Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока
Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока может быть использован в источниках питания сварочной дуги, особенно при сварке короткой электрической дугой, когда требуется высокое напряжение на дуге во время поджига дугового разряда. Технический результат заключается в повышении эффективности работы преобразователя, путем управления величиной выходного напряжения до заданного уровня во время формирования фронта сварочного тока при одновременном обеспечении мягкого переключения транзисторов и диодов мостового инвертора преобразователя в режиме стабилизации сварочного тока. Это достигается тем, что преобразователь содержит мостовой инвертор на управляемых ключах с обратными диодами, согласующий электромагнитный блок, три дополнительных управляемых ключа, шесть конденсаторов, три дросселя, два диода, выпрямитель, четыре датчика тока, два датчика напряжения и систему управления. Управляющие входы всех управляемых ключей соединены с соответствующими выходами системы управления. Информационные выходы четырех датчиков тока и двух датчиков напряжения соединены с соответствующими входами системы управления. Каждый из первых четырех конденсаторов подключен параллельно к соответствующему управляемому ключу мостового инвертора. К первому выводу второго дополнительного управляемого ключа подключен пятый конденсатор, другой вывод которого подключен к положительному выводу основного источника питания, параллельно которому подключен шестой конденсатор. Параллельно пятому конденсатору включены последовательно соединенные третий дополнительный управляемый ключ, первый дроссель, первый датчик тока. К общей точке соединения третьего дополнительного управляемого ключа и первого дросселя подключен катод второго диода, анод которого соединен с отрицательным выводом основного источника питания. К выводам переменного тока мостового инвертора последовательно подключены второй и третий дроссели. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.
Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания сварочной дуги, источниках питания электровакуумных дуговых и магнетронных испарителей металлов для нанесения покрытий и других электротехнологиях, особенно при сварке короткой электрической дугой, когда требуется высокое напряжение на дуге во время поджига дугового разряда.
Например, при сварке короткой электрической дугой максимальное напряжение на дуге в режиме стабилизации сварочного тока не превышает значение напряжения примерно 20 В, в то время как для поджига дугового разряда требуется напряжение 60-90 В, что в 3-4,5 раза больше напряжения в режиме стабилизации тока. В этом случае преобразователь должен обеспечить повышенное (в 3-4,5 и более раза) напряжение на дуге во время поджига дугового разряда.
Известен преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока [1. Патент РФ на полезную модель 
87379, МПК B23K 9/00, H02M 3/22 опубликован БИ 28, 10.10.09]. Преобразователь [1] содержит мостовой инвертор на управляемых ключах, к положительному входному выводу инвертора подключен катод диода, а к выводам переменного тока инвертора через согласующий электромагнитный блок и выпрямитель подключена нагрузка. Согласующий электромагнитный блок выполнен в виде двух многообмоточных дросселей, первичные обмотки которых включены встречно-последовательно, при этом первые одноименные концы вторичных обмоток объединены и подключены к первому выводу нагрузки, а вторые одноименные выводы вторичных обмоток через диоды выпрямителя подключены ко второму выводу нагрузки. Схема также дополнительно содержит конденсатор, подключенный параллельно нагрузке и дополнительный управляемый ключ, первый вывод которого подключен к отрицательному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с общей точкой объединенных первичных обмоток дросселей согласующего электромагнитного блока и соединен с анодом диода. Известный преобразователь [1] обеспечивает высокую скорость нарастания тока в момент перехода преобразователя из режима стабилизации напряжения поджига дугового разряда в режим стабилизации сварочного тока. Причем в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда обеспечивается повышенное напряжение на нагрузке без завышения габаритной мощности преобразователя, по крайней мере, в 2 раза по сравнению с максимальным напряжением в режиме стабилизации тока.
Однако при сварке короткой электрической дугой в режиме поджига дугового разряда требуется напряжение 60-90 В, что в 3-4,5 раза больше напряжения в режиме стабилизации тока. При таком применении преобразователь [1] в режиме поджига электрической дуги не обеспечивает заданной величины напряжения без завышения его габаритной мощности. Кроме того, преобразователь [1] в режиме стабилизации сварочного тока не обеспечивает равномерного распределения тока нагрузки между управляемыми ключами преобразователя и не позволяет реализовать их мягкую коммутацию.
Известен преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока [2. Патент РФ на полезную модель 112538, МПК H02M 3/337 опубликован БИ 1, 10.01.2012], который является близким по технической сути и взят за прототип. Преобразователь [2] содержит подключенный к входным выводам мостовой инвертор на управляемых ключах и два дополнительных управляемых ключа и согласующий электромагнитный блок. К выводам переменного тока инвертора через согласующий электромагнитный блок и выпрямитель подключена нагрузка, параллельно которой подключен конденсатор. Согласующий электромагнитный блок, выполнен в виде двух многообмоточных дросселей, первичные обмотки которых включены встречно-последовательно. Первые одноименные концы вторичных обмоток согласующего электромагнитного блока объединены и подключены к первому выводу нагрузки, а вторые одноименные выводы вторичных обмоток через диоды выпрямителя подключены ко второму выводу нагрузки. Первый вывод первого дополнительного управляемого ключа подключен к отрицательному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с общей точкой объединенных первичных обмоток дросселей согласующего электромагнитного блока и соединен с анодом диода. Первый вывод второго дополнительного управляемого ключа подключен к положительному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с катодом диода.
Известный преобразователь [2] обеспечивает увеличение выходного напряжения в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда по сравнению с максимальным напряжением в режиме стабилизации сварочного тока без завышения габаритной мощности магнитных элементов преобразователя. Преобразователь [2] также обеспечивает равномерное распределение тока нагрузки в ключах преобразователя в режиме стабилизации тока, что позволяет обеспечить работу этого преобразователя при сварке короткой электрической дугой.
Однако преобразователь по прототипу [2] в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда характеризуется низкой эффективностью, т.к. увеличение выходного напряжения ничем не ограничивается, а определяется только характером цепи нагрузки, т.е. выходное напряжение во время формирования фронта сварочного тока не является управляемым. Это приводит к чрезмерному увеличению напряжения на дополнительных управляемых ключах и, как следствие, к выходу их из строя. Кроме того преобразователь [2] в режиме стабилизации сварочного тока имеет жесткое переключение транзисторов и диодов мостового инвертора, что увеличивает динамические потери преобразователя, приводит к уменьшению его эксплуатационной надежности, за счет возможного перегрева ключей при их переключении, что также снижает эффективность работы преобразователя.
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы преобразователя при сварке короткой электрической дугой без завышения габаритной мощности магнитных элементов преобразователя.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в управлении величиной выходного напряжения до заданного уровня во время формирования фронта сварочного тока при одновременном обеспечении мягкого переключения транзисторов и диодов мостового инвертора преобразователя в режиме стабилизации сварочного тока.
Технический результат достигается следующим образом. Заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит мостовой инвертор на управляемых ключах с обратными диодами, подключенный к входным выводам, два дополнительных управляемых ключа, первый диод, катод которого связан со вторым выводом второго управляемого ключа и согласующий электромагнитный блок. Согласующий электромагнитный блок выполнен в виде двух многообмоточных дросселей, первичные обмотки которых включены встречно-последовательно и имеют общую точку. Первые одноименные концы вторичных обмоток объединены и подключены к первому выводу нагрузки. Вторые одноименные выводы вторичных обмоток соединены соответственно с диодами выпрямителя, катоды которых образуют общую точку. Первый вывод первого дополнительного управляемого ключа подключен к отрицательному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с общей точкой объединенных первичных обмоток дросселей согласующего электромагнитного блока и анодом первого диода.
В отличие от прототипа заявляемая полезная модель дополнительно содержит шесть конденсаторов, три дросселя, второй диод, третий дополнительный управляемый ключ, четыре датчика тока, два датчика напряжения и систему управления. Каждый из первых четырех конденсаторов подключен параллельно к соответствующему управляемому ключу мостового инвертора. Управляющие входы каждого из четырех управляемых ключей мостового инвертора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами системы управления. Первый вывод пятого дополнительного конденсатора, являющегося накопительным, соединен с первым выводом второго дополнительного управляемого ключа. Второй вывод пятого дополнительного конденсатора соединен с положительным входом основного источника питания. Параллельно пятому дополнительному конденсатору включены последовательно соединенные третий дополнительный управляемый ключ, первый дроссель, первый датчик тока, информационный вывод которого подключен к первому входу системы управления. К общей точке соединения третьего дополнительного управляемого ключа и первого дросселя подключен катод второго диода, анод которого соединен с отрицательным выводом основного источника питания, параллельно которому подключен шестой конденсатор и мостовой инвертор. При этом управляющий вход третьего управляемого ключа соединен с седьмым выходом системы управления. Между первым выводом переменного тока мостового инвертора и первым выводом электромагнитного блока последовательно включены второй дроссель и второй датчик тока, информационный выход которого подключен к третьему входу системы управления. Между вторым выводом переменного тока мостового инвертора и вторым выводом электромагнитного блока последовательно включены третий дроссель и третий датчик тока, информационный выход которого подключен к четвертому входу системы управления. Управляющие входы первого и второго дополнительных управляемых ключей соединены соответственно с пятым и шестым выходами системы управления. Информационный выход четвертого датчика тока, включенного последовательно с нагрузкой, соединен с шестым входом системы управления. Первый вывод первого датчика напряжения подключен к первому выводу пятого конденсатора, а второй вывод первого датчика напряжения подключен к отрицательному входу основного источника напряжения. Информационный выход первого датчика напряжения подключен ко второму входу системы управления. Второй датчик напряжения подключен параллельно нагрузке, а его информационный выход связан с пятым входом системы управления.
В частном случае выполнения система управления выполнена в виде микроконтроллера с программным управлением, и имеет семь выходов и шесть входов, соединенных соответственно с управляющими входами управляемых ключей и информационными выводами соответствующих датчиков тока и датчиков напряжения.
В частном случае выполнения последовательно соединенные третий дополнительный управляемый ключ, первый дроссель, первый датчик тока и второй диод образуют инвертирующий преобразователь.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели среди известных источников информации заявителями не обнаружена, что подтверждает ее новизну.
Отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают указанный выше технический результат. Введение пятого дополнительного конденсатора и инвертирующего преобразователя обеспечивает ограничение заданного напряжения на нагрузке и фиксированное значение напряжения на первом и втором дополнительных управляемых ключах. Напряжение на первом и втором дополнительных управляемых ключах ограничивается суммарным напряжением основного источника питания и напряжением на пятом дополнительным конденсаторе независимо от характера цепи нагрузки. При этом инвертирующий преобразователь стабилизирует заданный уровень напряжения на пятом дополнительном конденсаторе. Введение первых четырех конденсаторов и второго и третьего дросселей позволяет реализовать мягкую коммутацию управляемых ключей мостового инвертора, а значит уменьшить потери мощности и повысить эффективность работы преобразователя. А введение датчиков тока и датчиков напряжения позволяет реализовать алгоритм управления величиной выходного напряжения до заданного уровня во время формирования фронта сварочного тока, а также мягкую коммутацию управляемых ключей мостового инвертора. Подробнее об этом будет сказано в примере конкретного выполнения преобразователя.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения и чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема преобразователя постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока. На фиг.2 приведена эквивалентная схема преобразователя в режиме заряда накопительного конденсатора до необходимого напряжения для поджига дугового разряда. На фиг.3 приведена эквивалентная схема преобразователя в режиме накопления и стабилизации тока в индуктивностях контуров намагничивания. На фиг.4 приведена эквивалентная схема преобразователя в режиме формирования фронта импульса сварочного тока. На фиг.5 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы преобразователя в режиме формирования фронта импульса сварочного тока. На фиг.6 приведена эквивалентная схема преобразователя в режиме стабилизации амплитуды импульса сварочного тока. На фиг.7 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы преобразователя в режиме стабилизации амплитуды импульса сварочного тока. На фиг.8 приведена эквивалентная схема преобразователя в режиме формирования заднего фронта импульса и сброса накопленной энергии из накопительного конденсатора в источник. На фиг.9 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы преобразователя при формировании импульса сварочного тока с учетом формирования переднего и заднего фронтов, а также заряда и разряда накопительного конденсатора.
Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока фиг.1 выполнен в виде мостового инвертора на транзисторных ключах VT1-VT4 с обратными диодами VD 1-VD4 и дополнительными конденсаторами C 1-C4. Управляющие входы каждого из четырех управляемых ключей VT1-VT4 мостового инвертора соединены соответственно с первым 1, вторым 2, третьим 3 и четвертым 4 выходами системы управления СУ. Вход мостового инвертора подключен к основному источнику питания с выводами Uвх+ и U вх-. Между первым выводом А переменного тока мостового инвертора и первым выводом электромагнитного блока последовательно включены второй дроссель L2 и второй датчик тока ДТ 2, информационный выход которого подключен ко третьему входу 9 системы управления СУ и несет информацию о величине тока iw11. Между вторым выводом В переменного тока мостового инвертора и вторым выводом электромагнитного блока последовательно включены третий дроссель L3 и третий датчик тока ДТ 3, информационный выход которого подключен к четвертому входу 10 системы управления СУ и несет информацию о величине тока iw12. Электромагнитный блок выполнен в виде двух трансформаторов-дросселей TV1 и TV2 с первичными W11 и W12 и вторичными W21 и W22 обмотками. Одноименные зажимы первичных обмоток W11 и W12 объединены и подключены к общей точке дополнительных управляемых ключей второго - VT5 и первого - VT6. Второй дополнительный управляемый ключ VT5, последовательно с которым включен первый диод VD5, соединяет общую точку первичных обмоток с накопительным конденсатором C5, другой выход которого соединен с выводом Uвх+ основного источника питания. В цепи первого диода VD5 протекает ток iVD5 . Дополнительный ключ VT6 соединяет общую точку первичных обмоток с выводом Uвх- основного источника питания. Параллельно накопительному конденсатору C5, включен инвертирующий преобразователь, выполненный на третьем дополнительным управляемом ключе VT7, первом дросселе L1 , датчике тока ДТ1 и втором диоде VD8. Информационный выход датчика тока подключен к первому входу 8 системы управления СУ и показывает величину тока iL1 . Параллельно основному источнику питания с выводами Uвх+ и Uвх- установлен конденсатор C6. Датчик напряжения ДН1 подключен параллельно к последовательно включенным конденсаторам C5 и C6 и предназначен для измерения суммарного напряжения UCT основного источника питания (конденсатор C6) и напряжения на накопительном конденсаторе C5. Измеренное значение суммарного напряжения UCT передается на второй вход 11 системы управления СУ. Вторичные обмотки W21 и W22 трансформаторов-дросселей TV1 и TV 2 соответственно соединены с анодами диодов VD6 и VD7, катоды которых образуют общую точку, подключенную к датчику тока ДТ4. Напряжение на выходе выпрямителя Uвых измеряется датчиком напряжения ДН2 , включенным параллельно нагрузке Zн и передается на пятый вход 12 системы управления СУ, а ток дуги iД измеряется датчиком тока ДТ4, включенным последовательно нагрузке Zн, и передается на шестой вход 13 системы управления СУ.
На фиг.2, 3, 4, 6, 8 изображены эквивалентные схема преобразователя постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока в указанных выше режимах работы. Все обозначения соответствуют обозначениям, представленным на фиг.1. При этом на фиг.2 индуктивности Lm1 и Lm2 контуров намагничивания условно вынесены из схемы трансформаторов-дросселей TV1 и TV2 фиг.1.
На фиг.5, 7, 9 использованы следующие обозначения: UVT1 - сигнал управления ключа VT1, UVT2 - сигнал управления ключа VT2, UVT3 - сигнал управления ключа VT3, UVT4 - сигнал управления ключа VT 4, UVT5 - сигнал управления ключа VT5 , UVT6 - сигнал управления ключа VT6, U VT7 - сигнал управления ключа VT7, UAB - напряжение на выходе мостового инвертора, между точками А и В; UC5 - напряжение на накопительном конденсаторе C5; UКЭ2 - напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2; IК2 - ток коллектора транзистора VT2; IVD5 - ток диода VD5; I VD6 - ток диода VD6; IVD7 - ток диода VD7; ILm1 - максимальный накопленный ток индуктивности намагничивания Lm1 приведенной к первичной обмотке трансформатора TV1, ILm2 - максимальный накопленный ток индуктивности намагничивания Lm2 приведенной к первичной обмотке трансформатора TV2; iД - мгновенный ток дуги; 
I - приращение тока дуги, полученное при работе преобразователя в режиме формирования фронта импульса сварочного тока; t - время, за которое происходит формирование фронта импульса сварочного тока; t10 - момент начала формирования фронта импульса сварочного тока; t11 - момент окончания формирования фронта импульса сварочного тока; t20 - момент размыкания ключа VT4 в режиме стабилизации сварочного тока; t21 - момент замыкания ключа VT 3 в режиме стабилизации сварочного тока; t22 - момент размыкания ключа VT1 в режиме стабилизации сварочного тока; t23 - момент замыкания ключа VT 2 в режиме стабилизации сварочного тока; t24 - момент размыкания ключа VT3 в режиме стабилизации сварочного тока; t25 - момент замыкания ключа VT 4 в режиме стабилизации сварочного тока; t26 - момент размыкания ключа VT2 в режиме стабилизации сварочного тока; t27 - момент замыкания ключа VT 1 в режиме стабилизации сварочного тока; t30 - момент размыкания ключа VT6 в режиме заряда накопительного конденсатора C5 до необходимого напряжения для поджига дугового разряда; t31 - момент замыкания ключа VT 6 и переход в режим накопления и стабилизации тока в индуктивностях контуров намагничивания; t32 - момент размыкания ключей VT1, VT3, VT6 в режиме формирования фронта импульса сварочного тока; t33 - момент перехода в режим стабилизации амплитуды сварочного тока; t34 - момент перехода в режим формирования заднего фронта импульса и сброса накопленной энергии из конденсатора C5 в источник; t35 - момент размыкания ключа VT7 .
Работа преобразователя рассмотрена на конкретном примере, в котором полностью управляемые ключи VT1 -VT4 мостового инвертора и дополнительные управляемые ключи VT5, VT6 и VT7 выполнены на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Многообмоточные трансформаторы-дроссели TV1, TV2 выполнены на ферритовых Ш-образных сердечниках с зазором.
Работу предложенного преобразователя можно условно разделить на шесть режимов: 1 - режим заряда накопительного конденсатора до необходимого напряжения для поджига дугового разряда; 2 - режим накопления и стабилизации тока в индуктивностях контуров намагничивания; 3 - режим формирования фронта импульса сварочного тока; 4 - режим стабилизации амплитуды сварочного тока; 5 - режим формирования заднего фронта импульса; 6 - режим сброса накопленной энергии из накопительного конденсатора в источник.
Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока в режиме заряда дополнительного конденсатора до необходимого напряжения для поджига дугового разряда работает следующим образом. В данном режиме работы (фиг.2) ключи VT1, VT3 и VT5 замкнуты, ключи VT2, VT4 и VT7 разомкнуты, а ключ VT6 вместе с индуктивностями контуров намагничивания Lm1 и L m2 и диодом VD5 образуют преобразователь инвертирующего типа, который обеспечивают заданное напряжение на накопительном конденсаторе C5. Так как индуктивности резонансного контура L2 и L3 много меньше индуктивностей намагничивания Lm1 и Lm2 при рассмотрении данного режима ими можно пренебречь. При замыкании ключа VT 6 происходит накопление тока в индуктивностях намагничивания Lm1 и Lm2 дросселей-трансформаторов TV 1 и TV2, соответственно, по следующим контурам: индуктивность намагничивания Lm1 - ключ VT6 - отрицательный вывод основного источника питания Uвх- - положительный вывод основного источника питания Uвх+ - ключ VT1; индуктивность намагничивания Lm2 - ключ VT6 - отрицательный вывод основного источника питания Uвх- - положительный вывод основного источника питания Uвх+ - ключ VT3. Величина тока протекающего в представленных выше контурах измеряется датчиками тока ДТ2 и ДТ3 соответственно. При этом системой управления СУ формируются требуемые длительности импульсов управления ключом VT6 на основе информации об измеренных значениях токов iW11 и iW12 с датчиков тока ДТ2 и ДТ3. Когда ключ VT6 разомкнут, ток, запасенный в индуктивностях намагничивания L m1 и Lm2, замыкается по следующим контурам: индуктивность намагничивания Lm1 - ключ VT5 - диод VD5 - накопительный конденсатор C5 - ключ VT1; индуктивность намагничивания Lm2 - ключ VT5 - диод VD5 - накопительный конденсатор C5 - ключ VT3. Таким образом, происходит заряд накопительного конденсатора C5 до необходимого уровня напряжения, которое измеряется датчиком напряжения ДН1, в совокупности с напряжением основного источника питания. Как только уровень напряжения, измеряемый датчиком напряжения ДН1, станет равным требуемому, система управления СУ завершает работу в режиме заряда дополнительного конденсатора и переходит в режим накопления и стабилизации тока в индуктивностях контуров намагничивания.
Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока в режиме накопления и стабилизации тока в индуктивностях контуров намагничивания работает следующим образом. В данном режиме работы (фиг.3) ключи VT5 и VT6 замкнуты, ключи VT2 , VT4, и VT7 разомкнуты, а ключи VT 1 и VT3, с диодами VD2 и VD4 , образуют два понижающих преобразователя работающих синхронно, которые обеспечивают требуемый ток в индуктивностях контуров намагничивания Lm1 и Lm2. Величина этого тока задается системой управления СУ, исходя из необходимой амплитуды импульса сварочного тока, который измеряется датчиком тока ДТ 4. При этом система управления СУ на основе информации об измеренных значениях токов iW11 и iW12 с датчиков тока ДТ2 и ДТ3 формирует требуемые длительности импульсов для управления ключами VT1 и VT3. При замыкании ключей VT1 и VT 3 происходит накопление тока в индуктивностях намагничивания Lm1 и Lm2 дросселей-трансформаторов TV 1 и TV2, соответственно, по следующим контурам: индуктивность намагничивания Lm1 - ключ VT6 - отрицательный вывод основного источника питания Uвх- - положительный вывод основного источника питания Uвх+ - ключ VT1; индуктивность намагничивания Lm2 - ключ VT6 - отрицательный вывод основного источника питания Uвх- - положительный вывод основного источника питания Uвх+ - ключ VT3. К диоду VD 5 приложено напряжение обратной полярности, поэтому в данном режиме он заперт. Когда ключи VT1 и VT3 разомкнуты ток, запасенный в индуктивностях намагничивания L m1 и Lm2, протекая через обратные диоды VD 2 и VD4, замыкается, а накопленная энергия уменьшается только за счет внутренних потерь. Таким образом, происходит запасание необходимого количества энергии и стабилизация заданного среднего значения тока в индуктивностях намагничивания Lm1 и Lm2.
В режиме формирования фронта импульса сварочного тока фиг.4 преобразователь работает следующим образом. До момента времени t10 фиг.5 ключи VT 1, VT3, VT5, VT6 замкнуты, ключи VT2, VT4, VT7 разомкнуты. К моменту времени t10 размыкаются ключи VT1 , VT3 и VT6. Токи, последовательно включенных индуктивностей L2 и Lm1 и, соответственно, L3 и Lm2, суммируются и протекают через ключ VT5 и диод VD5 и через диоды VD 2 и VD4. Предварительно заряженный накопительный конденсатор C5 задает уровень напряжения, которого необходимо достичь, для того чтобы к диоду VD5 было приложено напряжение положительной полярности, и через него начал протекать ток. Этот уровень напряжения ограничивает возвращение энергии, накопленной в индуктивностях контуров намагничивания Lm1 и Lm2. Суммарное напряжение UCT практически полностью прикладывается к первичным обмоткам трансформаторов-дросселей TV1 и TV2 и через вторичную обмотку к нагрузке, увеличивая в выходное напряжение до заданного уровня, величину которого можно измерить с помощью датчика напряжения ДН2 . Трансформаторы-дроссели TV1 и TV2 осуществляют передачу накопленной энергии в нагрузку. Ток нагрузки представляет собой сумму токов вторичных обмоток TV1 и TV2 , которые замыкаются по двум контурам: вторичная обмотка W 21 - диод VD7 - нагрузка; вторичная обмотка W22 - диод VD8 - нагрузка. Ток нагрузки измеряется датчиком тока ДТ4. В момент времени t 11 фиг.5, сумма токов в сварочном контуре достигнет необходимого значения; ток iVD5, возвращаемый в источник питания, станет равным нулю. Измерение тока iVD5 производится с помощью датчиков тока ДТ2 и ДТ3. В момент времени t11 система управления СУ переводит преобразователь в режим стабилизации амплитуды импульса сварочного тока.
В режиме стабилизации амплитуды импульса сварочного тока фиг.6 преобразователь работает следующим образом. До момента времени t20 фиг.7 ключи VT1, VT4, VT 5 замкнуты, ключи VT2, VT3, VT 6, VT7 разомкнуты. Контур протекания тока следующий: положительный вывод основного источника питания Uвх+ - ключ VT1 - индуктивность резонансного контура L 2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность резонансного контура L3 - ключ VT4 - отрицательный вывод основного источника питания Uвх-. На этом и последующих интервалах до изменения направления течения тока iW11=iW12 трансформатор-дроссель TV2 осуществляет передачу тока первичной обмотки во вторичную замыкаясь на нагрузку через диод VD7. В момент времени t20 размыкается ключ VT4. Ток, накопленный в индуктивностях контуров намагничивания Lm1, Lm2 и индуктивностях резонансного контура L2, L3 замыкается по следующему контуру: индуктивность резонансного контура L 2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность резонансного контура L3 - конденсатор C3 - ключ VT1 . После полного разряда конденсатора C3 и перезаряда до некоторого малого значения к диоду VD3 прикладывается напряжение положительной полярности, и он мягко включается, выводя конденсатора C3 из резонансного контура, тем самым разрывая резонансный контур и прекращая резонансный процесс. В момент времени t21 мягко включается ключ VT 3. Контур протекания тока следующий: индуктивность резонансного контура L2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность резонансного контура L3 - диод VD3 - ключ VT1. В момент времени t22 размыкается ключ VT1. Контур протекания тока следующий: индуктивность резонансного контура L2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность резонансного контура L3 - диод VD 3 - положительный вывод основного источника питания U вх+ - отрицательный вывод основного источника питания U вх- - конденсатор C2. После полного разряда конденсатора C2 и перезаряда до некоторого малого значения к диоду VD2 прикладывается напряжение положительной полярности, и он мягко включается, выводя конденсатора C 2 из резонансного контура, тем самым разрывая резонансный контур и прекращая резонансный процесс. В момент времени t 23 мягко включается ключ VT2. Контур протекания тока меняет направление и становится следующим: индуктивность резонансного контура L3 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность резонансного контура L2 - ключ VT 2 - отрицательный вывод основного источника питания U вх- - положительный вывод основного источника питания U вх+ - ключ VT3. До следующей смены направления течения тока iW11=iW12 трансформатор-дроссель TV1 осуществляет передачу тока первичной обмотки во вторичную замыкаясь на нагрузку через диод VD6. В момент времени t24 размыкается ключ VT3 . Контур протекания тока следующий: индуктивность резонансного контура L3 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность резонансного контура L2 - ключ VT2 - конденсатор C4. После полного разряда конденсатора C4 и перезаряда до некоторого малого значения к диоду VD4 прикладывается напряжение положительной полярности, и он мягко включается, выводя конденсатора C4 из резонансного контура, тем самым разрывая резонансный контур и прекращая резонансный процесс. В момент времени t25 мягко включается ключ VT2. Контур протекания тока меняет направление и становится следующим: индуктивность резонансного контура L3 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность резонансного контура L2 - ключ VT2 - диод VD4. В момент времени t26 размыкается ключ VT2. Контур протекания тока следующий: индуктивность резонансного контура L3 - индуктивность намагничивания Lm2 - индуктивность намагничивания Lm1 - индуктивность резонансного контура L2 - конденсатор C1 - положительный вывод основного источника питания Uвх+ - отрицательный вывод основного источника питания Uвх- - диод VD4 . После полного разряда конденсатора C1 и перезаряда до некоторого малого значения к диоду VD1 прикладывается напряжение положительной полярности, и он мягко включается, выводя конденсатора C1 из резонансного контура, тем самым разрывая резонансный контур и прекращая резонансный процесс. В момент времени t 27 мягко включается ключ VT1. Далее все процессы повторяются. Для регулирования тока дуги iД система управления СУ на основе информации об измеренном значении тока iД с датчика тока ДТ4 формирует необходимый сдвиг между фазами управления стойками мостового инвертора. Таким образом, включение всех транзисторов и диодов мостового инвертора происходит при нуле напряжения. За счет этого динамические потери при включении равны нулю. Выключение транзисторов происходит мягче в отличие от обычного жесткого переключения за счет наличия конденсаторов C1-C4. Чем больше емкости этих конденсаторов, тем медленнее нарастает напряжение на ключах. За счет этого динамические потери при выключении уменьшаются. Индуктивностями резонансного контура L2 и L3 могут выступать индуктивности рассеивания трансформаторов-дросселей. Исходя из этого и заданной частоты резонансного контура, можно рассчитать требуемую емкость резонансных конденсаторов C 1-C4.
Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока в режиме формирования заднего фронта импульса и сброса накопленной энергии из накопительного конденсатора C5 в источник фиг.8 работает следующим образом. В данном режиме работы ключи VT1, VT 3 и VT5 разомкнуты, а ключи VT2, VT4 и VT6 с диодами VD2 и VD 4, образуют контуры протекания тока для формирования заднего фронта импульса путем закорачивания первичных обмоток дросселей-трансформаторов TV1 и TV2. Накопленный ток в индуктивностях намагничивания Lm1 и Lm2 переводится во вторичные обмотки дросселей-трансформаторов TV1 и TV2 и замыкается по двум контурам: вторичная обмотка W21 - диод VD6 - нагрузка; вторичная обмотка W22 - диод VD7 - нагрузка. Измерение тока нагрузки осуществляется с помощью датчика тока ДТ4 .
Разряд накопительного конденсатора C5 можно осуществить в этом же режиме или отдельно, если это требуется. Процесс разряда начинается с замыкания ключа VT7 и заканчивается, когда напряжение на конденсаторе C5 станет равным нулю или некоторому заданному значению. Суммарное напряжение UCT на конденсаторе C5 и основном источнике питания измеряется датчиком напряжения ДН1 . После достижения напряжением UCT заданного уровня система управления СУ размыкает ключ VT7, после чего ток iL1 индуктивности L1 инвертирующего преобразователя замыкается через диод VD8, датчик тока ДТ1 и конденсатор C6. Значение протекающего тока iL1 измеряется датчиком тока ДТ1 и используется системой управления СУ для реализации сброса накопленной энергии из конденсатора C5 в основной источник питания и конденсатор C6.
На фиг.9 показано формирование импульса сварочного тока с учетом формирования переднего и заднего фронтов, а также заряда и разряда накопительного конденсатора C5. В период времени t30-t31 заряд накопительного конденсатора C5 до необходимого напряжения для поджига дугового разряда. В период времени t 31-t32 происходит накопление и стабилизация тока в индуктивностях контуров намагничивания. В период времени t32-t33 происходит формирование фронта импульса сварочного тока. В период времени t33-t 34 происходит стабилизация амплитуды сварочного тока. Время t33-t34 много больше указанного на фиг.9. В момент времени t34 начинает происходить формирование заднего фронта импульса сварочного тока путем закорачивания выводов инвертора и сброс накопленной энергии из накопительного конденсатора C5 в источник. В момент t35 размыкается ключ VT7, так как накопительный конденсатор C 5 разрядился.
Таким образом, при введении шести конденсаторов, трех дросселей, второго диода, третьего дополнительного управляемого ключа, четырех датчиков тока, двух датчиков напряжения, системы управления и появившихся новых электрических связей в схеме преобразователя, появляется возможность управления величиной выходного напряжения до заданного уровня в режиме стабилизации напряжения поджига дугового разряда по сравнению с максимальным напряжением в режиме стабилизации сварочного тока без завышения габаритной мощности магнитных элементов преобразователя при одновременном обеспечении мягкого переключения транзисторов и диодов мостового инвертора преобразователя в режиме стабилизации сварочного тока. Это позволяет обеспечить работу предлагаемого преобразователя при сварке короткой электрической дугой с повышенной эффективностью и без завышения габаритной мощности его магнитных элементов.
Приведенный пример выполнения преобразователя постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока не ограничивает другие возможные примеры реализации данного преобразователя и его блоков, например управляемых ключей.
Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована на известной элементной базе, (например IGBT транзисторах или MOSFET транзисторах).
1. Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока, содержащий мостовой инвертор на управляемых ключах с обратными диодами, подключенный к входным выводам источника питания, два дополнительных управляемых ключа, первый диод, катод которого связан со вторым выводом второго управляемого ключа, и согласующий электромагнитный блок, который выполнен в виде двух многообмоточных дросселей, первичные обмотки которых включены встречно-последовательно и имеют общую точку, при этом первые одноименные концы вторичных обмоток объединены и подключены к первому выводу нагрузки, а вторые одноименные выводы вторичных обмоток соединены соответственно с диодами выпрямителя, катоды которых образуют общую точку, при этом первый вывод первого дополнительного управляемого ключа подключен к отрицательному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с общей точкой объединенных первичных обмоток дросселей согласующего электромагнитного блока и анодом первого диода, отличающийся тем, что он дополнительно содержит шесть конденсаторов, три дросселя, второй диод, третий дополнительный управляемый ключ, четыре датчика тока, два датчика напряжения и систему управления, каждый из первых четырех конденсаторов подключен параллельно к соответствующему управляемому ключу мостового инвертора, при этом управляющие входы каждого из четырех управляемых ключей мостового инвертора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами системы управления, первый вывод пятого дополнительного конденсатора, являющегося накопительным, соединен с первым выводом второго дополнительного управляемого ключа, а его второй вывод соединен с положительным входом основного источника питания, параллельно пятому дополнительному конденсатору включены последовательно соединенные третий дополнительный управляемый ключ, первый дроссель и первый датчик тока, информационный вывод которого подключен к первому входу системы управления, при этом к общей точке соединения третьего дополнительного управляемого ключа и первого дросселя подключен катод второго диода, анод которого соединен с отрицательным выводом основного источника питания, параллельно которому подключен шестой конденсатор и мостовой инвертор, при этом управляющий вход третьего управляемого ключа соединен с седьмым выходом системы управления, между первым выводом переменного тока мостового инвертора и первым выводом электромагнитного блока последовательно включены второй дроссель и второй датчик тока, информационный выход которого подключен к третьему входу системы управления, а между вторым выводом переменного тока мостового инвертора и вторым выводом электромагнитного блока последовательно включены третий дроссель и третий датчик тока, информационный выход которого подключен к четвертому входу системы управления, а управляющие входы первого и второго дополнительных управляемых ключей соединены соответственно с пятым и шестым выходами системы управления, причем информационный выход четвертого датчика тока, включенного последовательно с нагрузкой, соединен с шестым входом системы управления, первый вывод первого датчика напряжения подключен к первому выводу пятого конденсатора, а его второй вывод подключен к отрицательному входу основного источника напряжения, информационный выход первого датчика напряжения подключен ко второму входу системы управления, а второй датчик напряжения подключен параллельно нагрузке, и его информационный выход связан с пятым входом системы управления.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что система управления выполнена в виде микроконтроллера с программным управлением и имеет семь выходов и шесть входов, соединенных соответственно с управляющими входами управляемых ключей и информационными выводами соответствующих датчиков тока и датчиков напряжения.
3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что последовательно соединенные третий дополнительный управляемый ключ, первый дроссель, первый датчик тока и второй диод образуют инвертирующий преобразователь.
