Мощный источник питания постоянного тока

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания устройств электросварки, резки, электролиза. Техническим результатом является повышение КПД, универсальность применения, повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей. Устройство содержит входной выпрямитель, три первых вывода которого служат для подключения к фазным выводам сетевого источника питания, а четвертый - к нулевому выводу. Выход входного выпрямителя подключен к выводам питания инвертора, состоящего из двух последовательно соединенных по питанию регулируемых по частоте токостабилизирующих ячеек, соединенных по выходу параллельно. За счет организации искусственного нулевого вывода в общей точке ячеек напряжения, прикладываемые к ним, всегда одинаковы, при любом разбалансе потребляемых ими мощностей, при запитке схемы только от фазного питания без нулевого вывода. Постоянство выходного тока поддерживается за счет частотного регулирования токостабилизирующих ячеек, работающих в импульсном или пакетно-импульсном режимах. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании устройств, служащих для электросварки, резки, электролиза.

Известен мощный источник питания постоянного тока для электросварочного аппарата, содержащий входной выпрямитель, входные выводы которого подсоединены к источнику сетевого питания по однофазной схеме питания, а выходные - к инвертору с выходным выпрямителем, преобразующему постоянное напряжение в постоянный выходной ток (1).

Недостатком известного устройства являются низкие массо-габаритные показатели и малая выходная мощность.

Наиболее близким к данному изобретению является мощный источник питания постоянного тока, содержащий входной выпрямитель, входные выводы которого служат для подсоединения к фазным и нулевому выводам сетевого источника питания, выходные выводы подключены к выводам питания инвертора, выходом соединенного через выходной выпрямитель с выходными выводами, служащими для подключения нагрузки (2).

Известное устройство (2) состоит из трех идентичных блоков с однофазными выпрямителями, соединенными с соответствующими инверторами, преобразующими постоянное напряжение в стабилизированный постоянный ток. Данный источник питания может работать только при наличии нулевого вывода в схеме, что ограничивает область его применения, т.к. в ряде случаев к устройствам предъявляются требования организации питания без нулевого вывода. Кроме того, устройство имеет низкий КПД (из-за большой потребляемой мощности) и низкие массо-габаритные показатели (из-за наличия трех инверторных блоков с соответствующими выпрямителями).

Техническим результатом, который может быть достигнут при использовании данного изобретения, является повышение КПД, универсальность применения (возможность работы с нулевым выводом и без него) при одновременном повышении надежности и улучшении массо-габаритных показателей.

Технический результат достигается тем, что в мощном источнике питания постоянного тока, содержащем входной выпрямитель, входные выводы которого служат для подсоединения к фазным и нулевому выводам сетевого источника питания, выходные выводы подключены к выводам питания инвертора, выходом соединенного через выходной выпрямитель с выходными выводами, служащими для подключения нагрузки (2), входной выпрямитель содержит четыре входных вывода, три из которых служат для подсоединения к фазным выводам сетевого источника питания, а четвертый - к нулевому, а указанное подсоединение соответствующих выводов источника сетевого питания осуществлено либо к первому и четвертому, либо к первому и второму, либо к первому, второму и третьему, либо ко всем четырем входным выводам входного выпрямителя, при этом указанные три входных вывода входного выпрямителя соединены друг с другом через соответствующие прямо смещенные диоды, образуя первый выходной вывод входного выпрямителя, и через соответствующие обратно смещенные диоды, образуя второй вывод входного выпрямителя, причем оба выходных вывода входного выпрямителя подключены к высокоомному делителю напряжения, инвертор выполнен на двух регулируемых по частоте с постоянной нулевой паузой между импульсами токостабилизирующих ячейках, последовательно соединенных по питанию, общая точка которых присоединена к четвертому входному выводу входного выпрямителя и к одному из выводов дифференциального датчика, второй вывод которого подключен к средней точке высокоомного делителя напряжения, причем дифференциальный датчик выполнен в виде двух встречно-параллельно соединенных светодиодов, являющихся входными цепями оптронов, выходные цепи которых подключены параллельно токозадающим резисторам соответствующих токостабилизирующих ячеек, вторичные обмотки выходных трансформаторов которых через выходные выпрямители соединены параллельно, образуя выходные выводы устройства, при этом каждая из токостабилизирующих ячеек выполнена на транзисторах, соединенных по полумостовой схеме, в диагональ переменного тока которой включены соответствующие последовательно соединенные первичная обмотка выходного трансформатора, токоограничивающий дроссель и первичная обмотка токового трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к соответствующему выпрямителю обратной связи, выход которого через последовательно соединенные токорегулирующий и токозадающий резисторы присоединен к управляющему входу соответствующего узла обратной связи по току, обеспечивающего работу токостабилизирующей ячейки в импульсном или пакетно-импульсном режимах.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства.

Устройство содержит входной выпрямитель, имеющий четыре входных вывода, три из которых 1-3 служат для подсоединения к фазным выводам источника сетевого питания, а четвертый 4 - к нулевому выводу. Подсоединение указанных выводов сетевого источника питания осуществлено либо к 1 и 4 входным выводам входного выпрямителя (режим однофазного питания схемы), либо к 1 и 2 входным выводам (режим двухфазного питания), либо к 1, 2, 3 входным выводам (режим трехфазного питания без нулевого вывода - схема "треугольника"), либо ко всем четырем входным выводам - (режим трехфазного питания с нулевым выводом - схема "звезды"). Режим питания выбирают исходя из требуемых параметров выходного тока, например тока сварки, и, следовательно, выходной мощности, зависящих от толщины свариваемых изделий и их материала. Три входных вывода 1-3 входного выпрямителя соединены друг с другом через соответствующие прямо смещенные диоды, образуя первый выходной вывод входного выпрямителя, и - через обратно смещенные диоды, образуя второй выходной вывод входного выпрямителя. Входные выводы питания инвертора, являющегося регулируемым по частоте с постоянной нулевой паузой между импульсами стабилизированным преобразователем постоянного напряжения в переменный ток, подсоединены так же к высокоомному делителю напряжения, выполненному на высокоомных резисторах 6, 7. Инвертор 5 выполнен на двух регулируемых по частоте с постоянной нулевой паузой между импульсами токостабилизирующих ячейках 8, 9 последовательно соединенных по питанию, общая точка которых присоединена к четвертому входному выводу 4 входного выпрямителя и через дифференциальный датчик 10 разбаланса потребляемых регулируемыми по частоте токостабилизирующими ячейками 8, 9 мощностей - к средней точке делителя напряжения, величину резисторов 6, 7 которого выбирают в соответствии с характеристиками дифференциального датчика 10. Дифференциальный датчик 10 выполнен в виде двух встречно-параллельно соединенных светодиодов 11, 12, являющихся входными цепями оптронов, выходными цепями которых являются, например, фототранзисторы 13, 14, подключенные параллельно токозадающим резисторам 15 цепей обратной связи по току соответствующих ячеек 8, 9, вторичные обмотки выходных трансформаторов которых через соответствующие выходные выпрямители соединены параллельно, образуя выходные выводы, служащие для подсоединения нагрузки. Каждая из ячеек 8, 9 выполнена на транзисторах, например полевых, соединенных по полумостовой схеме, диагональ постоянного тока которой присоединена к входным выводам питания постоянного напряжения. В диагональ переменного тока включены последовательно соединенные первичная обмотка выходного трансформатора, токоограничивающий дроссель 16 и первичная обмотка 17 токового трансформатора. Первичная обмотка 17 токового трансформатора является датчиком выходного тока токостабилизирующей ячейки. Вторичная обмотка токового трансформатора подсоединена к выпрямителю цепи обратной связи, выход которого через последовательно соединенные токорегулирующий 18 и токозадающий 15 резисторы подсоединены к управляющему входу узла обратной связи по току 19.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от требуемой величины выходного тока выбирают режим питания схемы (путем подключения выводов 1-4 входного выпрямителя к соответствующим выводам источника сетевого питания): однофазный, двухфазный, трехфазный. При однофазном питании (задействованы 1 и 4 входные выводы входного выпрямителя) напряжение питания прикладывается к каждой из ячеек 8, 9 через половину периода и на выходе формируется выходной ток, соответствующий минимальной выходной мощности. При двухфазном (задействованы 1 и 2 входные выводы входного выпрямителя), трехфазном без нулевого вывода (задействованы 1, 2, 3 входные выводы) и трехфазном с нулевым выводом питании постоянное напряжение прикладывается к обеим последовательно соединенным по питанию ячейкам 8, 9. При неравенстве потребляемых ими мощностей может возникнуть режим, при котором прикладываемые к ячейкам напряжения питания будут отличаться друг от друга, что может привести к недопустимому перенапряжению на транзисторах той или другой ячейки и выходу их из строя. Для того, чтобы выровнять напряжения на последовательно соединенных ячейках, общую точку ячеек подключают к нулевому выводу схемы, т. е. к выводу 4 (как это сделано при питании по схеме "звезда"). При отсутствии нулевого вывода выравнивание напряжений между ячейками 8, 9 осуществляют за счет организации искусственного нулевого вывода между ячейками. При неравенстве напряжений между ячейками, например увеличении напряжения на ячейке 8 из-за увеличения потребляемой ею мощности, между средней точкой резистивного делителя напряжения и общей точкой ячеек возникает разность потенциалов, через светодиод 11 оптрона дифференциального датчика 10 начинает течь ток, в результате чего фототранзистор оптрона открывается и шунтирует токозадающий резистор 15, изменяя сигнал обратной связи по току, подаваемый на вход управления узла обратной связи по току 19, результатом действия которого является изменение частоты переключения транзисторов ячейки, ее выходного тока и уменьшение потребляемой ею мощности, что приводит к уменьшению напряжения на ее выводах питания. Процесс будет продолжаться до полного выравнивания напряжений на ячейках, имея плавный характер из-за их больших входных емкостей.

Ячейки 8, 9 работают в режиме частотной модуляции с постоянной паузой на "нуле" между импульсами. Отклонение выходного тока от заданной величины вызывает изменение тока через обмотки трансформатора тока, следовательно, тока в цепи обратной связи и изменение сигнала на управляющем входе, что ведет к изменению частоты переключения транзисторов и выходного тока. В динамическом диапазоне изменения нагрузки (выходного тока) имеет место линейный режим автоматического регулирования, т. е. пропорциональное изменение частоты в зависимости от изменения управляющего сигнала - выходного тока. При значительных отклонениях выходного сигнала от заданной величины, т.е. выходе из динамического диапазона) имеет место пакетно-импульсный режим работы, при котором на выходах ячеек 8, 9 формируются пачки импульсов, чередующиеся с паузами, в течение которых обеспечивается разряд интегрирующей цепи и сохранение выходной тока на заданном уровне. Устройство используется в широком диапазоне изменения нагрузки, обеспечивая высокую надежность при работе схемы с нулевым выводом и без него, имеет высокий КПД и оптимальные массо-габаритные показатели.

Источники информации 1. Малогабаритный выпрямитель для ручной дуговой сварки "ФОРА-160", "Северная электротехническая компания" Санкт-Петербург, 1998 г.

2. Малогабаритный выпрямитель для ручной дуговой сварки "АСПТ-180", "Северная электротехническая компания", Санкт-Петербург, 1998 г.

Формула изобретения

Мощный источник питания постоянного тока, содержащий входной выпрямитель, входные выводы которого служат для подсоединения к фазным и нулевому выводам сетевого источника питания, выходные выводы подключены к выводам питания инвертора, и выходные выводы, служащие для подключения нагрузки, отличающийся тем, что входной выпрямитель содержит четыре входных вывода, три из которых служат для подсоединения к фазным выводам сетевого источника питания, а четвертый - к нулевому, указанное подсоединение соответствующих выводов источника сетевого питания осуществлено либо к первому и четвертому, либо к первому и второму, либо к первому, второму и третьему, либо ко всем четырем входным выводам входного выпрямителя, при этом указанные три входных вывода входного выпрямителя соединены друг с другом через соответствующие прямо-смещенные диоды, образуя первый выходной вывод входного выпрямителя, и через соответствующие обратносмещенные диоды, образуя второй выходной вывод входного выпрямителя, причем оба выходных вывода входного выпрямителя подключены к высокоомному делителю напряжения, инвертор выполнен на двух регулируемых по частоте с постоянной нулевой паузой между импульсами токостабилизирующих ячейках, последовательно соединенных по питанию, общая точка которых присоединена к четвертому входному выводу входного выпрямителя и к одному из выводов дифференциального датчика, второй вывод которого подключен к средней точке высокоомного делителя напряжения, причем дифференциальный датчик выполнен в виде двух встречно-параллельно соединенных светодиодов, являющихся входными цепями оптронов, выходные цепи которых подключены параллельно токозадающим резисторам соответствующих токостабилизирующих ячеек, вторичные обмотки выходных трансформаторов которых через выходные выпрямители соединены параллельно, образуя выходные выводы, при этом каждая из токостабилизирующих ячеек выполнена на транзисторах, соединенных по полумостовой схеме, в диагональ переменного тока которой включены соответствующие последовательно соединенные первичная обмотка выходного трансформатора, токоограничивающий дроссель и первичная обмотка токового трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к соответствующему выпрямителю обратной связи, выход которого через последовательно соединенные токорегулирующий и токозадающий резисторы присоединен к управляющему входу соответствующего узла обратной связи по току, обеспечивающего работу токостабилизирующей ячейки в импульсном или пакетно-импульсном режимах.

РИСУНКИ

Рисунок 1