SU1742968A1 - Источник питани дл технологических установок посто нного тока - Google Patents

Abstract

Использование: источник может быть использован в качестве источника питани  посто нным током. Сущность изобретени : источник содержит последовательный тири- сторный инвертор, состо щий из двух мостов 3, 4 и подключенный входом через изадани  фильтр 2 к выходу входного выпр мител  1, а выходом через трансформатор 5 и выпр митель 8 - к цепи нагрузки. Каждый мост включает две параллельно включенные последовательные цепочки из индуктивного элемента 23 (24, 31, 32), вентильных  чеек 19

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к полупроводниковым преобразовател м электрической энергии переменного тока в посто нный с промежуточным звеном повышенной частоты, и мо- жет найти применение в качестве источника питани  посто нным током в случа х, когда широкий диапазон тока нагрузки сочетаетс  с требованием малых его пульсаций при незначительных габаритах и массе пассив- ных фильтрующих цепей и всей установки, например, в электродуговой технологии, в особенности в дуговой сварке, плазменной и микроплазменной технологии, лазерной технологии, регулируемом приводе посто-  нного тока и т.п.

Известны источники питани  дл  технологических установок посто нного тока, содержащие последовательно включенные и питающиес  от сети переменного тока трансформатор, управл емый выпр митель и фильтр, а также систему управлени  выпр мителем .

Недостатком таких устройств  вл етс  невозможность получени  малых токов на- грузки (при больших углах включени  тиристоров ) при заданной пульсации и малых габаритах фильтра и всей установки. Недостаток этот объ сн етс  низкой (50 Гц) частотой сети, посто нной и низкой частотой пульсации тока. Учитыва , что габариты и масса трансформатора установки растут с увеличением тока нагрузки, а габариты и масса фильтра - с уменьшением тока, при расширении диапазона тока в сторону ма- лых его значений эффективность оборудовани  снижаетс  за счет ухудшени  массо-габаритных параметров.

Лучшими характеристиками при прочих равных услови х обладают источники пита- ни  с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты, структура которых включает в себ  последовательно соединенные и питающиес  от сети переменного тока входной выпр митель, вход- ной фильтр, инвертор, трансформатор, выходной выпр митель выходной фильтр и цепь нагрузки.

Управл емым звеном в источнике питани   вл етс  инвертор, который может быть выполнен в виде одной или нескольких мостовых или полумостовых схем; в инверторе могут использоватьс  различные способы регулировани : широтно-импульсное, фазовое , частотно-импульсное. Последний спо- соб в сочетании с последовательным резонансным инвертором требует минимальных элементных затрат,

Устройство содержит соединенные последовательно и питающиес  от сети переменного тока входной выпр митель, инвертор , трансформатор, выходной выпр митель , а также систему управлени  инвертором, содержащую задающий генератор , датчик тока нагрузки, схемы сравнени  и источника опорного напр жени .

Недостатком устройства  вл етс  узкий диапазон регулировани  технологического тока, который объ сн етс  наличием в цепи нагрузки дроссел  (выходного фильтра), эффективность которого при частотно-импульсном регулировании не остаетс  посто нной .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство , содержащее соединенные последовательно входной выпр митель, входной фильтр, тиристорный инвертор, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, выходной выпр митель и цепь нагрузки, а также систему управлени  инвертором, содержащую задающий генератор, схему сравнени , источник напр жени  задани , распределитель импульсов, датчики тока и напр жени  нагрузки, причем датчик тока включен последовательно с цепью нагрузки , выход его подключен к первому входу схемы сравнени , второй вход которой через делитель подключен к источнику напр жени  задани .

Недостатком устройства  вл етс  узкий диапазон технологического тока, что объ сн етс  следующими  влени ми.

При частотно-импульсном регулировании (НИМ) мощность, отдаваема  инвертором в нагрузку, пропорциональна отношению частоты управлени  fy (частоты включени  тиристоров инвертора) к собственной частоте инвертора fo, определ емой параметрами резонансного коммутирующего контура и сопротивлением нагрузки:

fn J-I - Т°

R

4 Lгде L- эквивалентна  индуктивность контура коммутации;

С - емкость коммутирующего конденсатора:

R - активна  составл юща  сопротивлени  контура.

Дл  уменьшени  технологического тока и, следовательно, мощности в нагрузке необходимо уменьшать fy. Когда fy становитс  равной 0,5 fo выходной ток инвертора становитс  гранично-непрерывным, а при дальнейшем снижении fy - прерывистым, име  вид знакочередующихс  отрезков синусоиды с частотой fo, длительность которых То

1/fo, а период повторени  Ty 1/fy 2То. После выпр млени  двухполупериодным выходным выпр мителем частота пульсаций технологического тока составл ет fn 2 fу и уменьшаетс  уменьшением среднего значени  тока нагрузки. Таким образом, чтобы, например, установить среднее значение тока нагрузки, равное половине тока максимального граничного режима, необходимо выбрать fy 0,25 fo, при этом в выпр мленном токе будут присутствовать паузы с длительностью То.

Поскольку дл  поддержани  дугового разр да и дл  многих других целей требуетс  сглаженный ток, в цепь нагрузки включают фильтр, в данном случае - сглаживающую индуктивность (дроссель). Известно , что сглаживающее действие дроссел  пропорционально его индуктивности, току и частоте пульсаций, поэтому в области малого тока, когда уменьшаетс  и его частота, эффективность дроссел  резко снижаетс . Выбор большой индуктивности, рассчитанной на минимальный ток, отрицательно ска- зываетс  на параметрах установки в области больших токов: растут потери, снижаетс  быстродействие, резко возрастает масса выходного фильтра и всей установки из-за роста сечени  магнитопровода дроссел , которое приходитс  рассчитывать по допустимой магнитной индукции материала и максимальном значении тока нагрузки. Таким образом в прототипе не обеспечиваетс  широкий диапазон тока нагрузки при удовлетворительных массогабаритных по- казател хЦель изобретени  - расширение диапазона технологического тока в сторону малых его значений при сохранении массогабаритных показателей.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в инвертор дополнительно введены три цепочки, кажда  из которых аналогична основной и содержит последовательно соединенные первый индуктивный элемент, две пары из встречно-параллельно включенных тиристора и диода кажда , и второго индуктивного элемента, включенные параллельно основной цепочке, причем вывод другой обкладки первого конденсатора подключен к общей точке соединени  пар из встречно-параллельно соединенных тиристора и диода первой дополнительной цепочки , вывод другой обкладки второго конденсатора подключен к общей точке соединени  аналогичных пар второй дополнительной цепочки, обща  точка соединени  аналогичных пар третьей дополнительной цепочки подключена к общей точке соединени  таких же пар основной цепочки, а

система управлени  дополнительно снабжена вторым распределителем импульсов и компаратором, причем выходы обоих распределителей импульсов через схему ИЛИ

подключены к управл ющим цеп м тиристоров цепочек, их входы через коммутатор - к выходу задающего генератора, управл ющий вход коммутатора соединен с выходом компаратора, один вход которого

0 подключен к выходу датчика тока и к другому входу схемы сравнени , выходом соединенной с входом задающего генератора, а другой вход - к выходу источника опорного напр жени .

5 На фиг. 1 показана схема установки; Р- фиг. 2 и 3 - внешние и регулировочные характеристики; на фиг. 4 - вариант схемной реализации блоков 11-14.

Источник питани  дл  технологических

0 установок содержит питающиес  от сети переменного тока последовательно соединенные входной выпр митель 1 (фиг. 1), входной фильтр 2. последовательный тири- сторный инвертор, состо щий из двух мос5 тов 3 и 4, трансформатор 5 с первичной 6 и вторичной 7 обмотками и выходной выпр митель 8, цепь нагрузки, включающа  в себ  сглаживающий дроссель 9 и активное сопротивление 15, а также систему управле0 ни  инвертором, содержащую управл емый задающий генератор 10, коммутатор 11, два распределител  12 и 13 импульсов, схему ИЛИ 14, включенный последовательно с цепью нагрузки 15 датчик 16 тока, компара5 тор 17. схему 18 сравнени  и источник напр жени  задани  (на фиг. 1 не показан).

В состав инверторов вход т: первого моста - вентильные  чейки 19-22, представл ющие собой встречно-параллельное сое0 динение тиристора и диода, индуктивные элементы (катушки индуктивности) 23-26, второго моста - вентильные  чейки 27-30. катушки 31-34. Выходные диагонали мостов подключены параллельно первичной об5 мотке трансформатора одними полюсами непосредственно, другими - через конденсаторы 35 и 36. Первый вход компаратора 17 подключен к выходу датчика 16 тока и к первому входу схемы 18 сравнени , второй 0 к источнику 37 опорного напр жени , выход - к управл ющему входу двухпозиционного коммутатора 11.

Выход задающего генератора 10 в зависимости от состо ни  коммутатора подклю5 чен к входу первого 12 или второго 13 распределителей импульсов, выходы которых через схему ИЛИ 14 подключены к управл ющим цеп м тиристоров мостов 3 и 4. Выход схемы 18 сравнени  подключен к входу управл емого задающего генератора

10, а на второй вход ее подаетс  напр жение задани .

Источник питани  работает следующим образом.

При рассмотрении работы устройства в динамике примем обычные допущени  от идеальности вентилей и трансформатора, линейности пассивных элементов инвертора , симметрии мостов.

Допустим, что коммутатор 11 (фиг. 1) находитс  в состо нии 1; при этом выходные импульсы генератора 10 поступают на вход первого распределител  12, далее через схему ИЛИ 14 - к управл ющим цеп м тиристоров.

Распределитель 12 построен таким образом , что обеспечиваетс  следующий алгоритм управлени  тиристорами мостов 3 и 4: одновременно включаютс  тиристоры  чеек 19, 22, 27 и 30; затем одновременно включаютс  тиристоры  чеек 20, 21, 28. 29; затем снова 19, 22, 27, 30 и так далее. Предположим , что данной частоте включени  тиристоров fy и сопротивлению нагрузки соответствует по снение 1 изображающей точки на внешней характеристике 38 (фиг 2) и положение 1 на регулировочной характеристике (фиг. 3). При одновременном включении  чеек 19, 22, 27 30 ток входного выпр мительного фильтра 2 протекает по двум параллельным ветв м, перва  из которых образована последовательным соединением катушки 23,  чейки 19, конденсатора 35, первичной обмотки 6 трансформатора 7,  чейки 22, катушки 26. Втора  ветвь содержит последовательно соединенные катушку 31,  чейку 27, конденсатор 36, обмотку 6,  чейку 30, катушку 34.

Волновое сопротивление коммутирующего контура,  вл ющеес  основной частью выходного сопротивлени  инвертора

,-f.

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

р Vu/2CK.

Допустим, что технологический ток уменьшаетс  (это можно обеспечить уменьшением сигнала задани  подаваемого на

второй вход схемы 18 сравнени  и, как следствие , уменьшением частоты fy. На внешней и регулировочной характеристиках устройства (фиг. 2 и 3 соответственно) это изображаетс  перемещением рабочей точки по нагрузочной пр мой 39 из положени  1, через положение 2 в направлении стрелки к точке 3, лежащей на внешней характеристике 40 (фиг. 2).

0 Предположим, что в точке 3 ток нагрузки 15 (фиг. 2) достигает порогового значени  п, при котором величина сигнала датчика 16 тока сравн етс  с опорным напр жением источника 37. Компаратор 17 изменит состо5  ние (например, из О в 1), что приведет к изменению состо ни  коммутатора 11 из состо ни  1 в состо ние 2. Распределение импульсов генератора 10 осуществл етс  теперь вторым распределителем 13, кото0 рый построен таким образом, что обеспечиваетс  следующий алгоритм включени  тиристоров мостов 3 и 4: одновременно включаютс  тиристоры  чеек 19 и 30, затем 21 и 28, затем 27 и 22. затем 20 и 29, снова

5 19 и 30 и так далее.

При одновременном включении  чеек, например 19 и 30. ток входного выпр мительного фильтра 2 протекает по одной ветви , образованной последовательным

0 соединением катушки 23,  чейки 19, конденсатора 35, обмотки 6,  чейки 30, катушки 34. В данном случае эквивалентна  индуктивность контура L равна удвоенной индуктивности LK одной из катушек, емкость С 5 емкости Ск одного конденсатора 35 или 36. а волновое сопротивление pi Y2 LK/CK 2 pi. т.е. в 2 раза увеличиваетс .

Дл  поддержани  выбранного значени  тока 1П при увеличенном выходном сопро0 тивлении инвертора схема 18 сравнени  вырабатывает сигнал, привод щий к увеличению частоты fy и скачкообразному перемещению изображающей точки из положени  3 на регулировочной характеристике 41 (фиг.

5 3} в положение 3 на регулировочной характеристике 42.

На внешних характеристиках (фиг. 2) положение точки 3 сохран етс , но сами ха- рактерис ики измен ют конфигурацию (пунк0 тирные линии на фиг. 2), соответству  инвертору с новыми параметрами, а именно крутизна их возрастает, прежн   мощность нагрузки достигаетс  при большом значении fy. При дальнейшем уменьшении тока на5 грузки изображающие точки на Фиг. 2 и 3 перемещаютс  в направлении 4. (ри увеличении тока нагрузки растет частота fy, изображающа  точка перемещаетс  из положени  4 в положение 3, а если ток превышает п, компаратор 17 (фиг. 1) возвращаетс  в состо ние О, коммутатор - в состо ние 1, а включение в структуру первого распределител  импульсов 12 обеспечивает уменьшение выходного сопротивлени  инвертора , необходимое дл  получени  больших значений нагрузочного тока. Дальнейший путь изображающей точки на внешней характеристике: 3-2-1, на регулировочной - скачком 3-3-2-1. Таким образом , если из соображений сглаживани  пульсаций тока или по другим причинам минимально допустимое значение частоты инвертировани  составл ет тмин, то, как видно из фиг, 3, изменение алгоритма переключени  вентилей инверторных мостов , описанное выше, позвол ет ограничить минимальный ток нагрузки значением lo вместо In, характерного дл  прототипа. Расширение диапазона технологического тока в сторону меньших его значений составл ет АI 1П - lo (фиг. 3), что в практических случа х соответствует 20-30%. Поскольку частота инвертировани  при этом не опускаетс  ниже значени  тмин, масса и габариты дроссел  9 в цепи нагрузки 15 (фиг. 1) и установки в целом сохран ютс ,

Увеличение по сравнению с прототипом в 4 раза количества элементов, вход щих в состав инверторных мостов, существенного вли ни  на массогабаритные показатели установки не оказывают по следующим причинам . При той же мощности установки в предлагаемом устройстве ток вентильной  чейки и катушки индуктивности в 4 раза меньше, чем в прототипе, что объ сн етс  наличием двух мостов и использованием всего напр жени  выпр мительного фильтра 2 (фиг, 1) вместо 0,5 этой величины в прототипе, а именно величина тока определ ет массу и габариты этих элементов. Кроме того, их рассредоточение улучшает тепловой режим, увеличивает эффективность системы охлаждени .

При прочих равных услови х суммарна  емкость конденсаторов 35. 36 та же, что и в прототипе. Дополнительный положительный эффект изобретени  про вл етс  при работе на дуговую нагрузку, так как в режиме малых токов (сварка металлов малых толщин , режим дежурной дуги плазмотрона, стади  рафинировани  в дуговой печи и т.п.) сопротивление источника питани  увеличиваетс , внешн   характеристика приближаетс  к вертикальной, что приводит к повышению устойчивости разр да, стабилизации его тока, снижению веро тности обрыва дуги.

Реализаци  блоков 11-14.

Выход управл емого генератора 10 подключен к счетному входу Т-триггера 43, к

второму входу схемы И 44 и к первому входу схемы И 45. Выход триггера 43 подключен к первому входу схемы И 46, второй вход которой подключен к выходу схемы НЕ 47, а выход - к второму входу схемы И 46 и к вторые входам схем И 48-55. Вход схемы НЕ 47 подключен к второму входу схемы И 45, к вторым входам схем И 56-63 и к выходу компаратора 17. Выходы схем I/I 45, 46 чере;

схему ИЛИ 64 и цепь первой вxoд-выxo схемы И 44 соединен с входом кольцевогс счетчика 65 с коэффициентом пересчета 4, выходы которого соединены с первыми входами схем И 48-63, а их выходы через схемы

ИЛИ 66-73 и цепи формировани  и гальванической разв зки - с управл ющими электродами тиристоров вентильных  чеек 19-22, 27-30, попарно образу  следующие св зи: 66-19, 67-20, 68-21, 69-22, 70-27, 71-28,

72-29, 73-30. В данном варианте роль коммутатора 11 выполн ет схема НЕ 47 в сочетании с логическими элементами 48-63, схема ИЛ И 14 реализована на элементах 66- 73. В цел х уменьшени  аппаратурных затрат в распределител х 12 и 13 импульсов использованы общие элементы.

Если с выхода компаратора 17 поступает сигнал О, импульсы генератора 10, частота которых делитс  на два триггером 43, через

элементы 46, 64, 44 попадают на вход кольцевого счетчика 65. С его выходов через элементы 48-55, образующие управл емый дешифратор, и схемы ИЛИ 66-73 эти импульсы поступают в управл ющие цепи тиристоров инверторных мостов 3, 4, причем последовательность включени  тиристоров обеспечивает низкое выходное сопротивление инвертора.

Когда при снижении тока компаратор 17 изменит состо ние с О на 1, импульсы генератора 1,0 попадают на вход счетчика 65. мину  триггер 43. Управл емый дешифратор измен ет свою структуру так, что в работу

включаютс  его элементы 56-63, с выходов которых через элементы 66-73 импульсы поступают в управл ющие цепи тиристоров инверторных мостов 3 и 4, а последовательность включени  тиристоров

обеспечивает высокое выходное сопротивление инвертора. В обоих случа х частота включени  тиристоров в два раза ниже частоты импульсов генератора 10.

Таким образом может быть реализовано переключение распределителей 12 и 13 импульсов посредством коммутатора 11 по выходному логическому сигналу компаратора 17. что и представлено в виде функциональной схемы на фиг. 1.

i i174296812

Из изложенного следует, что поставлен- указанных пар из тиристоров и диодов обра- на  целы расширение диапазона технологи- зуют выход инвертора, соединенный с пер- ческого тока в сторону малых его значений вичной обмоткой трансформатора, к при сохранении массогабаритных показате- вторичной обмотке которого подключен вылей достигнута путем введени  новых эле- 5 ходной выпр митель, к выходу которого под- ментов и св зей, а именно: автономный ключена цепь нагрузки, а также систему инвертор выполнен в виде двух мостов, вы- управлени  инвертором, содержащую зада- ходы которых через конденсаторы подклю- ющий генератор, схему сравнени , источник чены к первичной обмотке трансформатора, напр жени  задани , распределитель им- а в систему управлени  введены второй рас- 10 пульсов, датчик тока, коммутатор, схему пределитель импульсов, коммутатор и схема ИЛИ, источник опорного напр жени , при- ИЛИ, выходы первого и второго распредели- чем датчик тока включен последовательно с телей через схему ИЛИ подключены к управ- цепью нагрузки, один вход схемы сравнени  л ющим цеп м тиристоров инвертора, соединен с источником напр жени  зада- входы через коммутатор - к выходу задаю- 15 ни , отличающийс  тем, что, с целью щего генератора, управл ющий вход комму- расширени  диапазона технологического татора - к выходу компаратора.тока в сторону малых его значений при соПредлагаемый источник питани  техно- хранении массогабаритных показателей, логических установок посто нного тока дает параллельно входу инвертора дополнитель- возможность изменени  его параметров, в 20 но введена втора  цепочка из последова- частности параметров схемы замещени  си- тельно соединенных третьего индуктивного ловой части без коммутации сильноточных элемента, двух пар из встречно-параллельно цепей, и имеет устойчивые и стабильные па- включенных тиристора и диода кажда  и чет- раметры разр да при дуговой нагрузке, пол- вертого индуктивного элемента, т.е. образо- ученные за счет существенного (в 2 раза) 25 ван симметричный мост, параллельно входу роста внутреннего сопротивлени  источни- инвертора включен второй аналогичный ка питани  и соответствующего увеличени  мост, другие обкладки конденсаторов под- крутизны внешней характеристики в обла- ключены к общим точкам соединени  пар из сти малых токов, где дуговой разр д наибо- тиристоров и диодов дополнительно введен- лее подвержен внешним воздействи м.30 ных последовательных цепочек, общие точФормула изобретени ки соединени  пар тиристоров и диодов

Источник питани  дл  технологических других цепочек обоих мостов объединены, в установок посто нного тока, содержащий систему управлени  введен второй распре- последовательно соединенные входной вы- делитель импульсов и компаратор, выходы пр митель, входной фильтр, последователь- 35 первого и второго распределителей импуль- ный тиристорный инвертор, включающий сов через схему ИЛИ подключены к управл - два конденсатора, выводы одних обкладок ющим цеп м тиристоров инвертора, входы которых объединены в общую точку, и цепоч- через коммутатор - к выходу задающего теку из последовательно соединенных перво- нератора, управл ющий вход коммутатора - го индуктивного элемента, двух пар из 40 к выходу компаратора, один вход которого встречно-параллельно включенных тиристо- подключен к выходу датчика тока и к перво- ра и диода кажда , и второго индуктивного му входу схемы сравнени , другой - к источ- элемента, причем свободные выводы ин- нику опорного напр жени , второй вход дуктивных элементов образуют вход ин- схемы сравнени  подключен к источнику на- вертора, а обща  точка соединени  45 пр жени  задани , а выход ее - к входу за- конденсаторов и обща  точка соединени  дающего генератора.

Фиг.З

46

43

Т

Г w

ЦГ1 I

Lf

w l

uu

40

U

От лоз. /3 wci.

S6

ffS

к SO

/

59

41

, 1Q

li -

72 K29

73 R30

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Источник питания для технологических установок постоянного тока, содержащий последовательно соединенные входной выпрямитель, входной фильтр, последовательный тиристорный инвертор, включающий два конденсатора, выводы одних обкладок которых объединены в общую точку, и цепочку из последовательно соединенных первого индуктивного элемента, двух пар из встречно-параллельно включенных тиристора и диода каждая, и второго индуктивного элемента, причем свободные выводы индуктивных элементов образуют вход инвертора, а общая точка соединения конденсаторов и общая точка соединения указанных пар из тиристоров и диодов образуют выход инвертора, соединенный с первичной обмоткой трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен выходной выпрямитель, к выходу которого подключена цепь нагрузки, а также систему управления инвертором, содержащую задающий генератор, схему сравнения, источник напряжения задания, распределитель импульсов, датчик тока, коммутатор, схему ИЛИ, источник опорного напряжения, причем датчик тока включен последовательно с цепью нагрузки, один вход схемы сравнения соединен с источником напряжения задания, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона технологического тока в сторону малых его значений при сохранении массогабаритных показателей, параллельно входу инвертора дополнительно введена вторая цепочка из последовательно соединенных третьего индуктивного элемента, двух пар из встречно-параллельно включенных тиристора и диода каждая и четвертого индуктивного элемента, т.е. образован симметричный мост, параллельно входу инвертора включен второй аналогичный мост, другие обкладки конденсаторов подключены к общим точкам соединения пар из тиристоров и диодов дополнительно введенных последовательных цепочек, общие точки соединения пар тиристоров и диодов других цепочек обоих мостов объединены, в систему управления введен второй распределитель импульсов и компаратор, выходы первого и второго распределителей импульсов через схему ИЛИ подключены к управляющим цепям тиристоров инвертора, входы через коммутатор - к выходу задающего генератора, управляющий вход коммутатора к выходу компаратора, один вход которого подключен к выходу датчика тока и к первому входу схемы сравнения, другой - к источнику опорного напряжения, второй вход схемы сравнения подключен к источнику напряжения задания, а выход ее - к входу задающего генератора.

   4-3

   Фиг. 3 t6~

   Фиг. У