RU2080222C1

RU2080222C1 - Dc voltage converter

Info

Publication number: RU2080222C1
Application number: RU95101958A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Иванов
Original assignee: Александр Михайлович Иванов
Priority date: 1995-02-09
Filing date: 1995-02-09
Publication date: 1997-05-27
Also published as: RU95101958A

Abstract

FIELD: manual and automatic arc DC welding. SUBSTANCE: converter contains thyristor resonance inverter with backward diodes, main and auxiliary resonance LC circuit, power transformer, rectifier and capacitance output filter. Additional LC circuit is connected into inverter AC diagonal; commutating winding of choke of main LC circuit and two-position switch are connected with it in series. Owing to this converter retains its serviceability in all modes of operating beginning with idling to shorting because pulses of forward and reverse currents are always formed in auxiliary circuit; amplitude and duration of these pulses is stable. While flowing through backward diode of inverter, reverse half-wave of auxiliary circuit cuts off thyristor of inverter ever though reverse half-wave is not formed in main LC circuit. EFFECT: enhanced reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к электросварке и может быть использовано при разработке источников питания для дуговой сварки. Известны преобразователи [1 и 2] содержащие резонансный инвертор с обратными вентилями, трансформатор, выпрямитель, емкостной сглаживающий фильтр. Известные преобразователи имеют высокий КПД и позволяют стабилизировать ток в дуговом промежутке. The invention relates to electric welding and can be used in the development of power sources for arc welding. Known converters [1 and 2] containing a resonant inverter with check valves, a transformer, a rectifier, a capacitive smoothing filter. Known converters have high efficiency and can stabilize the current in the arc gap.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь [3] имеющий кроме перечисленных узлов вспомогательный последовательный LC-контур, подключенный параллельно первичной обмотке трансформатора. Благодаря этому цепи к запираемым тиристорам инвертора прикладывается обратное напряжение, а инвертор имеет высокую коммутационную устойчивость во всех режимах работы. Closest to the invention is a converter [3] having, in addition to the listed nodes, an auxiliary serial LC circuit connected in parallel with the primary winding of the transformer. Due to this circuit, reverse voltage is applied to the lockable thyristors of the inverter, and the inverter has high switching stability in all operating modes.

Первым недостатком преобразователя является то, что в нем в качестве обратных вентилей применены тиристоры, что увеличивает стоимость преобразователя, поскольку тиристор примерно вдвое дороже аналогичного диода. The first disadvantage of the converter is that it uses thyristors as check valves, which increases the cost of the converter, since the thyristor is approximately twice as expensive as a similar diode.

Вторым недостатком известного преобразователя является то, что в нем нельзя применить наиболее быстродействующие асимметричные тиристоры (тиристоры проводящие в обратном направлении), не рассчитанные на приложение большого обратного напряжения. Применение более быстродействующих тиристоров позволило-бы увеличить частоту инвертирования и уменьшить габариты и массу преобразователя. The second disadvantage of the known converter is that it is impossible to use the fastest asymmetric thyristors (thyristors conducting in the opposite direction) that are not designed to apply a large reverse voltage. The use of faster thyristors would increase the frequency of inversion and reduce the size and weight of the converter.

Третьим недостатком прототипа является увеличение тока короткого замыкания по сравнению с номинальным током, поскольку конденсатор вспомогательного LC-контура в паузе между импульсами тока отдает накопленную энергию в нагрузку. The third disadvantage of the prototype is the increase in short circuit current compared with the rated current, since the capacitor of the auxiliary LC circuit in the pause between current pulses gives the accumulated energy to the load.

Четвертым недостатком является то, что под действием напряжения конденсатора вспомогательного LC-контура, в паузе между импульсами, сердечник трансформатора продолжает перемагничиваться, что увеличивает потери в нем и может привести к его насыщению. The fourth disadvantage is that under the action of the voltage of the auxiliary LC capacitor, in the pause between pulses, the core of the transformer continues to be magnetized, which increases the loss in it and can lead to its saturation.

Цель изобретения повышение частоты инвертирования, повышение КПД, снижение массы и габаритов преобразователя, уменьшение стоимости, уменьшение разницы между номинальным током и током короткого замыкания. The purpose of the invention is to increase the inversion frequency, increase efficiency, reduce the mass and dimensions of the converter, reduce the cost, reduce the difference between the rated current and short circuit current.

Цель достигается тем, что в преобразователе, содержащем последовательный резонансный инвертор с обратными вентилями, основной и вспомогательный резонансный LC-контур, трансформатор, выпрямитель и емкостной сглаживающий фильтр, вспомогательный последовательный LC-контур подключен к диагонали переменного тока инвертора, причем последовательно с указанным контуром включен двунаправленный ключ и вторая обмотка дросселя основного резонансного контура. The goal is achieved by the fact that in the converter containing a serial resonant inverter with check valves, the main and auxiliary resonant LC circuit, a transformer, a rectifier and a capacitive smoothing filter, an auxiliary serial LC circuit is connected to the diagonal of the inverter’s alternating current, and is connected in series with the specified circuit bidirectional switch and the second winding of the throttle of the main resonant circuit.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря наличию вспомогательного контура с включенными в его цепь второй обмоткой дросселя основного колебательного контура и двунаправленным ключом, амплитуда тока в обратных вентилях инвертора не уменьшается ниже некоторой величины, определяемой параметрами вспомогательного контура, а его длительность остается постоянной во всех режимах работы инвертора. Тем самым гарантируется надежная коммутация тиристоров инвертора при высокой частоте инвертирования. The essence of the invention lies in the fact that due to the presence of the auxiliary circuit with the second winding of the main inductor of the main oscillating circuit included in its circuit and a bi-directional key, the amplitude of the current in the inverter check valves does not decrease below a certain value determined by the parameters of the auxiliary circuit, and its duration remains constant in all inverter operation modes. This ensures reliable switching of the inverter thyristors at a high inversion frequency.

На фиг. 1 приведены схема полумостового варианта предлагаемого преобразователя. Преобразователь содержит тиристоры инвертора 1 и 2, обратные диоды 3 и 4, дроссели основного резонансного контура, имеющие первые обмотки 5, 6 и вторые обмотки 7, 8, конденсатор основного контура 9, силовой трансформатор 10, выходной выпрямитель 11, емкостной фильтр 12, дроссель вспомогательного LC-контура 13, конденсатор вспомогательного LC-контура 14, двунаправленный ключ 15, конденсаторы делителя 16 и 17. Вход преобразователя зашунтирован блокирующим конденсаторов 18, выход подключен к дуговому промежутку 19. Включение в цепь вспомогательного контура двух вторых обмоток дросселей 7 и 8 объясняется тем, что в этом варианте схемы дроссель основного LC-контура разделен на две части, каждая из которых работает в течении одного полупериода. In FIG. 1 shows a diagram of a half-bridge version of the proposed Converter. The converter contains inverter thyristors 1 and 2, reverse diodes 3 and 4, main resonance circuit chokes having first windings 5, 6 and second windings 7, 8, main circuit capacitor 9, power transformer 10, output rectifier 11, capacitive filter 12, inductor auxiliary LC circuit 13, capacitor of auxiliary LC circuit 14, bi-directional switch 15, capacitors of the divider 16 and 17. The input of the converter is shunted by the blocking capacitors 18, the output is connected to the arc gap 19. Connection of the auxiliary circuit to the circuit yx second winding inductors 7 and 8 due to the fact that in this embodiment the main choke circuit LC-circuit is divided into two parts, each of which runs within one half-cycle.

Работу схемы поясняют временные диаграммы на фиг. 2 и 3, на которых представлены токи управления тиристорами инвертора i_у1, i_у2, сигнал управления двунаправленным ключом i_у15, ток в конденсаторе основного резонансного контура i₉, напряжение на этом конденсаторе U₉, ток в конденсаторе вспомогательного контура i₁₄ напряжение на этом конденсаторе U₁₄.The operation of the circuit is illustrated by timing diagrams in FIG. 2 and 3, which show the inverter thyristor control currents i _y1 , i _y2 , the bidirectional switch control signal i _y15 , the current in the capacitor of the main resonant circuit i ₉ , the voltage on this capacitor U ₉ , the current in the capacitor of the auxiliary circuit i _{14 the} voltage on this capacitor U ₁₄ .

Преобразователь работает следующим образом. Пусть к моменту отпирания тиристора 1 и двунаправленного ключа 15 конденсаторы 9 и 14 были заряжены с отрицательной полярностью, а напряжение на конденсаторах 16 и 17 было одинаковым. Число витков обмоток 5 8 дросселей основного резонансного контура должно быть одинаковым. После подачи в момент t₀ импульсов управления на тиристор 1 и ключ 15 в конденсаторах 9 и 14 начинают протекать токи

где E входное напряжение преобразователя;
U_g(t₀) начальное напряжение на конденсаторе 9;
U_н' _h приведенное к первичной обмотке напряжение на конденсаторе 12;
ω₁ собственная частота основного контура;
U₁₄(t₀) начальное напряжение на конденсаторе 14;
ω₂ собственная частота вспомогательного контура;
L₁ суммарная индуктивность основного колебательного контура, включающая индуктивность первой обмотки 5 дросселя основного контура и индуктивность рассеяния трансформатора 10;
L₂ суммарная индуктивность дросселя 13 и индуктивность второй обмотки 8 дросселя основного контура.The converter operates as follows. Suppose that at the time of unlocking the thyristor 1 and the bi-directional switch 15, the capacitors 9 and 14 were charged with negative polarity, and the voltage across the capacitors 16 and 17 was the same. The number of turns of the windings 5 of 8 chokes of the main resonant circuit should be the same. After the supply of control pulses at the moment t ₀ to thyristor 1 and key 15 in the capacitors 9 and 14, currents begin to flow

where E is the input voltage of the converter;
U _g (t ₀ ) initial voltage across the capacitor 9;
U _{n '} _h reduced to the primary winding voltage across the capacitor 12;
ω _{1 is the} natural frequency of the main circuit;
U ₁₄ (t ₀ ) the initial voltage across the capacitor 14;
ω ₂ natural frequency of the auxiliary circuit;
L _{1 the} total inductance of the main oscillating circuit, including the inductance of the first winding 5 of the inductor of the main circuit and the leakage inductance of the transformer 10;
L _{2 the} total inductance of the inductor 13 and the inductance of the second winding 8 of the reactor of the main circuit.

Параметры обоих контуров выбираются исходя из условия ω₁= ω₂ Напряжение на обмотке 5 не влияет на ток во вспомогательном контуре, поскольку оно компенсируется точно таким же напряжением второй обмотки 7 этого же дросселя. После перехода тока в тиристоре 1 в момент t₁ через нуль тиристор 1 закрывается, конденсатор 9 заряжается до напряжения U_gm, а конденсатор 14 до напряжения U_14m-E. Далее в схеме отпирается обратный диод 3, и во вспомогательном контуре формируется ток противоположной полярности, разряжающий конденсатор 14

Протекая через диод 3, этот ток создает обратное напряжение для запираемого тиристора 1. Ток противоположный полярности в конденсаторе 9 и в первичной обмотке трансформатора 10 может возникнуть только при выполнении условия

В этом случае (фиг. 2) на интервале t₂ t₁

Если условие (4) не выполняется, то обратная полуволна тока в конденсаторе 9 (фиг. 3) не формируется. Если бы вспомогательный контур отсутствовал, то при невыполненнии условия (4) тиристор 1 оставался бы открытым и после момента t₁, так как через него продолжал бы протекать ток намагничивания трансформатора 10. Интервал проводимости тиристора 1 зависел бы от индуктивности намагничивания трансформатора 10 и был бы значительно больше интервала t₁ t₀. Это означает, что частота работы преобразователя без дополнительного резонансного контура была бы значительно меньше, чем с контуром. При наличии вспомогательного контура его ток на интервале t₁ t₀ компенсирует ток намагничивания трансформатора 10, благодаря чему проводивший тиристор закрывается, а шунтирующий его обратный диод открывается. Таким образом, наличие вспомогательного контура с вторыми обмотками дросселей основного контура позволяет поддерживать постоянным интервал проводимости обратных диодов и тем самым обеспечивать коммутацию тиристоров вне зависимости от режима работы преобразователя и вплоть до режима холостого хода, когда условие (4) заведомо не выполняется. При наличии вспомогательного контура после перехода в момент t₂ через нуль тока диода 3 указанный диод закрывается. Примерно в этот же момент должен быть снят отпирающий сигнал с двунаправленного ключа 15. Далее в первичной обмотке трансформатора 10 имеет место бестоковая пауза, поскольку закрыты все тиристоры, диоды и двунаправленный ключ. Ток намагничивания трансформатора 10 переходит во вторичную обмотку.The parameters of both circuits are selected based on the condition ω ₁ = ω ₂ The voltage on the winding 5 does not affect the current in the auxiliary circuit, since it is compensated by the exact same voltage of the second winding 7 of the same inductor. After the transition of the current in the thyristor 1 at time t ₁ through zero, the thyristor 1 closes, the capacitor 9 is charged to a voltage of U _gm , and the capacitor 14 to a voltage of U _14m -E. Next, the reverse diode 3 is unlocked in the circuit, and a current of opposite polarity is formed in the auxiliary circuit, which discharges the capacitor 14

Flowing through the diode 3, this current creates a reverse voltage for the lockable thyristor 1. A current opposite to the polarity in the capacitor 9 and in the primary winding of the transformer 10 can occur only when the condition

In this case (Fig. 2) in the interval t ₂ t ₁

If condition (4) is not satisfied, then the reverse half-wave current in the capacitor 9 (Fig. 3) is not formed. If there was no auxiliary circuit, then if condition (4) is not fulfilled, thyristor 1 would remain open even after time t ₁ , since the magnetization current of transformer 10 would continue to flow through it. The conductivity interval of thyristor 1 would depend on the magnetization inductance of transformer 10 and would be significantly larger than the interval t ₁ t ₀ . This means that the frequency of operation of the converter without an additional resonant circuit would be much less than with a circuit. In the presence of an auxiliary circuit, its current in the interval t ₁ t ₀ compensates for the magnetization current of the transformer 10, so that the conducting thyristor is closed, and the shunt reverse diode opens. Thus, the presence of an auxiliary circuit with the second windings of the chokes of the main circuit allows us to maintain a constant interval of conductivity of the reverse diodes and thereby ensure switching of the thyristors regardless of the mode of operation of the converter and up to the idle mode, when condition (4) is obviously not fulfilled. If there is an auxiliary circuit after the transition at time t ₂ through the zero current of the diode 3, the specified diode is closed. At about the same time, the unlocking signal from the bi-directional switch 15 should be removed. Further, in the primary winding of the transformer 10, a dead-time pause takes place, since all thyristors, diodes, and the bi-directional switch are closed. The magnetization current of the transformer 10 goes into the secondary winding.

После отпирания момент t₃ тиристора 2 и двунаправленного ключа 15 вследствие симметрии схемы процессы повторяются, но токи в соответствующих интервалах протекают в обратных направлениях, а конденсаторы 9 и 14 заряжаются с противоположной полярностью. Двунаправленный ключ 15 необходим для предотвращения неконтролируемого обмена энергией между конденсаторами 9 и 14 после запирания обратных диодов. Если бы двунаправленный ключ отсутствовал, то в интервале t₃ t₃ конденсатор 14 колебательно перезаряжался бы, обмениваясь энергией с конденсатором 9. Это в зависимости от фазы включения следующего тиристора привело бы либо к увеличению тока вспомогательного контура, либо к его уменьшению. Это вынуждает увеличивать установленную мощность эго элементов (т.е. увеличивать рабочее напряжение конденсатора 14 и сечение провода дросселя 13), так как регулирование тока нагрузки возможно только изменением частоты, поэтому фаза включения тиристора может быть любой и надо исходить из худшего случая.After unlocking the moment t _{3 of the} thyristor 2 and the bi-directional key 15, due to the symmetry of the circuit, the processes are repeated, but the currents in the corresponding intervals flow in the opposite directions, and the capacitors 9 and 14 are charged with opposite polarity. A bi-directional switch 15 is necessary to prevent an uncontrolled exchange of energy between capacitors 9 and 14 after locking the reverse diodes. If there was no bi-directional switch, then in the interval t ₃ t _{3 the} capacitor 14 would oscillatory recharge, exchanging energy with the capacitor 9. This, depending on the phase of switching on the next thyristor, would either increase the auxiliary circuit current or decrease it. This forces to increase the installed power of the ego elements (i.e., increase the operating voltage of the capacitor 14 and the cross section of the inductor wire 13), since the regulation of the load current is possible only by changing the frequency, so the thyristor turn-on phase can be any and you need to proceed from the worst case.

Вторым следствием неконтролируемого обмена энергией является увеличение тока короткого замыкания по сравнению с номильным током. Это объясняется тем, что в режиме короткого замыкания потери в нагрузке малы, и процесс колебательного перезаряда конденсатора 14 затухает медленнее, чем в режиме сварки. The second consequence of uncontrolled energy exchange is an increase in short circuit current compared to the rated current. This is because in the short circuit mode, the load losses are small, and the process of vibrational recharging of the capacitor 14 attenuates more slowly than in the welding mode.

При наличии двунаправленного ключа фаза включения тиристора всегда равна нулю, поскольку двунаправленный ключ открывается одновременно с тиристором. Это позволяет стабилизировать амплитуду тока во вспомогательном контуре ключа позволяет также создать режим бестоковой паузы в первичной обмотке трансформатора 10 и т ем самым исключить его одностороннее намагничивание. Это позволяет увеличить индукцию в его сердечнике, уменьшить его габариты и массу. With a bi-directional key, the thyristor turn-on phase is always zero, since the bi-directional key opens simultaneously with the thyristor. This allows you to stabilize the amplitude of the current in the auxiliary circuit of the key also allows you to create a dead time pause in the primary winding of the transformer 10 and thereby eliminate its one-sided magnetization. This allows you to increase the induction in its core, to reduce its size and weight.

Для надежной коммутации тиристров инвертора ток вспомогательного контура должен компенсировать ток намагничивания трансформатора. В грамотно рассчитанном трансформаторе ток намагничивания по крайней мере на один-два порядка меньше тока нагрузки в номинальном режиме. Поэтому установленная мощность элементов вспомогательного контура тоже по крайней мере на порядок меньше установленной мощности основного контура (при наличии двунаправленного ключа). По этой же причине сам двунаправленный ключ должен быть рассчитан на ток в несколько десятков раз меньше тока тиристоров и может быть выполнен, например, на двух встречно-параллельно включенных транзисторах. For reliable switching of the thyristors of the inverter, the auxiliary circuit current must compensate for the magnetization current of the transformer. In a well-designed transformer, the magnetization current is at least one to two orders of magnitude less than the load current in nominal mode. Therefore, the installed power of the auxiliary circuit elements is also at least an order of magnitude lower than the installed power of the main circuit (in the presence of a bi-directional key). For the same reason, the bi-directional switch itself must be designed for a current several tens of times less than the current of the thyristors and can be performed, for example, on two counter-parallel connected transistors.

В предлагаемой схеме по сравнению с прототипом число тиристоров меньше, применяемые тиристоры защищены от обратного напряжения обратными диодами, что позволяет применить более быстродействующие асимметричные тиристоры. Поскольку диод дешевле аналогичного тиристора, то себестоимость предлагаемого преобразователя меньше, чем у аналога. Применение более быстродействующих тиристоров и устранение паузы между импульсами прямых и обратных вентилей позволяет увеличить частоту инвертирования и уменьшить габариты и массу реактивных элементов. Гарантированная во всех режимах бестоковая пауза в первичной обмотке трансформатора позволяет устранить одностороннее намагничивание трансформатора, уменьшить потери в нем и дополнительно уменьшить габариты, а также предотвратить передачу в нагрузку энергии на первичной цепи в паузе между импульсами тока. In the proposed circuit, in comparison with the prototype, the number of thyristors is less, the thyristors used are protected from reverse voltage by reverse diodes, which allows the use of faster asymmetric thyristors. Since the diode is cheaper than a similar thyristor, the cost of the proposed converter is less than that of an analog. The use of faster thyristors and the elimination of the pause between the pulses of the forward and reverse valves allows you to increase the frequency of inversion and reduce the size and weight of the reactive elements. The dead-time pause guaranteed in all modes in the primary winding of the transformer allows eliminating one-sided magnetization of the transformer, reducing losses in it and further reducing dimensions, as well as preventing the transfer of energy to the load on the primary circuit in a pause between current pulses.

Claims

A DC voltage converter comprising a series resonant inverter with check valves, a main serial resonant LC circuit, an auxiliary resonant LC circuit, a transformer, an output rectifier with a capacitive filter, characterized in that the auxiliary LC circuit is included in the diagonal of the inverter’s alternating current, and in series it includes the second inductor winding of the main LC circuit and a bi-directional switch.