Системы электропитания на базе резонансных инверторов

Приведен обобщающий анализ, описан опыт разработки и применения перспективных резонансных источников питания для дуговой сварки и родственных процессов. Показаны примеры создания на их базе специальных систем электропитания с уменьшенным уровнем высокочастотных помех и повышенной надежности....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Верещаго, Е.Н., Костюченко, В.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	50 лет кафедре сварочного производства
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100912
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Системы электропитания на базе резонансных инверторов / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 8 (676). — С. 35-42. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100912
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1009122016-05-29T03:02:45Z Системы электропитания на базе резонансных инверторов Верещаго, Е.Н. Костюченко, В.И. 50 лет кафедре сварочного производства Приведен обобщающий анализ, описан опыт разработки и применения перспективных резонансных источников питания для дуговой сварки и родственных процессов. Показаны примеры создания на их базе специальных систем электропитания с уменьшенным уровнем высокочастотных помех и повышенной надежности. The paper gives a generalizing analysis of development and application of promising resonance power sources for arc welding and related processes. Shown are the examples of development of special power supply systems on their basis with a reduced level of high-frequency noise and improved reliability. 2009 Article Системы электропитания на базе резонансных инверторов / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 8 (676). — С. 35-42. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100912 621.791.75:65.011.56 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	50 лет кафедре сварочного производства 50 лет кафедре сварочного производства
spellingShingle	50 лет кафедре сварочного производства 50 лет кафедре сварочного производства Верещаго, Е.Н. Костюченко, В.И. Системы электропитания на базе резонансных инверторов Автоматическая сварка
description	Приведен обобщающий анализ, описан опыт разработки и применения перспективных резонансных источников питания для дуговой сварки и родственных процессов. Показаны примеры создания на их базе специальных систем электропитания с уменьшенным уровнем высокочастотных помех и повышенной надежности.
format	Article
author	Верещаго, Е.Н. Костюченко, В.И.
author_facet	Верещаго, Е.Н. Костюченко, В.И.
author_sort	Верещаго, Е.Н.
title	Системы электропитания на базе резонансных инверторов
title_short	Системы электропитания на базе резонансных инверторов
title_full	Системы электропитания на базе резонансных инверторов
title_fullStr	Системы электропитания на базе резонансных инверторов
title_full_unstemmed	Системы электропитания на базе резонансных инверторов
title_sort	системы электропитания на базе резонансных инверторов
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	50 лет кафедре сварочного производства
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100912
citation_txt	Системы электропитания на базе резонансных инверторов / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 8 (676). — С. 35-42. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT vereŝagoen sistemyélektropitaniânabazerezonansnyhinvertorov AT kostûčenkovi sistemyélektropitaniânabazerezonansnyhinvertorov
first_indexed	2025-07-07T09:32:23Z
last_indexed	2025-07-07T09:32:23Z
_version_	1836980102856966144
fulltext	УДК 621.791.75:65.011.56 СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА БАЗЕ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ Е. Н. ВЕРЕЩАГО, канд. техн. наук, В. И. КОСТЮЧЕНКО, асп. (Нац. ун-т кораблестроения имени адмирала Макарова, г. Николаев) Приведен обобщающий анализ, описан опыт разработки и применения перспективных резонансных источников питания для дуговой сварки и родственных процессов. Показаны примеры создания на их базе специальных систем электропитания с уменьшенным уровнем высокочастотных помех и повышенной надежности. К л ю ч е в ы е с л о в а : система электропитания, дуговая сварка, источники питания, воздушно-плазменная резка, ре- зонансные топологии Производство полупроводниковых преобразова- телей электрической энергии — основных фун- кциональных узлов источников электропитания для сварки и родственных процессов и технологий — развивается по пути миниатюризации, повы- шения КПД и надежности, уменьшения их вли- яния на питающую сеть, снижения стоимости и т. д. Для решения указанных проблем использу- ется современная отечественная и зарубежная электронная база и новые магнитные материалы, применяются новые электрические схемы и тех- ника сложения мощностей. Перспективные элек- трические схемы обеспечивают повышение час- тоты преобразования, без чего невозможно увели- чить удельную мощность источника электропи- тания. В традиционных схемах высокочастотных пре- образователей с прямоугольной формой напряже- ния и тока для оптимального использования час- тотных свойств элементов, обеспечения электро- магнитной совместимости с питающей сетью, за- щиты полупроводниковых приборов от перенап- ряжения и вторичного пробоя, снижения комму- тационных потерь мощности и помех, создавае- мых источниками питания (ИП), эти проблемы решали путем формирования благоприятной тра- ектории переключения транзисторов и диодов. Диссипативные формирующие цепи, обеспечивая задержку между спадом напряжения и фронтом тока транзистора при включении и спадом тока и фронтом напряжения при его выключении, зна- чительно снижают коммутационные потери мощ- ности в транзисторах. Вместе с тем их исполь- зование имеет и ряд недостатков. Во-первых, фор- мирование траектории переключений сопровож- дается накоплением энергии в реактивных эле- ментах, которая затем выделяется в виде тепла на дополнительных резисторах. Во-вторых, их введение ограничивает допустимые значения коэффициента использования транзистора по току и напряжению, а форма тока через транзистор остается практически прямоугольной. Следова- тельно, сохраняются все связанные с этим недос- татки: высокий уровень электромагнитных помех, перенапряжения на полупроводниковых приборах и т. п. Альтернативой может быть использование ре- зонансных топологий [1–4]. Этот вариант импуль- сных ИП используется в приложениях, от которых требуется высокая надежность, минимальная мас- са и наименьшие размеры, высокий КПД, и, что самое важное, пониженный уровень излучаемого шума (помех). Резонансные преобразователи (РП) основаны на схемах традиционных высокочастот- ных преобразователей напряжения, в которые вве- дены резонансные контуры (РК), образованные дополнительными или паразитными реактивными элементами [1–4]. Поскольку либо ток, либо нап- ряжение на ключе за время переключения близки к нулевому значению, устраняются потери на включение или выключение, а для некоторых ре- жимов и схем устраняются оба вида потерь — на включение и выключение. Поэтому РП могут работать на значительно более высоких частотах, чем обычные ШИМ-преобразователи. РП можно разделить на следующие группы: с последовательным РК и нагрузкой, включенной последовательно или параллельно элементам РК; квазирезонансные; класса E; с мягким переклю- чением. В таблице приведены результаты срав- нения некоторых топологий импульсных ИП, ко- торые позволяют принять компромиссное реше- ние в отношении выбора подходящей технологии проектируемого ИП. На кафедре сварочного производства Нацио- нального университета кораблестроения большое внимание уделяется совершенствованию принци- пов построения ИП для дуговой нагрузки. В дан- ной статье приведены описания устройств, в про- цессе проектирования которых авторы принимали участие, а технические характеристики разрабо- © Е. Н. Верещаго, В. И. Костюченко, 2009 8/2009 35 танных дают определенные представления об ос- новных показателях, достижимых для данного класса полупроводниковых преобразователей энергии. Источник электропитания сварочной дуги на основе ПНН-схемы. Разработан функциональ- но законченный блок универсального професси- онального инверторного сварочного аппарата для дуговой сварки стальных материалов толщиной от 0,5 до 10 мм, а при наличии специальных ак- сессуаров и материалов — для аргонодуговой сварки нержавеющей стали и медных сплавов. Ап- парат может использоваться в составе сварочных автоматов и полуавтоматов, возможна его интег- рация в роботизированные, автоматизированные и механизированные комплексы и устройства. Хо- рошо отработанный блок упрощает конструиро- вание многомодульных ИП. Внешний вид источ- ника электропитания для дуговой сварки предс- тавлен на рис. 1. Основные технические характеристики авто- номного однофазного модуля (напряжение холос- того хода 90 В, потери на холостом ходе не более 10 Вт, диапазон наружной температуры от –20 до 40 °С, диапазон частот 25…150 кГц.): Напряжение сети, В ..................................220 (+10%; –15%) Напряжение холостого хода, В не более ..............90 Диапазон плавного регулирования: выходного тока, А ....................................20…160 выходного напряжения, В .......................19…26 Продолжительность включения (ПВ), % ..............60 Потребляемая мощность, кВт, не более 6 КПД при номинальной мощности, % ....90 соs ϕ ...........................................................0,85 Режим работы ...........................................TIG/MAG/MMA Диаметр плавящегося электрода, мм .....1,5…3,25 Проволока, диаметром, мм ......................0,6…1,0 Габаритные размеры, мм, не более .....................................................400 180 280 Масса, кг, не более ...................................8,5 Основу источника составляет квазирезонанс- ный преобразователь с «мягким» переключением с частотным способом регулирования выходной мощности в инверторе, обеспечивающий высокие показатели по КПД, коэффициенту мощности, на- дежности и уровню импульсных помех [1]. В качестве силовых ключей используют вы- соковольтные МОП — транзисторы новой серии L, отвечающие целому ряду дополнительных тре- бований для обеспечения надежной работы ПНН- преобразователей, выпускаемые фирмой «Interna- tional Rectifier». Упрощенная электрическая схема одной из предлагаемых структур для питания дуговой наг- рузки, основанной на использовании мостового инвертора ПНН-типа, изображена на рис. 2. Силовая часть квазирезонансного преобразо- вателя напряжения с дросселем переменного тока формирует выходное напряжение в соответствии с выражением [1]: U0∗ – Iнr∂∗ = U1∗ ′ γ – 4Lk∗f∗Iн∗ – U1∗ ′ trrf0f∗ – Iн∗r∗, (1) где U0* = U0/Uн0; Iн* = Iн/Iн0; f* = f/f0; Lк= Lкf0 ⁄ Rн0; Uн0, Rн0 — базовые (номинальные) напряжение и эквивалентное сопротивление наг- рузки, соответствующее режиму работы с номи- нальным током нагрузки Iн0; f0 — базовое зна- чение частоты модуляции; Rн0 = Uн0/Iн0; U1 = = U1/Uн0 = nU1/Uн0 — относительное (нормали- зованное) входное напряжение, приведенное ко вторичной обмотке. Внутреннее сопротивление источника, приве- денное к выходу инвертора, определяется выра- жением RL k = 2Lk/T, где T — период следования импульсов; Lk — ин- дуктивность. Очевидно, что чем выше частота источника ω, чем больше индуктивность Lk, тем более кру- тым является наклон выходной характеристики Результаты сравнения некоторых топологий импульсных ИП Тип импульсных ИП Стоимость Масса RF-шум EMI-помехи КПД, % Импульсный стабилизатор с ШИМ Высокая Небольшая Высокий Высокие 70–80 Резонансный преобразователь » » » » Средний Средние 78…92 Квазирезонансный преобразователь » » » » » » » » 78…92 Рис. 1. Внешний вид ИП для дуговой сварки 36 8/2009 и тем сильнее она отличается от характеристики идеального преобразователя. В реальной схеме сопротивление rп возрастает из-за сопротивлений диодов, ключей и сопротив- ления меди обмоток трансформатора и дросселя. Стабилизация выходного тока Iн в стабилизаторе при дестабилизирующих возмущениях входного напряжения U1, напряжения на дуге U0, темпе- ратуры и т. п., осуществляется изменением час- тоты преобразования. Изменение частоты осуществляется в соответ- ствии с управляющим воздействием [3] ω(t) = ω0 + ΔωmaxU∗ – (t), (2) где Δωmax = 2πΔfmax — максимальное отклонение частоты при модуляции (девиация частоты); U∗ –(t) — нормированный входной управляющий сигнал, равный U(t)/Umax; Umax — максимальное значение входного сигнала. Максимальный уровень тока на выходе будет получен при ωmin = ω0, а минимальный при ωmax = = ω0 + Δωmax. Диапазон регулирования D часто- ты модуляции в этом случае определяется выра- жением D = Imin Imax = ωmax ωmin . Разделив левую и правую части выражения (2) на ω0, получаем ω(t) ω0 = ω0 ω0 + ⎛ ⎜ ⎝ ωmax ω0 – ω0 ω0 ⎞ ⎟ ⎠ U∗(t). Отсюда ω(t) = ω0[1 + (D – 1)U(t)]. В установившемся режиме частота модуляции f и значение входного сигнала (u = U) связаны между собой линейной зависимостью f = f0 + kмkуU = f0 + kмkдkу(Iн – Iз), (3) где kм, kд, kу — коэффициенты передачи генера- тора управляемого напряжением (частотного мо- дулятора), датчика тока и устройства управления соответственно; Iз — ток задания. В установившемся режиме ток задания (iз = = Iз) равен начальному току нагрузки: Iз = Iн0. В относительных величинах уравнение (3) имеет вид f∗ = 1 + kмkуUmax f0 U∗ = 1 + kмkуkдIн0 f0 (Iн∗ – Iз∗) = = 1 + (D – 1)kуkдIн0 Umax (Iн∗ – Iз∗), (4) где kм = f0(D – 1)/Umax. Подставив выражение (4) в (1), получим со- отношение, определяющее выходной ток стаби- лизатора с замкнутой цепью обратной связи: Iн∗ 2 – Iз∗Iн∗ + r∗ – rd∗ + 4Lk∗ a Iн∗ – U1∗ ′ γ – U0∗ a = 0, (5) где a = 4Lk∗ kмkуkдIн0 f0 . Ток нагрузки определяем как положительный корень выражения (5) Iн∗ = Iз∗ + r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ a 2 + √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯((Iз∗ + r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ a ) ⁄ 2)2 + + U1∗ ′ γ – U0∗ a . Аппроксимируя выражение (5) двумя первыми членами степенного ряда, получаем Iн∗ = Iз∗ + r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ a + U1∗ ′ γ – U0∗ Iз∗a + r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ , (6) где условие сходимости ряда ⎪ ⎪ ⎪ U1∗ ′ γ – U0∗ a ⎪ ⎪ ⎪ ≤ ⎛ ⎜ ⎝ Iз∗ + r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ a ⎞ ⎟ ⎠ 2 . Статическая погрешность регулирования Δст тока стабилизатора, силовая цепь которого вы- полнена по схеме рис. 2, имеет вид Δст = \|Iз∗ – Iн∗\| = r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ a + + U1∗ ′ γ – U0∗ Iз∗a + r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ . (7) Рис. 2. Схема преобразователя частоты с квазирезонансным инвертором (Н — нагрузка; Д — датчики; Р — регулятор, Uref — опорное напряжение) 8/2009 37 Как видно из выражений (6), (7), точность под- держания тока нагрузки увеличивается с возрас- танием коэффициентов kм передачи частотного модулятора и kу передачи усилителя. При kмkу = = ∞ статическая погрешность регулирования рав- на нулю. При конечном значении kмkу на точность поддержания тока оказывает влияние, например, значение напряжения на дуге. Погрешность ре- гулирования увеличивается с уменьшением U0, а также с уменьшением индуктивности Lk, тока Iз* и напряжения на нагрузке Uн*. Из выражения (7) следует, что в компенса- ционном стабилизаторе изменения значения лю- бого параметра, определяющего Iн, в том числе и напряжения U0, приводит к нестабильности вы- ходного тока. Для оценки влияния этих изменений воспользуемся чувствительностью выходного то- ка к изменению любого из параметров P (пара- метр, входящий в управление регулировочной ха- рактеристики или описывающий работу частот- ного модулятора) в стабилизаторе, например (∂Iн/∂П)0. Тогда суммарное изменение выходного тока ΔIн при совокупном воздействии дестаби- лизирующих факторов определится выражением (ΔIн)0 = ∑ П (∂Iн ⁄ ∂П)0ΔП ⁄ (r∂∗ – r∗ – 4Lk∗ – 2aIн∗ 0 + aIз∗ 0 ), (8) Из формулы (8) следует, что для уменьшения вынужденной (установившейся) составляющей ошибки необходимо увеличивать kуkм. Однако при повышении kуkм уменьшается запас устой- чивости, система приближается к границе устой- чивости, переходный процесс становится более колебательным (ухудшаются показатели качества переходного процесса). Формирование статических и динамических характеристик системы «источник питания–дуга» осуществляется действием задержанной отрица- тельной обратной связи по току нагрузки. Сигнал обратной связи по току действует через звено «зо- на нечувствительности». В приближенном кусоч- но-линейном виде уравнение статической харак- теристики нелинейного звена в цепи отрицатель- ной обратной связи по току записывается следу- ющим образом: x2 = ⎧ ⎨ ⎩ ⎪ ⎪ 0 при x1 ≤ b; k(x1 – b) при x1 > b; k = tg α . Очевидно, что внешняя характеристика пре- образователя имеет в общем виде три характер- ных участка: I — участок малых нагрузок, ха- рактеризуется незначительным падением напря- жения при увеличении тока нагрузки (стабили- зация напряжения); II участок — стабилизации выходного тока, на котором наклон рабочего учас- тка изменяется от нуля до единицы и происходит резкий спад выходного напряжения; III участок — на котором преобразователь переходит в не- регулируемый режим, характеризуется плавным уменьшением выходного напряжения при увели- чении тока нагрузки (ограничением максималь- ного тока вплоть до режима короткого замы- кания нагрузки). На рис. 3 изображены экспе- риментально снятые внешние характеристики ИП при различных значениях выходного нап- ряжения и тока [1]. Разработанный ИП позволяет реализовать мощность в нагрузке на уровне 5,0 кВт. При пос- троении более мощных ИП предусматривается их параллельная работа на общую нагрузку, тем более, что использование рассматриваемого прин- ципа построения силовой части наиболее просто обеспечивает наращивание мощности в нагруз- ке путем подключения дополнительных модулей без необходимости использования специальных средств выравнивания токов и мощности между модулями. В реализованном ИП подтвердились преиму- щества частотного способа регулирования и ком- бинированной модуляции: — практически полное отсутствие сквозных токов (импульсных помех) вследствие неперек- рываемых и плавных включений-выключений коммутирующих транзисторов и выпрямительных диодов; возможность повышения частоты коммутации до 100 кГц; — снижение статических и динамических по- терь в транзисторах и диодах обеспечило полу- чение КПД > 92 %. Рис. 3. Экспериментальные внешние характеристики источ- ника питания: 1–4 — соответственно Iз = 424; 102, 142; 160 А; 5–8 — Uз = 20; 21; 22; 24 В 38 8/2009 Инверторный ИП для сварки, например, штуч- ными электродами с МП-управлением имеет сложнокомбинированную внешнюю ВАХ, обес- печивающую реализацию функций «горячий старт», форсирование дуги, выбор наклона рабо- чего участка ВАХ в пределах от 0,4 до 2,0 В/А в зависимости от конкретных условий сварки и типа электрода, жесткость внешней характерис- тики 0,01 В/А. Аппарат также обеспечивает плавное регули- рование тока в диапазоне 20…160 А; понижение напряжения холостого хода U0 до 12 В при дли- тельных обрывах (более 0,6…1 с); поддержание заданного тока при колебаниях напряжения сети; защиту от прилипания электрода при коротком замыкании более 0,5 с и др. Важным достоинством нового ИП с полностью цифровой системой управления по отношению к традиционному является возможность плавного изменения выходной ВАХ источника для приб- лижения ее к идеальной. Из рис. 4 видно, что используемая при раз- работке ИП технология позволяет существенно снизить уровень помех. Для рассматриваемого ИП уровень помех на выходе и в питающей сети не превышает 65 дБ во всем диапазоне частот. Системы электропитания (СЭП). ИП «ПЛАЗМА-2» (рис. 5). Практическим приложени- ем источников электропитания, работающих на дуговой промежуток, явились устройства элект- ропитания для плазменного воспламенения топ- лива [2]. При практической разработке СЭП для плазменных технологий, кроме основных пока- зателей качества (КПД, надежность, масса), учи- тывали и дополнительные: напряже- ние питания и его разброс; диапазон и стабильность частоты; окружаю- щая температура и возможные спо- собы охлаждения; коэффициент мощности; удельная масса; конс- труктивные требования (габариты, ударные и вибрационные перегруз- ки, обычное или тропическое испол- нение); цикличность работы, срок службы. Каждый из приведенных показателей имеет принципиально важное значение и может изменить технические характеристики проектируемого устройства. Силовые блоки для систем плазменного вос- пламенения топлива выполнены по схеме квази- резонансных высокочастотных транзисторных ин- верторов с переключением в нуле тока или нап- ряжения [2, 4]. Основные технические характеристики Вид плазмообразующей среды ...............воздух Перепад давления плазмообразующей среды, МПа ...............................................(1…6)...10 Расход плазмообразующей среды, г/с ....0,1…0,5 Род тока дуги ............................................постоянный Напряжение холостого хода, В ...............600±40 Рабочее напряжение дуги, В ...................150±30 Ток короткого замыкания, А ...................7,5±1,0 Диапазон регулирования тока дуги, А ...1,5…7,5 Режим работы ...........................................повторно-крат- ковременный Ресурс блока питания, включений, не менее .....................................................10000 ИП «ПЛАЗМА-3» (рис. 6). Предназначен для электропитания систем зажигания газотурбин- ных двигателей от бортовой сети 27 В, а также для совместной работы с плазмотроном ВПТ-5 (ВПЛ-8). Основные технические характеристики Напряжение питающей сети, В ..............27 (+10%; –20%) Род выходного тока ..................................постоянный Напряжение холостого хода, В ...............600±40 Номинальный рабочий ток в дуге, А .....2,5 Рабочее напряжение дуги, В ...................150… 270 Габаритные размеры, мм, не более ........250 160 80 Масса, кг, не более ...................................2,0 Режим работы ...........................................повторно-крат- ковременный Рис. 4. Результаты измерений спектров помех квазирезонан- сного (сплошная) и стандартного (штриховая) ИП для дуго- вой сварки [5] Рис. 5. Внешний вид ИП «ПЛАЗМА-2» Рис. 6. Внешний вид ИП «ПЛАЗМА-3» 8/2009 39 Основой схемы ИП является двухтактный кон- вертор, выполненный на полевых транзисторах но- вой серии L фирмы «International Rectifur», кото- рый формирует в обмотках согласующего транс- форматора импульсы переменного тока частотой 50 кГц. ИП «ПЛАЗМА-4». Установка «Плазма-4»мо- жет применяться для определения основных энер- гетических характеристик воздушных микроплаз- мотронов и ресурсных испытаний плазменных воспламенений (рис. 7). Основные технические характеристики Напряжение питающей сети, В ...............1…220 Напряжение холостого хода, В, не более ...........700 Диапазон тока дуги, А .............................2…20 Максимальная потребляемая мощность, кВ⋅А ........................................7 Масса, кг, не более ...................................8 Габариты, мм, не более ............................400 180 280 Устройство электропитания для воздушно- плазменной резки. Для питания мощных воздуш- ных плазмотронов представляет практический ин- терес создание устройств электропитания на ос- нове мостовых преобразователей с транзисторны- ми квазирезонансными инверторами с фазовым управлением, обеспечивающих мягкое переклю- чение транзисторов (коммутацию силовых клю- чей при нулевых значениях напряжений — ПНН) [3]. Фрагмент электрической схемы силовой части усовершенствованного ПНН с адаптивной струк- турой применительно к преобразователю с двух- полупериодным выпрямителем и L-фильтром для случая работы на дуговую нагрузку — с выход- ным током, изменяющемся в широких пределах, представлен на рис. 8. Система управления преобразователем выпол- нена на основе микропроцессора ATmega 16 [3, 4]. Кроме повышения точности работы техноло- гического агрегата, новая топология силовой час- ти с микропроцессорным управлением значитель- но (на 15…20 %) повышает точность и качество вырезаемых заготовок, регламентируемых ГОСТ 14792–80 (EN 60791-1) и аналогичными стандар- тами Германии, Франции и других стран, сокра- щает не менее чем в два раза расход быстроизна- шивающихся деталей плазмотронов, обеспечивает автодиагностику состояния и защиту всего управ- ляемого комплекса, цифровую индикацию действи- тельных и заданного значений тока и напряжения дуги и сопряжение с ЭВМ верхнего уровня. Из приведенных осциллограмм на рис. 9 видны преимущества применения новой технологии: ре- Рис. 7. Внешний вид стенда для испытания систем плазмен- ного воспламенения топлива Рис. 8. Схема силовой части разработанного ИП 40 8/2009 жим работы становится более симметричным, что способствует снижению потерь в силовых ком- понентах и позволяет значительно (в 3…5 раз) уменьшить уровень электромагнитных помех. При этом имеет место практически отсутствие выбросов напряжения на осциллограммах из рис. 9, б видно, что КПД преобразователя оказы- вается повышенным и практически независимым в диапазоне токов от 20 % до номинального. На рис. 10 приведен внешний вид транзисторного ИП PLASMA 110i HF. Удельная объемная мощность преобразователя составила 160 Вт/дм3. Основные технические характеристики Напряжение, В/количество фаз/частота, Гц .....................................................................380/3/50…60 Род тока .....................................................постоянный ВАХ ............................................................СС Максимальная потребляемая мощность, кВт ..........................................20 Диапазон регулирования тока, А ............20…100 Максимальное напряжение холостого хода, В ..250 Продолжительность включения, % ........100 Максимальная толщина реза, мм: качественный рез .................................25 разделительный рез .............................35 КПД, % ......................................................85 Коэффициент мощности ..........................0,95 Габариты, мм ............................................710 285 485 Масса, кг ....................................................28 Экспериментальные исследования взаимо- действия регулятора тока с реальной технологи- ческой нагрузкой показали, что переход на вы- сокую частоту преобразования обеспечивает ус- тойчивость дугового разряда при индуктивности выходной цепи менее 300 мкГн. Малая инерцион- ность регулятора обеспечивает быстрое нараста- ние тока при возбуждении дугового разряда, а высокая крутизна участка токоограничения (> 40 В/А) — снижение флуктуаций тока при изме- нении скорости воздушного потока. При процессе коммутации в инверторе рабочая точка транзистора перемещается на максимальном удалении от границы области безопасной работы транзистора, поэтому уменьшаются динамические потери и повышается надежность (рис. 11). Модифицированный модуль в составе квази- резонансного преобразователя для питания плаз- мотрона в режиме ПНН обеспечил снижение на 15…25 дБ излучаемых радиопомех, создаваемых при работе аппарата на различных режимах ра- боты, по сравнению со стандартным ПНН-пре- образователем, причем относительный уровень напряжения генерируемых радиопомех во всем диапазоне частот не превышал норм в соответ- ствии с ГОСТ 13821. Этому способствовали от- сутствие влияния тока обратного восстановления антипараллельных диодов и меньший уровень du/dt, которые характерны для данного примене- ния. Дополнительное улучшение спектрального состава удается достичь при использовании снаб- берных конденсаторов большей емкости. Для анализа динамических свойств регулятора тока рассмотрены процессы, происходящие в сис- теме при скачкообразных изменениях нагрузки. Результат моделирования переходного процесса «в большом» в системе с оптимизированным ре- гулятором [3, 4] показан на рис. 12. В стабили- зированном преобразователе тока обеспечены за- данная статическая точность системы, устойчи- вость и желаемый апериодический характер про- Рис. 9. Осциллограммы (mt = 7,2 мкс/дел) напряжения на первичной обмотке UPRI (mU = 1000 B/дел); тока первичной обмотки IPRI (mI = 15 A/дел) и выпрямленного напряжения U0 (mU = 200 B/дел) (а); зависимость КПД конвенционального (1) и ПНН-FB-конвертора (2) от тока нагрузки (б) Рис. 10. Внешний вид ИП PLASMA 110i HF 8/2009 41 цесса спада-накопления выходного тока при скач- ках нагрузки. На рис. 12 приведены параметры переходного процесса: максимальное перерегули- рование ΔI0max = 4 А, длительность процесса tп = = 2⋅10–3 с. Из сравнения основных характеристик видно, что использование новой топологии си- ловой части в качестве звена промежуточной час- тоты для питания плазмотрона перспективно. ИП «PLASMA 110i HF» отмечен дипломом Всеукраинского конкурса-выставки «Кращий вітчизняний товар 2008 року». В заключение следует отметить, что совершен- ствование принципов построения транзисторных преобразователей параметров электрической энергии, рассмотрение устройств питания как эле- ментов системы электропитания, обеспечение в данных устройствах электромагнитной совмести- мости с питающей сетью и потребителями элек- трической энергии оказывает существенное вли- яние на схемотехнические решения и в итоге на их технические характеристики. Таким образом, результаты научных и инженер- ных разработок по созданию на базе резонансных транзисторных инверторов специальных систем электропитания, максимально учитывающих осо- бенности технологических нагрузок, показали пер- спективность принятого подхода к разработке ИП с высоким КПД, высокой плотностью на единицу мощности, с уменьшенным уровнем высокочастот- ных помех и повышенной надежностью, работаю- щих на дуговые нагрузки. 1. Верещаго Е. Н., Квасницкий В. Ф., Явишев Д. И. Источ- ник питания сварочной дуги на основе ZVS-схемы // Техн. электродинамика. — 2005. — № 6. — С. 24–28. 2. Верещаго Е.Н., Фельдшер И. Ф., Костюченко В. И. Но- вый ИП для плазменной обработки деталей // Вест. дви- гателестроения. — 2006. — № 4. — С. 16–19. 3. Верещаго Е. Н., Квасницкий В. Ф., Костюченко В. И. Квазирезонансный ИП PLASMA 110i HF для плазмен- ной резки // Свароч. пр-во. — 2008. — № 6. — С. 37–41. 4. Схемотехника инверторных источников питания для ду- говой нагрузки: Учеб. пос. / Е. Н. Верещаго, В. Ф. Квас- ницкий, Л. Н. Мирошниченко, И. В. Пентегов. — Нико- лаев: УГНТУ, 2000. — 283 с. 5. Оценка параметров электромагнитной совместимости оборудования для дуговой сварки / А. Е. Коротынский, А. Е. Копыленко и др. // Свароч. пр-во. — 2005. — № 11. — С. 9–12. The paper gives a generalizing analysis, describes the experience of development and application of promising resonance PS for arc welding and related processes. It is emphasized that this ensures an improvement of power consumption and lowering of the generated interference. Поступила в редакцию 17.04.2009 Рис. 11. Процесс коммутации в инверторе и траектории движения рабочей точки транзистора Рис. 12. Переходные процессы в системе «в большом» (Rn = = 5 Ом, Rn1 = 5 Ом, i = 20 А) 42 8/2009

Системы электропитания на базе резонансных инверторов

Репозитарії

Схожі ресурси