Сварочный инвертор — резонансный мост с частотным регулированием на МК

Полумостовая схема блока питания

Вообще, преобразователи напряжения могут классифицироваться по многим признакам и иметь различные схемы и принципы работы.
Когда речь заходит о полумостовой схеме, обязательно подразумеваются двухтактные импульсные преобразователи напряжения (ПН).

Для понимания приведём классификацию наиболее распространённых преобразователей:

• Трансформаторные (работают на низких частотах);
• Симисторные или тиристорные (объединены, потому что принцип работы основных элементов во многом схож);
• Инверторные (преобразуют постоянные напряжения в переменные);
• Импульсные. Здесь возможны производные варианты: Дроссельные;
• Однотактные (по сути, работают в режиме дросселя) С прямоходовой схемой;
• С обратноходовой схемой.

Два такта работы подразумевают возбуждение обмоток импульсного трансформатора в обоих направлениях.

Один такт – только в одном направлении.

Все варианты имеют свои преимущества и недостатки.

Теперь перейдём непосредственно к двухтактным блокам питания.

Для наглядности лучше всего привести их простейшие схемы.

Рис. 1. Простейшие схемы двухтактных блоков питания

Принцип работы двухтактных ПН отлично иллюстрирует Push-Pull схема:

1. Возникающее магнитное поле в первичной обмотке возбуждает ток во вторичной. При поступлении положительного импульса/колебания на выход первой обмотки, транзистор срабатывает и пропускает ток.

2. При поступлении отрицательного импульса срабатывает уже вторая обмотка со своим транзистором. В этот момент первый транзистор и его обмотка простаивают. То есть они меняются местами.

Это и есть два такта работы «тяни-толкай».

Но схему можно усложнить, используя больше управляющих переключателей (транзисторов). Тогда можно обойтись только одной вторичной обмоткой, что существенно упрощает намотку импульсного трансформатора. Нагляднее всего это видно на схеме «Мост». И положительные, и отрицательные колебания подаются на одну обмотку.

Если заменить половину транзисторов на конденсаторы, получится тот самый «полумост». Конденсаторы выполняют роль сглаживающего фильтра и способствуют стабилизации напряжения.

Примеры принципиальных схем

Первый, достаточно распространённый вариант.

Рис. 2. Принципиальная схема

Ключами управляет таймер, здесь он построен на базе очень популярного ШИМ-контроллера TL-494. Чтобы импульсы маломощного генератора стали достаточными для силовых ключей VT3 и 4, они предварительно усиливаются каскадом из VT1, 2 и трансформатора TR1.

Выпрямление тока происходит уже почти на выходе схемы. За эту задачу отвечают диоды Шоттки и простые сглаживающие фильтры – конденсаторы.

В качестве 1 и 2 транзисторов могут использоваться мосфеты IRFZ34, 3 и 4-го — IRFP460.

Основная сложность – импульсные трансформаторы. Если вы хотите рассчитать свой, лучше всего воспользоваться специальным ПО.

• Первый. Каждая обмотка по 50 витков проводом 0,5 мм.
• Второй. 1 – 110 витков 0,8 мм, 2 – рассчитывается исходя из требуемого напряжения (1 виток – 2 В), 3 – 12 витков 0,8 мм.

Такая конфигурация может обеспечить питание мощностью до 500 Вт. Номинальное значение – около 300 Вт.

Второй вариант – более сложный. Но здесь предусмотрены:

• Защита от КЗ и перегрузок;
• Мягкий (софт) старт;
• Фильтры помех на входе и выходе.

Рис. 3. Принципиальная схема

В качестве драйвера здесь была выбрана микросхема IR2153.

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Поэтапное описание сборки

Сборка блока питания. В качестве основы трансформатора рекомендуется брать феррит 7×7 или 8×8. Устройство первичной обмотки осуществляется намоткой проволоки по ширине сердечника. Это улучшает работу устройства при перепадах напряжения. Используются медные провода (проволока) ПЭВ-2, а при отсутствии шины провода соединяют в пучок. Первичная обмотка изолируется стеклотканью. После слоя стеклоткани сверху наматываются витки экранирующих проводов.

Корпус. Этим важным элементом может служить старый системный блок компьютера, в котором есть достаточно необходимых отверстий для вентиляции. Использоваться может старая 10-литровая канистра, в которой можно проделать отверстия и разместить кулеры. Для повышения прочности конструкции из корпуса размещают металлические уголки, закрепляющиеся болтовыми соединениями.

Силовая часть. Роль силового блока играет понижающий трансформатор. Его сердечники могут быть двух видов: Ш 20×208 2000 нм. Между обоими элементами должен быть зазор, что обеспечивается с помощью газетной бумаги. При устройстве вторичной обмотки витки наматываются в несколько слоев. На вторичную обмотку укладывается три слоя проводов, и между ними помещается прокладка из фторопласта. Между обмотками располагают усиленный слой изоляции, позволяющий избежать пробоя напряжения на вторичную обмотку. Конденсатор должен быть напряжением не менее 1000 В.

Для обеспечения циркуляции воздуха между обмотками оставляется воздушный зазор. На ферритовом сердечнике собирают трансформатор тока, включающийся в цепь к плюсовой линии. Сердечник обматывается термобумагой, в качестве которой лучше использовать кассовую ленту. Выпрямительные диоды крепят к алюминиевой пластине радиатора. Выходы диодов соединяют неизолированными проводами, сечение которых равно 4 мм.

Инверторный блок. Основным предназначением инверторной системы является преобразование постоянного тока в переменный с большой частотой. Для ее увеличения используются полевые транзисторы, работающие на закрытие и открытие с высокой частотой. Использовать рекомендуется не один мощный транзистор, а реализовать схему на основании двух менее мощных. Нужно это для стабилизации частоты тока. В схеме должны присутствовать конденсаторы, соединяющиеся последовательно.

Система охлаждения. На стенке корпуса устанавливаются вентиляторы охлаждения, для чего могут быть использованы компьютерные кулеры. Они необходимы для охлаждения рабочих элементов. Чем больше их используется, тем лучше. Обязательно устанавливается два вентилятора для обдувки вторичного трансформатора. Один кулер обдувает радиатор, благодаря чему предотвращается перегрев рабочих элементов — выпрямительных диодов.

Стоит воспользоваться вспомогательным элементом — термодатчиком, который рекомендуется устанавливать на нагревающемся элементе. Датчик срабатывает при достижении критической температуры нагрева какого-либо элемента. После его срабатывания питание устройства отключается.

В процессе работы инверторная сварка быстро нагревается, поэтому обязательно должно быть два мощных кулера. Эти кулеры или вентиляторы помещаются на корпус устройства, чтобы работали на вытяжку воздуха. Свежий воздух поступает в систему через отверстия в корпусе. В системном блоке данные отверстия уже имеются, а при использовании любого другого материала не забудьте об обеспечении притока свежего воздуха.

Читать также: Кабель канал фото в интерьере

Пайка платы. Ключевой фактор, ведь схема основана на плате. Транзисторы и диоды на ней важно смонтировать встречно друг к другу. Монтируется плата между радиаторами охлаждения, при помощи чего и соединяется цепь электроприборов. Рассчитывается питающая цепь на 300 В напряжения. Дополнительное расположение конденсаторов 0,15 мкФ позволяет сбрасывать избыток мощности обратно в цепь. На выходе трансформатора помещаются конденсаторы и снабберы, при помощи которых гасится перенапряжение на выходе вторичной обмотки.

Настройка, отладка работы. После сборки инверторной сварки требуется еще ряд процедур, в частности, настройка функционирования. Для этого к ШИМ (широтно-импульсному модулятору) надо подключить 15 В напряжения и запитать кулер. Дополнительно в цепь включают реле через резистор R11. Реле в цепь включается во избежание скачков напряжения в сети 220 В. Важно проконтролировать включение реле, а затем подать питание на ШИМ. В итоге должна получиться картина, когда прямоугольные участки на диаграмме ШИМ должны исчезнуть.

О правильности соединения можно судить, если при настройке реле выдает 150 мА. Если сигнал слабый, значит, платы соединены неправильно. Возможно, пробита одна из обмоток. Для устранения помех укорачиваются все питающие электропроводы.

Двухтактный полумостовой преобразователь

Изучим принципиальную схему двухтактного полумостового преобразователя, носящего международное называние «half bridge» (рис. 1).

Рис.1. Двухтактный полумостовой преобразователь

Пока на затворы транзисторов не поступило напряжение, они закрыты. Напряжение в средней точке емкостного делителя, выполненного на конденсаторах С1 и С2 одинаковой емкости, составляет половину от постоянного напряжения, питающего преобразователь.

Подадим от задающего генератора на затвор транзистора VT2 отпирающее напряжение. По цепи +Uвх, конденсатор С1, обмотка трансформатора TV1, транзистор VT2, -Uвх потечет ток. На вторичной обмотке трансформатора TV1 возникнет напряжение, которое будет выпрямлено диодной сборкой VD1 и сглажено конденсатором С3. Транзистор VT1 все это время был закрыт.

Подадим запирающее напряжение на затвор транзистора VT2 и опирающее напряжение на затвор транзистора VT1. Ток потечет по цепи +Uвх,транзистор VT1, обмотка трансформатора TV1, конденсатор С3, -Uвх. На вторичной обмотке трансформатора TV1 появится напряжение противоположной полярности относительно предыдущего такта, которое выпрямит диодная сборка VD1 и сгладит конденсатор С3. Затем постоянное напряжение с конденсатора С3 будет приложено к нагрузке. Транзистор VT2 в течение второго такта закрыт.

Как видим, ток через нагрузку протекает в течение обоих тактов. Частота пульсации выходного напряжения в два раза выше частоты преобразования, что позволяет использовать конденсатор С3 сглаживающего фильтра с небольшой номинальной емкостью. Частная петля гистерезиса магнитопровода трансформатора полумостового преобразователя близка к предельной петле гистерезиса.

Пока нагрузка не соединена с ИИП, к каждому конденсатору емкостного делителя напряжения приложена половина от постоянного напряжения, питающего преобразователя. Если емкость конденсаторов делителя напряжения будет недостаточно велика, то при максимальной нагрузке в течение каждого полупериода конденсаторы будут существенно разряжаться, и напряжение на них превысит половину напряжения питания преобразователя.

Напряжение, приложенное к первичной обмотке импульсного трансформатора полумостового преобразователя, можно вычислить по формуле:

Где Uп – постоянное напряжение, питающее преобразователь;

Uнас – напряжение насыщения одного ключевого транзистора.

Емкость каждого конденсатора делителя напряжения можно вычислить по следующей формуле:

Где С – емкость конденсатора, Ф;

Iперв.макс – амплитуда полного тока через первичную обмотку трансформатора;

F — частота преобразования, Гц;

ΔUс – изменение напряжения на конденсаторе за длительность времени прохождения через него импульса полного тока Iперв.макс.

Величина приложенной к конденсатору переменной составляющей напряжения не должна превышать максимально допустимую справочную величину для компонента данной марки и типа. Важно помнить, что номинальная емкость многих конденсаторов на высокой частоте и при низкой температуре окружающей среды существенно уменьшается.

Полумостовые преобразователи нашли широкое применение при выходной мощности от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Достоинство полумостового преобразователя заключается в низком обратном напряжении, приложенном к каждому ключевому транзистору в состоянии отсечки, примерно равном постоянному напряжению питания преобразователя.

Это позволяет использовать полумостовые преобразователи при высоком питающем напряжении. Полумостовые преобразователи могут быть включены без нагрузки, и при этом не будет опасного повреждения компонентов. Частота пульсации равна удвоенной частоте преобразования.

Если емкости конденсаторов делителя напряжения строго одинаковы, ключевые транзисторы идентичны друг другу, и петля гистерезиса материала магнтопровода не содержит дефектов, то можно полагать, что подмагничивание сердечника импульсного трансформатора отсутствует. Такая картина возможна только в идеале. Так, например, в реальном полумостовом преобразователе емкости конденсаторов в делителе напряжения всегда отличны друг от друга и, следовательно, несимметрично перемагничивание трансформатора. Однако степень несимметрии обычно много меньше, чем в магнитопроводах трансформаторов однотактных преобразователей. Одним из простейших способов уменьшения подмагничиванмя сердечника полумостового преобразователя является включение неполярного конденсатора между импульсным трансформатором и средней точкой емкостного делителя напряжения.

К недостаткам относят наличие двух конденсаторов в делителе напряжения, разрушение компонентов ИИП при перегрузке по току в нагрузке при отсутствии системы защиты, меньший КПД, чем достижимый в мостовом преобразователе.

Источник: Источники питания. Москатов Е.А.

Наиболее часто применяемые высокочастотные преобразователи в сварочных инверторах

Для построения сварочного инвертора применяют три типа высокочастотных преобразователей, а именно преобразователи включенные по схемам: асимметричный или косой мост, полумост, а также полный мост. Резонансные преобразователи являются подвидами схем полумоста и полного моста.

По системе управления данные устройства можно поделить на:

— ШИМ (широтно-импульсной модуляцией);

— ЧИМ (регулирование частоты);

Могут существовать комбинации всех трех систем.

Типы высокочастотных преобразователей:

• Система полумост с ШИМ
• Резонансный полумост
• Ассиметричный или «косой» мост
• Полный мост с ШИМ
• Резонансный мост
• Полный мост с дросселем рассеивания

Система полумост с ШИМ

Блок схема показана ниже:

Один из самых простых и надежных преобразователей семейства двухтактных.

«Раскачка» напряжения первичной обмотки трансформатора силового будет равна половине напряжения питания – это недостаток данной схемы. Но плюсом является то, что можно применить трансформатор с меньшим сердечником, не опасаясь захода в зону насыщения. Для сварочных инверторов имеющих мощность порядка 2-3 кВт такой силовой модуль вполне перспективен.

Для нормальной работы силовых транзисторов необходимо ставить драйверы. Это связано с тем, что при работе в режиме жёсткого переключения транзисторам необходим высококачественный управляющий сигнал. Также обязательно наличие безтоковой паузы, чтоб не допустить одновременное открытие транзисторов, иначе они выйдут из строя.

Резонансный полумост

Довольно перспективный вид полумостового преобразователя, его схема показана ниже:

Простота резонансного полумоста в сравнении с полумостом с ШИМ обусловлена тем, что здесь присутствует индуктивности резонансной. Она ограничивает максимальный ток транзисторов, а коммутация транзисторов происходит в нуле тока или напряжения.

Протекающий по силовой цепи ток будет иметь форму синусоиды. Это снимет нагрузку с конденсаторных фильтров. В этом случае драйверы необязательны. Переключение можно выполнить импульсным трансформатором. Качество управляющих импульсов не существенно. Но должна присутствовать бестоковая пауза.

Здесь можно обойтись без токовой защиты, а форма вольт-амперной характеристики ВАХ будет иметь падающий вид, что не требует ее параметрического формирования.

Выходной ток будет ограничиваться только индуктивностью намагничивания трансформатора и сможет достигать значительных величин, если возникнет короткое замыкание КЗ. Это свойство положительно влияет на поджиг и горение дуги, но его необходимо учитывать при подборе выходных диодов.

Выходные параметры регулируются изменением частоты. Но фазное регулирование является более перспективным для сварочных инверторов. Благодаря ему можно избежать неприятного явления в виде совпадения режима короткого замыкания с резонансом. Кроме этого, он увеличивает диапазон регулирования выходных параметров. Применение фазовой регулировки может позволить изменять выходной ток в диапазоне от 0 до Imax.

Ассиметричный, или «косой» мост

Это однотактный, прямоходовой преобразователь, блок-схема которого приведена ниже:

Он популярен у радиолюбителей и у производителей сварочных инверторов. Первые сварочные инверторы строились по таким схемам – асимметричный или «косой» мост. Их качества — помехозащищенность, широкий диапазон регулирования выходного тока, надежность и простота.

— довольно высокие токи, проходящие через транзисторы;

— повышенное требование к качеству управляющего импульса. Возникает необходимость использовать мощные драйвера для управления транзисторами;

— высокие требования к выполнению монтажных работ;

— наличие больших импульсных токов, что повышает требования к конденсаторным фильтрам.

Для поддерживания нормальной работы транзисторов необходимо добавление RCD цепочек – снабберов.

Несмотря на указанные недостатки и низкий КПД устройства по схеме, асимметричный или «косой» мост до сих пор применяется в сварочных инверторах.

Полный мост с ШИМ

Представляет собой классический двухтактный преобразователь, блок-схема которого показана ниже:

По этой схеме можно получать мощность в 2 раза больше, чем при включении типа полумост, и в 2 раза больше, чем при включении типа «косой» мост, при этом величины токов и соответственно потери во всех трех случаях будут равны. Это можно объяснить тем, что напряжение питания будет равным напряжению «раскачки» первичной обмотки трансформатора силового.

Для того, чтоб получить одинаковые мощности с полумостом (напряжение раскачки 0,5Uпит.) необходим ток в 2 раза! меньше чем для случая полумоста. В схеме полного моста с ШИМ транзисторы будут работать поочередно – Т1, Т3 включены, а Т2, Т4 выключены и соответственно наоборот при изменении полярности. Через трансформатор тока отслеживают и контролируют значения амплитудное тока протекающего через эту диагональ. Для его регулирования есть два наиболее часто применяемые способы:

• Оставить неизменным напряжение отсечки, а изменять только длину импульса управления;
• Проводить изменения уровня отсекающего напряжения по данным с трансформатора тока при этом оставляя неизменным длительность импульса управления;

Оба способа могут позволить проводить изменения выходного тока в довольно больших пределах. У полного моста с ШИМ недостатки и требования такие же, как и у полумоста с ШИМ.

Резонансный мост

Является наиболее перспективной схемой высокочастотного преобразователя для сварочного инвертора, блок-схема которого показана ниже:

Резонансный мост не сильно отличается от полного моста с ШИМ. Разница в том, что при резонансном подключении последовательно с обмоткой трансформатора подключают резонансную LC цепочку. Но ее появление полностью меняет процесс перекачки мощности. Уменьшатся потери, увеличится КПД, снизится нагрузка на входные электролиты и электромагнитные помехи уменьшатся. Драйверы нужно применять только тогда, когда используются MOSFET транзисторы, имеющие емкость затвора более 5000 pF. IGBT могут обойтись лишь наличием импульсного трансформатора.

Управление выходным током может производится двумя способами – частотным и фазовым.

Полный мост с дросселем рассеивания

Схема идентична схеме резонансного моста или полумоста, только вместо резонансной цепи LC последовательно с трансформатором включают не резонансную LC цепь. Емкость С, примерно С≈22мкф х 63В, работает как симметрирующий конденсатор, а индуктивное сопротивление дросселя L как реактивное сопротивление, величина которого будет линейно изменятся в зависимости от изменения частоты. Преобразователь управляется частотным способом. При увеличении частоты напряжения сопротивление индуктивности возрастет. А это уменьшит ток в силовом трансформаторе. Поэтому довольно большое количество промышленных инверторов строят по такому принципу ограничения выходных параметров.

Сварочные аппараты «Резонвер»

Производитель сварочных аппаратов представляет компактные дуговые сварочные аппараты для применения в самых разнообразных ситуациях: от огорода до строительной площадки. Это ручная дуговая сварка и воздушно-плазменная резка в одном корпусе «Rezonver Hybrid» весом всего 4,5 кг и инверторный сварочный аппарат «Rezonver Pride» весом 3,5 кг с максимальной силой тока 180 А. Дуговая сварка еще никогда не была такой компактной, мощной, надежной и функциональной.

Производство сварочных аппаратов «Rezonver» осуществляется на современном оборудовании европейского уровня. Двойной контроль качества обеспечивает потрясающую производительность и надежность продуктов «Rezonver».

Всё о сварке

Аппарат для сварки труб

Работа с трубами – один из сложнейших технических процессов в сварке. Если мы выбираем аппарат для такой задачи, то первое, о чем нужно задуматься, – какие трубы мы будем сваривать.

Сварочный аппарат-инвертор для дома

Идеальным вариантом для дома является сварочный инвертор, который можно с легкостью использовать без профессиональных навыков. Аппарат станет настоящим помощником и сможет полностью удовлетворить ваши потребности.

Надежные инверторные сварочные аппараты

Сварочные технологии стремительно развиваются и предоставляют широкие возможности для осуществления строительных, монтажных, ремонтных и других видов работ. Наряду с традиционным сварочным оборудованием все больше популярности приобретают сварочные аппараты инверторного типа.

Качественный сварочный аппарат инвертор

Инверторные сварочные аппараты — это самое современное и эффективное оборудование для ручной дуговой сварки. Инверторы просты в эксплуатации, их можно носить буквально с ремнем на плече, кроме того, они обладают рядом несомненных преимуществ: небольшой вес и компактные размеры;

Однофазные инверторы напряжения

Простейшая однофазная полумостовая схема инвертора напряжения с активно-индуктивной нагрузкой представлена совместно с диаграммами токов и напряжений на рис. 4.2. Рассмотрим работу схемы при допущении идеальности ее элементов, а также источников входного напряжения с ЭДС

Предположим, что инвертор работает в установившемся режиме и на интервале 90 — п

ток гн проводит транзистор VT1. В момент 9 =
л
поступает запирающий импульс на транзистор VT1 и отпирающий — на транзистор VT2. Последний может начать проводить ток, если к нему будет приложено прямое напряжение. Однако поскольку ток в индуктивности
Lu
скачком изменяться не может, в ней возникает противо-ЭДС, под воздействием которой открывается диод
VD2,
через который продолжает протекать ток индуктивности. Одновременно из-за смены полярности напряжения на нагрузке скачком изменяется направление тока в активном сопротивлении
RH.
Результирующий ток нагрузки г’м =
i, + iR,
имеющий индуктивный характер, продолжает протекать в прежнем направлении через диод
VD2
в источник
UA/
2, минус которого соединен с анодом диода
VD2.
Так как этот ток протекает навстречу ЭДС источника, то на этом интервате
(к —
9,) идет процесс возврата энергии, накопленной в индуктивности, в источник напряжения. В момент 9 = 9, ток гн становится равным нулю, диод
VD2
закрывается и открывается транзистор VT2, на управляющем переходе которого существует отпирающий сигнал, и появляется прямое напряжение, т.е. обеспечиваются условия его перехода в проводящее состояние. Далее процессы периодически повторяются под воздействием управляющих импульсов СУ, структура которой показана на рис. 4.2, я. В этой системе частота следования импульсов управления определяется задающим генератором (ЗГ), затем через распределительное устройство (РУ) поступает на формирователи импульсов управления (ФИ1 и ФИ2) транзисторов VT1 и
VT2.
В результате на выходе инвертора формируется периодическое напряжение прямоугольной формы. При этом на стороне постоянного тока будет протекать ток id,

представленный на рис. 4.2,
б,
где знак «+» соответствует поступлению тока в нагрузку, а знак «-» — возврату части этого тока в ис-

Рис. 4.2.
Однофазный полумостовой инвертор напряжения:
а —

схема;
б —
диаграммы работы

точник, т.е. обмену реактивной мощностью, накапливаемой в индуктивности ?н, и возврату ее в источник.

С учетом изложенного можно записать следующие основные соотношения, определяющие параметры инвертора. Выходное напряжение

при разложении в гармонический ряд имеет вид

где 9 = со?; со = 2л:/— угловая частота напряжения;/— частота коммутации транзисторов.

Мгновенное значение тока нагрузки с

учетом выражения (4.1) можно записать как

Баланс входной Рт

и
выходной
РВЬ1Х
активных мощностей:
Средние и действующие значения токов в диодах VD

1,
VD2
и транзисторах VT1,
VT2
можно получить, используя известные соотношения, предварительно проинтегрировав выходной ток г„ на интервалах (0 — 90) и (90 —л) с учетом скачков тока в моменты коммутации 9 = 0 и 9 = л.

Более распространенной является однофазная мостовая схема (рис. 4.3, а).

Рассмотрим ее работу с учетом ранее принятых допущений при активно- индуктивной нагрузке, в которой дроссель
LH
и резистор
RH
соединены по-

Рис. 43.
Однофазный мостовой инвертор напряжения:
а

— схема;
б
— диаграммы работы следовательно. Допустим, что открыты транзисторы
VTI
и
VTA
, напряжение на нагрузке имеет полярность, указанную без скобок на рис. 4.3, я, а ток нагрузки нарастает по экспоненциальному закону. В момент 9 =
л
поступают управляющие импульсы, запирающие транзисторы VTI, VT4 и отпирающие VT2, V73. Поскольку ток
in
в индуктивности нагрузки не может измениться скачком, он продолжает протекать в том же направлении, но уже не через транзисторы VT1 и
VTA,
а через диоды
VD2
и VD3, которые включаются при выключении транзисторов VT1 и VT4 из-за возникновения прогиво-ЭДС в индуктивности нагрузки, превышающей напряжение источника питания
Ud.
Включение диодов VD2

и
VD3
приводит к изменению знака напряжения на нагрузке на противоположный (полярность, указанная на рис. 4.3,
а
в скобках). Под воздействием встречного напряжения ток нагрузки /н, протекающий через диоды
VD2
,
VD3
в источник питания, будет уменьшаться также по экспоненциальному закону. При спадании тока
in
до нуля (в момент 9 = 9,) диоды
VD2
и
VD3
выключаются, и ток нагрузки начинают проводить транзисторы
VT2
и VT3, на управляющих выводах которых присутствует управляющий импульс. Далее аналогичные процессы периодически повторяются.

Таким образом, на нагрузке будет формироваться напряжение в форме меандра с амплитудой Ud.

Ток нагрузки будет иметь экспоненциальную форму, а значение его определится параметрами нагрузки. Ток через диоды протекает на интервалах, начала которых совпадают с моментами поступления управляющих импульсов, а длительность зависит от индуктивности нагрузки. Во время протекания тока через диоды происходит возврат энергии из нагрузки в источник постоянного тока. Отсутствие диодов в схеме приводило бы к появлению недопустимых перенапряжений на транзисторах. Диаграмма тока, потребляемого от источника постоянного напряжения, приведена на рис. 4.3,
6.
На этой диаграмме положительные площади соответствуют отдаче энергии источником постоянного напряжения, а отрицательные — приему.

Закон изменения токов в схеме удобно в данном случае определить, используя метод мгновенных значений, так как ток нагрузки в момент коммутации не изменяет своего значения. Дифференциальные уравнения для тока нагрузки на интервале 90 — к

и
к —
9, имеют следующий вид:

где знак «плюс» соответствует интервалу 90 — л, а знак «минус» — интервалу п —

9,.

Запишем решение уравнения (4.4) в общем виде:

Постоянная интегрирования А

определяется из условий непрерывности тока нагрузки при коммутации и повторяемости его формы в каждом периоде в установившемся режиме работы:

С учетом полученного значения А

выражение (4.5) можно записать в следующем виде:

Средние значения токов транзисторов и диодов можно найти интегрированием уравнения (4.8) на интервалах Э0 — п

и
к —
9,. Согласно уравнению (4.8) токи в элементах инвертора напряжения являются функциями параметров нагрузки, в то время как в инверторе тока параметры нагрузки определяют форму и значение выходного напряжения. В рассматриваемой схеме выходное напряжение имеет прямоугольную форму с амплитудой, равной напряжению питания
Ud.
Разложив кривую прямоугольной формы в гармонический ряд, получим амплитуду первой гармоники выходного напряжения:

Из принципа работы рассматриваемого инвертора следует, что его выходное напряжение не зависит от нагрузки. Если источник, питающий инвертор напряжения, имеет одностороннюю проводимость (например, выпрямитель), то его необходимо шунтировать конденсатором для приема возвращаемой из нагрузки энергии.

«Жесткая» внешняя характеристика инвертора (зависимость выходного напряжения от нагрузки) является, в общем случае, его положительным свойством. Однако практически всегда возникает потребность в регулировании выходного напряжения. Наиболее простым способом реализации этой потребности является изменение импульса выходного напряжения на интервалах положительного и отрицательного полупериодов. Такой способ сходен с принципом импульсной модуляции напряжения. Однако из-за отсутствия сигнала модуляции повышенной частоты этот способ называют иногда широтно-импульсным регулированием

(ШИР), так как изменение ширины импульса выходного напряжения производится на основной частоте выходного напряжения. Рассмотрим этот способ на примере однофазной мостовой схемы.

В случае активной нагрузки форма тока повторяет форму напряжения, и широтно-импульсное регулирование выходного напряжения можно осуществить уменьшением длительности управляющих импульсов на угол а

(рис. АЛ, а).

Действующее значение выходного напряжения инвертора при таком способе управления транзисторами и чисто активной нагрузке будет равно

Амплитудные значения гармонических составляющих выходного напряжения при длительности проводящего состояния транзисторов X

=
к — а
вычисляются по формуле

где п —

номер гармонической составляющей
(п =
1, 3, 5. ).

На практике часто требуется стабилизация действующего значения первой гармоники выходного напряжения при изменении входного в диапазоне от Udmin

до
Udmax.
Для этого необходимо изменять угол управления от ну- ля (при
Ud = UdmJ
до ашах (при
Ud = Udm
J:

При этом будет изменяться гармонический состав выходного напряжения. С увеличением угла а относительное содержание высших гармоник в кривой выходного напряжения будет увеличиваться.

Если нагрузка активно-индуктивная, то после выключения транзисторов ток в нагрузке продолжает протекать в течение некоторого времени, определяемого количеством запасенной энергии в индуктивности нагрузки,

Рис. 4.4.
Широтно-импульсное регулирование напряжения в мостовом инверторе:
а —

диаграмма напряжения при активной нагрузке;
б —
диаграммы напряжения и тока

при активно-индуктивной нагрузке в прежнем направлении через обратно включенные диоды. При включении обратных диодов выходное напряжение изменяет свой знак на противоположный (рис. 4.4, б).

В момент снижения тока нагрузки до нуля напряжение на нагрузке вновь становится равным нулю. Проявление отрицательной площадки в кривой выходного напряжения изменит его гармонический состав. Для устранения этого нежелательного явления требуется на время паузы а шунтировать нагрузку, например, с помощью двух встречно-параллельно соединенных транзисторов. Однако это усложняет схему. Значительно проще данная задача решается изменением алгоритма управления посредством осуществления импульсной модуляции (см. гл. 5).

Двухтактный повышающий преобразователь: развитие топологии

Известно большое количество конвертеров повышающего типа, в том числе и двухтактных: мостовой конвертер с дросселем постоянного тока на входе, нулевая топология

Рис. 1. Двухтактный полумостовой повышающий конвертер: а) исходная топология; б) базовая топология с дополнительными размагничивающими обмотками дросселей; в) с общим магнитосвязанным дросселем

(push-pull) с дросселем постоянного тока в цепи питания и др. Рассматриваемый в данной статье конвертер и его основные разновидности были предложены в работе [1]. В зарубежной литературе за ним закрепилось название two inductor current-fed boost half-bridge converter — полумостовой повышающий конвертер с двумя дросселями на входе и гальванической развязкой между входом и выходом (далее — 2ДППК).

На рис. 1 показаны основные разновидности 2ДППК. Исходная топология приведена на рис. 1а. Питание первичной обмотки силового трансформатора Tr1 осуществляется от «источников тока» в виде дросселей постоянного тока Dr1 и Dr2. Обязательным условием нормального функционирования схемы, приведенной на рис. 1а, является управление ключами VT1, VT2 с коэффициентом заполнения D > 0,5.

Иными словами, должно быть исключено состояние, при котором оба ключа одновременно выключены, так как в этом случае возникают высоковольтные импульсы напряжения на стоках ключей из-за отсутствия у дросселей Dr1 и Dr2 путей сброса тока, накопленного в течение замкнутого состояния ключей. На практике выбирается величина Dmin = 0,52–0,55. Данная топология обладает следующими положительными свойствами:

• В конвертере 2ДППК принципиально отсутствуют сквозные токи между ключами.
• Конвертер «не боится» насыщения магнитопровода силового трансформатора — в случае «замагничивания» магнитопровода каждый ключ коммутирует токи обоих дросселей, которые линейно по времени увеличиваются в течение периода коммутации. Но этот процесс существенно более медленный из-за большей индуктивности дросселей, чем при экспоненциальном росте тока намагничивания силового трансформатора при его насыщении в конвертерах с питанием от источника напряжения. Это обстоятельство предоставляет ШИМ-контроллеру достаточное время для «принятия решения» и ограничения тока через ключи.
• Конвертер имеет высокий коэффициент передачи по напряжению: V0 = 2/(1 – D) × Vinn, где Vin — напряжение питания конвертера, n — коэффициент трансформации силового трансформатора, V0 — выходное напряжение.
• Конвертер обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом.

Практически, конвертер с исходной топологией может использоваться либо в регулируемом режиме с D > 0,5, либо как нерегулируемый с фиксированным коэффициентом заполнения D = 0,52–0,55 и в таком виде не представляет особого интереса, но тем не менее применяется в качестве, например, входного преобразователя напряжения солнечных панелей [2].

Возможно преобразование исходного варианта 2ДППК в регулируемый при фиксированном значении D. Для этого вводится резонансный формирующий контур, что позволяет использовать в качестве регулирующего выходное напряжение параметра частоту коммутации ключей. Одновременно с этим появляется возможность реализовать режим «мягкой» коммутации силовых транзисторов [2, 3].

Чтобы устранить основной недостаток исходной топологии — невозможность использования ШИМ-регулирования в широком диапазоне изменения 0 0,5 возможна, но в данной статье не рассматривается. В связи с низким питающим напряжением и малой выходной мощностью конвертера цепи снижающие коммутационные потери не применялись. При изготовлении дросселей использовались магнитопроводы из феррита из соображений удобства работы с разборным сердечником. Для минимизации массогабаритных показателей дросселей следует использовать магнитопроводы с максимальной доступной индукцией насыщения, такие как Kool-Mu, High Flux, XFlux, Molypermalloy, порошковое железо.

Бестрансформаторный вариант 2ДППК может применяться и при высоком питающем напряжении, например в устройствах с питанием от промышленной сети 220 В/ 50 Гц. В этом случае потребуется использовать высоковольтные транзисторы с максимальным рабочим напряжением не менее 800 В, что может рассматриваться как минус данной топологии. Однако этот недостаток можно преодолеть, включив силовые транзисторы последовательно по питанию, а не параллельно, как в базовой схеме. Пример такого «высоковольтного» 2ДППК с мостовым вторичным выпрямителем показан на рис. 9а. На рис. 9б представлен способ замены мостового вторичного выпрямителя на двухполупериодный. Диоды VD1 и VD2 на рис. 9а являются рекуперационными.

Рис. 9. «Высоковольтный» вариант 2ДППК с двумя вариантами вторичных выпрямителей

Улучшение теплоотвода

Первый недостаток, которым грешит подавляющее большинство недорогих инверторных аппаратов — плохая схема отвода тепла с силовых ключей и выпрямительных диодов. Начинать доработку в этом направлении лучше с увеличения интенсивности принудительного обдува. Как правило, в сварочных аппаратах устанавливают корпусные вентиляторы с питанием от служебных цепей напряжением 12 В. В «компактных» моделях принудительное воздушное охлаждение может вовсе отсутствовать, что для электротехники такого класса, безусловно, нонсенс.

Достаточно просто увеличить воздушный поток путём установки нескольких таких вентиляторов последовательно. Проблема в том, что «родной» кулер скорее всего придётся снять. Чтобы эффективно работать в последовательной сборке, вентиляторы должны иметь идентичную форму и число лопастей, а также скорость вращения. Собрать одинаковые кулеры в «стопку» крайне просто, достаточно стянуть их парой длинных болтов по диаметрально противоположным угловым отверстиям. Также не стоит беспокоиться о мощности источника служебного питания, как правило её достаточно для установки 3–4 вентиляторов.

Читать также: Токарно револьверный станок с чпу 1в340ф30

Если внутри корпуса инвертора недостаточно места для установки вентиляторов, можно приладить снаружи один высоко. Его установка проще по той причине, что не требуется подключение к внутренним цепям, питание снимается с клемм кнопки включения. Вентилятор, разумеется, должен устанавливаться напротив вентиляционных жалюзеек, часть которых можно вырезать, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление. Оптимальное направление потока воздуха — на вытяжку из корпуса.

Второй способ улучшить теплоотвод — замена штатных алюминиевых радиаторов на более производительные. Новый радиатор нужно выбирать с наибольшим количеством как можно более тонких рёбер, то есть с наибольшей площадью контакта с воздухом. Оптимально в этих целях использовать радиаторы охлаждения компьютерных ЦП. Процесс замены радиаторов довольно прост, достаточно соблюдать несколько простых правил:

1. Если штатный радиатор изолирован от фланцев радиоэлементов слюдой или резиновыми прокладками, их нужно сохранить при замене.
2. Для улучшения теплового контакта нужно использовать кремнийорганическую термопасту.
3. Если радиатор нужно подрезать, чтобы он поместился в корпус, обрезанные рёбра нужно тщательно обработать надфилем, чтобы снять все заусенцы, иначе на них будет обильно оседать пыль.
4. Радиатор должен быть плотно прижат к микросхемам, поэтому предварительно на нём нужно разметить и просверлить крепёжные отверстия, возможно, потребуется нарезать резьбу в теле алюминиевой подошвы.

Дополнительно отметим, что нет смысла менять штучные радиаторы отдельно стоящих ключей, замене подвергаются только теплоотводы интегральных схем или нескольких высокомощных транзисторов, установленных в ряд.