[1]Изобретение относится к области электротехники, а именно к полумостовым транзисторным инверторам, и может использоваться для электродуговой сварки металлов от 1 до 10 мм.
[2]Известен однофазный полумостовой инвертор, содержащий плечо полумоста в виде двух последовательно соединенных в проводящем направлении транзисторов и двух обратных диодов. Второе плечо полумоста образовано двумя последовательно соединенными конденсаторами. В диагональ переменного тока включена нагрузка трансформаторного типа, а диагональ постоянного тока связана с соотвествующими полюсами источника питания, шунтированного сглаживающим конденсатором. Особенность состоит в том, что в схему дополнительно введен четырехобмоточный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, подключенной к системе управления (патент на изобретение РФ №2291550).
[3]Недостатком данного технического решения является сложность намотки трансформатора, его завышенные массогабаритные показатели и более низкий КПД.
[4]Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является полумостовой транзисторный инвертор, выбранный в качестве прототипа, содержащий в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора (патент на изобретение РФ №2326484).
[5]Основным недостатком данного изобретения является невозможность обеспечения постоянной силы выходного тока при закороченной нагрузке, а также сложная схема управления с обратными связями по току и напряжению.
[6]Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного и надежного сварочного инвертора с высоким КПД и малыми массогабаритными показателями.
[7]Задача осуществляется за счет того, что в полумостовом транзисторном инверторе, содержащем в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку силового трансформатора, имеющего вторичную обмотку, согласно изобретению, в цепь первичной обмотки трансформатора последовательно включены разделительный конденсатор и регулируемый дроссель, вторичная обмотка трансформатора выполнена по схеме со средней точкой с двухтактным выпрямителем, при этом полумост из двух транзисторов шунтирован двумя резонансными конденсаторами.
[8]Технический результат достигается за счет создания полумостового транзисторного инвертора без обратной связи по току и напряжению, без использования широтно-импульсной модуляции, с использованием токового резонанса первичной обмотки силового трансформатора.
[9]Разделительный конденсатор служит для устранения постоянной составляющей тока, возникающей от несимметрии элементов моста. И он же ограничивает импульсы тока через первичную обмотку. Регулируемый дроссель служит индуктивным элементом в резонансной цепи, образованной совместно с шунтирующими конденсаторами и транзисторными ключами. Кроме того, дроссель регулирует сварочный ток благодаря изменению резонансной частоты, т.к. резонансные конденсаторы составляют колебательный контур совместно с регулируемым дросселем.
[10]Так как нет обратной связи по току и напряжению, становится возможным эксплуатировать сварочный аппарат при коротком замыкании сварочных электродов без уменьшения выходного тока. Резонансная характеристика позволяет уменьшить габариты и вес силового трансформатора и увеличить КПД инвертора за счет увеличения числа колебаний в каждом импульсе.
[11]Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому изобретение соответствует критерию «новизна».
[12]Патентные исследования показали, что в изученном уровне техники отсутствуют аналогичные технические решения, т.е. заявляемое техническое решение не следует явным образом из изученного уровня техники и, таким образом, соответствует критерию «изобретательский уровень».
[13]Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
[14]Сущность изобретения поясняется электрической схемой, на которой представлена силовая схема и схема управления.
[16]На входе силовой схемы установлен автоматический выключатель SA1(16A), предназначен для включения/выключения инвертора, а также для защиты внешних цепей от перегрузок, при возникновении внештатных режимов работы инвертора.
[17]Входное напряжение выпрямляется с помощью моста VD6 и фильтруется конденсаторами С5-С7.
[18]Для защиты внешних цепей от броска тока, при заряде конденсаторов фильтра С5-С7 в момент включения в сеть служит резистор R4, который шунтируется контактами реле К1 через 2 секунды, К1 запитано от трансформатора Т1 через диодный мост VD1. Времязадающими элементами являются С4 и R5.
[19]Инвертор выполнен по полумостовой схеме, где элементами одного плеча являются конденсаторы С9, С10, которые по высокой частоте зашунтированы конденсаторами С11, С12 и имеют разрядные цепи из резисторов R7, R8
[20]Средняя точка конденсаторов С9-С12 подключена к первичной обмотке силового трансформатора Т2. Второй конец первичной обмотки трансформатора Т2 подключен через разделительные конденсаторы С13-С23 к регулирующему дросселю L1. Разделительные конденсаторы необходимы для предотвращения протекания постоянной составляющей тока, возникающей из-за несимметрии характеристик силовых элементов и для ограничения тока, протекающего по первичной обмотке силового трансформатора. Дроссель L1 служит элементом высокочастотной колебательной схемы, включающей в себя также конденсаторы С24, С25 и разрядные резисторы R13, R14. Дроссель L1 регулирует выходной ток благодаря подвижному сердечнику с воздушным зазором. Выходной ток регулируется плавно с 30 до 180 А. Принцип регулирования заключается в подстройке/расстройке резонанса колебательной системы. При максимальном резонансе достигается максимальный сварочный ток.
[21]Основными силовыми элементами инвертора являются транзисторы VT1-VT4 и VT5-VT8, в каждой части плеча, включенные параллельно для увеличения пропускаемого тока. Попеременное переключение транзисторов в плече приводит к протеканию переменного тока по первичной обмотке трансформатора Т2. При включении транзисторов VT1-VT4 ток протекает от плюса через обмотку Т2 и заряжает конденсаторы С9-С12. При включении транзисторов VT5-VT8 происходит разряд конденсаторов С9-С12 через обмотку трансформатора Т2 на минус схемы. Для того чтобы транзисторы VT1-VT4 и VT5-VT8 не оказались открытыми одновременно, их открытие и закрытие происходит через защитную паузу, которая обеспечивается импульсами управления с определенной скважностью, генерируемых схемой управления.
[22]Сварочный ток индуцируется во вторичной обмотке трансформатора Т2 со средней точкой и выпрямляется диодами VD8-VD11 после чего, подается на сварочные зажимы инвертора.
[23]Охлаждение радиаторов силовых транзисторов VT1-VT8 и моста VD6 осуществляется с помощью вентилятора M1, запитанного от трансформатора Т1 через диодный мост VD1 и стабилизатор напряжения, собранный на элементах: R6, С8 и VD7.
[25]На элементах DD1.1-1.3, R1, C3 собран генератор прямоугольных импульсов. Элементы VD3, VD4, R2, R3 предназначены для формирования генератором импульсов заданной скважности.
[26]Триггер DD2.1 предназначен для формирования двухканальных импульсов, сдвинутых по фазе на 180 градусов.
[27]Элементы DD3.1-3.2 предназначены для окончательного формирования импульсов управления прямоугольной формы и заданной скважности с частотой 50 кГц.
[28]Элементы DD3.3, VD12, R9 предназначены для световой индикации красного цвета, сигнализирующей об аварийном отключении инвертора по тепловому режиму, связанном с перегревом радиаторов силовых транзисторов.
[29]Элементы DD3.4, VD13, R10 предназначены для световой индикации зеленого цвета, сигнализирующей о нормальном режиме работы инвертора.
[30]Элементы DD4.1-4.2, R11, термодатчик предназначены для блокирования сигналов управления для затворов силовых транзисторов, при перегреве их радиаторов.
[31]Элементы DD4.3-4.4, VD22, R12 предназначены для блокирования сигналов управления для затворов силовых транзисторов в момент включения и выключения схемы по питанию, для предотвращения состояний логической неопределенности при увеличении или уменьшении питающего напряжения. Элементы R15-R18, VD14-VD21 составляют драйверы выходных транзисторов VT9-VT12.
[32]Элементы R19-R21, С26, С27, Т3, Т4 предназначены для управления силовыми транзисторами. Конденсаторы С26, С27 служат для развязки по постоянному току. Трансформаторы Т3, Т4 предназначены для гальванической развязки схемы управления от силовой схемы. Резисторы R19-R20 предназначены для ограничения зарядного тока затворов силовых транзисторов. Резисторы R21-R22 предназначены для гашения импульсов разряда затворов силовых транзисторов. Блок питания схемы управления состоит из трансформатора Т1, защищенного предохранителями F1, F2, мостового выпрямителя VD2, конденсаторов фильтра С1, С2 и диода развязки VD5 (для увеличения длительности работы схемы управления при отключении питающего напряжения).
[33]Предлагаемый инвертор работает следующим образом.
[34]При подключении устройства к сети происходит заряд конденсаторов С5-С7 входного фильтра через токоограничительный резистор R4 и через две секунды резистор R4 шунтируется контактами реле К1, в результате чего инвертор переходит в штатный режим работы. При переключении транзисторов VT1-VT8 возникают резонансные колебания тока с частотой, в 15 раз превышающей основную частоту в первичной обмотке силового трансформатора Т2, которые передаются во вторичную обмотку, затем выпрямляются диодами VD8-VD11 и подаются к сварочным электродам. В случае продолжительной сварки электродом диаметра 4 мм выходные транзисторы VT1-VT8 могут перегреться, в этом случае сработает тепловая защита. При этом инвертор отключится по схеме управления, зеленый светодиод VD12 «Работа» отключится, а включится красный светодиод VD13 «Перегрев». После охлаждения инвертора, при постоянной работе вентилятора M1, инвертор снова включится и загорится зеленый светодиод VD12 «Работа», а красный светодиод VD13 «Перегрев» отключится.
[35]Достигаемый в представленном к защите техническом решении результат - создание легкого малогабаритного сварочного инвертора повышенной эффективности и надежности с высоким КПД.
