максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером больше напряжения сети в указанные N раз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9