Вторичный источник питания

 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено преимущественно для электросварочных аппаратов. Технический результат – уменьшение амплитуды тока в транзисторах инвертора. Вторичный источник питания содержит сетевой управляемый выпрямитель, транзисторный инвертор, подключенный входом к выводам постоянного тока упомянутого выпрямителя, согласующий трансформатор, первичной обмоткой соединенный с выходом транзисторного инвертора, а вторичной обмоткой подключенный к диодному выпрямителю. Выводы постоянного тока диодного выпрямителя через последовательно включенный сглаживающий дроссель соединены с нагрузкой и образуют основной источник ее питания. В состав устройства входит также типовая система управления. Особенность состоит в том, что упомянутый согласующий трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, соединенной через последовательно включенный конденсатор с диагональю переменного тока диодного моста, диагональ постоянного тока которого через Г-образный фильтр подключена к нагрузке параллельно основному источнику питания. Г-образный фильтр содержит дроссель, включенный последовательно между одним из выводов упомянутого диодного моста и соответствующим выводом нагрузки, и фильтровый конденсатор, включенный параллельно нагрузке. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и предназначено преимущественно для электросварочных аппаратов.

Широко известны вторичные источники питания инверторного типа, предназначенные для электросварочных аппаратов и содержащие в силовой части сетевой управляемый выпрямитель, обычно в виде диодно-тиристорного моста, транзисторный инвертор, подключенный входом к выводам постоянного тока упомянутого выпрямителя, согласующий трансформатор, первичной обмоткой соединенный с выходом инвертора, а вторичной обмоткой подключенный к диодному выпрямителю. Выводы постоянного тока упомянутого диодного выпрямителя через последовательно включенный сглаживающий дроссель присоединены к нагрузке. Кроме того, известные вторичные источники питания содержат систему управления сетевым выпрямителем и инвертором [1-6].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата относится то, что амплитуда тока в силовых транзисторах инвертора известных вторичных источников питания, предназначенных для электросварочных аппаратов, велика и составляет около одной трети от тока в нагрузке, т.е. в электрической дуге. Указанный недостаток объясняется тем, что в целях стабилизации режима “горения” электрической дуги и ее легкого “поджига” разработчики известных устройств вынуждены делать напряжение вторичной обмотки согласующего трансформатора сильно завышенным по сравнению с напряжением в дуге и примерно равным 100 В. Соответственно, при первичном напряжении сети 220 В, выпрямленное и сглаженное до U_m≈ 220· · ≈ 300 В напряжение на входе инвертора обеспечивает коэффициент трансформации 300:100=3.

При таком коэффициенте трансформации упомянутая выше амплитуда тока в силовых транзисторах инвертора равна одной трети тока дуги. В то же время известно, что фактически напряжение в дуге не превышает при сварке в воздухе 25 В, а при сварке в CO₂ и аргоне напряжение дуги значительно меньше. Описанный недостаток, т.е. завышение напряжения, приводит, во-первых, к увеличению мощности и стоимости транзисторов инвертора, во-вторых - к увеличению потерь в них.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является сварочный аппарат Castolin GmbH. - Германия, Каталог 1994-96 гг. [4], “Kraftzwerg”, содержащий в силовой части сетевой управляемый выпрямитель в виде ди-одно-тиристорного моста, подключенный к его выходу транзисторный инвертор, нагруженный на согласующий трансформатор с выходным напряжением около 100 В, диодный выпрямитель, подключенный входом к вторичной стовольтовой обмотке согласующего трансформатора, а выходом постоянного тока через последовательно включенный сглаживающий дроссель, подключенный к нагрузке. Управление сетевым управляемым выпрямителем и инвертором осуществлено от обычной замкнутой системы управления. Упомянутый Castolin GmbH принимается за прототип. Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата перечислены выше и относятся как к известным аналогам, так и к прототипу.

Технический результат - уменьшение амплитуды тока в транзисторах инвертора и, как следствие, уменьшение мощности транзисторов, стоимости и потерь.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем сетевой управляемый выпрямитель, транзисторный инвертор, подключенный входом к выводам постоянного тока упомянутого управляемого выпрямителя, согласующий трансформатор, первичной обмоткой соединенный с выходом инвертора, а вторичной обмоткой подключенный к диодному выпрямителю, выводы постоянного тока которого через последовательно включенный сглаживающий дроссель соединены с нагрузкой и образуют основной источник ее питания, а также содержащий типовую систему управления, упомянутый согласующий трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, соединенной через последовательно включенный конденсатор с диагональю переменного тока диодного моста, диагональ постоянного тока которого через Г-образный фильтр подключена к нагрузке параллельно основному источнику питания, причем Г-образный фильтр содержит дроссель, включенный последовательно между одним из выводов упомянутого диодного моста и соответствующим выводом нагрузки, и фильтровый конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

Это позволило функции “поджига” и стабилизации электрической дуги в зоне небольших токов возложить на дополнительный источник питания, снизить напряжение основной вторичной обмотки согласующего трансформатора до 35 В и, таким образом, почти втрое уменьшить амплитуду тока транзисторов инвертора, т.е. решить поставленную задачу.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и прочее);

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;

- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена схема вторичного источника питания и фиг.2 с поясняющими диаграммами. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Устройство (фиг.1) содержит сетевой управляющий выпрямитель 1, транзисторный инвертор 2, подключенный входом к выводам постоянного тока сетевого управляющего выпрямителя 1, согласующий трансформатор 3, первичная обмотка 4 которого соединена с выходом транзисторного инвертора 2. Вторичная обмотка 5 согласующего трансформатора 3 подключена к диодному выпрямителю 6, выводы постоянного тока которого через последовательно включенный сглаживающий дроссель 7 соединены с нагрузкой 8, включающей электрод и сварочную дугу, и образуют основной источник питания. Управление сетевым управляющим выпрямителем 1 и транзисторным инвертором 2 осуществлено от типовой системы управления 9, на вход которой подается сигнал задания тока i₃. Кроме того, согласующий трансформатор 3 снабжен дополнительной вторичной обмоткой 10, соединенной через последовательно включенный конденсатор 11с диагональю переменного тока диодного моста 12, являющегося дополнительным источником питания. Диагональ постоянного тока диодного моста 12 через Г-образный фильтр подключена к нагрузке 8 параллельно основному источнику питания. Г-образный фильтр содержит дроссель 13, включенный последовательно между одним из выводов диодного моста 12 и соответствующим выводом нагрузки 8, и фильтровый конденсатор 14, включенный параллельно нагрузке 8.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При включении в питающую сеть на выходе сетевого управляющего выпрямителя 1 (фиг.1) появляется и плавно увеличивается до максимума выпрямленное напряжение. Выход выпрямителя в известных схемах вторичных источников питания шунтирован конденсатором большой емкости. Для простоты этот конденсатор на схеме фиг.1 не показан, а плавность его заряда обеспечивает система управления 9. С ростом выпрямленного напряжения U _d1 (см. фиг.1) пропорционально растет и напряжение U ₁, на выходе инвертора 2, имеющее близкую к “прямоугольной” форму и частоту около 100 кГц. Через согласующий трансформатор 3 это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 5 и дополнительную вторичную обмотку 10. Коэффициенты трансформации таковы, что напряжение вторичной обмотки 5 составляет около 35 В, т.е. имеет некоторый запас по отношению к падению напряжения в сварочной дуге, равному при сварке в воздухе (20-25) В. Напряжение дополнительной вторичной обмотки 10 около 100 В. В режиме холостого хода установки падение напряжения на конденсаторе 11 практически равно нулю и фильтровый конденсатор 14 заряжается до заряжается до амплитуды напряжения дополнительной вторичной обмотки 10, т.е. примерно до 100 В.

Следовательно, напряжение на нагрузке 8 (электрод) в режиме холостого хода около 100 В, а диодный выпрямитель 6 заперт этим напряжением. В момент касания электрода с областью, подлежащей сварке, фильтровой конденсатор 14 начинает разряжаться, что обеспечивает возникновение “искры”, ионизацию дугового промежутка и поддержание дуги при “отрыве” электрода. Дуга поддерживается уже от основного источника питания. Процесс параллельной работы обоих источников на общую нагрузку иллюстрируется диаграммами фиг.2: U₁ - напряжение на выходе транзисторного инвертора 2 (в пренебрежении межимпульсными паузами); U₁₁ - напряжение на конденсаторе 11, при постепенном увеличении тока нагрузки 8; U₁₄ - внешняя характеристика дополнительного источника питания; U₆ - внешняя характеристика основного источника питания; I_раб - зона рабочих токов нагрузки.

Устройство характеризуется следующими внешними характеристиками:

1. Внешняя характеристика основного источника питания (U₆ на фиг.2) - типичная для системы, замкнутой по току (на фиг.1 не показан датчик тока нагрузки и цепь обратной связи по току). Характеристика изображена идеально жесткой. Реально она имеет небольшой наклон, обусловленный импедансом питающей сети и внутренним импедансом самого устройства.

2. Внешняя характеристика дополнительного источника питания (U₁₄ на фиг.2) при токах нагрузки I_н≤ I_кр линейная и жесткая, так как конденсатор 11 не успевает за время τ (диаграмма 1 на фиг.2) заряжаться до амплитуды напряжения дополнительной вторичной обмотки 10 и потому (если пренебречь ничтожными потерями в конденсаторе) не влияет на величину средневыпрямленного напряжения U₁₄. При I_d>I_кр (диаграмма 3 на фиг.2) конденсатор 11 заряжается до амплитуды за время t ₁<τ (диаграмма 4 на фиг.2). Амплитуда выпрямленного напряжения на конденсаторе 11 при I_d=I_кр

поскольку за время τ ток нагрузки можно считать неизменным (τ ≈ 10^-5 с). Аналогично, амплитуда напряжения в режиме I>I_кр

Поскольку амплитуда напряжения U_m в сравниваемых режимах одинакова, выражения (1) и (2) можно приравнять:

Но в соответствии с диаграммой 4 на фиг.2 t₁ /τ =U_d(t1)/d_{(τ )}, где U_d - средневыпрямленное напряжение. Следовательно I_кр/I_t= U_d(t)/d_{(τ )}, откуда I_кр· U_{d(τ )}=I_t· U_d(t)=const при любом t<τ .

Таким образом, в зоне I_кр<I<I_{раб min} дополнительный источник питания имеет внешнюю характеристику гиперболического вида с постоянной мощностью в нагрузке: Р _d=U_d· I_d=const, что идеально подходит для электрической дуги в воздухе.

При I>I_{раб min} дополнительный источник заперт, так как его напряжение меньше напряжения основного источника, и, наконец, при I=I_max напряжение обоих источников приближается к нулю уже под воздействием обратной связи по току в системе управления инвертором.

Из приведенных диаграмм видно, что в зоне рабочих токов нагрузки (сварки) дополнительный источник, т.е. диодный мост 12, заперт. В то же время относительно высокое напряжение в режиме холостого хода и малых токов обеспечивает легкий “поджиг” и поддержание дуги при малых токах.

В известных вторичных источниках питания, в том числе и в прототипе, напряжение вторичной обмотки согласующего трансформатора, как и указано выше, примерно 100 В. Напряжение инвертора при питании от однофазной сети ~ 220 В составляет примерно 300 В, значит коэффициент трансформации 300/100=3 и, соответственно, амплитуда тока в транзисторах инвертора равна 1/3 тока нагрузки. Например, при токе нагрузки 200 А, ток (в амплитуде) у транзисторов известных устройств будет равен 200/3≈ 67 А.

В предлагаемом устройстве напряжение снижено до 35 В, значит при токе нагрузки, таком же как в известных устройствах, амплитуда тока в транзисторах инвертора будет в 100/35≈ 2,85 раза меньше, что весьма существенно, так как силовые транзисторы или транзисторные составные модули, во-первых, составляют существенную часть общей стоимости устройства; во-вторых, уменьшение тока снижает потери. Заметим, что потери в дополнительном источнике питания пренебрежимо малы, так как он включается лишь кратковременно. Следует отметить, что для перевода предлагаемого устройства в режиме сварки в среде СО₂ или в аргоне достаточно отключить дополнительную вторичную обмотку 10 согласующего трансформатора 3, так как в этих режимах требуется жесткая внешняя характеристика и не требуется повышенное напряжение для “поджига” дуги. Таким образом, предлагаемое устройство не уступает известным в смысле универсальности и, одновременно, обладает существенными преимуществами в режиме сварки в воздухе: ток транзисторов инвертора 2 снижен почти втрое по сравнению с током (амплитудой) в известных устройствах, а условия “поджига” электрической дуги даже несколько улучшены, так как касание электрода к свариваемой детали сопровождается форсированным разрядом энергии, накопленной в фильтровом конденсаторе 14.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области электротехники;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

1. ДС-200 AL - Технотрон. - Россия, каталог, 1995 г.

2. Transpoket. - Австрия, каталог, 1995-96 гг.

3. Invertec V-130-S - Linkoln-США (1997 г.).

4. Castolin GmbH. - Германия, “Kraftzwerg” - 1994-96 гг.

5. Вторичный источник питания (пат. №2131640 от 12.01.98 г., авторы Магазинник Г.Г., Шингаров В.П., Магазинник Л.Т.).

6. Магазинник А.Г., Магазинник Л.Т., Магазинник Г.Г. Коррекция коэффициента мощности вторичных источников питания //Электротехника, №5, 2001 г., с.40... 42.

Формула изобретения

Вторичный источник питания, преимущественно для электросварочных аппаратов, содержащий сетевой управляемый выпрямитель, транзисторный инвертор, подключенный входом к выводам постоянного тока упомянутого сетевого управляемого выпрямителя, согласующий трансформатор, первичной обмоткой соединенный с выходом транзисторного инвертора, а вторичной обмоткой подключенный к диодному выпрямителю, выводы постоянного тока которого через последовательно включенный сглаживающий дроссель соединены с нагрузкой и образуют основной источник ее питания, а также содержащий типовую систему управления, отличающийся тем, что согласующий трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, соединенной через последовательно включенный конденсатор с диагональю переменного тока диодного моста, диагональ постоянного тока которого через Г-образный фильтр подключена к нагрузке параллельно основному источнику питания, причем Г-образный фильтр содержит дроссель, включенный последовательно между одним из выводов диодного моста и соответствующим выводом нагрузки, и фильтровый конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

РИСУНКИ