Разработка и исследование резонансных тиристорных инверторов для источников питания дуговой электросварки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Лопаткин, Николай Николаевич

• Лопаткин, Николай Николаевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лопаткин, Николай Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ. ОБЗОР МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Сравнительный анализ технических решений источников питания для сварки

1.1.1. Источники питания с явным звеном постоянного напряжения

1.1.2. Источники питания без явного промежуточного звена постоянного тока

1.2. Модели и методы расчета электромагнитных процессов в автономных резонансных инверторах

1.3. Постановка задачи исследования

Выводы

2. АНАЛИЗ МОСТОВОГО РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА С ОБРАТНЫМИ ДИОДАМИ ПРИ ЧАСТОТНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

2.1. Место резонансного инвертора в структуре источника питания

для сварки

2.2. Структура и схемы замещения мостового резонансного инвертора с обратными диодами

2.3. Генерация множества схем мостовых и полумостовых резонансных инверторов с обратными диодами

2.4. Расчет основных характеристик резонансных инверторов

с идеальным выходным трансформатором

2.4.1. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью второго порядка

2.4.2. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной

коммутирующей цепью третьего порядка

2.4.3. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка

2.4.4. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик

2.5. Расчет основных характеристик резонансных инверторов с реальным выходным трансформатором

2.5.1. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик

2.5.2. Характеристики инвертора с последовательной эквивалентной коммутирующей цепью

2.5.3. Характеристики инвертора с некоторыми вариантами эквивалентной коммутирующей цепи третьего порядка

2.5.4. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка

2.6. Расчет схемного времени выключения вентилей инвертора

2.6.1. Мгновенное значение входного тока эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка инвертора с идеальным выходным трансформатором

2.6.2. Расчет схемного времени выключения тиристоров инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью третьего порядка

2.7. Расчет установленной мощности реактивных элементов инвертора с типовой коммутирующей цепью четвертого

порядка

2.8. Рекомендации по применению различных вариантов схемы

коммутирующей цепи

Выводы

3. АНАЛИЗ МОСТОВОГО РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА С ОБРАТНЫМИ ДИОДАМИ ПРИ ШИРОТНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

3.1. Широтное регулирование выходного напряжения одномостового резонансного инвертора с одним источником питания

3.2. Интегральные коэффициенты гармоник эквивалентной э.д.с.

при широтном регулировании выходного напряжения

3.3. Расчет основных характеристик резонансных инверторов с идеальным выходным трансформатором

3.3.1. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью второго порядка

3.3.2. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью третьего порядка

3.3.3. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка

3.3.4. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией

V/ и ____

эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик

3.4. Расчет основных характеристик резонансных инверторов

с реальным выходным трансформатором

3.4.1. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик

3.4.2. Характеристики инвертора с последовательной эквивалентной коммутирующей цепью

3.4.3. Характеристики инвертора с некоторыми вариантами эквивалентной коммутирующей цепи третьего порядка

3.4.4. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка

3.5. Расчет установленной мощности реактивных элементов инвертора с типовой коммутирующей цепью четвертого

порядка

3.6. Сравнение двух исследуемых методов регулирования выходного напряжения и рекомендации по применению различных

вариантов схемы коммутирующей цепи

Выводы

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ

4.1. Моделирование мостового резонансного инвертора с обратными диодами

4.1.1. Моделирование инвертора с коммутирующей цепью третьего порядка

4.1.2. Моделирование инвертора с коммутирующей цепью второго порядка и реальным выходным трансформатором

4.2. Исследование модернизированных схем резонансных инверторов

4.2.1. Инвертор с фазовым регулированием выходного напряжения

4.2.2. Квазиоднотактный инвертор

4.2.3. Двухтактный инвертор

4.3. Практические разработки

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование резонансных тиристорных инверторов для источников питания дуговой электросварки»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время дуговая электросварка занимает ведущее место в сварочном производстве. Наряду с совершенствованием технологии сварочных работ актуальной для данной отрасли является проблема создания оборудования, отвечающего современным требованиям.

Монтажные и ремонтно-строительные организации, ЖЭУ, гаражные и огородно-садоводческие кооперативы, сельскохозяйственные структуры различных типов, индивидуальные застройщики, автолюбители и другие категории людей, которым приходится производить сварные работы, сталкиваются с трудностью, а то и с невозможностью транспортировки сварочного оборудования к месту расположения свариваемых изделий. Поэтому сейчас приходится оснащать источниками питания дуги (ИПД) все возможные места выполнения сварочных работ или, если это опять же возможно, каждый раз транспортировать сами свариваемые изделия.

Такое состояние организации выполнения сварочных работ является результатом того, что выпускаемые промышленностью источники питания для ручной дуговой электросварки, как правило, содержат сетевой трансформатор [1], во многом определяющий массогабаритные и энергетические показатели источника в целом. Таким образом, большие габариты и вес трансформаторных источников ограничивают возможности оперативной организации сварочных работ, причем резкий рост цен на обмоточную медь и трансформаторную сталь приводит к росту себестоимости таких источников при неизменных потребительских свойствах.

В связи с вышеизложенным проблема совершенствования технико-экономических показателей источников питания для электродуговой сварки связана прежде всего с исключением из их структуры входного трансформатора за счет введения преобразовательного звена повышенной частоты. Увеличение частоты передаваемых напряжений и токов позволяет резко уменьшить массогабаритные показатели всех реактивных элементов, дает

V/ _

экономию металла и материалов, улучшает динамические свойства источника питания и оперативную управляемость его выходными координатами (ток, напряжение, мощность), что при улучшенном качестве сварки расширяет области применения сварочных работ.

Как показывает опыт стран Западной Европы и США, где различные фирмы выпускают серийно десятки типов различных по структуре бестрансформаторных источников [2], новое поколение источников уверенно занимает свое место на рынке рядом с традиционными трансформаторными. При этом в нашей стране, в связи с разукрупнением больших промышленных и строительных предприятий и организаций и расширением сети мелких и средних частных производственных структур, потребность в переносных источниках в ближайшие годы будет расти. Следует отметить возможность применения бестрансформаторных ИПД с выходом на постоянном токе не только для сварки, но и для зарядки аккумуляторных батарей, пуска двигателей и т.п., в то время как потребность в легких универсальных источниках также далеко не удовлетворена.

Итак, проблема разработки переносных бестрансформаторных по входу источников питания для сварки является для России актуальной.

Дальнейшее развитие схемотехники источников питания для сварки требует, в свою очередь, дальнейшего развития методов анализа и расчета электромагнитных процессов в них. Так, для тех инверторных ИПД, где центральным звеном является резонансный инвертор, несмотря на появление в последние годы у нас [3-6] и, в особенности, за рубежом [7-15], казалось бы, достаточного количества публикаций, посвященных проектированию и исследованию его основных классов и внесших весомый вклад в теорию и практику расчета, остается актуальной задача получения интегральных характеристик установившегося режима работы в аналитической форме, удобной для анализа и параметрической оптимизации реактивных элементов инвертора.

Целью диссертационной работы является исследование установившихся электромагнитных процессов в однофазных резонансных инверторах, используемых в составе источников питания дуговой сварки на постоянном токе со звеном повышенной частоты, разработка методики расчета основных энергетических характеристик однофазных мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами и параметрической оптимизации элементов коммутирующей цепи инвертора в зависимости от требований, предъявляемых конкретным видом сварки.

В диссертации решены следующие вопросы:

- разработана схема замещения для установившегося режима непрерывного входного тока однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой;

- показан принцип генерации множества схем однофазных мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами изменением конфигурации коммутирующей цепи с целью получения требуемого вида естественных характеристик инвертора;

- получены аналитические выражения в замкнутом виде основных статических характеристик как при частотном, так и при широтном способах регулирования выходного напряжения однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго, третьего и четвертого порядков, а также с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно, как для случая пренебрежения некоторыми из основных реактивных параметров Т-образной схемы замещения выходного трансформатора, так и для случая их одновременного учета;

- показан принцип анализа полученных основных статических (внешних, регулировочных и энергетических) характеристик исследуемых инверторов, позволяющий определить параметры коммутирующей цепи, исходя из требуемых для того или иного вида сварки параметров внешней характеристи-

ки, а именно величин напряжения холостого хода и тока короткого замыкания инвертора и жесткости характеристики;

- получено аналитическое выражение для установленной мощности реактивных элементов типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых видов инверторов, показан принцип и для данного варианта коммутирующей цепи по минимуму установленной мощности реактивных элементов проведена оптимизация ее параметров;

- получены аналитические выражения для схемного времени выключения тиристоров в установившемся режиме работы исследуемых видов инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго и третьего порядков, показан принцип численного определения схемного времени выключения вентилей при произвольной конфигурации эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка;

- даны рекомендации по выбору конфигурации коммутирующей цепи исследуемых инверторов для получения соответствующего типу сварки вида естественных внешних и регулировочных характеристик;

- предложены нетрадиционные варианты схем однофазного резонансного инвертора, используемого в составе источников питания сварочной дуги;

- проведена проверка достоверности полученных аналитических зависимостей с помощью численного эксперимента с использованием универсального пакета программ для моделирования систем с вентильными преобразователями - "ПАРУС".

Методы исследования. При анализе электромагнитных процессов в резонансных инверторах мостового и полумостового видов с обратными диодами использовался прямой метод расчета интегральных характеристик процессов в преобразователях - метод алгебраизации дифференциальных уравнений (АДУ) и методы теории электрических цепей, а для проверки достоверности аналитических результатов и для получения характеристик предложенной схемы резонансного инвертора - метод машинного моделирования.

Научная новизна работы заключается:

- в уточнении математической модели однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами в установившемся режиме;

- в развитии теории однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно при частотном и широтном способах регулирования выходного напряжения;

- в результатах анализа основных энергетических характеристик исследуемых инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго, третьего и четвертого порядков, а также с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно, как при учете основных реактивных параметров Т-образной схемы замещения выходного трансформатора, так и в предположении его идеальности;

- в полученном аналитическом выражении для установленной мощности реактивных элементов типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых инверторов и аналитическом выражении для оптимизированного по минимуму этой величины значения одного из параметров данной коммутирующей цепи;

- в полученных аналитических выражениях для схемного времени выключения тиристоров исследуемых инверторов с типовыми коммутирующими цепями второго и третьего порядков;

- в применении в предложенной схеме квазиоднотактного резонансного инвертора принципа отработки заданного времени восстановления управляющих свойств тиристоров.

Практическая ценность работы. Разработана инженерная методика как расчета основных энергетических характеристик однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, так и выбора конфигурации и основных параметров

коммутирующей цепи в зависимости от требований, предъявляемых видом сварки к параметрам внешней характеристики инвертора. Проведена оптимизация параметров типовой коммутирующей цепи четвертого порядка по минимуму установленной мощности реактивных элементов.

На защиту выносятся основные положения и результаты диссертационной работы, сформулированные в заключении.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключе-

___и ч/ и

ния, списка использованнои литературы и приложении. В первой главе дается сравнительный анализ схемотехнических решений источников питания для сварки и обзор моделей и методов расчета электромагнитных процессов в автономных резонансных инверторах. Во второй главе развивается теория и исследуются характеристики мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами с различными видами эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно при частотном способе регулирования выходного напряжения и дается методика расчета их основных энергетических характеристик для выбора конфигурации и основных параметров коммутирующей цепи. В третьей главе развивается теория и исследуются характеристики рассматриваемых видов инверторов при широтном способе регулирования выходного напряжения. В четвертой главе производится сравнение результатов расчета с результатами моделирования, рассматриваются модернизированные схемы резонансных инверторов для сварки, а также представляются результаты практических разработок.

Реализация работы. Настоящая диссертация подготовлена в НИЛ Энергооптимизации преобразовательных систем (ЭОПС) кафедры промышленной электроники НГТУ под руководством д.т.н., проф. Г. С. Зиновьева в процессе работы автора в составе группы сотрудников лаборатории по хоздоговорным темам ПЭ6-93 в рамках республиканской госбюджетной программы "Оборудование и технология дуговой сварки, наплавки

и пайки" и ГБ15 по гранту МЭИ "Основы анализа и синтеза энергоэффективных модуляционных токовых преобразователей".

В диссертации представлены акты о внедрении результатов работы в АКБ "Якорь" (г. Москва), ОКБ завода имени Коминтерна (г. Новосибирск). Информация, необходимая для освоения выпуска переносных источников питания для дуговой электросварки, передана также на следующие предприятия г. Новосибирска: торгово-промышленное объединение "Урал", ПО "Север", АО СибПКТИ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (г. Новосибирск, 1993г.), на трех международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г. Новосибирск, 1994г., 1996г., 1998г.), на международной научной конференции "Power Electronics and Motion Control" (Варшава, 1994г.), а также на научных семинарах кафедры промышленной электроники НГТУ в 1993-1998гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работав том числе получен патент на изобретение.

1. АНАЛИЗ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ. ОБЗОР МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Сравнительный анализ технических решений источников питания для сварки

Источник питания сварочной дуги должен удовлетворять двум группам требований: технологическим и технико-экономическим [16-22].

Технологические требования соответствуют техническим возможностям реализации определенных технологических свойств. Эти возможности, в свою очередь, определяются статическими и динамическими свойствами источника питания и свойствами нелинейной нагрузки - разрядного промежутка.

Статические свойства источника проявляются в его внешней статической характеристике и ее соответствии вольтамперной характеристике дуги, т.к. способность системы источник - дуга поддерживать устойчивое горение дуги и заданный режим зависит от видов и взаимного расположения этих характеристик [16, 17]. Этот вопрос будет рассмотрен нами ниже, в гл.2. Динамические свойства источника питания определяют характер и скорость протекания переходных процессов в системе источник - дуга [16, 21-23]. В дуге возможны резкие изменения проводимости разрядного промежутка, вызываемые резкими переходами из одного установившегося режима в другой (например, переходом от холостого хода к короткому замыканию при первоначальном возбуждении дуги). Этим скачкообразным изменениям проводимости дуги должна соответствовать возможность резкого изменения тока в дуге. Последнее зависит от инерционности (электромагнитной постоянной времени) контура тока системы источник -дуга и от быстродействия регулирования положения внешней характеристики источника питания по системе управления. Эластичность дуги, яв-

ляющаяся еще одним показателем устойчивости горения дуги, также существенно зависит от динамических свойств источника питания.

Так как значительная часть ИПД традиционной структуры реализует на выходе дугу переменного тока, а источники с высокочастотным преобразованием энергии - преимущественно дугу постоянного тока, необходимо сравнение источников питания дуги различных видов тока по достигаемым показателям качества сварки. С этой точки зрения, предпочтение следует оказать ИПД постоянного тока, ввиду следующих преимуществ дуги постоянного тока:

- более высокая стабильность горения дуги;

- более высокие достигаемые показатели качества сварки.

Источники с высокочастотным преобразованием энергии для питания дуги переменного тока должны быть близко расположены к месту размещения свариваемых изделий во избежание затухания колебаний или использования дорогостоящих кабелей, что дополнительно ограничивает их применение.

Техническая реализация технологических свойств может быть достигнута различными путями, поэтому на первый план для источников, предназначенных для массового использования, выдвигаются требования к технико-экономическим показателям, общим для электротехнических устройств, таким как вес, габариты, к. п. д., коэффициент мощности, надежность, соответствие правилам безопасности и т. п. Доминирующим среди них при разработке мобильного (переносного) устройства является ограничение на массу источника питания. Это обстоятельство, как было показано во введении, и предопределяет вид источника, требуя выполнение его с бестрансформаторным входом и использование звена повышенной частоты.

Появившиеся в последние годы работы свидетельствуют о возможности уменьшения массы и габаритов трансформаторов в традиционных по структуре источниках за счет оптимизации режима их работы при введении в цепь первичной обмотки тиристорного регулятора [24, 25]. Однако пла-

той за относительную простоту таких модернизированных источников являются неприемлемые для бытовых сетей большой входной ток и малое значение коэффициента мощности.

Как показывает патентный поиск и существующие обзоры [2, 26, 27], источники с высокочастотным преобразованием энергии, как правило, могут быть отнесены к одному из двух основных классов: к источникам питания с автономными инверторами с явным промежуточным звеном постоянного напряжения или к источникам питания без явного звена постоянного тока. Источники питания с щиротно-импульсными преобразователями, осуществляющими высокочастотное преобразование постоянного напряжения в импульсное на выходе вместо инвертора с выпрямителем, при отсутствии сетевого и высокочастотного трансформаторов не решают проблему потенциальной развязки сети и сварочной дуги. Достигаемое в них разделение сети и дуги через закрытый вентиль (тиристор, транзистор) технически допустимо, по-видимому, только в сетях с изолированной нейтралью или при автономном генераторе переменного напряжения.

1.1.1. Источники питания с явным звеном постоянного напряжения

Источники питания с автономными инверторами (с явным промежуточным звеном постоянного напряжения), как правило, выполняют по типовой структуре неуправляемый выпрямитель (однофазного или трехфазного напряжения) по мостовой схеме - ЬС-фильтр - автономный инвертор с высокочастотным выходным трансформатором - выпрямитель (если сварку предполагается производить на постоянном токе). Результирующие качества такой системы во многом определяются свойствами используемого автономного инвертора, в качестве которого в 80-е годы в СССР в основном и за рубежом очень широко использовался резонансный последовательный инвертор. В эти годы появилось большое количество обзоров в СССР [2735] и большое количество обзорных и проблемных статей за рубежом (см.

литературу [26]), в которых рассматривались задачи, состояние и перспективы инверторных источников питания для дуговой электросварки.

Схемотехника автономных инверторов в источниках питания для сварки на начальном этапе базировалась на классическом наследии инверторов тока [36, 37], а затем была практически полностью заменена за счет развития нового поколения инверторов тока - резонансных инверторов с обратными диодами, начало применения которых дали задачи индукционного нагрева, а затем и другие виды электротехнологии [38-41]. Но менее жесткие требования к форме выходного напряжения инверторов (не обязательно синусоидальное), больший возможный диапазон частот, допустимость импульсных режимов работы источника обусловили необходимость дальнейшего развития схемотехники автономных инверторов, предназначенных для работы в составе источников питания для дуговой электросварки.

Основной недостаток классических схем последовательных и параллельных инверторов, которые были использованы в первых разработках источников (до 80-х годов) [27] - прямая зависимость коммутационных процессов от параметров нагрузки и трудность обеспечения в связи с этим крайних режимов работы источника (холостого хода - для последовательных инверторов, короткого замыкания - для параллельных инверторов). Поэтому в 80-е годы в источниках стали использовать схемы инверторов с обратными диодами, обеспечивающими определенную автономию коммутационных процессов от процессов в нагрузке. В простейших (маломощных) источниках были задействованы однотактные резонансные инверторы [42-44], обеспечивающие сварку на постоянном [42, 43] или переменном токе [44]. Регулирование сварочного тока обеспечивается в них путем изменения частоты следования импульсов тока инвертора.

Более предпочтительны по качеству преобразования электрической энергии и поэтому являются широко используемыми двухтактные инверторы, выполненные по полумостовым схемам [45-49]. Основной недостаток

полумостовых схем - низкий коэффициент преобразования по напряжению

(«у и

в пределе, при отсутствии отдельной коммутирующей индуктивности, используется только половина напряжения источника постоянного напряжения). Такого же порядка будет напряжение на коммутирующей емкости, что ограничивает коммутационные возможности инвертора, а значит, и его мощность. Кроме того, в связи с дефицитом номенклатуры силовых емкостей, это приводит к недоиспользованию этих дорогостоящих конденсаторов по напряжению.

Увеличить в два раза коэффициент преобразования схемы по выходному напряжению и коммутирующую способность позволяет переход к мостовым схемам инвертора, которые существуют во множестве вариантов [30], позволяющих улучшить те или иные свойства схемы. Заметим, что дальнейшее увеличение мощности инверторов при существующей элементной базе достигается при питании от трехфазной сети и при использовании многоячейковых инверторов.

Основная особенность всех резонансных инверторов состоит в том, что при изменении режима работы источника (сварка - холостой ход) резко изменяется собственная частота коммутирующей цепи. Это происходит потому, что в контур коммутации входит то индуктивность намагничивания выходного трансформатора инвертора (холостой ход), то индуктивность рассеивания обмоток (сварка). При этом скачком снижается и действующее значение выходного напряжения инвертора из-за появления нулевой паузы. Это обстоятельство существенно затрудняет организацию замкнутой системы автоматического регулирования для стабилизации выходного тока (напряжения, мощности) инвертора. Возможны различные способы ослабления влияния указанной особенности:

1) использование индуктивного фильтра в выходном выпрямителе источника питания постоянным током;

2) шунтирование первичной обмотки трансформатора постоянной [50] или регулируемой (с помощью ключа) [51] индуктивностью;

3) введение дополнительной обмотки на выходном трансформаторе, нагруженной на встречно-параллельные тиристоры [52] или через диодный мост на источник постоянного напряжения;

4) введение в системе управления инвертором слежения за моментом спада к нулю тока через обратный вентиль и выработка импульса управления на очередной тиристор по этому моменту.

Регулирование и (или) стабилизация выходного параметра источника питания (напряжения, тока, активной мощности) обеспечивается следующими ниже путями.

1. Регулированием частоты повторения одного периода собственных колебаний коммутирующего контура, что приводит к регулированию длительности нулевой паузы в кривой выходного напряжения инвертора, следующей после периода собственных колебаний [53, 54], причем возможно быстродействующее регулирование в течение одного периода [55]. Такая система управления, управляющая еще и дополнительным высоковольтным преобразователем для повышения стабильности возбуждения и горения дуги, описана в [56].

2. Регулированием длительности нулевой паузы между моментами спада до нуля коммутационной полуволны тока в тиристоре и моментом вступления в работу встречно-параллельного обратного вентиля, что требует выполнения обратных вентилей управляемыми [57].

3. Созданием крутопадающей внешней характеристики у выпрямителя, от которого питается инвертор [58], но при этом возникают трудности с обеспечением коммутационной способности инвертора в режимах, близких к короткому замыканию.

4. Введением управляемого выпрямителя на выходе инвертора [59].

5. Регулированием соотношения мощностей блоков импульсного и постоянного токов при стабилизации мощности дуги [60].

6. Установлением перед сваркой любого заданного (положительного или отрицательного) наклона внешней характеристики инвертора [61].

7. Выполнением инвертора из двух мостовых или полумостовых ячеек, включенных последовательно и управляемых с фазовым сдвигом, что позволяет при регулировании (широтном) сохранить неизменной частоту выходного напряжения [62].

Приведенный обзор показывает, что действительно, резонансный инвертор с обратными вентилями стал основным типом инвертора в источниках питания для дуговой электросварки. Вместе с тем имеются отдельные разработки источников на базе классических автономных инверторов по полумостовой [63, 64] и мостовой [65, 66] схемам с определенной их модификацией.

Инверторы напряжения, являющиеся источниками прямоугольно-ступенчатого напряжения, выполняются на вентилях, обладающих свойствами полностью управляемых приборов. Такими вентилями являются транзисторы, запираемые тиристоры и тиристоры с узлами искусственной коммутации.

Кроме резонансных инверторов в 80-е годы получил распространение в инверторных источниках питания для сварки класс инверторов напряжения с индуктивным накопителем энергии (см. литературу [26]).

В обзорной работе [31] сделан вывод о том, что источники на ток сварки до 500А целесообразно разрабатывать на базе преобразователей с прямым накоплением энергии в магнитном поле индуктивности, преобразователь выполнять на силовых транзисторах, а при токе сварки 1000А и более источники должны создаваться на основе резонансных (последовательных) инверторов с рекуперативной системой с использованием высоковольтных силовых тиристоров.

1.1.2. Источники питания без явного промежуточного звена постоянного тока

Источники питания без явного промежуточного звена постоянного тока позволяют устранить двухкаскадность преобразования энергии в источнике, выполненном по структуре питающая сеть - выпрямитель - фильтр - автономный инвертор, за счет совмещения в одних и тех же вентилях функций выпрямления и инвертирования. Таким образом получаются автономные инверторы с непосредственным питанием от трехфазной сети. Общие научно-технические проблемы построения преобразователей без явного промежуточного звена постоянного тока на базе автономных инверторов напряжения с импульсным регулированием были даны в работах [6769], выполненных на кафедре промэлектроники НЭТИ. Несмотря на то, что в этих работах в качестве нагрузки таких преобразователей рассмотрен

и _

асинхронный двигатель, в принципе возможно использование их как источников высокочастотного прямоугольного напряжения (например, [70]) для сварки. При этом исключается еще и промежуточный фильтр в звене постоянного тока источника.

Возможно также преобразование многих схем автономных резонансных инверторов с обратными диодами в схемы инверторов с непосредственным питанием от трехфазной сети. Так, например, однофазный мостовой резонансный инвертор превращается в инвертор без явного звена постоянного тока, выходное напряжение в котором может сниматься с коммутирующей емкости [71] или с коммутирующей индуктивности, превращенной добавлением второй обмотки в трансформатор.

Известны источники с непосредственным питанием от однофазной сети инверторов и ключевых регуляторов переменного тока [72-74], однако варианты подобных преобразователей с конденсаторной коммутацией вряд ли могут быть эффективно использованы, поскольку в данном случае в выходном напряжении присутствует паразитная гармоника с частотой 100Гц,

кроме того, напряжение на коммутирующем конденсаторе также будет промодулировано по синусоиде питающей сети, а это требует особого внимания к обеспечению коммутационной способности инвертора в зоне перехода синусоиды через нулевые значения.

Последнее обстоятельство, а также дефицит силовых емкостей, способных работать на высоких частотах, привели к необходимости разработки схем преобразователей с бесконденсаторной коммутацией [75-77]. Такая коммутация базируется на совокупном применении источника низковольтного импульсного напряжения и ключей с полным управлением (обычно транзисторов) на токи в несколько процентов от номинального тока коммутируемого вентиля. Существуют варианты источников с бесконденсаторной коммутацией, питающихся от трехфазной сети как с независимой, так и с совместной работой фазных ячеек. Концепция бесконденсаторной коммутации применима к любым преобразователям с естественной коммутацией и позволяет за счет высокочастотного трансформатора получить на нагрузке любое требуемое напряжение.

Сравнение ИПД с высокочастотным преобразованием энергии двух рассмотренных выше основных классов приводит к следующим рассуждениям.

Если принять за идеальный вариант источника питания сварочной дуги источник, содержащий только вентили и трансформатор высокой частоты, необходимый не только для согласования уровней напряжений, но и для обеспечения электрической изоляции сварочной цепи от промышленной сети переменного тока, то источник питания без явного звена постоянного тока и с бесконденсаторной коммутацией вполне удовлетворяет подобным требованиям, поскольку не содержит ни фильтровых, ни коммутирующих конденсаторов, ни коммутирующих индуктивностей, то есть элементов, наличие которых существенно сказывается на массогабаритных показателях. Однако усложнение схемы источника за счет использования дополнительных маломощных ключей для коммутации и введения генера-

тора коммутирующих импульсов не позволяет считать такой вариант источника питания дуги наиболее предпочтительным. Избежать усложнения можно только используя в качестве ключевых элементов запираемые тиристоры или силовые транзисторы, которые существенно дороже, чем вентили с неполным управлением (тиристоры), работающие при тех же значениях тока и напряжения.

Вариант источника питания с автономным инвертором напряжения с явным промежуточным звеном постоянного тока эффективен лишь при питании от трехфазной сети, когда при мостовой схеме выпрямления емкостный фильтр получается небольшим, а при выполнении инвертора на запираемых тиристорах не требуются коммутарующие ЬС-цепи. Параметры этих цепей при частоте коммутации порядка ЮкГц и времени восстановления тиристоров 20-30мкс оказываются такими же, как параметры колебательного контура в резонансном инверторе. А такие значения времени восстановления являются типичными для высокочастотных тиристоров [78].

Близкими к рассмотренному классу преобразователей являются источники питания с инвертором напряжения с индуктивным накопителем. При использовании для управления инвертором метода слежения за вольт-секундным интегралом здесь облегчаются требования к фильтру в звене постоянного тока на входе инвертора. Но опять же эти решения по-настоящему эффективны при выполнении инвертора напряжения на полностью управляемых вентилях (запираемые тиристоры, силовые транзисторы).

При выполнении инверторов напряжения на тиристорах с узлами искусственной коммутации затраты на комплектующие изделия получаются такого же порядка, что и для резонансных инверторов на частоту порядка 10кГц.

Недостатком источников с резонансными инверторами при сравнении их с источниками с инверторами напряжения является худшее качество постоянного напряжения на выходе инвертора.

Однако у источников питания для сварки на базе резонансных инверторов, как правило, естественнее решаются вопросы защиты инвертора от срывов и проще решаются вопросы регулирования сварочного тока и, значит, вопросы формирования требуемой внешней характеристики.

Итак, при выборе в качестве элементной базы вентилей с неполным управлением - тиристоров, - и требовании максимальной простоты источника выбор может быть сделан в пользу резонансного инвертора.

Транзисторные инверторные источники, вступившие в конкуренцию с тиристорными в последние годы, позволяют за счет более высокой, чем в тиристорных источниках, промежуточной частоты, иметь лучшие массога-баритные показатели и обеспечить лучшее качество сварочного шва, однако последнее требуется только для случаев чистовой сварки, где данное преимущество проявляется наиболее ярко при малых токах. В то же время себестоимость транзисторных инверторных источников, несмотря на значительный прогресс в технологии транзисторов в последние годы, выше, чем себестоимость тиристорных. Представленные на рынке Новосибирска транзисторные источники для сварки имеют ограниченное применение (и, соответственно, ограниченный спрос), так как их ток сварки не превышает 100А.

Таким образом, актуальной для нашего региона является разработка мобильных (переносных) источников питания для дуговой электросварки, и прежде всего с питанием от однофазной сети 220В, на вентилях с неполным управлением, то есть в тиристорном варианте, а в качестве наиболее перспективной структуры представляется источник питания с явным звеном постоянного напряжения на базе резонансного инвертора.

1.2. Модели и методы расчета электромагнитных процессов в автономных резонансных инверторах

Из всего многообразия моделей и методов расчета электромагнитных процессов рассмотрим в данном подразделе лишь те, которые пригодны для исследования резонансного инвертора, являющегося центральным блоком источника питания с явным звеном постоянного тока, выделенного нами в качестве наиболее перспективного при анализе схемных решений источников питания для сварки в п. 1.1.

Основной целью анализа различных схем резонансных инверторов, как и всех преобразовательных устройств, является расчет токов и напряжений на элементах схемы и на нагрузке, причем, как правило, анализ осуществляется в два этапа:

1) определение мгновенных значений интересующих величин;

2) определение интегральных значений и взаимосвязи между ними.

В наиболее общей форме методы анализа электромагнитных процессов в автономных инверторах можно подразделить на аналитические и методы математического моделирования на ЭВМ.

Метод машинного моделирования находит в последнее время все большее применение, благодаря появлению быстродействующей вычислительной техники, позволяющей решать задачи преобразовательной техники по расчету электромагнитных процессов как в статике, так и в динамике. Таким образом, появляется возможность проведения экспериментальных исследований с получением высокой точности результатов при экономии материальных затрат, связанных с физическим моделированием. В работе [5] машинные эксперименты использованы для построения интегральных рабочих и регулировочных характеристик симметричного резонансного инвертора и выбора оптимальных параметров его рабочего и коммутирующего контуров.

Для решения проблемы получения требуемых характеристик и аналитической параметрической оптимизации схемы инвертора наибольшую ценность представляют аналитические методы.

Метод мгновенных значений или метод припасовывания по интервалам проводимости ключевых элементов, является наиболее универсальным среди аналитических методов. Этим методом произведены расчеты в классической монографии Б.Бедфорда и Р.Хофта [79].

Математическая модель схемы в данном случае формируется в виде систем дифференциальных уравнений для токов и напряжений на каждом интервале работы. Модификацией данного метода для систем дифференциальных уравнений первого порядка является метод переменных состояния [80, 81]. Метод мгновенных значений позволяет получить точные решения для мгновенных значений токов и напряжений на интервалах непрерывности в переходных и установившихся режимах для любых схем и при любой нагрузке. Метод переменных состояния является основным рабочим методом расчета резонансных преобразователей [7, 8, 10, 11, 13, 15]. Недостатком методов припасовывания является большая трудоемкость и сложность расчета установившегося режима, громоздкость вычислений, связанных прежде всего с нахождением корней характеристических уравнений (в методе пространства состояний - с ростом числа уравнений и, соответственно, порядка матриц), что позволяет рассчитывать токи и напряжения резонансных инверторов с коммутирующими цепями выше второго порядка в общем случае только при численном решении уравнений с применением ЭВМ.

Метод разностных уравнений оперирует с моделью схемы в виде уравнений в конечных разностях, полученных из решения систем дифференциальных уравнений и описывающих закон изменения граничных условий. В работе [36] данный метод использован для анализа процессов в автономных инверторах тока, в работе [3] - в резонансных инверторах с ши-ротно-импульсным регулированием, а в работе [82] - в последовательном

резонансном преобразователе. В результате решения разностных уравнений определяются выражения для мгновенных значений токов и напряжений автономного инвертора в переходном и в установившемся режимах. Недостаток метода заключается опять же в сложности решения характеристических уравнений систем дифференциальных и разностных уравнений, если порядок их больше двух.

Спектральный метод оперирует с моделью схемы, в которой воздействие и реакция в установившемся режиме представляются рядами Фурье, что позволяет использовать классический математический аппарат, предназначенный для расчета линейных цепей. В работе [12] данный метод применен для анализа инверторной системы. Недостатком данного метода является отсутствие решения в замкнутом виде и необходимость усечения ряда, что заведомо делает метод приближенным в отличие от указанных выше точных методов.

Метод основной или первой гармоники является крайним случаем спектрального метода, применимым, однако, к анализу резонансных инверторов, работающих при постоянной частоте коммутации, близкой к собственной частоте контура. В настоящее время для других приложений данный метод применяется в основном на начальных этапах проектирования.

Метод эквивалентной схемы с инжекцией тока [83] позволяет линеаризовать модель схемы путем усреднения тока через нелинейную часть и учета его как инжектируемого в линейную часть инвертора и получить переходные функции вход - выход и управление - выход. Однако предназначен данный метод для моделирования несложных ключевых преобразователей постоянного напряжения и не может быть применен для расчета процессов в резонансных инверторах без допущений, значительных упрощающих эквивалентную схему замещения, что заведомо снизило бы как точность, так и ценность предполагаемого результата.

Метод эквивалентной синусоиды, используемый, например, в работе [4], является в некотором смысле родственным предыдущему методу и имеет тот же недостаток.

Метод разрывных (обобщенных) функций позволяет получить аналитическую модель инвертора в виде уравнений не для отдельных интервалов полного цикла работы, а для любого момента времени. Метод коммутационных функций [84] можно рассматривать как один из таких полезных для анализа методов. Недостатком данных методов является то, что получить решение в общем виде, а не по интервалам, сами по себе, то есть без привлечения спектрального подхода, они не позволяют.

Спектрально-операторный метод [85], являющийся дальнейшим развитием методов с применением коммутационных функций, позволяет по спектрам коммутационных функций получить спектры токов и напряжений схемы, а также решения в замкнутом виде в операторной форме. Недостатком метода является трудность перехода в область оригиналов в случае высокого порядка коммутирующей цепи.

Интегральные значения интересующих переменных, в принципе, можно получить по известным в результате применения вышеописанных методов формулам для мгновенных значений, но в общем случае найденное после трудоемкого интегрирования выражение будет громоздким. При этом, естественно, сохраняется и чрезвычайно важное ограничение на порядок коммутирующей цепи исследуемой схемы инвертора.

Метод алгебраизации дифференциальных уравнений (АДУ), разработанный проф. Г.С. Зиновьевым [86-88], является прямым методом расчета интегральных характеристик электромагнитных процессов в преобразователях, позволяющим для режима непрерывного входного тока по модели схемы в виде дифференциально-интегрального уравнения для интересующей переменной непосредственно получить ее среднее или действующее значение в функции параметров коммутирующей цепи и эквивалентного источника. Явным достоинством данного метода является возможность

расчета цепей любых порядков, что объясняется отсутствием в алгоритме метода процедуры нахождения корней характеристического уравнения. Недостатком метода является то, что он является асимптотически приближенным. Однако с ростом уровня допущения результат сходится быстрее, чем при увеличении числа учитываемых гармоник в спектральном методе. В работе [87] методом АДУ приведен расчет системы инвертор напряжения -асинхронный двигатель. Возможность и перспективность применения метода АДУ для анализа класса резонансных инверторов с обратными диодами показана в работах [89-91].

На основании вышеизложенного принимаем за основной метод исследования установившихся электромагнитных процессов в резонансных инверторах с обратными диодами указанный выше метод алгебраизации дифференциальных уравнений.

1.3. Постановка задачи исследования

В данной главе проведен сравнительный анализ схемотехнических решений источников питания для дуговой электросварки. Показано, что одной из наиболее перспективных для разработки является схема ИПД с высокочастотным преобразованием электрической энергии с явным звеном постоянного тока, что основным типом инверторов в таких ИПД является резонансный инвертор (РИ) с обратными диодами (ОД), и что наиболее удовлетворительное качество выходного напряжения, особенно при питании источника от однофазной сети переменного тока, обеспечивают классические двухтактные полумостовая и мостовая схемы.

Отмечено, что к инвертору, работающему на такую специфическую нагрузку, как сварочная дуга, предъявляются особые требования, а именно требование его работоспособности в двух диаметрально противоположных режимах - холостого хода и короткого замыкания.

Решение задачи обеспечения устойчивой коммутации вентилей резонансного инвертора и в одном, и в другом из этих двух крайних режимов работы для наиболее простых видов РИ - последовательного и параллельного - является невозможным, во всяком случае недостаточно эффективным даже при использовании различного рода схемотехнических средств, значительно усложняющих ИПД. По этой же причине без введения замкнутого контура обратной связи, усложняющего систему управления и несколько снижающего надежность источника в целом, не удается реально получать от ИПД с простейшими видами коммутирующей цепи РИ внешние характеристики требуемого для того или иного типа сварки вида.

Таким образом, разработка энергоэффективного мобильного (переносного) источника питания сварочной дуги с высокочастотным преобразованием энергии на базе резонансных инверторов должна опираться на исследование возможностей последовательно-параллельных схем этих инверторов, обладающих основными достоинствами последовательного и параллельного инверторов и не имеющих основных из присущих последним недостатков.

Простота управления источником является одним из требуемых эксплуатационных качеств ИПД данного класса, рассчитанных на использование различными по квалификации категориями технического персонала и частными лицами, которым приходится производить сварные работы. С этой точки зрения, последовательно-параллельные схемы РИ с ОД сулят расширение возможностей регулирования выходными координатами источника программным путем, т.е. при разомкнутой системе управления, за счет возможности выбора требуемого для того или иного типа сварки вида и параметров естественных внешних характеристик, зависящих от управляющего параметра (частота импульсов управления, фазовый угол задержки подключения источника питания инвертора к цепи, содержащей контур коммутации и нагрузку).

Поэтому целью данной диссертационной работы является исследование установившихся электромагнитных процессов в однофазных резонансных инверторах, используемых в составе источников питания дуговой сварки на постоянном токе со звеном повышенной частоты и разработка методики расчета основных энергетических характеристик однофазных мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами и высокочастотным трансформаторным выходом, отличающихся видом коммутирующей цепи для выбора и параметрической оптимизации элементов коммутирующей цепи последовательно-параллельного инвертора в зависимости от требований, предъявляемых конкретным видом сварки. Таким образом, речь идет о разработке рекомендаций для проектирования тиристорного варианта симметричного резонансного инвертора с обратными диодами с заранее заданным видом основных характеристик, о поиске вариантов построения тиристорного резонансного инвертора, гарантированно обеспечивающего восстановление запирающих свойств вентилей во всем диапазоне выходных координат источника питания для сварки и, в конечном итоге, о получении возможности построения энергоэффективных ИДЦ, обладающих высокими массогабаритными показателями, за счет использования исследованных схем резонансных инверторов.

Достижение цели исследования предполагает решение следующих задач.

1. Разработка схемы замещения для установившегося режима непрерывного входного тока однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, и уточнение его математической модели.

2. Формирование семейства схем однофазных мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами с различными вариантами конфигурации коммутирующей цепи.

3. Получение аналитических выражений в замкнутом виде основных статических характеристик при частотном и при широтном способах регулирования выходного напряжения однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго, третьего и четвертого порядков, а также с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно.

4. Получение аналитического выражения для установленной мощности реактивных элементов типовой коммутирующей цепи четвертого порядка однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами, его анализ и проведение параметрической оптимизации коммутирующей цепи по минимуму указанной величины.

5. Получение аналитического выражения для схемного времени выключения тиристоров в установившемся режиме работы исследуемых инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго и третьего порядков; для произвольной конфигурации эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка - формулирование принципа численного определения схемного времени выключения.

6. Разработка методики расчета основных энергетических характеристик мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами для выбора конфигурации и основных параметров коммутирующей цепи, исходя из требуемых для того или иного вида сварки параметров естественной внешней характеристики, именно величин напряжения холостого хода и тока короткого замыкания инвертора и жесткости характеристики.

7. Исследование новых вариантов схем однофазных резонансных инверторов, используемых в составе источников питания сварочной дуги.

8. Проведение проверки достоверности полученных аналитических зависимостей с помощью численного эксперимента с использованием пакета прикладных программ "ПАРУС".

9. Доведение результатов теоретических исследований до практической реализации разработанных вариантов тиристорных резонансных инверторов в макетных, опытных и серийном образцах мобильного источника питания для сварки на постоянном токе.

Проведенный в данной главе обзор моделей и аналитических методов расчета электромагнитных процессов в автономных резонансных инверторах показал, что для решения поставленных выше задач при анализе процессов в инверторах мостового и полумостового видов с различными вариантами конфигурации эквивалентной коммутирующей цепи целесообразно применение прямого метода расчета интегральных характеристик - метода алгебраизации дифференциальных уравнений.

Для получения основных характеристик предложенной нетрадиционной схемы резонансного инвертора допустимо использование метода машинного моделирования в среде пакета прикладных программ (ППП) "ПАРУС", применяемого и для проверки достоверности аналитических результатов.

Выводы

1. Показано, что основными классами источников питания дуги с высокочастотным преобразованием энергии, обладающих высокими массога-баритными показателями, являются источники питания с автономными инверторами с явным промежуточным звеном постоянного напряжения и источники питания без явного звена постоянного тока.

2. Установлено, что эффективно используются в составе источников питания с явным звеном постоянного напряжения:

- резонансный инвертор с обратными диодами, являющийся основным типом инвертора в данной структуре;

- автономный инвертор напряжения (в частности, с индуктивным накопителем энергии), выполняемый на полностью управляемых вентилях.

3. Выявлено, что среди источников питания без явного звена постоянного тока наиболее перспективны:

- автономные инверторы напряжения с непосредственным питанием от трехфазной сети;

- источники с бесконденсаторной коммутацией, производимой при помощи дополнительных маломощных ключей и генератора коммутирющих импульсов или путем введения вентилей с полным управлением.

4. Показано, что достигаемые в транзисторных инверторных источниках лучшие, чем в тиристорных, массогабаритные показатели и качество сварки, несмотря на значительный прогресс в технологии транзисторов, с лихвой компенсируются их более высокой себестоимостью, что делает не менее значимой разработку мобильных источников питания для дуговой сварки на вентилях с неполным управлением, т.е. в тиристорном варианте.

5. Для проектирования мобильных источников постоянного сварочного тока с питанием от однофазной сети отмечена актуальность разработки различных модификаций резонансного инвертора с обратными диодами, при сегодняшнем состоянии элементной базы - на тиристорах, - как центрального блока структуры с явным промежуточным звеном постоянного напряжения.

6. Показано, что специфические требования, предъявляемые к резонансному инвертору с нагрузкой в виде сварочной дуги, требуют рассмотрения различных альтернативных вариантов последовательно-параллельных инверторов, выполненных по классическим мостовой и полумостовой схемам, с коммутирующими цепями порядка выше второго, а также модернизированных схем резонансных инверторов, обладающих простой силовой схемой и гарантированно обеспечивающих восстановление запирающих свойств тиристоров.

7. Установлено, что методом, позволяющим получить в аналитическом виде основные энергетические характеристики резонансного инвертора с обратными диодами при произвольной конфигурации и произвольном

порядке эквивалентной коммутирующей цепи, является прямой метод расчета интегральных характеристик электромагнитных процессов - метод ал-гебраизации дифференциальных уравнений.

2. АНАЛИЗ МОСТОВОГО РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА С ОБРАТНЫМИ ДИОДАМИ ПРИ ЧАСТОТНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Как показывают результаты патентного поиска и рассмотрения обзорных и проблемных работ по схемотехнике инверторных источников питания для сварки [26, 27, 77], автономные инверторы и в тиристорном, и в транзисторном вариантах выполняют, главным образом, по классическим двухтактным полумостовой и мостовой схемам. Поэтому существует потребность в первоочередном рассмотрении именно таких схем.

Поскольку, как было отмечено в п.1.1.1, полумостовой инвертор во всех отношениях, кроме количества используемых силовых вентилей, проигрывает мостовому, проведем анализ, в т.ч. методом АДУ, установившегося режима электромагнитных процессов именно мостовой схемы резонансного инвертора с обратными диодами.

Для того чтобы приводимые ниже в этой главе результаты относи* лись не к мостовой, а к полумостовой схеме РИ с ОД, под постоянной э.д.с. Е, прикладываемой в течение полупериода управления к содержащему коммутирующую цепь (КЦ) и нагрузку контуру, следует понимать половину входного напряжения инвертора, т.е. напряжение, присутствующее на каждой из емкостей, образующих среднюю точку источника питания.

2.1. Место резонансного инвертора в структуре источника питания для сварки

В общем случае бестрансформаторный по входу, именно инвертор-ный источник питания с явным звеном постоянного тока для дуговой электросварки на постоянном токе, может быть представлен основной структурной схемой [92], изображенной на рис.2.1, где

Ф1 - входной фильтр;

Рис. 2.1

В1 - входной выпрямитель;

Ф2 - выходной фильтр входного выпрямителя;

АИ - автономный высокочастотный инвертор;

В2 - выходной выпрямитель;

ФЗ - фильтр выходного выпрямителя;

СУ - система управления источником.

В данной структурной схеме происходит тройное преобразование вида электрической энергии: переменное напряжение 50Гц - постоянное напряжение - переменное напряжение высокой частоты - постоянное напряжение. Центральными блоками структуры являются входной выпрямитель и автономный инвертор.

Входной фильтр необходим для обеспечения электромагнитной совместимости источника с питающей сетью.

Входной выпрямитель определяет входные энергетические показатели источника в целом. Ориентация на жесткие европейские стандарты потребления электрической энергии позволяет существенно увеличить коэффициент полезного действия инверторного источника питания за счет приближения величины активной мощности на входе источника к величине полной мощности путем обеспечения входного синусоидального тока, синфазного с сетевым напряжением. Это может быть достигнуто особым выполнением выпрямительной системы [88, 92]. Тот факт, что полная электромагнитная совместимость с питающей сетью может быть достигнута в источнике питания с явным звеном постоянного тока без ущерба для качества энергии, потребляемой нагрузкой, еще раз говорит о жизнеспособности выбранной для разработай структуры.

Автономный инвертор является наиболее важным звеном структуры, определяющим выходные энергетические показатели источника питания и его регулировочные способности.

С целью обеспечения гальванической развязки выхода источника от питающей сети автономный инвертор, как правило, выполняют с транс-

форматорным выходом. Тем не менее, высокая - порядка ЮкГц - промежуточная частота позволяет получить значительный выигрыш в массогаба-ритных показателях всех электромагнитных элементов такого источника питания по сравнению с традиционными трансформаторными источниками питания для сварки. А высокая скорость протекания электромагнитных процессов при высокой промежуточной частоте позволяет обеспечить оперативную управляемость выходными напряжением, током или мощностью.

2.2. Структура и схемы замещения мостового резонансного инвертора с обратными диодами

Однофазный резонансный инвертор, выполненный по классической мостовой или полумостовой схеме, а также, довольно часто, и по другим разновидностям из существующего многообразия схем, может быть представлен в общем виде структурой, показанной на рис.2.2, где

РИ - собственно резонансный инвертор;

ВК - вентильный комплект, состоящий из силовых тиристоров и диодов и обеспечивающий управляемый обмен энергией между источником питания, энергозапасающими элементами инвертора и нагрузкой; КЦ - пассивный четырехполюсник коммутирующей цепи, необходимый прежде всего для обеспечения выключения тиристоров, но, как будет показано в дальнейшем, оказывающий влияние не только на времена, предоставляемые схемой на восстановление запирающих свойств вентилей, но и на все основные энергетические характеристики инвертора;

Т - выходной трансформатор, служащий для гальванической развязки и согласования уровней выходного напряжения инвертора и напряжения нагрузки, формально включенный в состав инвертора РИ не только потому, что в общем случае параметры схемы замещения трансформатора

Рис. 2.2

необходимо учитывать совместно с параметрами коммутирующей цепи КЦ, но и потому, что эквивалентные индуктивности трансформатора могут быть основными индуктивными составляющими коммутирующего контура;

ИПИ - источник питания инвертора, причем в большинстве случаев входной выпрямитель источника питания для сварки В1 и его фильтр Ф2, обязательно содержащий параллельную его выходу емкость, могут быть представлены источником постоянной э.д.с. Е;

НИ - нагрузка инвертора, которая в общем виде, в случае применения резонансного инвертора в составе источника питания для сварки на постоянном токе, будет содержать выходной выпрямитель источника питания В2, фильтр выходного выпрямителя ФЗ и собственно нагрузку Н (см. рис.2.1) в виде сварочной дуги.

Место пассивного четырехполюсника коммутирующей цепи КЦ в схеме резонансного инвертора на базе мостового инвертора с обратными диодами и с трансформаторным выходом показано на рис.2.3. Вторичная обмотка трансформатора нагружена неуправляемым выпрямителем, индуктивным фильтром, предназначенным для обеспечения непрерывности сварочного тока, и собственно сварочной дугой.

Возможно применение трех основных схем замещения базового резонансного инвертора с произвольной конфигурацией соответствующего рис.2.3 четырехполюсника коммутирующей цепи, две из которых изображены на рис.2.4 и рис.2.5.

Напряжение на выходных зажимах вентильного комплекта ВК автономного инвертора в рассматриваемых случаях представляется источником э.д.с. прямоугольной формы е.

Мгновенное значение э.д.с. 6 выражается через сумму ряда нечетных гармоник:

i ,

4 « - \

_VD1

ж.

h

VT3

VD4

2Ï

Щ

VT2

JP

WA/

ZSVD3

2S

VD2

Ьф

Рис. 2.3

11 экц

1 Î г1 |Uh i ^

Rh

Рис. 2.4

Рис. 2.5

е = УеЕХ---—(2.1)

Здесь 2? - значение постоянной э.д.с. источника питания инвертора;

СОу - круговая частота импульсов управления одной пары тиристоров

инвертора;

УЕ - коэффициент искажения э.д.с. е,

(2.2)

Е

где Ещ - действующее значение первой гармоники э.д.с. е^у, а Е рассматривается в качестве действующего значения э.д.с. в;

УЕ = Ъ11~ 0,900. (2.3)

к

Нагрузка в виде сварочной дуги - как переменного тока, так и питаемой выпрямителем - в упрощенном виде может быть представлена активным сопротивлением Ян> приведенным к первичной стороне выходного трансформатора. Данная схема замещения, изображенная на рис.2.4, наиболее адекватно отображает процессы в инверторе при малом значении индуктивности фильтра Ьф (рис.2.3). При этом реактивные (индуктивные) параметры выходного трансформатора учитываются в четырехполюснике эквивалентной коммутирующей цепи ЭКЦ как увеличением значений параметров имеющихся, так и включением дополнительных элементов конфигурации. Ограничением данной схемы замещения является невозможность получения непосредственно в ее рамках точного выражения для входного тока коммутирующей цепи инвертора 1Ь необходимого для расчета схемного времени выключения тиристоров ВК, и рост порождаемой ею погрешности расчета при росте значения индуктивности фильтра.

Второй вариант схемы замещения инвертора, представленный на рис.2.5, позволяет распространить модель на выпрямитель, фильтр и нагрузку в виде дуги при большом значении индуктивности фильтра Ьф. При этом ток, потребляемый первичной обмоткой выходного трансформатора инвертора, представляется источником переменного тока / так же, как и э.д.с., прямоугольной формы, синфазного с выходным напряжением инвертора ин.

Мгновенное значение выходного тока / представляется суммой ряда, аналогичной (2.1):

г = V 2 -----. (2.4)

Л=1 2п "1

Здесь / - приведенное к первичной стороне трансформатора значение сглаженного тока на выходе выпрямителя;

(р - разность фаз между меандрами, а значит, и между первыми

гармониками э.д.с. е и тока /;

- коэффициент искажения тока источника тока I, аналогичный

Уд и выражаемый формулой, подобной (2.2),

У/ = (2.5)

где - действующее значение первой гармоники выходного тока ,

I рассматривается в качестве действующего значения выходного тока

Ввиду совпадения формы кривой тока источника тока I с формой кривой э.д.с. е

У1 = УЕ = У, (2.6)

2л/2

т.е. У1 =-. (2.7)

Я"

Данная схема замещения позволяет получить выражение для мгновенных значений входного тока коммутирующей цепи на любом интересующем нас интервале методом гармонического синтеза. Ее ограничением является невозможность учета индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния вторичной обмотки выходного трансформатора ввиду невозможности, в соответствии с законами коммутации, скачков тока в индуктивных элементах.

Возможно более точное эквивалентирование выхода инвертора за

счет учета угла коммутации у в выходном выпрямителе путем изменения формы тока источника тока / в последней схеме с прямоугольной (меандра) на трапецеидальную с длительностью боковых сторон трапеции, равной у. Однако расчет основных характеристик в данной усложненной модели [93] показал, что вносимая поправка, хотя и имеет место при больших (в относительных единицах) значениях потребляемого нагрузкой тока, но при углах коммутации до тридцати градусов достаточно мала, и ею можно пренебречь без существенного снижения точности отображения реальных процессов в уже имеющейся модели.

Наконец, возможно построение третьего варианта схемы замещения инвертора, когда пологовозрастающий характер вольтамперной характеристики сварочной дуги при ручной дуговой сварке в воздухе учитывается введением активного сопротивления Яд и противо-э.д.с. ед, величины которых зависят от величины сварочного тока. Обычно данная модель используется для расчета динамических характеристик источников питания [23, 94-96]. Однако учет указанных параметров сварочной дуги в совокупности с параметрами выходного выпрямителя, фильтра и выходного трансформатора привел бы к необходимости оперирования дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами, что существенно усложняет

расчеты [88, 92, 97], а статические характеристики, получение которых является одной из целей диссертационной работы, вполне адекватно описываются в рамках моделей, соответствующих первым двум вариантам схемы замещения инвертора. Поэтому первоочередной задачей, решаемой в рамках данной работы, является рассмотрение вариантов схемы замещения инвертора с моделированием нагрузки активным сопротивлением и источником тока прямоугольной формы и изучение характеристик установившихся электромагнитных процессов с их помощью.

Модели, представленные двумя рассмотренными схемами замещения, предназначены для описания установившихся электромагнитных процессов в режиме непрерывного входного тока инвертора (РНТИ), когда может быть применен метод эквивалентного источника, позволяющий рассматривать процессы в любой момент времени и использовать для расчета основных характеристик инвертора метод АДУ. Кроме того, входной ток коммутирующей цепи тиристорного инвертора всегда должен быть опережающим по отношению к э.д.с. е для обеспечения восстановления запирающих свойств тиристоров. Приводимые ниже положения о граничных условиях работоспособности РИ и применимости разрабатываемых моделей позволяют наложить ограничения на сочетание значений параметров ЭКЦ, нагрузки, управления и питания инвертора.

1. В самом общем случае произвольной величины тока нагрузки и произвольных конфигурации и порядка ЭКЦ значения параметров схемы замещения должны быть таковы, чтобы значение функции входного тока КЦ ij(t), вычисленное по модели для момента начала интервала проводимости одной пары тиристоров, совпадало, а для момента окончания интервала проводимости - было противоположным по знаку по отношению к действующей на данном интервале "квадратной полуволне" э.д.с. е. При этом функция i}(t) должна принимать нулевое значение только один раз на

каждом полупериоде управления. Данное условие относится к работоспособности как самого тиристорного РИ, так и модели РНТИ.

2. Для обеспечения работоспособности в режиме холостого хода в режиме РНТИ тиристорного инвертора с ЭКЦ второго и третьего порядков круговая собственная частота, т.е. частота последовательного резонанса

ЭКЦ (Оа должна быть соотнесена с круговой частотой импульсов управления пары тиристоров инвертора СОу в соответствии с известным [98] неравенством: Фу < С0а < 2(0у. (2.8)

3. В случае четвертого порядка ЭКЦ с целью создания условий для восстановления тиристоров в крайних режимах работы РИ путем обеспечения емкостного характера входного сопротивления ЭКЦ (а, следовательно, и опережающего характера первой гармоники ее входного тока /щр, значение частоты управления СО у следует соотносить со значениями частот резонанса напряжений и токов ЭКЦ, соответственно, в режимах холостого хода (XX) - (Оа и Сд^ и короткого замыкания выхода РИ (КЗ) - СО ь и СОск. При этом в режиме XX резонансные свойства ЭКЦ проявляются при трех значениях частоты управления, т.е. может иметь место наличие либо двух частот резонанса напряжений, ¿Уй1 и СОа 2, либо двух частот резонанса токов, СдсхХ и ®сх2 [99]- В общем случае это относится и к режиму КЗ. Неравенства, позволяющие произвести предварительный выбор частотного режима работы инвертора, применительно к РИ с произвольной конфигурацией ЭКЦ даны после определения значений СОа через коэффициенты соответствующего дифференциального уравнения, а именно в п.2.6 настоящей главы.

При анализе инверторов с конкретными вариантами схемы эквивалентной коммутирующей цепи будут учтены наиболее важные из указанных выше ограничений.

Для эффективного использования схем замещения необходимо принять ряд допущений, существенно упрощающих расчет характеристик практически без потери точности результатов:

1) напряжение на входе вентильного комплекта неизменно и может быть представлено постоянной э.д.с. Е;

2) тиристоры и диоды вентильного комплекта и выходного выпрямителя являются идеальными;

3) активные сопротивления конденсаторов и катушек индуктивности, являющихся элементами коммутирующей цепи, и активные сопротивления схемы замещения выходного трансформатора равны нулю (хотя, в случае необходимости для расчета отдельных режимов и характеристик инвертора, они могут быть введены в пассивный четырехполюсник коммутирующей цепи).

Искомая математическая модель для расчета характеристик инвер-торного источника методом АДУ, соответствующая избранной схеме замещения, принимает форму дифференциального уравнения (ДУ) п-го порядка с постоянными коэффициентами для интересующей нас переменной, справедливого в некотором диапазоне параметров коммутирующей цепи инвертора.

2.3. Генерация множества схем мостовых и полумостовых резонансных инверторов с обратными диодами

Однофазные резонансные инверторы обычно классифицируют по целому ряду признаков [100], основными из которых для одноячейковых инверторов являются режим работы источника питания, способ связи конденсатора инвертора с источником питания, число тактов инвертора, наличие или отсутствие диодов встречного тока и, конечно, способ подключения нагрузки.

Руководствуясь последним критерием, резонансные инверторы относят к последовательным, если нагрузка включается последовательно в колебательный контур коммутирующей цепи, замыкающийся на выходное напряжение вентильного комплекта, к параллельным - если параллельно либо полной эквивалентной индуктивности, либо полной эквивалентной емкости исходного последовательного контура, и к последовательно-параллельным - во всех остальных случаях (поскольку в отличие от первых двух случаев нагрузка будет образовывать содержащий ее дополнительный колебательный контур).

Несмотря на то, что данная терминология была некогда просто распространена на класс резонансных инверторов, классификация их по этому признаку не является чисто формальной, поскольку способ включения нагрузки относительно коммутирующих элементов определяет зависимость от нагрузки выходного напряжения, гармонический состав выходного напряжения и тока, характер переходных процессов и другие характеристики схемы.

В отечественной учебной и справочной литературе по преобразовательной технике, изданной в основном в СССР в 80-е годы, было принято рассматривать нагрузку инвертора в виде некоего импеданса нагрузки с ненулевой, в общем случае сложного вида, реактивной составляющей, и принадлежность резонансных инверторов к одному из рассматриваемых подклассов определялась способом подключения импеданса нагрузки к внешним по отношению к ней, т.е. к являющимся элементами инвертора, коммутирующим дросселям и конденсаторам. Однако выделение из множества автономных инверторов уже самого класса резонансных инверторов невозможно без учета характера и параметров подключаемой нагрузки, от которых во многом зависит режим работы инвертора и, естественно, колебательный или апериодический характер электромагнитных процессов в нем. Недаром в западной учебной и справочной литературе резонансные инверторы либо вовсе не рассматриваются как отдельный класс (см., например,

[101]), либо очень часто, если не преимущественно, их называют инверторами, коммутируемыми нагрузкой [22]. Поэтому при классификации именно резонансных инверторов представляется целесообразным определять их принадлежность к одному из трех типов инверторов по способу включения нагрузки с учетом не только специально введенных для коммутации элементов, но и эквивалентных реактивных параметров нагрузки, т.е., в конечном итоге, по виду эквивалентного (после приведения реактивных сопротивлений одного знака на последовательно и параллельно подключаемых по отношению к выходным зажимам участках) четырехполюсника ЭКЦ в эквивалентной расчетной схеме замещения. Тогда, ввиду нецелесообразности учета всех реактивных параметров эквивалентной нагрузки (см. рис.2.3), в каждом конкретном случае сразу должно быть оговорено, какими из них, благодаря их относительной малости, пренебрегает автор работы. Например, последовательный (в общепринятой терминологии) резонансный инвертор с трансформаторным выходом уже не является таковым по конфигурации ЭКЦ, если мы не пренебрегаем хотя бы индуктивностью намагничивания трансформатора. Поэтому ниже в данной работе рассмотренная терминология применяется к инверторам в соответствии с принятой конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи.

Источник питания для сварки, а значит, и инвертор в рассматриваемой структуре, должны быть работоспособны и на холостом ходу, и в режиме, достаточно близком к режиму короткого замыкания, когда падение напряжения на дуге невелико, но еще позволяет поддерживать устойчивую ионизацию. Поскольку, как было замечено в п. 1.1, реализовать оба крайних режима в чисто последовательном инверторе, как и в параллельном инверторе без последовательно включенного по отношению к сопротивлению нагрузки реактивного элемента, затруднительно с точки зрения обеспечения нормальной коммутации тиристоров, представляется целесообразным использовать для данного применения преимущественно последовательно-параллельный тип инвертора, т.е. инвертор с порядком ЭКЦ выше

второго. При использовании параллельных инверторов параметры ЭКЦ второго порядка наиболее строго ограничены заданием требуемого времени выключения тиристоров, режим короткого замыкания недопустим, что заведомо не позволяет реализовать многие виды сварки.

Ясно, что ценой увеличения количества элементов ЭКЦ исключаются основные недостатки последовательной и параллельной схем при сохранении их основных достоинств и получении дополнительных степеней свободы, позволяющих оптимизировать те или иные характеристики инвертора путем обоснованного выбора параметров вводимых элементов колебательного контура инвертора.

Анализу и разработке последовательно-параллельных инверторов посвящено довольно много зарубежных работ, но доступные в настоящий момент работы, за исключением [5, 7, 9], как правило, рассматривают только ЬСС- тип инвертора [8,10,12,15].

Между тем, возможно получение множества модификаций схемы последовательно-параллельного инвертора путем добавления в четырехполюсник ЭКЦ тех или иных реактивных элементов. Если выйти за рамки рассмотрения схем для питания сварочной дуги, то в общем случае сложного вида реактивной составляющей нагрузки требуется, особенно при учете неидеальности выходного трансформатора, усложнение схемы ЭКЦ.

Таким образом, изменением конфигурации ЭКЦ может быть осуществлена генерация множества схем РИ с фиксированной структурой ВК, в частности, мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами.

В данной работе делается попытка анализа и сравнения основных характеристик лишь наиболее важных с точки зрения разработки инвертор-ного источника питания для сварки практически реализуемых в мостовых (и полумостовых) РИ с ОД и с трансформаторным выходом вариантов топологии эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно. Рассматриваемые варианты схемы ЭКЦ показаны в табл.2.1 и 2.2.

Таблица 2.1.

№ Схема четырехполюсника ЭКЦ а2 а4 ' Ъг Ьз &0 ¿/4 £1 ёз

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 Ь 0- -0 - с —0 1 ьс — 1 С — — 1 ЬС — 1 ь —

2 0—II—^-0 с 2 ъ $3-£-0 1 ьс — 1 С — 1 — — 1 ь —

3 Ьзр —0 1 с -* Ч — 1 с — 1 1 — 1 ь 1

1 с 0- V —С—0 LSpC ЬЬ§ р с

4 с —£—0 Т.П 1 с П 11 — + — \Ь ЬР) — 1 с — — 1 — 1 ь 1

и — 0-< —С—0 ЬС ЬЬрС

5 0- —щ—о --0 1 £ Г1 О — + — к С С5) — 1 с 1 ьс&с — 1 ЬС — 1 ь —

Продолжение таблицы 2.1

4

8

10

И

Ь СБ

-ОТ

0-

I

ЬР

1 1

-+-+

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Лопаткин, Николай Николаевич

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Проведен качественный сравнительный анализ схемотехнических решений источников питания для дуговой электросварки, показавший, что для проектирования обладающих высокими энергетическими и массогаба-ритными показателями мобильных источников постоянного сварочного тока с питанием от однофазной сети актуальна разработка различных модификаций тиристорного резонансного инвертора, как центрального блока структуры с явным промежуточным звеном постоянного напряжения.

Отмечена перспективность генерации семейства последовательно-параллельных инверторов с обратными диодами, выполненных по мостовой и полумостовой схемам, изменением конфигурации коммутирующей цепи для удовлетворения специфических требований, предъявляемых к резонансному инвертору нагрузкой в виде сварочной дуги.

2. Разработаны схемы замещения для установившегося режима непрерывного входного тока однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, и развита аналитическая теория мостового и полумостового резонансных тиристорных инверторов с обратными диодами с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно как при частотном, так и при широтном способах регулирования выходного напряжения.

3. В результате анализа внешних характеристик исследуемых инверторов с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи показано, что последовательно-параллельный резонансный инвертор с обратными диодами является универсальным типом автономного инвертора, способным при определенных значениях частоты управления обеспечить естественные характеристики, близкие по виду к характеристикам как идеального источника переменного тока, так и идеального источника переменного напряжения.

4. Показан принцип и для типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых инверторов проведена аналитическая параметрическая оптимизация по минимуму установленной мощности реактивных элементов.

5. Показано, что введение управления длительностью подключения к источнику питания контура, содержащего коммутирующую цепь и нагрузку исследуемых видов инвертора, увеличивая число степеней свободы системы, позволяет: а) снять остроту проблемы обеспечения условий коммутации вентилей при регулировании выходного напряжения; б) получить оптимальную по соотношению первой и высших гармоник форму эквивалентной э.д.с., прикладываемой к контуру вентильным комплектом; в) регулировать величины тока в режиме источника тока и напряжения в режиме источника напряжения последовательно-параллельного резонансного инвертора с обратными диодами.

6. Даны рекомендации по выбору конфигурации коммутирующей цепи и метода регулирования выходного напряжения и разработана инженерная методика как расчета основных энергетических характеристик однофазных мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами и высокочастотным трансформаторным выходом, отличающихся видом коммутирующей цепи, так и выбора и параметрической оптимизации элементов коммутирующей цепи инвертора в зависимости от требований, предъявляемых конкретным видом сварки к основным параметрам внешней характеристики, а именно к величинам напряжения холостого хода, тока короткого замыкания инвертора и коэффициента жесткости характеристики.

7. Предложено новое схемотехническое решение резонансного инвертора для сварки - квазиоднотактный инвертор, реализующий принцип отработки заданного времени восстановления управляющих свойств тиристоров.

8. В результате численных экспериментов с использованием пакета прикладных программ "ПАРУС" показана адекватность применения схемы замещения, в которой трансформаторный выход резонансного инвертора, нагруженный выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, моделируется источником тока в форме меандра и трапеции, при достаточно больших значениях индуктивности выходного фильтра источника питания.

9. Доведение результатов теоретических исследований до практической реализации разработанных вариантов резонансного инвертора в макетных, опытных и серийных образцах мобильного источника питания для сварки на постоянном токе показало достоверность основных аналитических результатов и выводов и возможность обеспечения существенного улучшения массогабаритных показателей источника питания дуги (ИПД на 150А, весом 12кг) как за счет использования модернизированных схем резонансных инверторов, так и путем применения разработанной методики оптимального проектирования резонансного инвертора с обратными диодами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лопаткин, Николай Николаевич, 1998 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Оборудование для дуговой электросварки: Каталог. - М.: Информэлек-тро. -1991. - 80с.

2. Журавков В.В., Вернадский В.Н. Некоторые тенденции развития источников тока для дуговой электросварки. //Автоматическая сварка. -1991. -№ 6. - с.65-69.

3. Кулик В.Д., Юрченко Н.Н. Тиристорные инверторы резонансного типа с широтным регулированием напряжения. - Киев: Наукова думка. - 1990. - 200с.

4. Васильев А.С., Ивенский Г.В., Петров О.М. Инженерный расчет резонансных инверторов с вентилями встречного тока. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. -1991. - № 7. - с.88-98.

5. Рогинская Л.Э., Иванов А.В., Мульменко М.М., Уржумсков A.M. Выбор структуры и параметрический синтез симметричного резонансного инвертора. // Электротехника. - 1998 - № 7. - с. 1-5.

6. Шапиро С.В., Бобкова B.C. Выбор оптимального электромагнитного режима автономных резонансных инверторов. // Электротехника. - 1990. -№10.-с.70-73.

7. Jane P., Dewan S.B. A Starting Inverter for a Voltage Source Series Inverter with a Transformer Coupled High-Q Induction Heating Load (Type a Inverter). Conference Record of the IEEE Ind. Appl. Soc. 22nd Annu. Meet. Atlanta, Ga, New - York, vol. Pt.l, pp. 699-704, Oct. 1987.

8. Bhat A.K.S., Dewan S.B. Analysis and Design of a High-Frequency Resonant Converter Using LCC-Type Commutation. IEEE Trans. Power Electron., vol. PE-2, no. 4, pp. 291-301, Oct. 1987.

9. Jane P., Tanju M. A 20 kHz hybrid resonant power source for the space station. IEEE Trans, on AES, vol. 25, no. 4, pp. 491-496, Oct. 1989.

10. Batarseh I., Lee C.Q. High-Frequency High-Order Parallel Resonant Converter. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 36, no. 4, pp. 485-498, Nov. 1989.

11. Jane P.K., Dewan S.B. A Performance Comparison of Full- and Half-Bridge Series Resonant Inverters in High-Frequency High-Power Applications. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 26, no. 2, pp. 317-323, March/April 1990.

12. Jane P. Designing a High Frequency dc-ac Inverter Utilizing Dual Asymmetrical Resonant Bridges. Conference Record of the IEEE Ind. Appl. Soc. 25th Annu. Meet. Seatle, Wash., vol. Pt.2, pp. 1138-1148, Oct. 1990.

13. Kojori H.A., Dewan S.B. Steady-State Analysis and Design Optimization of an Inductor-Transformer Resonant dc-dc Converter. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 27, no. 3, pp. 515-522, May/June 1991.

14. Divan D.M., Venkataramanen G., De-Dounker Rik W.A. Design methodologies for soft switched inverters. // IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 29, no. 1, pp. 126-133, Jan. 1993.

15. Bhat A.K.S. Analysis and Design of a Series-Parallel Resonant Converter. IEEE Trans. Power Electron., vol. 8, no. 1, pp. 1-11, Jan. 1993.

16. Браткова O.H. Источники питания сварочной дуги. - М.: Высшая школа. - 1982. - 182с.

17. Электротехнический справочник. В Зт. Т.З: В 2кн. Кн.2. Использование электрической энергии. / Под общ. ред. профессоров МЭИ: И.Н. Орлова (гл. ред.) и др. - 7-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, - 1988. -616с.

18. ГОСТ 7237-82. Преобразователи сварочные. Общие технические условия. // Сварка, пайка и термическая резка металлов. Терминология, классификация и оборудование. Часть 1. - М.: Изд-во стандартов. - 1990. -с. 137-150.

19. ГОСТ 25616-83. Источники питания для дуговой сварки. Методы испытания сварочных свойств. М.: Изд-во стандартов. - 1983. - 18с.

20. Сидорец В.Н. Имитатор сварочной дуги для оценки свойств источников тока, применяемых при дуговой сварке. // Автоматическая сварка. - 1991. -№ 7. -с.15-18.

21. Прох Л.Ц. Справочник по сварочному оборудованию. - Киев: Техника. - 1983.-208с.

22. Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем./ Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат. -1987. - 464с.

23. Пентегов И. В. Применение математической модели сварочной дуги для расчета процессов в системе источник питания - сварочная дуга. // Автоматическая сварка. - 1990. - № 7. - с.208-215.

24. Уланов Е.И. Тиристорно-регулируемый трансформатор для питания дуговой электросварки. // АПЭП - 96. Труды третьей международной научно-технической конференции. - Новосибирск, 1996. - Том 8. - с.54-55.

25. Уланов Е.И. Источник питания дуговой сварки. // Труды IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (АПЭП - 98). - Новосибирск: НГТУ, 1998. - Том 7. - с.103-105.

26. Разработка малогабаритного источника питания для дуговой электросварки: Отчет о НИР. Тема ПЭ-9-90/А / Новосиб. электротехн. ин-т. -Новосибирск. -1990. - 107с.

27. Пентегов И.В., Мещеряк С.Н., Кучеренко В.А. и др. Источники питания для дуговой сварки с использованием инверторов. // Автоматическая сварка. - 1982. - № 7. - с.29-35.

28. Шемелев Е.В., Текутьев В.А., Юхин Н.Г., Гуслиетов И.А. Источники питания дуговой сварки для строительно-монтажных работ. // Монтаж и сварка резервуаров и технология трубопроводов. - М.: 1983. - с. 181187.

29. Юхин H.A., Текутьев В.А., Логинов В.Ю. Технологические принципы построения источников питания для дуговой сварки инверторного типа.

// Оборудование и технология сварки при сооружении промышленных объектов. - М. - 1985. - с.47-53.

30. Логинов В.Ю. Управление инверторными источниками питания для дуговой сварки. // Оборудование и технология сварки при сооружении промышленных объектов. - М. - 1985. - с. 54-61.

31. Сидякин В.Ф., Юхин H.A., Юркевич А.Н., Кольченко А.Я. Об особенностях построения силовой части инверторных источников питания для сварки. // Исследование методов сварки и сварочных материалов. - М. -1986. -с.68-74.

32. Смирнов В.В., Гарбуль А.Ф. Оборудование ВНИИЭСО для дуговой механизированной сварки и перспективы его развития. // Новое оборудование для механической сварки и наплавки. - Киев. -1987. - с. 10-12.

33. Баскаков М.А. Применение промышленных роботов в сварочном производстве за рубежом. (Обзор). // Сварочное производство. - 1988. - № 2. - с.42-44.

34. Соколов М.П. Сварочное оборудование, изготавливаемое предприятиями МЭТП. Часть 1-5. // Сварочное производство. - 1983 - № 2-5; 1985-№4-9; 1988-№4-7.

35. Новое электросварочное оборудование и прогрессивная технология сварки. Всесоюзный семинар. Москва, 11-13 сентября 1990 г. // Тезисы докладов. - М.: Информэлектро. - 1990. - 54с.

36. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. - М.: Энергия. - 1978. - 208с.

37. Гончаров Ю.П., Ермуратский В.В., Заика Э.И., Штейнберг А.Ю. Автономные инверторы. // Автономные инверторы. - Кишинев: Штиинца. -1974-336с.

38. Беркович Е.И., Ивенский Г.В., Иоффе Ю.С., Матчак А. Т., Моргун В.В. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. - Л.: Энергоатомиздат. - 1983. - 208с.

39. Васильев A.C. Источники питания электротермических установок. - М.: Энергоатомиздат. - 1985. - 248с.

40. Донской A.B., Кулик В.Д. Теория и схемы тиристорных инверторов повышенной частоты с широтным регулированием напряжения. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние - 1980. - 160с.

41. Булатов О.Г., Царенко А.И., Поляков В.Д. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии. - М.: Энергоатомиздат. -1989.-200с.

42. Источник питания для дуговой сварки. Ивота Акихико, Заявка 60158976, Япония. Опубл. 20.08.85, МКИ В23 К9/06, (1988, 8.63.430П).

43. A.c. 1359087 СССР, МКИ В23К 9/10. Устройство для получения импульсного сварочного тока. Бюллетень № 46,1987.

44. Японский патент 61-119379.

45. A.c. 1423312 СССР, МКИ В23К 9/00. Сварочный источник постоянного тока. Бюллетень № 34,1988.

46. Смирнов В.В., Закс М.И., Кошелев П.А., Ермолин С.А. Инверторный источник для дуговой сварки. // Сварочное производство. - 1983. - № 11. - с.35-36.

47. A.c. 1074672 СССР, МКИ В23К 9/00. Источник питания для дуговой сварки на постоянном токе. Бюллетень № 7,1984, (1984, 11.63.260П).

48. Сварочный источник постоянного тока с автономным тиристорным инвертором. Заявка № 2480647, Франция. Опубл. 23.10.81, МКИ В23К 9/09, Н02М 7/135 (1982, 12Н141П).

49. Пейсахович В.А. Оборудование для высокочастотной сварки металлов. Л.: Энергоатомиздат. - 1988. - 208с.

50. Статический преобразователь частоты с регулируемой внешней характеристикой, в особенности для дуговой сварки. Heike Hubert u.a. Патент 215264, ГДР, Опубл. 7.11.84, МКИ В23К9/06 (1985, 9.63.214П).

51. A.c. 1447607 СССР, МКИ В23К 11/24. Источник питания для контактной сварки на повышенной частоте. Бюллетень № 48, 1988.

52. A.c. 1524972 СССР, МКИ В23К 9/00. Источник питания для дуговой сварки. Бюллетень № 44,1989.

53. A.c. 1489934 СССР, МКИ В23К 9/60. Инверторный источник постоянного тока для дуговой сварки. Бюллетень № 24, 1989.

54. A.c. 1279770 СССР, МКИ В23К 9/00. Источник питания для дуговой сварки. Бюллетень № 48,1986.

55. A.c. 1306665 СССР, МКИ В23К 9/10. Способ широтно-импульсного управления источником питания. Бюллетень № 16, 1987.

56. A.c. 1418011 СССР, МКИ В23К 9/00, 9/10. Источник питания с тири-сторным преобразователем. Бюллетень № 31, 1988.

57. A.c. 513467 СССР, МКИ Н02Р 13/30. Способ управления вентильным преобразователем. Бюллетень № 17,1976.

58. A.c. 1100056 СССР, МКИ В23К 9/00. Устройство для сварки переменным прямоугольным током. Бюллетень № 24, 1984.

59. A.c. 1291321 СССР, МКИ В23К 9/10. Источник сварочного тока. Бюллетень №7, 1987.

60. A.c. 1346367 СССР, МКИ В23К 9/09. Источник питания для дуговой сварки. Бюллетень № 39, 1987.

61. A.c. 1423313 СССР, МКИ В23К 9/00. Универсальный источник питания для дуговой сварки. Бюллетень № 34, 1988.

62. Mikolajuk К., Tobola А. Свойства резонансного преобразователя из двух последовательных мостов с независимым управлением. // IV Krajova Konferencja energoelectroniki. T.l, Warszava, PW, 1990, s.261-269 (пол.).

63. Kolodziej H., Grzesik В., Myreik С. Тиристорный резонансный инвертор для индукционной плавки. // IV Krajova Konferencja energoelectroniki. T.l, Warszava, PW, 1990, s.221-229 (пол.).

64. A.c. 1284760 СССР, МКИ В23К 9/10. Источник питания для сварки. Бюллетень № 3,1987.

65. A.c. 1481003 СССР, МКИ В23К 11/24. Источник питания для контактной сварки на повышенной частоте. Бюллетень № 19, 1989.

66. A.c. 1204321 СССР, МКИ В23К 11/24. Источник питания для контактной сварки на повышенных частотах. Бюллетень № 12, 1986.

67. Зиновьев Г. С. Вентильные преобразователи частоты с фазовой модуляцией для частотного электропривода. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск: НЭТИ, 1966. -253с.

68. Попов В.И. Вентильные преобразователи частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск: НЭТИ, 1970. -192с.

69. Уланов Е.И. Разработка и исследование непосредственных преобразователей частоты с искусственной коммутацией для частотного электропривода. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск: НЭТИ, 1978. - 144с.

70. Семенов В.В. Разработка и исследование вентильного преобразователя частоты с комбинированной коммутацией. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск: НЭТИ, 1966. - 190с.

71. A.c. 235181 СССР, МКИ Н02М. Статический непосредственный преобразователь частоты. Бюллетень № 5, 1968.

72. Зиновьев Г.С., Попов В.И., Петров Э.Л., Шищенко A.B. Инверторные источники с непосредственным питанием от однофазной сети для дуговой электросварки. // V Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы преобразовательной техники": Тезисы докладов: В 5 ч. - Киев: Институт электродинамики АН УССР, 1991. - 4.1. - с. 167-168.

73. Патент 2012459 РФ, МКИ В23К 9/06. Источник питания для дуговой сварки на постоянном токе. / Зиновьев Г.С., Попов В.И., Шищенко

A.B., Юхнин М.М. - Бюллетень № 9, 1994.

74. Рудык С.Д., Турчанинов В.Е., Флоренцев С.Н. Перспективные источники сварочного тока. // Электротехника. - 1998 - № 7. - с.8-13.

75. A.c. 1705981 СССР, МКИ Н02М. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное. / A.JI. Баранников, A.C. Гладников, Г.С. Зиновьев,

B.И. Попов, Э.Л. Петров. - Бюллетень № 2,1992.

76. Зиновьев Г. С., Петров ЭЛ., Баранников А.Л., Гладников A.C. Развитие концепции коммутации от внешних источников в схемах преобразователей на тиристорах и запираемых тиристорах. // Полупроводники в энергетике: Тезисы докладов международной конференции. - Рига, ФТИ АН Латвии, 1991. - с.45.

77. Зиновьев Г.С., Попов В.И., Баховцев И.А., Петров Э.Л., Шищенко A.B. Некоторые пути совершенствования тиристорных инверторных источников питания для дуговой электросварки. // Преобразовательная техника. - Новосибирск: НГТУ. - 1993. - с.53-61.

78. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энерго-атомиздат. - 1985. - 400с.

79. Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. Пер. с англ. - М.: Энергия. - 1969. - 280с.

80. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил A.B., Страхов C.B. Основы теории цепей. - М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 528с.

81. Семейкин В.Д. Методы анализа динамики электромагнитных процессов в вентильных преобразователях. - М.: Информэлектро. - 1979. - 60с.

82. Kim M.-G., Youn M.-J. An Energy Feedback Control of Series Resonant Converter. IEEE Trans. Power Electron., vol. 8, no. 3, pp. 59-66,1990.

83. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. -1990. - 240с.

84. Грабовецкий Г. В. Применение переключающих функций для анализа электромагнитных процессов в силовых цепях вентильных преобразователей частоты. // Электричество. -1973. - № 6. - с.42-46.

85. Мерабишвили П.Ф., Ярошенко Е.М. Нестационарные электромагнитные процессы в системах с вентилями. - Кишинев: Штиинца. - 1980. -208с.

86. Зиновьев Г. С. Прямой метод расчета действующих значений тока в цепях с несинусоидальным напряжением. // Энергетика. - 1987. - № 3. -с.52-55.

87. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. ун-та -1990. - 220с.

88. Зиновьев Г.С. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники (электроэнергетический аспект): Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. - 1998. - 91с.

89. Зиновьев Г.С., Лопаткин H.H. Расчет характеристик резонансного инвертора прямым методом. // Проблемы электротехники. Тезисы докладов научной конференции с международным участием. Секция 4. Новосибирск, НГТУ. - 1993 - с.48-52.

90. Зиновьев Г.С., Лопаткин H.H. Резонансные инверторы с емкостным выходом инверторных источников питания для сварки. // АПЭП - 94. Труды второй международной научно-технической конференции. - Новосибирск, 1994. - Том 7. - с.97-101.

91. Lopatkin N.N., Zinoviev G.S. A New Approach to Analysis of Resonant Inverters. // PEMC' 94. Conference publication. Warsaw, Poland, 1994, vol. 2, pp. 12541257.

92. Создание научных основ проектирования и разработка инверторных источников питания для сварки (на российской элементной базе): Отчет о НИР. Тема ГБ15 / НГТУ. - Новосибирск. - 1995. - 48с.

93. Разработка энергоэффективного источника питания для дуговой электросварки: Отчет о НИР. Тема ГБ4 / Новосиб. электротехн. ин-т.- Новосибирск. - 1993. - 25с.

94. Пентегов И.В. Моделирование сварочной дуги, как элемента электрической цепи, и построение схем замещения. // Автоматическая сварка. -1984. -№12. -с.26-30.

95. Пентегов И.В. Сравнительный анализ моделей динамической сварочной дуги. // Автоматическая сварка. - 1989. - № 2. - с.33-36.

96. Козляев Ю.Д., Косулин В.В. Устойчивость источников питания постоянного тока при нагрузках с отрицательной величиной дифференциального сопротивления. // АПЭП - 92. Труды международной научно-технической конференции. - Новосибирск, 1992. - Том 7. - с.55-57.

97. Зиновьев Г.С. Проблемы развития прямых методов расчета энергетических показателей систем с вентильными преобразователями. // Преобразовательная техника. - Новосибирск: НГТУ. - 1993. - с. 5-28.

98. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа. -1980. - 424с.

99. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. - М.: Высшая школа. - 1984. - 559с.

100. Ивенский Г.В., Писклов А.Е. Принципы построения схем и классификация резонансных автономных инверторов. // НИР и ОКР / Серия "Преобразовательная техника", 1972, выпуск 7(31). - с.15-17.

101. Williams B.W. Power Electronics. Devices, Drivers and Applications. - Macmil-lan, London, 1987. - 337p.

102. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. - М.: Наука. -1971. - 1108с.

103. Заездный A.M. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. -Изд. 2-е, испр. и доп. - Л.: Энергия, 1971. - 528с.

104. Зиновьев Г.С., Мухачева Г.Л. Прямой метод нахождения мгновенных значений тока, установившегося в цепи с несинусоидальным напряжением. // Преобразовательная техника. - Новосибирск: НГТУ. - 1993. -с. 37-41.

105. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. / Перевод с англ. - М.: Информационно-издательский дом "Филинъ". - 1996. - 712с.

106. Заездный A.M. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. -Москва, Ленинград: ГЭИ. - 1961. - 536с.

107. Никитин В.П. Основы теории трансформаторов и генераторов для дуговой сварки. - М. : Изд-во АН СССР. -1956. - 239с.

108. Рабинович И .Я. Оборудование для дуговой электрической сварки. Источники питания дуги. - М.: Машгиз. -1958. - 380с.

109. A.c. 409345 СССР, МКИ Н02М 5/42. Способ регулирования выходного напряжения однофазного инвертора. Бюллетень № 48, 1973.

110. Гнатенко М.А., Зиновьев Г. С. Программа ParGraph - графический интерфейс для программы моделирования PARUS. // АПЭП - 96. Труды третьей международной научно-технической конференции. - Новосибирск, 1996. - Том 8. - с.28.

111. Силовая электроника. Часть 1. Методическое руководство к лабораторным работам. / Г.С. Зиновьев, М.А. Гнатенко. - Новосибирск: НГТУ. - 1998. - 22с.

112. Баховцев И.А., Бакланов С.Н., Зиновьев Г.С., Лопаткин H.H. Мобильный инверторный источник питания для дуговой электросварки. // Электроснабжение и электрооборудование речных судов и промыш-

ленных предприятий. / Сб. научн. трудов под ред. В.П. Горелова. - Новосибирск: Издательство НГАВТ, 1997. - с.89-95.

113. A.c. 1563911 СССР, МКИ В23К 9/00, 9/10. Устройство для дуговой сварки на постоянном токе./ Вашкевич Е.И., Гейченко В.В., Карташев В.В., Киямов Р.Н., Тефанов В.Н. - Бюллетень № 18, 1990.

114. Лопаткин H.H. Расчет времени выключения вентилей в инверторах с емкостным выходом с коммутирующей цепью третьего порядка. // Сборник трудов НГТУ. Выпуск 1. Новосибирск: НГТУ. - 1995. - с. 126131.

115. Патент 2094196 РФ, МКИ В23К 9/095. Источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе. / Зиновьев Г.С., Лопаткин H.H. -Бюллетень № 30, 1997.