2 Сварочный аппарат ВД-201. Состав и описание принципа работы составных частей устройства

2.1 Схема инвертора

Схема полумостового инвертора (см. рис.2) разделена на верхние и нижние плечи, работающие аналогично. Каждое плечо состоит из транзисторного ключа с рекуперационным диодом и ёмкостного делителя. Транзисторный ключ, в каждом плече, выполнен на 7 ми биполярных транзисторах и двух спаренных рекуперационных диодах. Емкостной делитель состоит из 10 параллельно соединённых конденсаторов в каждом плече: C23 - C32 верхнее плечо, а C34 - C42 соответственно нижнее. Такое количество обусловлено ограничением максимально допустимого высокочастотного тока, протекающего по каждому выводу отдельного конденсатора, амплитудой до 8А. Кроме того, параллельное соединение этих ёмкостей позволяет существенно снизить их паразитную индуктивность. Параллельно соединённые транзисторы VT1, VT3, VT5, VT7, VT9, VT11, VT13 образуют верхнее плечо полумоста инвертора, с резисторами в эмиттерах, выравнивающими ток между транзисторами. Точно так же - транзисторы VT2, VT4, VT6, VT8, VT10, VT12, VT14 ,соединённые параллельно, образуют нижнее плечо полумоста инвертора с выравнивающими ток резисторами, расположенными в эмиттерах. Рекуперационные диоды VD23, VD25 верхнего плеча и диоды VD24, VD26 нижнего плеча предназначены для возвращения реактивного тока, протекающего по первичной обмотке силовых трансформаторов в ёмкостной делитель. Параллельно рекуперационным диодам подключены ёмкости С15, C16, C19, С20 в верхнем плече и соответственно C17, C18, C21, C22 в нижнем плече, являющиеся резонансными и предназначенные для формирования безопасной траектории переключения силовых транзисторов. Диоды VD1-VD6, VD13-VD15,VD19, VD21, а также ёмкости С1-С3, С7, С8 образуют схему контроля насыщенного состояния силовых ключей верхнего плеча полумоста. Для нижнего плеча полумоста- VD7-VD12, VD16-VD18, VD20, VD22, C4-C6, C9, C10, соответственно. Трансформатор TU1- управляющий, с положительной обрат- ной связью по току через обмотку 3. Резисторы R1, R2 предназначены для стекания обратного тока коллектор - базовых переходов транзисторов инвертора в их закрытом состоянии соответственно верхнего и нижнего плеч. Резисторы R3, R4 и ёмкости С11, С12 соответственно образуют фильтры, симметрирующие распределение токов управления между транзисторами в начале шин и резисторы R33, R34 и ёмкости С13,С14 в конце шин, соединяющих базы силовых транзисторов верхнего и нижнего плеч инвертора. Токовый трансформатор управления TA1 является датчиком амплитудного значения тока и фазы для схемы управления. Токовый трансформатор включения TA2 является датчиком тока включения тиристора VS1 и предназначен для его открывания при появлении нагрузки инвертора. Дроссели фильтра L1 и L2 предназначены для отсечки высокочастотных токов инвертора от емкостной батареи, выполненной из электролитических конденсаторов C43 - C48. Схема ограничения тока заряда емкостной батареи состоит из: пускового резистора R35, диодного выпрямителя VD59-VD62, сглаживающей ёмкости C49 и шунтирующего ключа выполненного на

Вход

3

4

5

2

1

 

Рис. 2. Принципиальная схема инвертора

тиристоре VS1. Сетевой выпрямитель VD27 представляет собой диодную сборку, выполненную на одной подложке, и предназначен для преобразования сетевого переменного напряжения в постоянное напряжение.

 

2.1.1 Схема ограничения тока заряда емкостной батареи инвертора.

Рис. 3. Схема ограничения тока заряда ёмкостной батареи

Участок принципиальной схемы инвертора относящийся к схеме ограничения тока заряда емкостной батареи изображён на Рис. 3. Работает она следующим образом: в момент подачи напряжения питания инвертор ещё не работает, так как не подано напряжение на микросхему системы управления, следовательно, тока в первичной обмотке трансформатора тока включения TA2 нет, значит, в его вторичной обмотке тока тоже нет, диодный мост VD59-VD62 закрыт, ёмкость С49 разряжена, тиристор VS1 закрыт. В результате, ток от сети, протекая через сетевой выпрямитель VD27, течёт через резистор R35 и заряжает ёмкостную батарею фильтра С43-С48. Параллельное соединение конденсаторов необходимо для равномерного распределения токов по каждому их выводу и уменьшению суммарной индуктивности этих выводов и соединений, а так же для повышения общей надёжности емкостной батареи, так как при высыхании одной ёмкости остальные будут исправно работать. Напряжение на ёмкостях С43-С48 в результате заряда током, в конечном счете, достигнет амплитудного значения в 310В. При появлении напряжения питания на микросхеме схемы управления происходит запуск системы управления, которая запускает весь инвертор, в результате, по первичной обмотке трансформатора тока включения TA2 потечёт ток. В его вторичной обмотке появиться ток включения, который, пройдя через диодный мост VD59-VD62, зарядит сглаживающий конденсатор C49 и создаст напряжение, приложенное между катодом и управляющим электродом тиристора VS1. В результате, потечёт ток в управляющий электрод тиристора VS1, он откроется и зашунтирует резистор R35, после чего весь силовой ток, потребляемый инвертором, будет течь через этот открытый тиристор.

 

 

2.1.2.Схема контроля насыщенного состояния силовых ключей инвертора.

Принцип работы рассмотрен на эквивалентной принципиальной схеме контроля насыщенного состояния силовых ключей, приведенной на Рис 4. В этой схеме обозначены: прямой диод дополнительного смещения VD1, прямой пороговый диод VD2, диод нелинейной отрицательной обратной связи VD3, ускоряющая ёмкость C1, эквивалент силовых ключей инвертора транзистор VT1, нагрузка устройства резистор Rn.  Эквивалентная схема контроля насыщенного состояния транзисторов представляет собой сложный ключ на биполярном транзисторе с нелинейной отрицательной обратной связью. Работает следующим образом: при появлении напряжения на обмотке W1 положительной полярности, начинает течь ток управления через прямые диоды VD1,VD2 в база - эммитерный переход транзистора VT1 , при этом  конденсатор С1 заряжается протекающим током до уровня напряжения, равного напряжению двух прямо смещенных переходов диодов VD1-VD2 (2*0,7В=1,4В). Таким образом, напряжение на обмотке W1, приложенное к трём прямо смещённым переходам, равно 2,1 В.

 

Рис. 4. Эквивалентная схема контроля насыщенного состояния силового ключа

Протекающий по этой цепи ток вызовет открывание транзистора VT1, что характеризуется падением напряжения между его коллектором и эммитером. Как только это напряжение уменьшится до уровня, соответствующему прямому падению напряжения на диоде VD2(0,7 В), откроется диод VD3 и произойдёт перераспределение тока, втекающего в базу транзистора VT1 через диод VD3 в коллектор

транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 будет находиться в открытом состоянии, но не насыщен, из-за того, что ток управления будет перераспределяться из цепи базы в цепь коллектора. При этом в случае изменения, например увеличения, тока нагрузки через транзистор, что будет характеризоваться увеличением падения напряжения на переходе коллектор - эммитер, будет также происходить перераспределение тока управления из цепи диода VD3 в цепь диода VD2 и, соответственно, в базу транзистора VT1. А в случае уменьшения тока нагрузки, что будет характеризоваться уменьшением падения напряжения на переходе коллектор - эммитер VT1, будет также происходить перераспределение тока из цепи диода VD2 в цепь диода VD3, что вызовет синхронное уменьшение тока в базе. В этом случае, транзистор всегда будет оставаться в ненасыщенном состоянии, без избыточных носителей в базе, что снижает время его выключения до времени спада путём исключения времени рассасывания избыточных носителей в базе. Конденсатор С1 обеспечивает быстрое выключение транзистора при уменьшении напряжения на обмотки W1(процесс выключения), так как оказывается подключенным полярностью, обратной для база - эммитерного перехода. Заряд этого конденсатора С1 создаёт через обмотку W1 запирающий ток в базу транзистора VT1.

 

2.1.3. Пропорциональный токовый регулятор

Эквивалентная схема пропорционального токового регулятора представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Эквивалентная схема пропорционального токового регулятора

Состоит из управляющего трансформатора TV1 c обмоткой управления W2 и обмоткой положительной обратной связи W1. Работает следующим образом: при появлении напряжения в управляющей обмотке W2, величиной, достаточной для открывания прямо смещённого база - эммитерного перехода транзистора VT1, в его базу начнёт втекать ток. В результате транзистор VT1 начнёт открываться, через его коллектор - эммитерный переход потечёт усиленный этим транзистором ток. В свою очередь, протекающий по коллектор - эммитерному переходу транзистора VT1 ток будет протекать и по обмотке положительной обратной связи W1, что вызовет, через коэффициент трансформации между обмотками W1 и W2, появление ЭДС в обмотке W2. В результате в базу транзистора VT1 потечёт ток, индуцируемый из обмотки W1 в обмотку W2, что вызовет ещё большее открывание VT1. В свою очередь, это приведёт к увеличению тока через коллектор - эммитерный переход, который снова через обмотки W1,W2 увеличит ток в базу транзистора VT1. Таким образом, изменение тока коллектораVT1 приводит к пропорциональному изменению его тока в базу, причём коэффициент пропорциональности равен коэффициенту трансформации между обмотками W1 и W2:Для открывания такого ключа достаточно лишь незначительного тока в базу транзистора, а для выключения (закрывания) транзистора необходимо прервать действие положительной обратной связи обмотки W1 на обмотку W2, что осуществляется в схеме инвертора путём замыкания обмоток трансформатора TU1 транзисторными ключами схемы управления.

2.2. Принцип работы квазирезонансного полумостового инвертора

Работает следующим образом: после подачи напряжения питания на инвертор и на схему управления, последняя выдаёт импульс тока запуска на обмотки 4 или 5 трансформатора TU1. Если импульс запуска подан на обмотку 5, то это приведёт к появлению положительного напряжения на обмотке 1 этого трансформатора, которое через схему контроля насыщенного состояния поступит на базы транзисторов верхнего плеча. В результате они откроются и начнёт течь ток по цепи: положительно заряженные выводы конденсаторов ёмкостного делителя С23-С32 —коллектор - эммитерный переход транзисторов VT1, VT3, VT5, VT7, VT9 VT11, VT13, верхнего плеча—симметрирующие резисторы верхнего плеча—обмотка 3 положительной обратной связи трансформатора управления TU1—первичная обмотка трансформатора тока включения TA2— первичная обмотка трансформатора тока управления TA1— первичная обмотка силового трансформатора Т1 — линейный токоограничивающий дроссель — средняя точка ёмкостного делителя C23-C42. Этот ток, протекая по обмотке 3 положительной обратной связи трансформатора TU1 наводит в обмотке 1 этого же трансформатора ток, втекающий в базы силовых транзисторов верхнего плеча через схему контроля насыщенного состояния ,осуществляя, тем самым, пропорциональность токов управления. При достижении тока через транзисторы верхнего плеча и, следовательно, через трансформатор нагрузки величины, соответствующей установленной в схеме управления (сигналом является напряжение с трансформатора тока TA1), система управления закорачивает обмотку 4 трансформатора TU1. В результате все обмотки этого трансформатора оказываются закороченными, прерывается действие положительной обратной связи обмотки 3 на обмотку 1 трансформатора TU1. Ток управления с транзисторов верхнего плеча снимается и они выключаются. Так как в цепи нагрузки присутствует индуктивность линейного токоограничивающего дросселя в сумме с индуктивностью рассеивания силового трансформатора, то, в соответствии с законом электромагнитной индукции, ток через неё мгновенно измениться не сможет. Поскольку параллельно силовым транзисторам VT1, VT3, VT5, VT7, VT9, VT11, VT13 инвертора стоят формирующие ёмкости С15,С16,С19,C20 то напряжение на них скачком тоже измениться не может, несмотря на то, что ток через транзисторы прерывается почти мгновенно. Таким образом, по цепи продолжает течь ток, источником которого является индуктивность токоограничивающего дросселя, перезаряжающий эти формирующие ёмкости и формирующие ёмкости C17,C18,C21,C22 нижнего плеча. Ток в этой индуктивности во время перезаряда емкостей не меняется. Напряжение изменяется плавно на транзисторах верхнего и нижнего плеча одновременно, при чем, на верхнем плече увеличивается, а на нижнем уменьшается. При достижении на формирующих ёмкостях нижнего плеча величины напряжения, равного, относительно средней точки ёмкостного делителя, половине питающего, откроются обратные диоды нижнего плеча VD24,VD26. Произойдёт это, потому что, напряжение на формирующих емкостях верхнего плеча достигнет амплитуды напряжения источника питания, а на формирующих емкостях нижнего плеча амплитуды менее нуля, что и приведёт к открыванию диодов VD24,VD26. Ток в токоограничивающей индуктивности начинает спадать, поскольку напряжение на формирующих емкостях больше не изменяется. При снижении тока в токоограничивающем дросселе и, следовательно, в первичной обмотке силового трансформатора до нуля, схема управления подаст управляющий ток на обмотку 4 трансформатора TU1. Это вызовет появление тока в его обмотке 2, открывая нижнее плечо транзисторов VT2, VT4, VT6, VT8, VT10, VT12, VT14 инвертора, после чего начинает течь ток по цепи: средняя точка ёмкостного делителя C23-C42— линейный токоограничивающий дроссель— первичная обмотка силового трансформатора— первичная обмотка трансформатора тока управления TA1— первичная обмотка трансформатора тока включения TA2— обмотка 3 положительной обратной связи трансформатора управления TU1— коллектора транзисторов нижнего плеча— коллектор -эммитерный переход транзисторов VT2, VT4, VT6, VT8, VT10, VT12, VT14— симметрирующие резисторы нижнего плеча— отрицательно заряженные выводы конденсаторов ёмкостного делителя C33-C42. Этот ток, протекая по обмотке 3 положительной обратной связи трансформатора управления TU1, наводит ток в обмотке 2 этого же трансформатора, втекающий в базы силовых транзисторов нижнего плеча через схему контроля насыщенного состояния, осуществляя, тем самым, пропорциональность токов управления. При достижении тока через транзисторы нижнего плеча и, следовательно, через трансформатор нагрузки величины, соответствующей установленной в схеме управления (сигналом является напряжение с трансформатора тока TA1), система управления закорачивает обмотку 5 трансформатора TU1. В результате все обмотки этого трансформатора оказываются закороченными, прерывается действие положительной обратной связи обмотки 3 на обмотку 2 трансформатора TU1. Ток управления с транзисторов нижнего плеча снимается и они выключаются. Так как в цепи нагрузки присутствует индуктивность линейного токоограничивающего дросселя в сумме с индуктивностью рассеивания силового трансформатора, то, в соответствии с законом электромагнитной индукции, ток через неё мгновенно измениться не сможет. Поскольку параллельно силовым транзисторам VT2, VT4, VT6, VT8, VT10, VT12, VT14 инвертора стоят формирующие ёмкости С17,С18,С21,C22 то напряжение на них скачком тоже измениться не может, несмотря на то, что ток через транзисторы прерывается почти мгновенно. Таким образом, по цепи продолжает течь ток, источником которого является индуктивность токоограничивающего дросселя, перезаряжающий эти формирующие ёмкости и формирующие ёмкости C15,C16,C19,C20 верхнего плеча. Ток в этой индуктивности во время перезаряда емкостей не меняется. Напряжение изменяется плавно на транзисторах нижнего и верхнего плеча одновременно, при чем, на нижнем плече увеличивается, а на верхнем уменьшается. При достижении на формирующих ёмкостях верхнего плеча величины напряжения, равного, относительно средней точки ёмкостного делителя, половине питающего, откроются обратные диоды верхнего плеча VD23,VD25. Произойдёт это, потому что, напряжение на формирующих емкостях нижнего плеча достигнет амплитуды напряжения источника питания, а на формирующих емкостях верхнего плеча амплитуды менее нуля, что и приведёт к открыванию диодов VD23,VD25. Ток в токоограничивающей индуктивности начинает спадать, поскольку напряжение на формирующих емкостях больше не изменяется. При снижении тока в токоограничивающем дросселе и, следовательно, в первичной обмотке силового трансформатора до нуля, схема управления подаст управляющий ток на обмотку 5 трансформатора TU1. Это вызовет появление тока в его обмотке 1, открывая верхнее плечо транзисторов VT1, VT3, VT5, VT7, VT9, VT11, VT13 инвертора, после чего процесс повторится. В этом процессе открывание транзисторов всегда происходит при нулевом токе и нулевом напряжении. Выключение транзисторов (прерывание тока через них) происходит также при нулевом напряжении. Это обеспечивается системой управления, синхронизированной с инвертором с помощью тока через ключи, а так же параллельным соединением транзисторов и формирующих ёмкостей. Скорость нарастания напряжения на этих ёмкостях определяется резонансной частотой реактивных элементов: суммарной ёмкостью формирующих ёмкостей и суммарной индуктивностью линейного токоограничивающего дросселя и индуктивности рассеивания силового трансформатора; а так же амплитудой тока по ним протекающим. В случаях, когда ток по первичной обмотке силового трансформатора не достигает уровня, выставленного системой управления, она всё равно переключит транзисторы инвертора. Произойдёт это посредством поочерёдного замыкания обмоток 4 или 5 трансформатора управления TU1, по истечении времени, определённого частотой коммутации без нагрузки, равного, примерно, 35 мкс в каждой полуволне.