Джерело живлення постійного струму

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для покращення масогабаритних характеристик інверторних джерел живлення, що мають у своєму складі трансформатор і вихідний випрямляч із дроселем, що згладжує. Джерело живлення постійного струму складається з однотактного інвертора зі схемою керування, навантаженого на високочастотний прямоходовий трансформатор з випрямлячем, при цьому у вторинний ланцюг введено додатковий випрямляч з підключеним до нього допоміжним перетворювачем. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є підвищення частоти комутації та зменшення габаритів реактивних компонентів джерела при збереженні рівня комутаційних втрат. UA 102631 C2 (12) UA 102631 C2 UA 102631 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для покращення масогабаритних характеристик інверторних джерел живлення, що мають у своєму складі трансформатор і вихідний випрямляч із дроселем, що згладжує. Задання живлення зварювальної дуги визначає характерні вимоги до джерела: підвищена напруга холостого ходу для полегшення запалювання дуги; необхідність стабільної роботи при великих змінах вихідної напруги (довжини дуги); можливість роботи в режимі стабілізації напруги або струму (CV-Constant Voltage або СС - Constant Current); високі ККД і коефіцієнт потужності; висока питома потужність і мала вага. Найбільшою мірою цим вимогам задовольняють джерела живлення з високочастотним перетворенням енергії - інверторні. Переважна більшість інверторних зварювальних джерел будується на основі прямоходового (Forward), півмостового (Half Bridge) або мостового (Full Bridge) перетворювачів з діодним випрямлячем на вторинній стороні високочастотного трансформатора. Загальним недоліком всіх перерахованих топологій є "жорстке" (при повному робочому струмі) вимкнення силових елементів перетворювача. Спроби "пом'якшити" вимкнення за допомогою введення різного роду снаберних і резонансних ланцюгів призводять до зменшення діапазону стійкої роботи джерела. Відоме технічне рішення джерела живлення постійного струму, в якому для забезпечення підвищеної напруги холостого ходу і полегшення запалювання дуги, а також для підтримки "чергової" дуги застосовується подвійний випрямляч з баластовим струмообмежуючим резистором [Голошубов В.І. Зварювальні джерела живлення. - К.: Арістей, 2005. - C. 448]. Недоліком пристрою є великі втрати потужності на цьому резисторі. Відоме технічне рішення джерела живлення постійного струму [Dudrik, J. Soft-Switching PSPWM DC-DC Converter for Arc Welding. - Acta Electrotechnica et Informatica No. 3, Vol. 6, 2006. Technical University of Kosice, Slovak Republic], в якому послідовно з силовими випрямними діодами включені додаткові MOSFET транзистори, керування якими забезпечує м'яке переключення силових ключів у всьому діапазоні регулювання вихідного струму перетворювача. Недоліком схеми є необхідність застосування двох додаткових активних силових елементів і підвищення втрат потужності в випрямлячі. Відоме технічне рішення джерела живлення постійного струму - прототип [Перспективные источники сварочного тока /С.Д.Рудык, В.Е.Турчанинов, С.Н.Флоренцев. - Электротехника. № 7 / 98. - С. 8-13.], що містить однотактний інвертор зі схемою керування, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора, вторинну обмотку цього трансформатора підключено до анодів двох діодів вихідного випрямляча, катоди діодів з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує. Схема має добрі масогабаритні показники і високу ефективність перетворення, що обумовлено невеликою кількістю силових елементів. Недоліками схеми "жорстке" закриття силових транзисторів інвертора (при максимальному струмі в них), що призводить до підвищення комутаційних втрат і обмежує частоту перемикання. Наслідки цього - зниження ККД джерела і погіршення його масогабаритних показників, зниження питомої потужності. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити джерело живлення постійного струму, в якому за рахунок внесення нових елементів забезпечується м'яке перемикання силових ключів інвертора у всьому діапазоні вихідних струмів - від холостого ходу до короткого замикання, що дозволить підвищити ККД джерела, підвищити частоту перемикання інвертора, покращити динамічні властивості і питому потужність. Для вирішення поставленої задачі в джерелі живлення постійного струму, що містить однотактний інвертор зі схемою керування, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора, вторинну обмотку цього трансформатора підключено до анодів двох діодів вихідного випрямляча, катоди діодів з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує, відповідно до винаходу, в схему додатково введені допоміжний випрямляч із двох діодів, LC-фільтр, понижуючий перетворювач, який складається з послідовно з'єднаних транзистора і діода, додатковий дросель, при цьому трансформатор виконано з додатковою обмоткою, яка з'єднана узгоджено послідовно з його вторинною обмоткою, до крайніх виводів цих обмоток підключені аноди діодів допоміжного випрямляча, катоди цих діодів з'єднані між собою і через LC-фільтр підключені до понижуючого перетворювача, вихід цього перетворювача, утворений загальною точкою з'єднання транзистора і катода діода, через додатковий дросель підключено до точки з'єднання катодів діодів вихідного випрямляча, анод діода підключено до крайнього виводу вторинної обмотки трансформатора. 1 UA 102631 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведено блок-схему джерела живлення постійного струму, на фіг. 2 - його електричну схему, на фіг. 3 - діаграму струмів і напруг при реалізації "м'якого" перемикання. Розглянемо приклад реалізації пристрою. Схема складається з однотактного інвертора 1 зі схемою керування 2, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора 3 (Т1, фіг. 2), вторинну обмотку цього трансформатора підключено до анодів двох діодів вихідного випрямляча 4 (VD1, VD2 80EBU04, фіг. 2), катоди діодів з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель 5 (L3 ПмкГн 80А, фіг. 2), що згладжує, в схему введено допоміжний випрямляч 6 із двох діодів (VD3, VD4 30CPF04, фіг. 2), LC фільтр 7 (L1 160 мкГн 10 А, С1 10+10 мкФ 250 В, фіг. 2), понижуючий перетворювач 8, який складається з послідовно з'єднаних транзистора (VT1 IRFP4668, фіг. 2) і діода (VD5 80CPQ150, фіг. 2), додатковий дросель 9 (L2 1 мкГн 80 А, фіг. 2), при цьому трансформатор виконано з додатковою обмоткою, яка з'єднана узгоджено послідовно з його вторинною обмоткою, до крайніх виводів цих обмоток підключені аноди діодів допоміжного випрямляча, катоди цих діодів з'єднані між собою і через LC фільтр підключені до понижуючого перетворювача, вихід цього перетворювача, утворений загальною точкою з'єднання транзистора і катода діода, через додатковий дросель підключено до точки з'єднання катодів діодів вихідного випрямляча, анод діода підключено до крайнього виводу вторинної обмотки трансформатора. Топологія схеми, наведена на фіг. 2, дозволяє реалізувати режим "м'якого" вимикання силових ключів інвертора. Для цього необхідно перед вимиканням силових ключів інвертора знизити струм вихідного випрямляча. Діаграма цього процесу наведена на фіг. 3, де UT1 напруга на первинній обмотці трансформатора Т1; ІТ1 - струм первинної обмотки Т1; ІТ1 - струм первинної обмотки Т1; UGS_VT1 - напруга "затвор-витік" VT1; ІL2 - струм дроселя L2; IR - струм вихідного випрямляча; IL3 - струм навантаження; UR - напруга вихідного випрямляча; UC1 напруга на конденсаторі С1. В момент часу t1 відкривається транзистор VT1. Струм дроселя L2 починає лінійно наростати зі швидкістю, що визначається його індуктивністю і різницею напруг на конденсаторі С1 і напруги вихідного випрямляча (UR). З цією ж швидкістю спадатиме струм діодів вихідного випрямляча (IR). В момент часу t2 струм IR досягає нуля, струм навантаження при цьому буде протікати по колу: L3 - "+ навантаження" - "-навантаження" - С1-VT1-L2-L3, а діод VD1 буде перебувати під зворотним зміщенням. Трансформатор Т1 в цей час опиниться в режимі холостого ходу, що і дозволяє провести вимкнення силових ключів інвертора в момент часу t 3 при зниженому струмі. Після закриття ключів інвертора напруга UT1 змінює знак - починається процес розмагнічення Т1. В момент часу t4 закривається транзистор VT1. Струм ІL2 "перекидається" в діод VD5. Струм навантаження проходить через VD5 та послідовно з'єднані дроселі L2 і L3. В момент часу t5 завершується розмагнічення Т1 і напруга на його обмотках спадає. протягом часу t4-t6 струм навантаження розподілений між діодом VD2 і послідовно  UFVD5 dI t  U з'єднаними L2 і VD5, при цьому струм змінюється згідно з рівнянням L2  FVD2 , де dt L2 UFVD2, UFVD5 - пряме падіння напруги на діодах VD2, VD5 відповідно. В момент часу t6 знову відкриваються силові ключі інвертора і з'являється позитивна напруга UT1. Струм ІL2 лінійно спадає зі швидкістю -UR/L2 і на момент часу t7 досягає нуля. Струм IR дорівнює вихідному струму навантаження IL3. Схема повернулася до початкового стану. Наявність дроселя L2 забезпечує "м'яке" включення VT1 і контрольовану швидкість наростання струму в ньому, що дозволяє знизити імпульсні перевантаження компонентів схеми і оптимально вибрати режим зворотного відновлення VD1. При нормальній роботі схеми на конденсаторі С1 підтримується напруга U C1 = 110-130 В, напруга UR становить 60-80 В. За цих умов швидкість спадання струму в силовому діоді VD1 становить близько 50 А/мкс, що визначає м'яке його відновлення. Оптимальним є вибір швидкості спадання струму в межах 50-200 А/мкс, залежно від типу діода VD1. При необхідності підвищення вихідної напруги (на холостому ході) понижуючий перетворювач повністю вводиться в роботу, при цьому діоди основного випрямляча замикаються зворотною напругою. Забезпечення режимів м'якого перемикання силових ключів інвертора дозволить підвищити частоту комутації (до 2-3 разів) і знизити габарити реактивних компонентів джерела при збереженні рівня комутаційних втрат. 2 UA 102631 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Джерело живлення постійного струму, що містить однотактний інвертор зі схемою керування, до виходу якого підключено первинну обмотку високочастотного трансформатора, вторинну обмотку цього трансформатора підключено до анодів двох діодів VD1, VD2 вихідного випрямляча, катоди діодів VD1, VD2 з'єднані між собою і підключені до виходу джерела через дросель, що згладжує, яке відрізняється тим, що в схему додатково введені допоміжний випрямляч із двох діодів VD3, VD4, LC-фільтр, понижуючий перетворювач, який складається з послідовно з'єднаних транзистора і діода VD5, додатковий дросель, при цьому трансформатор виконано з додатковою обмоткою, яка з'єднана узгоджено послідовно з його вторинною обмоткою, до крайніх виводів цих обмоток підключені аноди діодів VD3, VD4 допоміжного випрямляча, катоди цих діодів VD3, VD4 з'єднані між собою і через LC-фільтр підключені до понижуючого перетворювача, вихід цього перетворювача, утворений загальною точкою з'єднання транзистора і катода діода VD5, через додатковий дросель підключено до точки з'єднання катодів діодів VD1, VD2 вихідного випрямляча, анод діода VD5 підключено до крайнього виводу вторинної обмотки трансформатора. 3 UA 102631 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4