Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1
Рассмотрены вопросы cхемотехники и анализа процессов в электронных вольтодобавочных устройствах асинхронного типа с последовательным включением в цепь основной или вспомогательной («дежурной») дуги, имеющих конфигурацию формирующего контура, в котором емкостной накопитель и индуктивность первичной о...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112993 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 / Н.М. Махлин, А.Е. Коротынский // Автоматическая сварка. — 2015. — № 3-4 (741). — С. 25-36. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860188657681432576 |
|---|---|
| author | Махлин, Н.М. Коротынский, А.Е. |
| author_facet | Махлин, Н.М. Коротынский, А.Е. |
| citation_txt | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 / Н.М. Махлин, А.Е. Коротынский // Автоматическая сварка. — 2015. — № 3-4 (741). — С. 25-36. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрены вопросы cхемотехники и анализа процессов в электронных вольтодобавочных устройствах асинхронного типа с последовательным включением в цепь основной или вспомогательной («дежурной») дуги, имеющих конфигурацию формирующего контура, в котором емкостной накопитель и индуктивность первичной обмотки импульсного повышающего трансформатора соединены последовательно, а коммутирующий ключ контура подключен параллельно этому соединению. В первой части работы описаны схемотехнические решения входящих в состав асинхронных возбудителей и стабилизаторов процесса горения дуги зарядных устройств на основе ключевой схемы с дозирующим реактором и диодно-конденсаторного умножителя напряжения. Анализ процесса горения дуги в цепях этих функциональных узлов асинхронных возбудителей и стабилизаторов выполнен с использованием решений известных в теоретической электротехнике уравнений. Предложены базирующаяся на этих решениях инженерная методика расчета основных компонентов зарядных устройств асинхронных возбудителей и стабилизаторов процесса горения дуги, а также рекомендации по выбору их элементной базы.
Issues of circuit engineering and analysis of processes in electronic voltage boosters of asynchronous type with series switching-in of main and pilot arcs are considered. They have configuration of forming circuit, in which capacitive storage and inductance of primary winding of pulse step-up transformer have series connection, and switching key of the circuit is switched on in parallel to this connection. The first part of work describes circuit engineering solutions for imbedded asynchronous exciters and stabilizers of arcing process for charging devices based on key scheme with dosing reactor and diode-capacitor voltage multiplier. Analysis of arcing process in circuits of these functional assemblies of asynchronous exciters and stabilizers was performed using equations known in theoretical electric engineering. Engineering procedure of design of main components of charging devices for asynchronous exciters and stabilizers of arcing process as well as recommendations on selection of their element base are proposed based on equation solutions.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:05:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
253-4/2015
УДК 621.791
АСИНхРОННыЕ ВОЗБУДИТЕЛИ И СТАБИЛИЗАТОРы ДУГИ.
АНАЛИЗ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА. Ч.1
Н.М. МАХЛИН1, А.Е. КОРОТЫНСКИЙ2
1 ГП «НИЦ СКАЭ ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины». 03680, г. Киев, ул. Боженко,11.
E-mail: electro@paton.kiev.ua
2 ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. 03680, г. Киев, ул. Боженко,11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Рассмотрены вопросы cхемотехники и анализа процессов в электронных вольтодобавочных устройствах асинхронного
типа с последовательным включением в цепь основной или вспомогательной («дежурной») дуги, имеющих конфигура-
цию формирующего контура, в котором емкостной накопитель и индуктивность первичной обмотки импульсного повы-
шающего трансформатора соединены последовательно, а коммутирующий ключ контура подключен параллельно этому
соединению. В первой части работы описаны схемотехнические решения входящих в состав асинхронных возбудителей
и стабилизаторов процесса горения дуги зарядных устройств на основе ключевой схемы с дозирующим реактором и
диодно-конденсаторного умножителя напряжения. Анализ процесса горения дуги в цепях этих функциональных узлов
асинхронных возбудителей и стабилизаторов выполнен с использованием решений известных в теоретической электро-
технике уравнений. Предложены базирующаяся на этих решениях инженерная методика расчета основных компонентов
зарядных устройств асинхронных возбудителей и стабилизаторов процесса горения дуги, а также рекомендации по
выбору их элементной базы. Библиогр. 29, табл. 3, рис. 9.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая и плазменная сварка, первоначальное возбуждение дуги, повторные зажигания дуги,
электронные возбудители дуги, искровой разряд, последовательное включение, методика расчета, рекомендации
В последние десятилетия среди электронных
вольтодобавочных устройств, получивших назва-
ние возбудителей и стабилизаторов дуги и предна-
значенных для инициирования стационарного ду-
гового разряда путем ионизации межэлектродного
промежутка за счет инжекции в него импульсов
высокого напряжения, все большее распростране-
ние находят устройства асинхронного типа с по-
следовательным включением в цепь основной или
вспомогательной («дежурной») дуги. Отличитель-
ными особенностями таких устройств являются:
– постоянство энергии и амплитуды выходных
высоковольтных импульсов независимо от момен-
тов периодических включений коммутирующего
ключа генераторной части устройств;
– конфигурация формирующего контура, соглас-
но которой коммутирующий полупроводниковый
ключ подключен параллельно последовательному
соединению индуктивности L и емкости C контура;
– во многих случаях раздельные цепи импуль-
сного апериодического заряда емкости С с ис-
пользованием повышенного (по отношению к
напряжению питания устройства) напряжения по-
стоянного тока и разряда (перезаряда) этой емко-
сти, сопровождаемого переходным затухающим
процессом при каждом включении коммутирую-
щего ключа формирующего контура;
– заметно более высокий КПД, чем у возбу-
дителей и стабилизаторов дуги, у которых фор-
мирующий контур представляет собой последо-
вательное соединение коммутирующего ключа и
реактивных элементов (L и С);
– возможность в ряде случаев обеспечения
универсальности по роду напряжения питания
(входного напряжения).
Существует значительное количество работ,
посвященных импульсным устройствам, принцип
действия которых базируется на зарядно-разряд-
ных циклах емкостных накопителей электриче-
ской энергии. Теоретические основы зарядных це-
пей таких накопителей энергии наиболее полно и
подробно рассмотрены в фундаментальной работе
[1]. Вместе с тем в немногих работах, например
[2–4], посвященных асинхронным возбудителям
и стабилизаторам дуги (АВСД), вопросы анализа
электромагнитных процессов в устройствах этой
группы, их схемотехники и расчета рассмотрены
фрагментарно и в недостаточном для практиче-
ского использования объеме, что вызывает опре-
деленные затруднения при разработке и проекти-
ровании АВСД.
Цель настоящей работы — рассмотрение и
анализ процессов в АВСД с использованием из-
вестных в теоретической электротехнике мето-
дов исследования линейных цепей и выработка
рекомендаций по расчету и выбору компонентов
устройств этой группы, вытекающих из результа-
тов их анализа и опыта разработки, изготовления
и практического применения.
Особенности схемотехники, анализа и рас-
чета функциональных узлов АВСД. АВСД от-
© Н.М. Махлин, А.Е. Коротынский, 2015
26 3-4/2015
носятся к импульсным устройствам, обеспечи-
вающим в периодическом режиме накопление
электрической энергии и ее последующий расход
путем электрического разряда для создания или
удержания плазмы.
Как и в большинстве устройств с импульсным
расходом энергии, в АВСД для аккумуляции элек-
трической энергии применяют ее емкостные нако-
пители, преимуществами которых являются про-
стота осуществления коммутаций при их заряде
и разряде, а также возможность контролируемого
дозирования накопленной энергии путем стабили-
зации уровня напряжения заряда [1].
Использование емкостных накопителей обуслов-
ливает обязательное наличие в структуре АВСД
зарядного устройства (ЗУ). Помимо ЗУ, в базо-
вую структуру АВСД входят генератор импуль-
сов повышенного напряжения (ГИН) со схемой
управления и устройство ввода высоковольтных
импульсов (УВВИ) в цепь основной или вспомо-
гательной дуги (рис. 1).
Существующее в настоящее время многооб-
разие схемных решений ЗУ и протекающих в них
процессов дает основания считать, что для по-
строения ЗУ в АВСД возможно использование:
– импульсного преобразования напряжения по-
стоянного тока с помощью полупроводниковых
инверторов, конверторов DC-DC повышающего
типа, преобразователей на базе схемы Поликар-
пова (часто именуемой схемой Кука), Luo-пре-
образователей, ключевых схем с дозирующими
реакторами;
– выпрямления и повышения (умножения)
входного напряжения однофазного переменного
тока до требуемого уровня напряжения заряда ем-
костного накопителя ГИН с помощью устройств,
выполненных по схеме диодно-емкостных ум-
ножителей напряжения, например, по схеме
Кокрофта–Уолтона;
– метода резонансной накачки.
Процессы в ЗУ с инверторами рассмотрены в
работах [1, 5, 6 и др.], анализ и основы расчета
полупроводниковых конверторов DC-DC и пре-
образователей на базе схемы Поликарпова (Кука)
приведены в работах [5–8], Luo-преобразователей
— в работе [9]. Наиболее существенным и общим
топологическим признаком всех без исключения
импульсных преобразователей постоянного тока
является обязательное наличие в их составе од-
ного или нескольких индуктивных накопителей, а
также управляемых полупроводниковых ключей и
их контроллеров, обеспечивающих формирование
управляющих сигналов широтно-импульсной или
частотно-импульсной модуляции с учетом сигна-
лов обратной связи по выходному напряжению
или току. Это обусловливает определенную схемо-
техническую сложность таких преобразователей и
значительное количество необходимых компонен-
тов, что неизбежно отражается на надежности и
стоимости ЗУ и АВСД в целом.
ЗУ на основе ключевых схем с дозирующими
реакторами. Из известных полупроводниковых
импульсных преобразователей напряжения посто-
янного тока наибольшей простотой схемы и наи-
меньшим количеством ее элементов, а следова-
тельно, и наименьшей стоимостью обладают ЗУ
на основе ключевых схем с дозирующими реакто-
рами. Следует отметить, что одно из преимуществ
таких ЗУ заключается в постоянстве потребляе-
мой мощности при условии обеспечения полного
разряда дозирующих реакторов [1].
Несколько упрощенная электрическая принци-
пиальная схема АВСД с ЗУ, построенным на ос-
нове ключевой схемы с дозирующим реактором,
приведена на рис. 2, а. В таком ЗУ заряд емкост-
ного накопителя (конденсатор С2) формирующе-
го контура ГИН осуществляется за несколько дву-
стадийных циклов переключения транзисторного
ключа VT1.
В первой стадии каждого цикла, на протяже-
нии которой транзисторный ключ VT1 находится
в открытом (включенном) состоянии, происходит
аккумуляция энергии в индуктивном накопителе
(дросселе) L1. Схема замещения ЗУ для этой ста-
дии его работы приведена на рис. 2, б. В течение
первой стадии ток iL через реактор (дроссель) L1
и ток iТ через транзисторный ключ VT1 нараста-
ют от нуля до амплитудного значения Iт, а про-
цесс заряда дросселя L1 для тока iL и напряжения
uL описывается уравнениями [10], решениями ко-
торых являются
( )1 , ,âõ
âõ
R Rt tL L
L T L
U
i i e u U eR
− −
= = − =
(1)
Рис. 1. Структурная схема АВСД: 1 — ЗУ повышающе-
го типа; 2 — ГИН; 3 — входящий в состав ГИН полупро-
водниковый коммутирующий ключ; 4 — конденсатор фор-
мирующего контура ГИН; 5 — импульсный повышающий
трансформатор с первичной 6 и вторичной 7 обмотками; 8 —
УВВИ в цепь дуги; 9 — защитный (блокировочный) конден-
сатор УВВИ; 10 — схема управления АВСД; 11 — источник
питания дуги; 12 — электрод; 13 — свариваемое изделие
273-4/2015
где Uвх — напряжение питания постоянного тока
(напряжение на конденсаторе С1); R = RL + ESRC1 +
+ Rк.э + Rдоп — активное сопротивление цепи за-
ряда дросселя L1; RL — активное сопротивление
дросселя L1; ESRC1 — эквивалентное активное по-
следовательное сопротивление конденсатора С1;
Rк-э — активное сопротивление коллектор-эмит-
тер транзистора VT1 в его открытом состоянии;
Rдоп — активное сопротивление дополнительного
токоограничивающего резистора (R2); L — индук-
тивность реактора (дросселя) L1.
Необходимость введения дополнительного то-
коограничивающего резистора Rдоп (рис. 2, а, ре-
зистор R2) вытекает из того, что, как показано в
[1], при его отсутствии условие постоянства по-
требляемой мощности для первого момента заря-
да емкостного накопителя (конденсатора С2) не-
выполнимо. Кроме того, поскольку значения RL
и дифференциального сопротивления диода VD1
в его открытом состоянии (состоянии проводи-
мости) очень малы, то в рассматриваемой схеме
АВСД принципиально невозможно обеспечить
ограничение тока заряда емкостного накопителя
формирующего контура ГИН путем воздействия
на управляющий вход транзисторного ключа VT1.
Вместе с тем очевидно, что введение дополни-
тельного токоограничивающего резистора Rдоп не-
сколько ухудшает энергетические показатели ЗУ.
Наибольшее (амплитудное) значение тока Im,
которое достигается при протекании тока iL = iT в
интервале времени, соответствующем открытому
состоянию транзисторного ключа ЗУ, определяют
по соотношению
,âõ
ò.ê
m
U D
I Lf=
(2)
где D — относительная длительность открытого со-
стояния транзисторного ключа ЗУ в течение периода
Tт.к каждого цикла коммутации; fт.к = 1/Tт.к — частота
циклов коммутации транзисторного ключа ЗУ.
В начале второй стадии каждого цикла транзи-
сторный ключ VT1 (рис. 2, а) переходит в закры-
тое состояние и аккумулированная в индуктивном
накопителе L1 доза энергии
2
0
( ) / 2
í
const,L L mW u i dt LI
τ
∆ = = =∫
(3)
где τн — длительность импульса, в течение кото-
рой в дросселе L1 накапливается энергия и начи-
нает поступать в емкостной накопитель ГИН (кон-
денсатор С2). Схема замещения ЗУ для второй
стадии зарядно-разрядного цикла индуктивного
накопителя L приведена на рис. 2, в.
Для осуществления аккумуляции энергии в ин-
дуктивном накопителе L и его полного разряда в
течение второй стадии каждого цикла на частоту
fт.к коммутации транзисторного ключа ЗУ накла-
дывается обоснованное в работе [1] условие
1 ,
1,57 /ò.ê
âõm
f
LC LI U
≤
+
(4)
где С — емкость конденсатора (емкостного нако-
пителя) формирующего контура ГИН.
Так как для АВСД обычно, кроме значения
энергии импульсов, заданными являются значе-
ния напряжения заряда UC0 емкостного накопите-
ля ГИН (см. рис. 2, а, конденсатор С2) и длитель-
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема АВСД с ЗУ на основе ключевой схемы с дозирующим реактором (а) и схемы
замещения ЗУ для интервала времени, соответствующего длительности открытого (б) и закрытого (в) состояния транзистор-
ного ключа ЗУ
28 3-4/2015
ность его заряда tз, которая должна удовлетворять
условию
1 ,
ç
è
t f≤
(5)
то значение энергии WC, накопление которой
должно обеспечиваться за интервал времени tз,
составляет
2 2
0 ,2 2 ç ò.ê
C m
C
CU LI
W n W t f= = ∆ =
(6)
где fи — частота включений коммутирующего
ключа ГИН (см. рис. 2, а, ключ K); n = tз/Tт.к = tзfт.к
— количество циклов коммутации транзисторно-
го ключа ЗУ (см. рис. 2, а, транзистор VT1) за ин-
тервал времени tз.
Из решения известных уравнений с ненулевы-
ми начальными условиями [10, 11] для схемы за-
мещения, приведенной на рис. 2, в, следует, что
во второй части цикла в течение длительности им-
пульса полного разряда индуктивного накопителя
ЗУ τр напряжение uL на этом накопителе в момент
начала n-го импульса определяется как
1( ),
âõL C nu U U
−
− = − + (7)
где UC n–1 — напряжение на емкостном накопите-
ле ГИН перед началом n-го импульса, а в момент
окончания n-го импульса по формуле
1( ) / .ð
âõ
R
L
L C nu U U e
− τ
−
− = − +
(8)
Согласно работе [1] напряжение UC n–1 можно
определить по выражению
1
,( 1)nC
LU C n−
= −
(9)
мгновенное значение тока заряда iC емкостного
накопителя ГИН для n-го импульса по формуле
0 0( ) (cos 1sin ),C n mi I nτ = ω τ − − ω τ (10)
длительность τp по выражению
(1,57 arctg 1),
ð
LC nτ = − − (11)
где τ — время, отсчитываемое от момента начала
n-го импульса;
0 1 / LCω = — собственная ча-
стота LCR-контура заряда емкостного накопителя
ГИН.
На рис. 3 представлены эпюры токов iL и iVT,
протекающих через индуктивный накопитель и
транзисторный ключ ЗУ соответственно, ток за-
ряда iC емкостного накопителя ГИН (ток iVD че-
рез отсекающий диод) и напряжения uC на этом
накопителе. Из выражений (7)–(11) и рис. 3 вы-
текает, что по мере повышения напряжения uC на
емкостном накопителе ГИН длительность τр им-
пульсов зарядного тока iC и разность напряже-
ний
1n nC C CU U U
−
∆ = − постепенно уменьшаются.
Процессы аккумуляции энергии в индуктивном
накопителе ЗУ и его полного разряда, повторяю-
щиеся с частотой fт.к, продолжаются до момента,
пока напряжение на емкостном накопителе ГИН
не достигнет заданного значения UC0, после чего
в ГИН осуществляется разряд (перезаряд) послед-
него без отключения цепи его заряда. Во избежа-
ние заряда емкостного накопителя ГИН до значе-
ний напряжения UC, превышающих допустимые,
в момент прекращения генерации выходных им-
пульсов АВСД напряжение его питания или на-
пряжение Uвх должно быть отключено.
Для схемы ЗУ, приведенной на рис. 2, а, дей-
ствующее значение тока Iп, потребляемого таким
АВСД, может быть определено по соотношению
,4,9
âõ
ï
ò.ê
U
I Lf=
(12)
а необходимое для обеспечения заряда емкостно-
го накопителя ГИН амплитудное значение тока Im
(при заданных значениях UC0 и tз) по выражению
0 0 .
ç ò.ê
m C C
C CI U ULt f Ln= =
(13)
К достоинствам ЗУ, построенным на основе
ключевой схемы с дозирующим реактором (см.
рис. 2, а), следует отнести практическое отсут-
ствие ограничений по уровню входного напряже-
ния Uвх (в большинстве случаев составляющем от
50 до 350 В), а также инвариантность таких ЗУ
по роду питающего АВСД напряжения. При этом
нормальное функционирование ЗУ при питании
Рис. 3. Эпюры напряжений и токов в цепях ЗУ на основе
ключевой схемы с дозирующим реактором
293-4/2015
АВСД напряжением переменного тока не зави-
сит от его частоты. Если же для питания АВСД
предусматривается использование только напря-
жения постоянного тока, то наличие в схеме, при-
веденной на рис. 2, а, выпрямителя UZ1 и буфер-
ного конденсатора С1 не является принципиально
обязательным.
Вместе с тем на практике в ЗУ, построенных на
основе ключевой схемы с дозирующим реактором,
существуют определенные ограничения на уровень
напряжения полного заряда UC0 емкостного накопи-
теля ГИН, вызванные тем, что рост UC0 неизбежно
предопределяет и ужесточает требования к макси-
мально допустимым значениям напряжения коллек-
тор-эмиттер (Uк-э макс) транзисторного ключа VT1
(см. рис. 2, а) и напряжения на коммутирующем
ключе К формирующего контура ГИН в закрытом
состоянии этих ключей, обратного напряжения
диода VD1 и напряжений на пассивных элементах
АВСД. И хотя достижение высоких уровней UC0
принципиально возможно, исходя из опыта созда-
ния и применения АВСД, доступной номенклату-
ры ключевых полупроводниковых приборов и их
стоимостных показателей рекомендуемые значе-
ния UC0 составляют от 600 до 800 В.
При заданных значениях запасаемой энергии
импульсов WC, напряжений Uвх и UC0, частоты fи
или периода Tи (fи = 1/Tи) включений коммутиру-
ющего ключа ГИН инженерный расчет основных
компонентов ЗУ, построенного на основе ключе-
вой схемы с дозирующим реактором, можно вы-
полнить в следующем порядке.
1. Минимально необходимое значение емкости C
формирующего контура ГИН (см. рис. 2, а, емкость
конденсатора С2) определяют с помощью соотно-
шения (6) и значений, приведенных в табл. 1:
2
0
2
.C
C
W
C
U
≥
(14)
В соответствии с ранее проведенными иссле-
дованиями и полученными экспериментальными
данными в зависимости от назначения АВСД ре-
комендуемыми значениями запасаемой энергии
импульсов WC являются (0,05…0,50) Дж для воз-
будителей дуги и (0,20…0,80) Дж для импульсной
стабилизации процесса горения дуги переменного
тока [2, 3, 12].
По определенным согласно (14) или табл. 1
расчетным значениям емкости конденсатора С2
(см. рис. 2, а) выбирают ближайшее (с округленим
в большую сторону) значение из ряда (0,10; 0,15;
0,22; 0,33; 0,47; 0,68; 1,00; 1,50 мкФ). При этом
необходимое значение С может быть получено за
счет диссипативного (параллельного) включения
двух – четырех конденсаторов с полиэтиленовым
или поликарбонатным диэлектриком, характери-
стики и параметры которых соответствуют реко-
мендациям, приведенным в [13] (например, кон-
денсаторов серии PPA или PPB фирмы «ICEL»).
2. С учетом условия (4) и в зависимости от за-
данных значений частоты fи или периода Tи (fи =
= 1/Tи) включений коммутирующего ключа ГИН
(частоты или периода следования выходных им-
пульсов АВСД) и энергии импульсов WC прини-
мают значение числа n, определяющего согласно
(7) количество доз энергии CW∆ , накопление ко-
торых обеспечивает полный заряд емкостного на-
копителя ГИН до уровня UC0 за интервал времени
tз. Рекомендуемые значения n приведены в табл. 2.
3. Исходя из выражений (2), (5) и (6), выбран-
ного согласно табл. 2 числа n = WC/WC = tз/Tт.к =
= tзfт.к, определяют амплитудное значение проте-
кающего через реактор тока Im и относительную
длительность D открытого состояния транзистор-
ного ключа ЗУ. Согласно результатам проведен-
ных исследований и экспериментальным данным
в зависимости от заданных значений WC, Uвх или
UC0, fи рекомендуемые значения Im составляют от
2,2 до 3,2 А, а значения D — от 0,24 до 0,30, при
этом выбираемые в отмеченных диапазонах значе-
ния Im и D должны возрастать с увеличением зна-
чений Uвх или уменьшением значений числа n.
Т а б л и ц а 1 . Расчетные значения запасаемой энергии импульсов (Дж) в зависимости от емкости формирующего
контура ГИН
UC0, В
C, мкФ
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80
600 0,278 0,556 0,833 1,111 1,389 1,667 2,222 2,778 3,333 3,889 4,444
650 0,237 0,473 0,710 0,997 1,183 1,420 1,893 2,367 2,840 3,314 3,787
700 0,204 0,408 0,612 0,816 1,020 1,224 1,633 2,041 2,449 2,857 3,265
750 0,178 0,356 0,533 0,711 0,889 1,067 1,422 1,778 2,133 2,489 2,844
800 0,156 0,313 0,469 0,625 0,781 0,938 1,250 1,563 1,875 2,188 2,500
Т а б л и ц а 2 . Рекомендуемые значения числа n в зависимости от fи и WC
fи, Гц
WC, Дж
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80
От 50 до 100 1 2 3 4 5 6 8 8 9 10 10
Свыше 100 до 120 1 2 3 4 5 6 6; 7 8 8 8 8
Свыше 120 до 200 1 2 2 3 3 3; 4 4; 5 5 5 5 5
30 3-4/2015
4. Принимая, что индуктивность дозирующего
реактора L1 (см. рис. 2, а) линейна и не зависит от
протекающего через реактор тока iL и используя
рассчитанные или выбранные значения Im, n и D,
а также заданные значения Uвх и WC с учетом (2)
определяют L по выражению
2 ,âõ
ò.êm
U D
L
I f
=
(15)
а с учетом (6)
2
2
.C
m
W
L
I n
=
(16)
Графики зависимости L = f(Uвх, Im, D, fт.к) ил-
люстрирует рис. 4.
Рекомендуемые значения индуктивности дози-
рующего реактора L1, вытекающие из табл. 2, ди-
апазона рекомендуемых значений Im, выражений
(15), (16), а также опыта создания и применения
в АВСД ЗУ на основе ключевой схемы с дозирую-
щим реактором, приведены на рис. 5.
Теоретическим основам, анализу процессов и
методикам электромагнитного и конструктивно-
го расчетов индуктивных элементов с ферромаг-
нитными сердечниками, в том числе дросселей
ультранизких, низких и средних частот, посвяще-
но множество работ, например [14–17], соглас-
но которым по совокупности электромагнитных
и массогабаритных показателей для дозирующе-
го реактора ЗУ наиболее рациональной являет-
ся конструкция броневого типа. Такая конструк-
ция может быть построена на базе сердечников из
стандартных Ш-образных пластин или ленточных
магнитопроводов из тонколистовой холодноката-
ной анизотропной электротехнической стали ма-
рок 3411…3414, при этом длина суммарного ди-
амагнитного зазора в сердечнике дозирующего
реактора должна составлять (1,05…1,50) мм.
5. После определения индуктивности дозирую-
щего реактора L1 следует уточнить расчетное ам-
плитудное значение тока Im, для чего используем
выражение (2) или (13).
6. При определении сопротивления R резисто-
ра R2 (см. рис. 2, а) учитывают, что, во-первых,
так как Rдоп >> RL + ESRC1 + RTO, то R ≈ Rдоп, а,
во-вторых, для получения при заряде дозирую-
щего реактора L1 линейной зависимости iL = f(t)
путем использования начального (практически
линейного) участка экспоненты должно выпол-
няться условие
L/R > τз. (17)
Принимая L/R >> 1/fи и с учетом результатов
расчетов, экспериментальных данных и рекомен-
дуемых значений fт.к, Im, UC0 и L, рекомендуемые
значения сопротивления резистора R2 составляют
от 6 до 22 Ом, причем они тем больше, чем боль-
ше значение Uвх или чем меньше значение fт.к.
Большее значение мощности рассеяния PR2 макс,
выделяемой в резисторе R2 в течение первых двух
циклов заряда-разряда дозирующего реактора L1,
можно определить по выражению
2 2
2 2 2,
ìàêñ ò.äR mP I R I DR= = (18)
где / 1 /
ò.ä ò
I I D= — действующее значение
тока iL, протекающего через резистор R2. Так как
с ростом UC (см. рис. 3) ток разряда дозирующего
реактора L1 в каждом последующем цикле снижа-
ется, то к моменту окончания заряда емкостного
Рис. 4. Графики зависимости индуктивности дозирующего
реактора L = f(Uвх, Im, D, fт.к)
Рис. 5. Рекомендуемые значения индуктивности дросселя
ЗУ на основе ключевой схемы с дозирующим реактором при
UС0 = (700±100) В
313-4/2015
накопителя ГИН выделяемая в резисторе R2 мощ-
ность PR2 мин определяется как
2
20,5 2.
ìèíR mP I DR≈
(19)
Из (18) и (19) следует, что среднее значение
мощности PR2, выделяемой в резисторе R2:
2
2 0,75 2.R mP I DR≈ (20)
Если АВСД предназначен для стабилизации
процесса горения дуги переменного тока, то но-
минальную мощность PR2 ном резистора R2 выби-
раем из условия
PR2 ном ≥ 1,67PR2, (21)
в случае же применения АВСД только для пер-
воначального возбуждения дуги постоянного
тока значение номинальной мощности резистора
R2 может быть существенно снижено по сравне-
нию со значением, рассчитанным согласно (21), и
должно составлять (6…10) Вт.
В качестве резистора R2 целесообразно приме-
нять мощные резисторы серии С5–35 или серий
SPS, SQZ, SQHG [18].
7. При выборе транзистора ключа ЗУ (см.
рис. 2, а, транзистор VT1) исходят из того, что со-
гласно (5) и табл. 2 частота fт.к переключений это-
го ключа не превышает 1000 Гц, максимальное
значение напряжения коллектор-эмиттер Uк-э ≈
≈ UC0, а максимальное значение тока коллектора
Iк ≈ Im. Из этого следует, что для использования в
качестве транзисторного ключа ЗУ наиболее под-
ходят IGBT-транзисторы, у которых
Uк-э макс ≥ 1,2UC0, Iк макс ≥ 1,5Im,
Iк,и, макс ≥ 1,15(Uвх/R), (22)
где Uк-э макс — максимально допустимое напряже-
ние коллектор-эмиттер в закрытом состоянии; Iк
макс и Iк,и макс — максимально допустимый соответ-
ственно постоянный и импульсный ток коллектора
в открытом состоянии. С учетом (22) для приме-
нения в ключе ЗУ могут быть рекомендованы, на-
пример, IGBT-транзисторы IRG4BH 20K, IRG4PH
30R, IRG4PH 40KD и им аналогичные фирмы
«International Rectifier» [19] или IGW 08T120 фир-
мы «Infineon», при этом сопротивление резистора
R1 (см. рис. 2, а) в цепи затвора таких транзисто-
ров должно составлять (8…12) Ом.
8. Основными параметрами, по которым вы-
бирают диод VD1 (см. рис. 2, а), являются макси-
мально допустимые значения среднего прямого
тока IF и обратного напряжения UR, а также мак-
симальные значения прямого падения напряжения
UF и времени обратного восстановления trr. При
этом параметры диода VD1 должны удовлетворять
условиям
UR макс ≥ 1,2UC0, IF макс ≥ 1,2Iср. макс, (23)
где Iср. макс — максимальное среднее значение тока
заряда емкостного накопителя ГИН, которое мо-
жет быть определено с помощью выражения
Iср. макс = 0,5IтD. (24)
По совокупности параметров и характери-
стик для применения в ЗУ может быть исполь-
зован, например, диод BYV26E фирмы «Vishay
Semiconductors» [20].
ЗУ на основе диодно-конденсаторных умно-
жителей напряжения. По сравнению с ранее рас-
смотренным ЗУ на основе умножителей напря-
жения (УН) характеризуются отсутствием в них
индуктивных и управляемых полупроводниковых
элементов, существенно меньшими значениями
массогабаритных показателей и, следовательно,
более высокой удельной мощностью, а также за-
метно более низкой стоимостью. Несмотря на то
что УН известны еще с 30-х годов прошлого сто-
летия и до настоящего времени применяются в
телевизионной и медицинской аппаратуре, изме-
рительной технике, приборах ночного видения и
многих других областях техники [21], этот класс
устройств исследован сравнительно слабо, а ра-
боты, посвященные анализу и методике расчета
УН, относительно малочислены, например [22,
23], и в основном отражают аспекты работы УН
с питанием от источников синусоидального на-
пряжения промышленной частоты. Вместе с тем
в последнее десятилетие возобладала тенденция
интенсивного развития исследований и разрабо-
ток, а также расширения применения УН с пита-
нием импульсами высокой частоты от работаю-
щих в ключевом режиме инверторов. В ряде работ
последнего времени, например [6, 24–26], доста-
точно строго и подробно рассмотрены и проана-
лизированы аспекты схемотехники, переходные
процессы и динамические характеристики таких
УН. С учетом этого в настоящей работе целесоо-
бразно ограничиться вопросами расчета и выбо-
ра элементов УН, которые используются при по-
строении ЗУ АВСД, в частности, для обеспечения
первоначального и повторных возбуждений дуги в
инверторах для сварки неплавящимся электродом
в среде инертных газов (сварка ТИГ), например, в
моделях Master Tig 2500, Master Tig 3500 и других
фирмы KEMPPI [27].
Среди известных диодно-конденсаторных
УН в АВСД наибольшее применение получи-
ли устройства, построенные по схеме Кокроф-
та–Уолтона (схеме асимметричного однофазного
однополупериодного УН). К основным достоин-
ствам этой схемы следует отнести простоту ее
реализации и возможность использования в лю-
бой ступени (каскадов) умножения конденсато-
ров с рабочим напряжением постоянного тока, не
превышающим удвоенное амплитудное значение
32 3-4/2015
входного напряжения переменного тока (напря-
жения питания АВСД), а к недостаткам — огра-
ниченную нагрузочную способность из-за прису-
щих всем диодно-конденсаторным УН падающей
внешней вольт-амперной характеристики (и сле-
довательно, значительное выходное сопротивле-
ние rвых) и зависящего от тока нагрузки и количе-
ства ступеней умножения падения напряжения в
УН, высокую чувствительность к колебаниям зна-
чений входного напряжения и его частоты, а так-
же принципиальную необходимость использования
в качестве входного только напряжения переменно-
го тока синусоидальной или прямоугольной формы.
В результате проведенных исследований УН на ос-
нове схемы Кокрофта–Уолтона [23–26] установле-
но: значения выходного напряжения постоянного
тока Uвых практически не зависят от формы вход-
ного напряжения переменного тока; характери-
стики УН улучшаются с повышением частоты fвх
входного напряжения, значения которой должны
быть в пределах (5…50) кГц, при этом наиболее
оптимальные значения составляют (15…40) кГц;
для обеспечения приемлемых характеристик на-
грузочной способности УН его мощность должна
быть не более 50 Вт, а коэффициент умножения
(количество ступеней умножения N) составлять от
3 до 6; входное напряжение прямоугольной фор-
мы является наиболее тяжелым режимом работы
по току для диодов в каскадах УН, поэтому при
их проектировании необходимо предусматривать
меры по ограничению пусковых токов диодов.
Пример типичной принципиальной электриче-
ской схемы АВСД, ЗУ которого построено на ос-
нове четырехкаскадного УН и выполнено по схе-
ме Кокрофта–Уолтона, приведен на рис. 6.
В отрицательный полупериод входного напря-
жения конденсатор С1 (рис. 6) через открытый
диод VD1 зарядится до амплитудного значения
этого напряжения Uвх.m. За отрицательным в по-
ложительном полупериоде входного напряжения
через открытый диод VD2 до уровня 2Uвх.m заря-
дится конденсатор С2, в следующем за этим отри-
цательном полупериоде через открытый
диод VD3 до уровня 2Uвх.m зарядится
конденсатор С3, а в очередной положи-
тельный полупериод входного напряже-
ния через открытый диод VD4 до уровня
2Uвх.m зарядится конденсатор С4. Таким
образом, выходное напряжение постоян-
ного тока в режиме холостого хода УН
представляет собой сумму напряжений
на последовательно включенных и по-
стоянно подзаряжаемых конденсаторах
С2 и С4 и составляет 4Uвх.m. Согласно
[21–26] в режиме нагрузки при условии
неизменности во времени значений вход-
ного напряжения Uвх.m и его частоты fвх
выходное напряжение Uвых, построенное по схеме
Кокрофта–Уолтона УН, определяется по формуле
3 2( 9 / 4 / 2)
,12
í.ò
âûõ âõ.
âõ ñò
m
I N N N
U NU f C
+ +
= −
(25)
где Iн.т — наибольшее значение тока нагрузки УН;
Сст — емкость конденсатора каждой ступени ум-
ножения при условии Сст = С1 = С2 = С3 = С4.
При N = 4 (рис. 6) формула (25) может быть пред-
ставлена как
8,5
4 .í.ò
âûõ âõ.
âõ ñò
m
I
U U f C= −
(26)
Вычитаемое в выражениях (25) и (26) представ-
ляет собой падение напряжения ΔU = rвыхIн.т умно-
жителя, откуда значение выходного сопротивле-
ния rвых может быть определено по выражению
3 29 / 4 / 2 ,12âûõ
âõ ñò
N N Nr f C
+ +=
(27)
а при N = 4
8,5 .
âûõ
âõ ñò
r f C=
(28)
Учитывая, что fвх >> fи, а заряд емкостного на-
копителя ГИН (рис. 6, конденсатор С5) осущест-
вляется за множество полных циклов формиро-
вания выходного напряжения Uвых умножителя,
можно считать, что в первом приближении ток
iC(t) и напряжение uC(t) заряда емкостного накопи-
теля в течение длительности этого заряда τз ≈1/ fи из-
меняются по выражениям [10]
( ) , ( ) (1 ),
âûõ
t t
RC RC
C m Ci t I e u t U e
− −
= = −
(29)
где Iт — наибольшее (амплитудное) значение тока
заряда iC(t), соответствующее начальному моменту
заряда t = 0 (в который uC(t) = 0); R = Rогр + ЕSRC +
+ RL1 ≈ Rогр — сумма активных сопротивлений
токоограничивающего резистора R1 (рис. 6), эк-
вивалентного последовательного сопротивления
Рис. 6. Типичная электрическая принципиальная схема АВСД с ЗУ на ос-
нове УН, построенного по четырехступенчатой схеме Кокрофта–Уолтона
333-4/2015
конденсатора (емкостного накопителя), формиру-
ющего контура ГИН и активного сопротивления
первичной обмотки импульсного трансформато-
ра TV1. Как и в варианте ЗУ на основе ключевой
схемы с дозирующим реактором, при заряде ем-
костного накопителя ГИН напряжением, форми-
руемым с помощью УН, по мере повышения на-
пряжения uC(t) на этом накопителе ток его заряда
iC(t) уменьшается. Следовательно, значение Iн.т =
= Im = ΔU/rвых = NUвх.m/rвых + Rогр является макси-
мальным и свойствен только первому циклу заря-
да емкостного накопителя ГИН, а падение напря-
жения ΔU снижается синхронно с уменьшением
тока заряда iC(t).
Если принять ΔU = (0,07…0,10)NUвх.m, что, как
показывают результаты расчетов и измерений,
практически вполне выполнимо (графики зависи-
мости ΔU = f(N, Uвх.т) приведены на рис.7), то в
соответствии с (25) и (27) Im можно определить по
формуле
3 2
(0,07...0,10) 12
,
9 / 4 / 2
âõ. âõ ñòm
m
NU f C
I
N N N
=
+ +
(30)
а Сст по формуле
3 2( 9 / 4 / 2)
.(0,07...0,10) 12
ò
ñò
âõ. âõm
I N N N
C NU f
+ +
=
(31)
Графики зависимостей Cст = f(Im, Uвх.m) при
ΔU = 0,1NUвх.m и fвх = 20 кГц приведены на
рис. 8, а графики зависимостей Cст = f(fвх, Im) при
ΔU = 0,1NUвх.m и N = 3, N = 4÷5 — на рис. 9.
При синусоидальной форме входного напряже-
ния УН (напряжения питания АВСД) и допуще-
нии, что активное сопротивление цепи заряда кон-
денсатора каждой ступени УН пренебрежительно
мало, наибольшее (пиковое) значение IFSM и наи-
большее среднее значение IFAV прямого тока через
диод этой ступени умножения с достаточной для
практики степенью точности могут быть опреде-
лены как
IFSM = 12,56Uвх.m fвхСст, IFAV = 0,318IFSM. (32)
При прямоугольной форме входного напря-
жения УН параметр IFSM может быть определен
исходя из того, что /
ñò ñòC Ci dU dt= . Считая, что
dt = τф, где τф — длительность нарастания фрон-
та размаха входного напряжения УН, и принимая
τф = 0,04Твх (что характерно для большинства сва-
рочных инверторов), могут быть определены зна-
чения IFSM и IFAV
IFSM = 100Uвх.m fвхСст, IFAV = Uвх.т fвхСст. (33)
Экспериментально установлено, что при ис-
пользовании УН в каждом цикле заряда емкостно-
го накопителя ГИН должно выполняться условие
0,5NTвх < τз < 0,9Tи, (34)
где τз = (Rогр + rвых)С = RзС, откуда
Rз ≤ 0,9Ти/С. (35)
С учетом (27) и (35) сопротивление токоогра-
ничивающего резистора Rогр (см. рис. 6, резистор
R1) может быть рассчитано по формуле
3 20,9 9 / 4 / 2 .12
è
îãð
âõ ñò
T N N NR C f C
+ +≤ −
(36)
Расчет ЗУ на основе УН, построенного по схе-
ме Кокрофта–Уолтона, при заданных значениях
энергии импульса WC, частоты fвх или периода
Tвх входного напряжения Uвх (fвх = 1/Tвх) и часто-
ты fи или периода Tи включений коммутирующе-
го ключа ГИН (fи = 1/Tи), выполняют следующим
образом.
Рис. 7. Графики зависимости падения напряжения ΔU = f(N,
Uвх.m) в УН, построенном по схеме Кокрофта–Уолтона
Рис. 8. Графики зависимости Сст = f(Iт,Uвх.m, N) емкости ка-
ждой ступени УН при fвх = 20 кГц, ΔU = 0,01NUвх.m
34 3-4/2015
1. Выбирают уровень выходного напряжения
УН, рекомендуемые значения которого обычно
составляют Uвых = UC0 = (650 ± 50) В.
2. Используя выражение (14) и значения, при-
веденные в табл. 1, а также рекомендации для ЗУ
на основе ключевой схемы с дозирующим реакто-
ром, определяют емкость С формирующего кон-
тура ГИН, количество и конкретный тип обра-
зующих эту емкость конденсаторов (см. рис. 6,
позиционное обозначение С5).
3. Учитывая, что UC0 = Uвых = NUвх.m – ΔU и ис-
пользуя графики, приведенные на рис. 7, определя-
ют количество ступеней умножения N, амплитуды
входного напряжения Uвх.m и допустимого наиболь-
шего падения напряжения ΔU = kиNUвх.m. Исходя
из рациональных значений электрических и массо-
габаритных параметров УН, рекомендуемые зна-
чения составляют: N = 4, Uвх.m = (160…190) В, kи =
= 0,07…0,10. Если схемотехнические или конструк-
тивные особенности сварочного инвертора не по-
зволяют реализацию рекомендуемых значений N и
Uвх.m, то могут быть использованы и другие их зна-
чения с помощью приведенных на рис. 7 графиков
зависимости ΔU = f(Uвх) или выражения
Uвых = NUвх.m(1 – kи). (37)
4. Принимая N = 3÷5, Uвх.m = (160…190) В,
ΔU = 0,1NUвх.m с помощью графиков, приведен-
ных на рис. 8, определяют ориентировочное зна-
чение емкости Cст конденсатора каждой ступени
УН при рекомендуемых наибольших значениях Im
тока заряда емкостного накопителя ГИН, равных
(50…60) мА. Если же значения N или fвх отлича-
ются от указанных на рис. 8, то для определения
значения используют формулу (31), а также дан-
ные табл. 3, в которой приведены рекомендуемые
значения Im и Rз, рассчитанные с учетом их зави-
симости от значений Uвых, Tи = 1/fи и емкости С
формирующего контура ГИН, а также выражений
(14), (34) и (35) и значений, указанных в табл. 1.
5. При N = 3÷5 по приведенным на рис. 9 гра-
фикам уточняют значение Cст в зависимости от
частоты fвх входного напряжения, которое в боль-
шинстве случаев составляет (18...40) кГц. По по-
лученным значениям емкости Cст (емкости каж-
дого из конденсаторов УН) выбирают ближайшее
(с округлением в большую сторону) значение из
ряда (0,047; 0,068; 0,1; 0,15; 0,22; 0,33; 0,47; 0,68;
1,00 мкФ), при этом допустимое наибольшее на-
пряжение постоянного тока UVDC для всех кон-
денсаторов УН должно удовлетворять условию
UVDC ≥ 2,2Uвх.m. Предпочтительными являются
металлопленочные конденсаторы с полипропиле-
новым или полиэтилентерефталатным диэлектри-
ком, например, типа MPR или PPN или MER фир-
мы «HITANO».
6. С учетом определенного значения Cст и вы-
бранного соответствующего ему типономинала
конденсатора по формуле (30) уточняют расчет-
ное значение Im. В случае, если значения Im пре-
вышают рекомендованные, выбирают типономи-
нал конденсаторов УН с большей емкостью.
7. Выбор диодов УН осуществляют по таким
основным параметрам, как допустимые значения
Рис. 9. Графики зависимости Сст = f(fвх, Uвх.m) емкости ка-
ждой ступени УН при N = 3 (а), 4 (б) и 5 (в): сплошная кривая
— Uвх.m = 150 В, штриховая — 200
353-4/2015
среднего прямого тока IFAV макс и обратного напря-
жения UR макс, а также максимальные значения
прямого падения напряжения UF и времени обрат-
ного восстановления trr. При этом параметры дио-
дов должны удовлетворять условиям
IFAV макс ≥ 1,2IFAV, (38)
где IFAV — наибольшее среднее значение прямо-
го тока через диод, рассчитанное по выражениям
(32) и (33), в зависимости от формы входного на-
пряжения, и
UR макс ≥ 2,2Uвх.m, (39)
а также UF ≤ 1,6 В, а trr ≤ 100 нс.
По совокупности параметров и характери-
стик для применения в УН АВСД могут быть ис-
пользованы, например, диоды VS-20ETF04FPPbF
или VS-20ETF06FPPbF фирмы «Vishay Semi-
conductors» [20] или MURF1660CTG фирмы «ON
Semiconductor» [28].
8. С помощью формулы (36) рассчитывают со-
противление токоограничивающего резистора Rогр
(см. рис. 6, резистор R1). Наибольшее значение
мощности рассеяния
îãð ìàêñRP , выделяемой в рези-
сторе Rогр в течение первых одного-двух циклов
заряда емкостного накопителя ГИН, может быть
рассчитано по выражению
2 2( ) 0,25 ,
îãð ìàêñ îãð îãðR C RMS mP I R I R= =
(40)
где IC RMS =
2
0
1/ ( ) 0,5
è
è
T
C mT i t dt I=∫ — среднеква-
дратичное (действующее) значение тока заряда
при аппроксимации экспоненциального видеоим-
пульса тока заряда видеоимпульсом треугольной
формы. Поскольку с повышением напряжения
uC(t) на емкостном накопителе ГИН ток iC(t) его
заряда снижается и к моменту окончания заря-
да практически равен нулю, то среднее значение
мощности
îãðRP , выделяемой в резисторе Rогр, в
течение длительности заряда емкостного накопи-
теля ГИН, может быть определено как
îãðRP ≈ 0,5
îãð ìàêñRP . (41)
Если АВСД предназначен для стабилизации
процесса горения дуги переменного тока, то но-
минальная мощность
îãð íîìRP резистора Rогр долж-
на выбираться из условия
îãð íîìRP ≥ 1,43
îãðRP , (42)
а если АВСД предназначен только для возбужде-
ния дуги постоянного тока значение
îãð íîìRP мо-
жет быть существенно снижено по сравнению с
расчетным и составлять (2...8) Вт.
В качестве резистора Rогр могут применяться
резисторы серий С2–22-2 или С2–33-2 при PRогр ≤
≤ 3 Вт или серий SPS, SQZ, SQHG [18] при PRорг ≥
≥ 3 Вт.
Выводы
1. Для АВСД, встроенных в сварочные источники
питания, которые содержат звено высокочастотного
преобразования и, следовательно, высокочастотный
трансформатор, весьма эффективным представляет-
ся применение ЗУ на основе УН в силу простоты ре-
ализации и наименьших значений массогабаритных
и стоимостных показателей подобных устройств по
сравнению с ЗУ других типов. Однако использо-
вание ЗУ на основе УН целесообразно при уров-
нях энергии импульсов АВСД, не превышающих
0,25 Дж, напряжении заряда емкостного накопи-
теля ГИН не более 700 В, амплитудных значени-
ях входного напряжения (напряжения питания
АВСД) от 150 до 200 В частотой (18…40) кГц.
характерная особенность ЗУ на основе УН за-
ключается в том, что для их функционирования
Т а б л и ц а 3 . Расчетные значения Im и Rз для ЗУ на ос-
нове УН
fи, Гц 0,9Tи·102, с Uвых, В С, мкФ Rз, кОм Im, А
50 1,8
600
0,5…1,5 12,00 0,050
1,5…2,0 9,00 0,056
3,0 6,00 0,100
4,0 4,50 0,133
650
0,5…1,5 12,00 0,054
1,5…2,0 9,00 0,062
3,0 6,00 0,108
4,0 4,50 0,144
700
0,5…1,5 12,00 0,058
1,5…2,0 9,00 0,066
3,0 6,00 0,117
4,0 4,50 0,177
100 0,9
600
0,5…1,5 9,00 0,056
1,5…2,0 4,50 0,133
3,0 3,00 0,200
4,0 2,25 0,266
650
0,5…1,5 9,00 0,062
1,5…2,0 4,50 0,144
3,0 3,00 0,217
4,0 2,25 0,290
700
0,5…1,5 9,00 0,066
1,5…2,0 4,50 0,156
3,0 3,00 0,233
4,0 2,25 0,311
200 0,45
600
0,5…1,5 12,00 0,133
1,5…2,0 9,00 0,266
3,0 6,00 0,400
4,0 4,50 0,530
650
0,5…1,5 12,00 0,144
1,5…2,0 9,00 0,290
3,0 6,00 0,433
4,0 4,50 0,575
700
0,5…1,5 12,00 0,156
1,5…2,0 9,00 0,311
3,0 6,00 0,467
4,0 4,50 0,620
36 3-4/2015
принципиально необходимо питание напряжени-
ем переменного тока. При этом форма входного
напряжения (напряжения питания АВСД) прак-
тически не влияет на выходные характеристики
и параметры ЗУ, однако существенно влияет на
токи, протекающие через диоды УН. Область при-
менения АВСД с ЗУ на основе УН ограничивается
инверторными источниками питания, преимуще-
ственно для сварки неплавящимся электродом в
среде инертных газов (сварка ТИГ).
2. ЗУ на основе ключевой схемы с дозирующим
реактором по массогабаритным и стоимостным по-
казателям уступают ЗУ на основе УН, но вместе с
тем в сравнении с последними обладают рядом важ-
ных преимуществ. ЗУ на основе ключевой схемы с
дозирующим реактором не зависят от рода напряже-
ния питания АВСД и способны функционировать
при питании напряжением как постоянного, так и
переменного тока синусоидальной или прямоуголь-
ной или близкой к ним формы частотой от десятков
герц (в том числе 50 Гц) до десятков килогерц. Для
таких ЗУ практически отсутствуют ограничения как
по уровню входного напряжения, который может
быть в диапазоне от нескольких до сотен вольт, так
и по технологически обоснованным уровням энер-
гии импульсов АВСД, которые могут составлять от
0,01 до 1,00 Дж и более, при этом существует воз-
можность обеспечения стабилизации заданных значе-
ний напряжения заряда емкостного накопителя ГИН.
Они имеют широкую область применения при дуго-
вой и плазменной сварке и могут быть использованы
в традиционных источниках питания и сварочных си-
стемах и источниках питания инверторного типа. Та-
кие АВСД могут быть эффективно применены и при
ручных способах дуговой и плазменной сварки и в сва-
рочных автоматах, в частности, в одно- и многопосто-
вых системах автоматической орбитальной сварки не-
плавящимся электродом стыков трубопроводов [29].
3. В результате выполненного анализа и с учетом
опыта разработки, проектирования, изготовления и
эксплуатации АВСД разработана инженерная ме-
тодика расчета ЗУ на основе ключевой схемы с до-
зирующим реактором и ЗУ на основе УН, а также
выработаны практические рекомендации по выбору
их элементной базы, что может быть полезным не
только при разработке АВСД, но и других подобных
устройств, предназначенных для использования в
различных отраслях науки и техники.
1. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных
накопителей энергии. – Киев: Наук. думка, 1982. – 424 с.
2. Оборудование для дуговой сварки: Справ. пособие / Под
ред. В.В. Смирнова. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 656 с.
3. Темкин Б.Я. Теория и расчет возбудителей сварочной
дуги: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Л., 1981. – 16 с.
4. Пат. RU 2127482 C1. Способ возбуждения колебаний в
электрическом контуре и устройство для его осуществле-
ния / С.В. Балакин. – Опубл. 10.03.1999.
5. Моин В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзи-
сторные преобразователи. – М.: Энергия,1972. – 512 с.
6. Готтлиб И.М. Источники питания. Инверторы, конверто-
ры, линейные и импульсные стабилизаторы / Пер. с англ.
под ред. С.А. Лужанского. – М.: Постмаркет, 2002. – 544 с.
7. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи посто-
янного напряжения для систем вторичного электропита-
ния / Пер. с англ. под ред. Л.Е. Смольникова. – М.: Энер-
гоатомиздат, 1988. – 294 с.
8. Поликарпов А.Г. Импульсные регуляторы постоянного
напряжения для вторичных источников питания // Тр.
Моск. энергет. ин-та. – 1975. – Вып. 275. – С.69–75.
9. He Y., Luo F.L. Analysis of Luo converters with voltage-lift
circuit // IEE Proc. Electr. Power Appl. – 2005. – 152, № 5.
– P. 1239–1252.
10. Теоретические основы электротехники: Справочник по
теории электрических цепей / Под ред. Ю.А. Бычкова,
В.М. Золотницкого, Э.П. Чернышева. – СПб.: Питер,
2008. – 349 с.
11. Левинштейн Л.М. Операционное исчисление в задачах
электротехники. – Л.: Энергия, 1972. – 360 с.
12. Сварочные источники питания с импульсной стабилиза-
цией горения дуги / Б.Е. Патон, И.И. Заруба, В.В. Дымен-
ко, А.Ф. Шатан. – Киев: Екотехнологія, 2007. – 218 с.
13. Махлин Н.М., Коротынский А.Е. Анализ и методика рас-
чета электронных устройств последовательного вклю-
чения для бесконтактного возбуждения дуги // Автомат.
сварка. – 2014. – № 1. – С. 34–44.
14. Баев Е.Ф., Фоменко Л.А., Цымбалюк В.С. Индуктивные
элементы с ферромагнитными сердечниками. – М.: Сов.
радио, 1976. – 143 с.
15. Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справоч-
ник / Под ред. И.Н. Сидорова, В.В. Мукосеева, А.А. хри-
стинина. – М.: Радио и связь, 1985. – 416 с.
16. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей:
Справ. книга. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 488 с.
17. Справочник по электротехническим материалам / Под ред.
Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – 3-е изд.,
перераб. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – Т.3. – 728 с.
18. http: //www.dart.ru /cataloguenewresistors/ty/html/cement.
shtml
19. http: //www.irf.com
20. http: //www.vishay.com
21. Садченков Д. Умножители напряжения // Радио. – 2000.
– № 10. – С. 31–33.
22. Балабух А.И. Источники питания с умножителями напря-
жения для электронно-лучевой технологии // Изв. вузов
СССР. Электромеханика. – 1984. – № 9. – C. 113–117.
23. Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания
высокого напряжения РЭА. – М.: Радио и связь, 1986. –
200 с.
24. Блинов Ю.И., Балабух А.И., Васильев А.Г. Влияние фор-
мы напряжения входного источника на режим работы
умножителя напряжения // Изв. СПб ГЭТУ «ЛЭТИ».
Сер. Электромеханика. – 2004. – Вып. № 1. –С. 54–56.
25. Хречков Н.Г. Динамические характеристики умножителей
напряжения высоковольтных электротехнических систем:
Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Саратов, 2006. – 16 с.
26. Цариашвили А.А. Особенности работы умножителя напря-
жения при питании напряжением различной формы и ча-
стоты // Онлайн Электрик: Электроэнергетика. Новые тех-
нологии, 2014. – URL: http //www.online-electric.ru/articles
27. http: //www.kemppi.com
28. http: //www.onsemi.com
29. Одно- и многопостовые системы для автоматической
сварки неповоротных стыков трубопроводов атомных
электростанций / Н.М. Махлин, А.Е. Коротынский, В.А.
Богдановский и др. // Автомат. сварка. – 2011. – № 11. –
С. 34–44.
Поступила в редакцию 28.11.2014
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112993 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:05:29Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Махлин, Н.М. Коротынский, А.Е. 2017-01-30T20:51:38Z 2017-01-30T20:51:38Z 2015 Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 / Н.М. Махлин, А.Е. Коротынский // Автоматическая сварка. — 2015. — № 3-4 (741). — С. 25-36. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112993 621.791 Рассмотрены вопросы cхемотехники и анализа процессов в электронных вольтодобавочных устройствах асинхронного типа с последовательным включением в цепь основной или вспомогательной («дежурной») дуги, имеющих конфигурацию формирующего контура, в котором емкостной накопитель и индуктивность первичной обмотки импульсного повышающего трансформатора соединены последовательно, а коммутирующий ключ контура подключен параллельно этому соединению. В первой части работы описаны схемотехнические решения входящих в состав асинхронных возбудителей и стабилизаторов процесса горения дуги зарядных устройств на основе ключевой схемы с дозирующим реактором и диодно-конденсаторного умножителя напряжения. Анализ процесса горения дуги в цепях этих функциональных узлов асинхронных возбудителей и стабилизаторов выполнен с использованием решений известных в теоретической электротехнике уравнений. Предложены базирующаяся на этих решениях инженерная методика расчета основных компонентов зарядных устройств асинхронных возбудителей и стабилизаторов процесса горения дуги, а также рекомендации по выбору их элементной базы. Issues of circuit engineering and analysis of processes in electronic voltage boosters of asynchronous type with series switching-in of main and pilot arcs are considered. They have configuration of forming circuit, in which capacitive storage and inductance of primary winding of pulse step-up transformer have series connection, and switching key of the circuit is switched on in parallel to this connection. The first part of work describes circuit engineering solutions for imbedded asynchronous exciters and stabilizers of arcing process for charging devices based on key scheme with dosing reactor and diode-capacitor voltage multiplier. Analysis of arcing process in circuits of these functional assemblies of asynchronous exciters and stabilizers was performed using equations known in theoretical electric engineering. Engineering procedure of design of main components of charging devices for asynchronous exciters and stabilizers of arcing process as well as recommendations on selection of their element base are proposed based on equation solutions. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 Asynchronous exciters and stabilizers of welding arc. analysis and design procedure. Part 1 Article published earlier |
| spellingShingle | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 Махлин, Н.М. Коротынский, А.Е. Научно-технический раздел |
| title | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 |
| title_alt | Asynchronous exciters and stabilizers of welding arc. analysis and design procedure. Part 1 |
| title_full | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 |
| title_fullStr | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 |
| title_full_unstemmed | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 |
| title_short | Асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. Анализ и методика расчета. Ч.1 |
| title_sort | асинхронные возбудители и стабилизаторы дуги. анализ и методика расчета. ч.1 |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112993 |
| work_keys_str_mv | AT mahlinnm asinhronnyevozbuditeliistabilizatorydugianalizimetodikarasčetač1 AT korotynskiiae asinhronnyevozbuditeliistabilizatorydugianalizimetodikarasčetač1 AT mahlinnm asynchronousexcitersandstabilizersofweldingarcanalysisanddesignprocedurepart1 AT korotynskiiae asynchronousexcitersandstabilizersofweldingarcanalysisanddesignprocedurepart1 |