Резонансне джерело напруги постійного струму

Предлагаемый резонансный источник напряжения постоянного тока относится к области электротехники и может быть использован в различных системах электропитания радиоаппаратуры, вычислительной техники, средств связи и сварочного оборудования. Источники питания, к которым предъявляются требования по минимальной амплитуде переменной составляющей выходного напряжения (пульсаций) требуют увеличения сетевых низкочастотных и выходных индуктивно-емкостных фильтров, но это приводит к увеличению веса и габаритов источника питания. Для решения такой задачи существуют различные способы уменьшения сетевого пульсирующего напряжения и амплитуды переменной составляющей выходного напряжения, Одним из способов такого уменьшения является применение в источниках питания преобразователей напряжения, управляемых многофазными устройствами или управление преобразователями напряжения цифровым способом с передачей части выходной энергии на вход низкочастотного фильтра. Недостатками таких источников питания является сложность и громоздкость схем управления, ограниченные возможности по увеличению частоты преобразования и увеличению выходной мощности. Задачей изобретения является: - увеличение сверху диапазона рабочих частот: - уменьшение энергетических затрат на управление и регулирование выходных параметров; - уменьшение веса и габаритов источника питания. Решение поставленной задачи достигается тем, что резонансный источник напряжения постоянного тока, содержащий помехоподавляющий фильтр, входной выпрямитель, низкочастотный фильтр, резонансный преобразователь напряжения, состоящий из полумостового инвертора с самовозбуждением, силового трансформатора с первичной и вторичной обмотками, управляемого дросселя с рабочей обмоткой, обмоткой управления и дополнительной обмоткой, основного и дополнительного выпрямителей и управляющего стабилизатора тока, при этом первичная обмотка силового трансформатора первым выводом подключена к первому силовому выходу полумостового инвертора, а его вторичная обмотка через рабочую обмотку управляемого дросселя подключена к первому входу основного выпрямителя, а к второму его входу - второй вывод вторичной обмотки, обмотка управления управляемого дросселя одним выводом подключена к первому управляющему выходу управляющего стабилизатора тока, а второй ее вывод подключен к отрицательной клемме источника питания, отрицательному выводу основного выпрямителя и отрицательному входу управляющего стабилизатор тока, дополнительная обмотка управляемого дросселя через дополнительный выпрямитель подключена к выходным клеммам источника питания, отличающийся тем, что в силовой трансформатор резонансного преобразователя напряжения вводится три дополнительные вторичные обмотки, в управляемый дроссель две дополнительные обмотки, высокочастотный фильтр, состоящий из конденсатора и дросселя и два дополнительный выпрямителя, причем первая дополнительная вторичная обмотка через первый дополнительный выпрямитель подключается к клеммам высоковольтного выхода резонансного преобразователя напряжения и ко входу низкочастотного фильтра, вторая дополнительная вторичная обмотка, состоящая из двух одинаковых по количеству витков обмоток и намотанных на крайних кернах Ш-образносо ферритового сердечника, которые включены параллельно между собой, подключена последовательно с вторичной обмоткой, при атом ее второй вывод через дополнительную обмотку управляемого дросселя подключена к первому входу второго дополнительного выпрямителя, второй вход которого подключен «с выводу вторичной обмотки, а отрицательный вывод подключен к отрицательной клемме источника питания, а его положительный вывод подключен к плюсовому выводу конденсатора и через дроссель высокочастотного фильтра подключен к положительной клемме источника питания, вторая дополнительная обмотка управляемого дросселя последовательно включена с первичной обмоткой силового трансформатора, при атом второй ее вывод подключен к второму Силовому выходу полумостового инвертора, третья дополнительная обмотка одним выводом подключена к первому питающему входу управляющего стабилизатора тока, а вторым через первый питающий выход к первому питающему выходу второго резонансного преобразователя напряжения, отличающийся тем, что введен второй резонансный преобразователь напряжения аналогичный первому, при этом его силовой вход подключен к выходу низкочастотного фильтра, высоковольтный выход подключен ко входу низкочастотного фильтра, а его выход подключен параллельно выходу источника питания, управляющий вход подключен к второму управляющему выходу стабилизатора тока, а второй питающий его выход - к второму питающему входу стабилизатора тока, отличающийся тем, что вводится пускорегулирующее устройство, состоящее из реле постоянного тока, двух ограничительных резисторов и тумблера, при этом выход помехоподавляющего фильтра через нормально разомкнутые контакты реле постоянного тока подключен ко входным контактам входного выпрямителя и к нормально разомкнутым контактам тумблера, вторые контакты которого через два ограничительных резистора подключены к входным контактам входного выпрямителя, а к выходным его контактам параллельно подключена обмотка реле постоянного тока. Предлагаемое техническое решение обеспечивает выполнение следующих поставленных целей и задач: - пускорегулирующее устройство путем плавного нарастания входного тока уменьшает токовые перегрузки на входные цепи источника питания, поэтому позволяет устанавливать входные компоненты и узлы рассчитанные на номинальные значения рабочих токов, а также обеспечиваются плавные переходные процессы в коммутационных элементах без энергетических потерь и высокочастотных помех; - введение двух резонансных преобразователей напряжения с дополнительными обмотками на силовых трансформаторах и управляемых дросселях позволяет уменьшать индуктивность рассеяния первичной обмотки, получать минимальное значение межвитковой емкости, минимальную индуктивность и импеданс вторичных обмоток, широкие пределы регулируемости индуктивности управляемых дросселей, а значит увеличивает частоту преобразования электрической энергии; - введение выпрямителей вольтодобавки, которые работают при резонансном режиме работы преобразователей напряжения, обеспечивают передачу части накопленной энергии в резонансных контурах на вход низкочастотного фильтра, что уменьшает амплитуду переменной составляющей сетевого выпрямленного напряжения, а это ведет к уменьшению емкости фильтра, что в свою очередь приводит к уменьшению веса и габаритов источника питания; способ синхронизации резонансных преобразователей напряжения, построенных на основе полумостовых инверторов с самовозбуждением заключается в автоматическом отслеживании стабилизатором тока длительности насыщенного состояния управляемых дросселей и посредством изменения этой длительности, воздействовать на синхронность переключения обоих преобразователей напряжения, а фазовый сдвиг между их высокочастотными колебаниями на четверть периода осуществляется путем формирования стабилизатором тока синхронизирующего сигнала и подачи его на управляющие обмотки управляемых дросселей. Это позволяет исключить сложные генераторы и фазосдвигающие устройства, уменьшить затраты энергии на управление преобразователями напряжения и на регулирование выходных параметров. На фиг.1 представлена электрическая схема резонансного источника напряжения постоянного тока, который может быть применен в качестве мощного, высокоэффективного источника питания дуговой сварки. Источник питания состоит из помехоподавляющего фильтра 1, пускорегулирующего устройства 33, входного выпрямителя 2, низкочастотного фильтра 3, резонансных преобразователей напряжения 26, 27, управляющего стабилизатора тока 15. Пускорегулирующее устройство 33 состоит из обмотки реле постоянного тока 32, силовых контактов 28, ограничительных резисторов 30, 31, тумблера 29. Резонансные преобразователи напряжения 26, 27 содержат: - полумостовой инвертор с самовозбуждением 4, силовой высокочастотный трансформатор 5, управляемый дроссель 6, выпрямители 13, 14, 17, 22, высокочастотный фильтр, состоящий из конденсатора 23 и дросселя 24. Силовой высокочастотный трансформатор содержит: первичную обмотку 7, вторичные обмотки 8, 9; 16; 18; 19, 20, управляемый дроссель 6 содержит: рабочую обмотку 10, дополнительные обмотки 11, 21, 25, управляющую обмотку 12. Учитывая, что схемные построения помехоподавляющего фильтра, входного выпрямителя и низкочастотного фильтра общеизвестны, остановимся только на тех узлах, которые являются определяющими в реализации поставленных целей и задач. Помехоподавляющий фильтр 1 может быть выполнен на дросселе из феррита марки М200001 Ш16 χ 20 и конденсаторах типа К73-1б-0,47мкФ-630В. Пускорегулирующее устройство 33 выполнено на реле постоянного тока 32 с силовыми контактами 28 типа РЭП-11, тумблер 29 типа ТЗШ, ограничительные резисторы 30, 31 типа C5-5-10-120 Ом, Входной выпрямитель 2 выполнен на диодах типа КД203Г, Низкочастотный фильтр 3 выполнен на конденсаторах типа К50-27-450В-220 мкФ. Резонансные преобразователи напряжения 26,27 выполнены на основе полумостовых инверторов с самовозбуждением, в качестве силовых ключей могут быть использованы биполярные транзисторы типа КТ847А. Силовой высокочастотный трансформатор 5 и управляемый дроссель 6 могут быть выполнены на Ш-образном феррите марки М2000НМ1 Ш20х28. Выпрямители 13, 14, 17, 22 выполнены на диодах типа КД2997. Стабилизатор тока 15 состоит из выпрямителя на диодах типа КД226, низкочастотного фильтра на конденсаторе типа К5О-24-16ОВ-220 мкФ, стабилизатора напряжения на транзисторе типа КТ827 и стабилитроне Д818, стабилизатор тока выполнен на транзисторе типа КТ825, регулирующий элемент на микросхеме К140УД20. Принцип действия резонансного источника напряжения постоянного тока заключается в промежуточном преобразовании сетевого напряжения частотой 50-400 Гц в высокочастотное напряжение частотой 35-40 кГц с последующим выпрямлением в постоянное напряжение, а регулирование выходных параметров осуществляется амплитудно-частотным способом. Синхронная работа двух резонансных преобразователей напряжения обеспечивается общим устройством - управляющим стабилизатором тока. Работает резонансный источник напряжения постоянного тока следующим образом. После подачи сетевого напряжения на вход помехоподавляющего фильтра 1 и включения тумблера 29 пускорегулирующего устройства 33, сетевое напряжение через ограничительные резисторы 30 и 31 поступает на входной выпрямитель 2, выпрямляется и плавно заряжаются конденсаторы низкочастотного фильтра 3. При достижении напряжения срабатывания реле постоянного тока 32, включаются его контакты 28. Время задержки включения контактов реле постоянного тока составляет t3 (фиг.2, диаграмма а). Отфильтрованное постоянное напряжение поступает на силовые входы 3,4 двух резонансных преобразователей напряжения 26, 27, при этом их запуск осуществляется после замыкания контактов 28 реле постоянного тока. Работа резонансного источника напряжения постоянного тока характеризуется тремя режимами: режим холостого хода, рабочий режим и режим передачи энергии на вход низкочастотного фильтра. В режиме холостого хода частота, форма и амплитуда высокочастотных колебаний резонансных преобразователей напряжения соответствует диаграммам, приведенным на фиг.2 б,в, при этом частота высокочастотных колебаний составляет 14-15 кГц, форма и амплитуда - Ud (фиг.2, диаг.б, Uw7 ). Амплитуда высокочастотных колебаний на вторичной обмотке w16, соответствует около 3/4Ud (фиг.2, диаг. в, Uw16). На диаграммах г, д, е представлены формы напряжений на рабочих обмотках w10, обмотках управления w12 и напряжение холостого хода Ux.x. двух преобразователей напряжения 26, 27. В режиме холостого хода выходное напряжение Up, а амплитуда переменной составляющей входного выпрямленного напряжения на низкочастотном фильтре 3 имеет минимальное значение. Большое напряжение Ux.x. достигается за счет введения в силовой трансформатор 5 и управляемый дроссель 6 дополнительных обмоток 19, 20 и 21, 25 соответственно, работающих совместно с рабочими обмотками 8, 9 и 10, а также за счет дополнительного выпрямителя 22 и высокочастотного фильтра 23, 24, Так как в режиме холостого хода ток через обмотки управляемого дросселя не проходит, то отсутствует и ЭДС на дополнительной обмотке 11, а ЭДС наводящаяся на обмотке 21 от обмотки 25 складывается с ЭДС обмоток 19, 20 силового трансформатора 5, что также повышает напряжение Ux.x. Формирование повышенного напряжения Ux.x. необходимо для под-жига дуги при сварке плавящимся и неплавящимся электродом. Рабочий режим источника питания, когда к его выходным клеммам подключается нагрузка, характеризуется изменением частоты и амплитуды высокочастотных колебаний преобразователей напряжения, При этом в зависимости от значения управляющего тока (Iy min ly max) частота изменяется от 15 до 35 кГц, а амплитуда от Ud до 3Ud (см. фиг.2, 6). Форма высокочастотных колебаний на обмотках 10,21 и 12 представлена на диаграммах г, д фиг.2. В этом режиме происходит синхронизация по частоте двух преобразователей напряжения за счет формирования управляющим стабилизатором тока синхронизирующих и управляющих степенью насыщения управляемых дросселей импульсов. С увеличением выходной мощности источника питания путем изменения управляющих импульсов от lу min до lу max амплитуда высокочастотных колебаний на рабочей обмотке 10 и дополнительной обмотке 21 управляемого дросселя пропорционально уменьшается, при этом выходное напряжение увеличивается (фиг.2, г, д, е). Момент перехода высокочастотного колебания через нулевое .значение с фиксированной паузой (фиг.2, г) характеризуется насыщенным состоянием управляемых дросселей, поэтому в эти моменты на обмотке 12 наводится ЭДС, которая передается через выпрямитель 14 на выход источника питания, компенсируя провалы выходного тока. Дополнительная обмотка 25 управляемого дросселя одновременно с повышением напряжения холостого хода выполняет функцию по стабилизации выходного тока. Обмотка 18 является питающей и включается последовательно с такой же обмоткой силового трансформатора второго резонансного преобразователя, выводы которых подключаются к питающим входам стабилизатора тока#15 (контакты 5, 6 на фиг.1). Управляющие и синхронизирующие импульсы стабилизатора тока подаются через контакт 7, а обратная связь с выхода источника питания подключается к контактам 10, 11 стабилизатора тока 15. В рабочем режиме амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения сети составляет, примерно Udmak до режима передачи части энергии на вход низкочастотного фильтра. В режиме максимальной нагрузки, когда Udmax может превысить допустимое значение переменной составляющей входного напряжения, источник питания переходит в режим передачи энергии на вход низкочастотного фильтра (см. фиг.2,в). Этот режим характеризуется тем, что при максимальной выходной мощности достигается минимальное значение Udmin (фиг.2, а). При этом высокочастотное резонансное напряжение снимается с дополнительной рабочей обмотки 16 силового трансформатора 5 и через выпрямитель 5 и контакты 1, 2 в виде постоянного напряжения подается на вход низкочастотного фильтра и компенсирует провалы во входном напряжении. Аналогичный процесс происходит во втором преобразователе напряжения. Для конкретного применения резонансного источника напряжения постоянного тока в сварочном оборудовании, выше указанные режимы работы с эффектами формирования напряжения холостого хода, стабилизации напряжения и тока управляемыми дросселями, являются определяющими при стабилизации горения дуги. Таким образом, предлагаемое техническое решение резонансного источника напряжения постоянного тока позволяет достичь поставленные задачи: увеличение сверху диапазона рабочих частот резонансного источника достигается за счет введения второго резонансного преобразователя напряжения и включения его параллельно второму и применения нового способа синхронизации и управления одновременно двух преобразователей напряжения, при этом частота пульсирующего выходного напряжения и тока возрастает, примерно, в 8 раз, что позволяет исключить громоздкие выходные индуктивно-емкостные фильтры и получить высокие характеристики горения дуги; уменьшение энергетических затрат на управление и регулирование выходных параметров источника питания достигается за счет реализации одним простым устройством - управляющим стабилизатором тока, одновременного управления выходными параметрами и синхронизации двух резонансных преобразователей напряжения (и более чем двух) при широких пределах изменения выходной нагрузки источника питания, при этом мощность управления, без учета энергетических затрат на управление полумостовыми инверторами составляет около 5 Вт, а выходная мощность источника питания составляет около 2500 Вт; уменьшение веса и габаритов источника питания достигается за счет введения эффективного пуекорегулирующего устройства, реализации режима передачи части накопленной энергии в резонансных контурах преобразователей напряжения на вход низкочастотного фильтра и формирования частоты пульсирующего выходного напряжения в несколько раз превышающую рабочую частоту преобразователей напряжения, что позволяет исключить или значительно уменьшить вес и габариты выходного индуктивноемкостного фильтра. На основании предлагаемого технического решения разработан и изготовлен резонансный источник напряжения постоянного тока, который может быть использован в качестве эффективного источника дуги, стабилизированного источника напряжения различного применения.