Універсальне джерело живлення для дугового навантаження

1. Універсальне джерело живлення для дугового навантаження, яке містить вхідний випрямний блок, виходом підключений до входу силового перетворювача, що складається з напівпровідникових ключів і силового трансформатора, вторинна обмотка якого з'єднана з вихідним випрямлячем, дросель, ввімкнений в ланцюг дуги, пристрій керування, що містить послідовно з'єднані задатчик струму дуги, пороговий пристрій, задавальний генератор і формувач, і підсилювач імпульсів, вихід якого з'єднаний з напівпровідниковими ключами, послідовно з'єднані з первинною обмоткою силового трансформатора, струмообмежувальний дросель і трансформатор струму, вихід якого через пороговий пристрій підключений до входу пристрою керування, яке відрізняється тим, що введена схема формування регульованої вихідної C2 2 92956 1 3 індуктивності ускладнюють процес збудження дугового розряду. З погляду зменшення інерційності доцільно так будувати схему регулятора, щоб енергія магнітного поля, що відповідає максимальному в діапазоні зміни струму навантаження, могла б бути повністю накопичена або розсіяна в межах одного циклу регулювання. Тоді вже до початку нового циклу система керування буде в змозі привести накопичувану і витрачувану енергію магнітного поля в накопичувальному елементі відповідно до «нового» значенням струму навантаження. З другого боку, стабілізатори з ШІМуправлінням обумовлюють достатньо низькі ККД (80%) і коефіцієнт потужності (75%) і недопустимо великі імпульсні перешкоди, що ускладнюють вирішення проблеми електромагнітної сумісності перетворювачів з живильною мережею. У такій ситуації є природнішим при побудові високоефективних джерел живлення дугового навантаження використання схем квазірезонансних повномостових перетворювачів, що дозволяють забезпечити якнайменше навантаження на компоненти силової частини і задовольнити вимоги щодо перемикання силових транзисторів при нулі напруги (ПНН). Ознаки, що співпадають з винаходом - послідовно з'єднаний випрямляч вхідної напруги і регульований інвертор з високочастотною імпульсною модуляцією, потужний високочастотний трансформатор, випрямляч і дросель, ввімкнений у вихідний ланцюг і система керування. Найближчим технічним рішенням до винаходу є джерело електроживлення зварювальної дуги постійного струму, що містить вхідний випрямний блок, виходом підключений до входу силового перетворювача, що складається з напівпровідникових ключів і силового трансформатора, вторинна обмотка якого з'єднана з вихідним випрямлячем, дросель, ввімкнений в ланцюг дуги, пристрій керування, що містить послідовно з'єднані пороговий пристрій, задавальний генератор, формувач і підсилювач імпульсів, вихід якого з'єднаний з напівпровідниковими ключами, послідовно з'єднані з первинною обмоткою силового трансформатора, струмообмежувальний дросель і трансформатор струму, вихід якого через пороговий пристрій підключений до входу пристрою керування [Пат. 2018424. Россия. Источник питания сварочной дуги постоянного тока / Мишачев А.П., Романов А.В., Бардин А.И. - Опубл. 30.08.94, Бюл. №16]. Проте в цьому випадку маемо зовнішню характеристику джерела живлення, що містить лише дві регламентовані ділянки, одна з яких крутоспадна забезпечує енергетичну стійкість дуги, а інша пологоспадна - відповідно забезпечує, наприклад, «м'яке» перенесення електродного металу через коротке замикання електрода на зварювальну ванну (ручне дугове зварювання) [Верещаго Е. Н., Квасницкий В.Ф., Явишев Д.И. Источник питания сварочной дуги на основе ZVS - схемы // Техническая электродинамика. - 2005. - №6. - с.24-28]. В той же час на практиці дуже часто необхідно мати вертикальну («штикову») і навіть зростаючу робочу ділянку вихідної ВАХ джерела живлення. Оптимальна керована, складнокомбінована, програмована ВАХ джерела живлення необхідна, 92956 4 наприклад, для забезпечення високої еластичності, створення доброго саморегулювання і забезпечення додаткових можливостей керування енергетичними параметрами дуги при зварюванні, забезпечення максимально можливої ефективності без зниження надійності роботи плазмотрона і ін. Ознаки, що співпадають з винаходом - вхідний випрямний блок, виходом підключений до входу силового перетворювача, що складається з напівпровідникових ключів і силового трансформатора, вторинна обмотка якого з'єднана з вихідним випрямлячем, дросель, ввімкнений в ланцюг дуги, пристрій керування, що містить послідовно з'єднані пороговий пристрій, задавальний генератор і формувач і підсилювач імпульсів, вихід якого з'єднаний з напівпровідниковими ключами, послідовно з'єднані з первинною обмоткою силового трансформатора, струмообмежувальний дросель і трансформатор струму, вихід якого через пороговий пристрій підключений до входу пристрою керування. По кількості загальних ознак цей пристрій прийнятий як прототип. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення джерела живлення для дугового навантаження, в якому за допомогою блоків, що додаються, і зв'язків утворені додаткові контури корекції, які забезпечують формування зовнішніх характеристик за заданими законами і перехід з однієї характеристики на іншу вручну, автоматично або програмовано, плавну або стрибкоподібну зміну величини і знаку статичної вольт-амперної характеристики, підвищення якості кінцевого продукту, споживацьких властивостей джерела живлення для дугового навантаження, розширення технологічних можливостей і області застосування запропонованого джерела. Поставлена задача вирішується тим, що в джерело живлення для дугового навантаження, що містить вхідний випрямний блок, виходом підключений до входу силового перетворювача, що складається з напівпровідникових ключів і силового трансформатора, вторинна обмотка якого з'єднана з вихідним випрямлячем, дросель, включений в ланцюг дуги, пристрій управління, що містить послідовно сполучені пороговий пристрій, задавальний генератор і формувач і підсилювач імпульсів, вихід якого з'єднаний з напівпровідниковими ключами, послідовно з'єднані з первинною обмоткою силового трансформатора, струмообмежувальний дросель і трансформатор струму, вихід якого через пороговий пристрій підключений до входу пристрою керування, згідно винаходу введені схема формування регульованої вихідної характеристики, що складається з двох підсилювачів похибки, прямий вхід одного з яких підключений до задавальника напруги, а іншого - до задавальника струму дуги відповідно, виходи яких через розв'язувальні діоди з'єднані з входом порогового елемента, а інверсні входи з'єднані з виходами датчиків струму і напруги відповідно, задавальник струму дуги входом з'єднаний з виходом датчика напруги і схема вибору характеристик з'єднана з іншим входом задавальника струму. 5 Крім того, джерело живлення відрізняється тим, що в ньому для реалізації бажаної вихідної характеристики на виході блоку задавання струмового опорного сигналу задавальник струму дуги виконаний у вигляді схеми, що містить два нульоргани, кількість яких відповідає числу ділянок апроксимації, перші (прямий і інверсний) входи яких підключені до послідовно з'єднаних джерел опорних (порогових) напруг (з послідовно наростаючими рівнями), другі входи нуль-органів об'єднані і підключені до виходу датчика напруги, два інвертори напруги, вхід одного з яких з'єднаний з виходом датчика напруги, а другого - з виходом датчика опорного сигналу, три електронні ключі, входи яких з'єднані з виходом датчика напруги, першого і другого інвертора напруги відповідно, виходи керування - з виходами нуль-органів і підсумовуючого підсилювача, регулювальні входи якого з'єднані відповідно з виходами електронних ключів і датчика опорного сигналу, а вихід останнього є загальним виходом задавального пристрою. Відомо, що вибір виду характеристики джерела для будь-якого дугового процесу визначається умовами енергетичної стійкості дуги. При цьому найважливішим параметром виявляється статична вольт-амперна характеристика (ВАХ) розряду. Нарешті, автоматична зміна нахилу ВАХ повинна відбуватися достатньо швидко, щоб у будь-який момент часу створювати сприятливе підведення енергії до електродів з урахуванням характеру і швидкості процесів, що протікають в міжелектродній області. Форма статичної ВАХ джерел живлення робить значний вплив на технологію дугових процесів. Залежно від конкретного технологічного процесу необхідно мати певну форму статичної ВАХ джерела. Дуже часто бажано мати універсальні джерела живлення з гнучким регулюванням не тільки параметрів режиму (струм, напруга), але і зміною нахилу зовнішньої характеристики в широкому діапазоні від «штикової» до зростаючої. Універсальність джерела живлення обумовлена тим, що з його допомогою можна здійснити автоматизацію технологічних об'єктів, що найчастіше зустрічаються в задачах, статичні і динамічні перетворення інформації з подальшим формуванням управляючих команд. Формування потрібної (бажаної) статичної зовнішньої характеристики забезпечує не тільки стійкість енергетичної системи «джерело - дуга», але і підвищену якість кінцевого продукту, наприклад, дозволяє одержувати якісні зварні з'єднання. Відмітимо, що питання живлення і передачі енергії на дугове навантаження багато в чому мають загальну специфіку. На Фіг.1 зображено узагальнену структурну схему запропонованого джерела живлення; на Фіг.2 - вихідна характеристика джерела живлення; Фіг.3 - схема формування вихідної характеристики джерела; Фіг.4 - залежність струмового опорного сигналу від вихідної напруги перетворювача; Фіг.5 - принципова схема задавання струмового опорного сигналу$, 92956 6 Фіг.6 - зовнішня характеристика і відповідні вихідні сигнали РН і PC; Фіг.7 - зовнішня характеристика джерела живлення. Джерело живлення відповідно до узагальненої схеми (Фіг.1 і Фіг.3) містить мережевий (вхідний) випрямляч 1, силовий перетворювач 2, що складається з напівпровідникових ключів із зворотними діодами і снабберами 3-6 і силового трансформатора 7, вихідний випрямляч 8, дросель 9, включений в ланцюг дуги, пристрій керування 10 з генератором 11, керованим напругою, пороговим елементом 12, і формувачем і підсилювачем імпульсів 13, обмежувальний дросель 14, включений послідовно з первинною обмоткою трансформатора 7, дуговий проміжок 15, датчики струму 16 і напруги 17, підсилювачі помилки за струмом 18 і напругою 19, схему вибору характеристики 20, задавальник струму дуги 21 і два діоди 22, 23. Крім того, вихід схеми формування вихідної характеристики, що складається з підсилювачів помилки за струмом 18 і напругою 19, схеми задавання струмового опорного сигналу 21 і схеми вибору характеристики 20 є входом порогового елемента 12. Пристрій задавання струмового опорного сигналу реалізований відповідно до принципової схеми (Фіг.5) і містить компаратори 24 і 25, інвертори 26, 27, електронні ключі 28-30, підсумувальний підсилювач 31, джерела опорних напруг 32, 33 і змінні резистори 34-36. Частина блоків 11-15 реалізована на типових цифрових і аналогових мікросхемах малого і середнього ступеня інтеграції, схема вибору характеристик 20 може бути реалізована, наприклад, за допомогою перемикачів (комутаційних елементів) або програмно при використанні універсальної елементної бази - серійних мікропроцесорів і мікроЕОМ, блок завдання струму 21, реалізований за допомогою інтегральних компараторів, ключів і операційних підсилювачів, включених по стандартній схемі. Датчики струму 16 і напруги 17 можуть бути виконані на основі відомих технічних рішень для вимірювання змінних струмів і постійної напруги: трансформаторів струму, у тому числі і компенсаційних; сенсорів на основі ефекту Хола розімкненого або замкнутого контура. Типова статична характеристика замкненої системи стабілізації, наприклад, напруги зображена на Фіг.6. Вона складається з двох відрізків: на відрізку АВ система здійснює стабілізацію напруги, на відрізку ВС - обмеження струму допустимими значеннями (І≤ІКЗ). Якщо відрізок стабілізації напруги характеризується спадами напруги ∆Uз і етатизмом vз, то відрізок обмеження струму має такий самий показник, що і коефіцієнт відсікання: kвідс=Івідс/Ікз. Граничні показники замкнених систем стабілізації в усталеному режимі: - на відрізку стабілізації напруги АВ - астатизм за напругою (∆U3=0); - на відрізку обмеження струму ВС - крутоспадна характеристика з астатизмом за струмом (kвідс=1). Характеристика з граничними показниками дає можливість здійснити найповніше використання 7 92956 джерела живлення в усталеному режимі. У системах з паралельним вмиканням регуляторів кількість регуляторів відповідає кількості регульованих координат і в будь-який інтервал часу може працювати лише один регулятор, координата якого перебуває на граничному рівні. Вибір регулятора, який у певний інтервал часу здійснює керування, забезпечує ланка вибору режиму (ЛВР). Функцію ЛВР виконує логічна ланка «вибір меншого із сигналів». Схема керування складається з двох контурів контуру напруги з регулятором РН, контуру струму з регулятором струму PC і ЛВР. Ланка вибору режиму пропускає сигнали керування від того регулятора, який має менше значення вихідного сигналу. Зовнішню характеристику і відповідні вихідні сигнали РН і PC, які пропускає ЛВР, зображено на Фіг.6. Характеристики показують, що кожен регулятор формує тільки свою ділянку статичної характеристики: регулятор РН - ділянку стабілізації напруги, PC - ділянку обмеження струму. Крутоспадний характер ділянки струмообмеження (Фіг.6) формується дією інтегральної складової пропорційно-інтегрального регулятора струму (ПІ-регулятора). У разі застосування пропорційного регулятора струму (П-регулятора) ділянка струмообмеження позначена індексом 1. Проміжні характеристики 2, 3 відповідають сигналам задания UзU UзU UзU і забезпечуються 3 2 1 зміною RefU. Характеристика 4 відповідає зменшенню обмеження PC. У свою чергу статичний спад напруги (струму) і етатизм системи визначаються коефіцієнтом підсилення ланок прямого каналу і каналу зворотних зв'язків контуру регулювання. Така залежність дає змогу здійснювати вибір параметрів системи регулювання, виходячи з вимог статики. Джерело живлення працює таким чином. При підключенні джерела до первинної мережі випрямний блок 1 забезпечує випрямляння і при необхідності згладжування змінної мережевої напруги. Випрямлена і згладжена мережева напруга з виходу блоку 1 поступає на силовий перетворювач 2, який здійснює перетворення постійної напруги в імпульсну напругу високої частоти. Зрозуміло, на енергетичний вхід ключового перетворювача подається постійна напруга з виходу випрямного блоку 1, що включає в загальному випадку і вхідний фільтр, а на інформаційний вхід, утворений пороговим елементом 12 - сигнал управління. Пристрій управління 10 формує імпульси управління транзисторними ключами 3-6, останні, відмикаючись на час тривалості управляючих імпульсів, по черзі попарно передають енергію через випрямляч 8 і фільтр 9 в навантаження 15. Датчик струму 16 здійснює перетворення струму в первинній обмотці силового трансформатора 7 в напругу, яка поступає на вход PC 18. При перевищенні напругою з виходу схеми формування вихідної характеристики джерела порогового значення пристрою 12, наприклад, в режимах, близьких до короткого замикання дугового проміжку 15, 8 пороговий пристрій, впливаючи на генератор 11 підвищує його частоту. При цьому індуктивний опір дроселя 14 збільшується, а амплітуда струму в первинній обмотці трансформатора 7 не перевищує заданого значення. Послідовно сполучені з первинною обмоткою трансформатора 7 обмежувальний дросель 14 і датчик струму 16 забезпечують формування необхідної зовнішньої характеристики джерела, параметри якої можуть регулюватися в широких межах шляхом зміни частоти перетворення, що, наприклад, при зварюванні зменшує розбризкування металу, покращує якість шва, знижує втрати енергії і усуває перевантаження в силових елементах, що, у свою чергу, веде до підвищення ККД і надійності джерела. Підсилювач і формувач імпульсів 13 зв'язаний з потужними транзисторами вихідного каскаду перетворювача, забезпечує передачу вхідних сигналів і гальванічне розділення. Для регулювання і стабілізації вихідних значень струму і напруги інвертора використовується частотне регулювання. Далі обмежимося випадком для більшості джерел живлення дугового навантаження, що зустрічаються на практиці, із складнокомбінованою зовнішньою характеристикою, що містить чотири ділянки: пологоспадна за напругою при коротких дугах, жорстка за струмом при середніх, зростаюча при довгих і ділянка стабілізації напруги (Фіг.2). Для реалізації характеристики, показаної на Фіг.2, потрібні два канали передачі сигналів (Фіг.3): за напругою - для формування горизонтальних ділянок і за струмом - для формування похилих і вертикальних ділянок. Кожний з цих каналів діє незалежно один від одного і виконується на основі свого підсилювача помилки з використанням операційного підсилювача (ОП). Вихідна напруга джерела вимірюється за допомогою датчика напруги 17, потім вихід останнього поступає на інверсний вхід підсилювача помилки 19 за напругою (на інший вхід поступає опорний сигнал RrefU, що встановлює Ud джерела). У підсилювач помилки за струмом 18 поступає задавання струмового опорного сигналу. Підсилювач помилки за струмом 18 на іншому своєму (інверсному) вході сприймає сигнал про вихідний струм джерела. Сказане пояснюється схемою, показаною на Фіг.3. На схемі 22 і 23 - розв'язувальні діоди, що дозволяють підключати сигнали каналів напруги і струму. Якщо сигнал на інверсному вході 18 за струмом менше сигналу на його прямому вході, вихідна напруга підсилювача максимальна, діод 23 закритий і управління здійснюється контуром за напругою. Інакше вихідна напруга 18 за струмом знижується, закривається діод 22 і вступає в роботу контур керування за струмом. Слід звернути увагу на те, що ланцюги корекції в обох підсилювачах помилки підключаються до анодів діодів 22, 23, а не безпосередньо до виходів цих підсилювачів. Таке підключення дуже важливе для стабільної роботи джерела при переході від роботи з контуром напруги до роботи з контуром струму і навпаки. Комплексні опори Z1 і Z2 - ланцюги корекції. Для реалізації вихідної характеристики сигнал Refl на виході блоку задавання струмового опорно 9 го сигналу (СОС) повинен залежати від напруги, як показано на Фіг.4. Як можна бачити з Фіг.4, постійний опорний сигнал повинен бути при вихідних напругах від Udmin1 до Udmin2. Цей сигнал забезпечить режим стабілізації струму на заданому рівні. При зростанні вихідної напруги від 0 до Udmin1 сигнал Refl повинен лінійно знижуватися, а при зростанні від Udmin2 - лінійно зростати. Схема вибору характеристик реалізується або за допомогою комутаційних елементів, або програмно, зважаючи на простоту реалізації алгоритмів перемикання. Не викликає додаткових труднощів також питання зберігання і відтворення інших зовнішніх характеристик. Схема задавання СОС показана на Фіг.5. Падіння напруги дуги використовують як параметр, що характеризує миттєве просторове положення дуги, яке дозволяє змінювати вихідну ВАХ джерела живлення дуги. Спосіб формування набору зовнішніх характеристик довільної форми зв'язаний з використанням спеціального функціонального перетворювача із заданою функцією перетворення напруги U в струм І. В результаті зовнішня характеристика джерела Ud(Іd) повторюватиме форму характеристики функціонального перетворювача І (U) у вигляді зворотних функцій Id(Ud)=I(U). Таким чином, передбачаючи можливість задавання за допомогою перетворювача необхідного набору характеристик з бажаними законами Ij(U), де j [і, k], можна здійснити відтворення будь-якої із k зовнішніх характеристик Udj(Id)=Uj(I). Схема одного з варіантів задавання СОС з підключенням підсумувального підсилювача, керованих компараторів (нуль-органів), джерела опорної напруги і електронних ключів показана на Фіг.5. Одним з основних елементів, що формує таку характеристику, є блок зворотного зв'язку (БЗЗ), що складається з підсумувального підсилювача і електронних ключів, який залежно від стану компараторів забезпечує різний за виглядом і глибиною зворотний зв'язок (за струмом, струмом і напругою). У БЗЗ передбачене регулювання глибини зворотного зв'язку (за допомогою резисторів 3435), що забезпечує зміну нахилу зовнішньої ВАХ джерела. Зворотний зв'язок завжди здійснюється за струмом, але залежно від стану керованих компараторів до зворотного зв'язку за струмом додається зворотний зв'язок за напругою. У БЗЗ відбувається і задавання початкової уставки (початковий режим встановлюється Uref). Формування відповідних алгоритмів перемикання ключів реалізоване за допомогою нульорганів. Відповідність силового виходу із заданою ВАХ в джерелі досягається включенням на входах нуль-органів джерел опорних (порогових) напруг з послідовно наростаючими рівнями. Кількість компараторів відповідає числу відрізків (ділянок) апроксимації. До одних входів компараторів підключені джерела опорних напруг 32, 33. Другі входи компараторів об'єднані і підключені до датчика напруги. Напруга зворотного зв'язку знімається безпосередньо з електричної дуги. При Ud