Источник питания инверторного типа

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИНВЕРТОРНОГО ТИПА(71) Заявители Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению Открытое акционерное общество Давид-Городокский электромеханический завод(72) Авторы Говор Геннадий Антонович Авдейчук Сергей Владимирович(73) Патентообладатели Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению Открытое акционерное общество Давид-Городокский электромеханический завод(57) Источник питания инверторного типа, содержащий преобразователь переменного промышленного напряжения в постоянное напряжение, фазовый регулятор мощности, полумостовой однотактный инвертор резонансного типа, блок управления инвертором и регулятором мощности, отличающийся тем, что сердечник высокочастотного трансформатора инвертора выполнен из композиционного магнитно-мягкого материала с высокой индукцией насыщения резонансный конденсатор инвертора выполнен из двух конденсаторов с суммарной емкостью, определяемой из условий резонанса для среднего значения индуктивности трансформатора инвертора, и соотношением величин емкостей первого конденсатора ко второму в пределах от 11 до 12, соединенных параллельно через диод, Фиг. 1 13277 1 2010.06.30 положительный электрод которого соединен с первым конденсатором, а отрицательный электрод - со вторым конденсатором, резонансный конденсатор подключен к преобразователю через транзистор регулятора мощности. Изобретение относится к источникам питания инверторного типа для сварочных аппаратов и ряда других устройств, где требуется преобразование входного промышленного напряжения, регулирование и поддержание выходных параметров. Известен источник питания, построенный по схеме однотактного прямоходового инверторного преобразователя 1. В прямоходовом преобразователе энергия в нагрузку поступает в процессе намагничивания сердечника трансформатора. Недостатком однотактного прямоходового преобразователя является невозможность ограничения выходной мощности. Известен также источник питания по схеме однотактного обратноходового преобразователя 1. В этом источнике в первом полупериоде сердечник намагничивается, а энергия в нагрузку поступает только при размагничивании сердечника во втором полупериоде. Недостатком однотактных преобразователей является их работа по частному циклу намагничивания сердечника. При использовании в качестве сердечников ферритов в силу значительной нелинейности петли частный цикл весьма незначителен 0,1-0,2 Т. Все это определяет возможность использования однотактных преобразователей на ферритовых сердечниках только для малых мощностей до 10-100 Вт. Также известен источник питания по схеме двухтактного преобразователя, позволяющий при использовании ферритовых сердечников повысить мощность до 1 кВт и выше 2. В двухтактной схеме в течение первого полупериода происходит намагничивание сердечника, а во втором - его перемагничивание в противоположном направлении. При этом энергия в нагрузку поступает как в первом, так и во втором полупериодах. Недостатком двухтактных преобразователей является отсутствие ограничения пикового потребления энергии от промышленной сети, как в случае обратноходового преобразователя. Кроме того, при работе на переменную нагрузку, например, сварочного трансформатора в режимах рабочем и короткого замыкания, условия закрытия ключевых транзисторов меняются. Изменение режима нагрузки может привести к сквозному открытию двух транзисторов двухтактного преобразователя и выходу его из строя. Наиболее близким по технической сущности является источник питания, содержащий преобразователь промышленного переменного напряжения в постоянное, фазовый регулятор мощности, однотактный полумостовой инвертор резонансного типа, блок управления инвертором и регулятором мощности 2, в котором энергия в нагрузку поступает при намагничивании сердечника по частному циклу, а рекуперация магнитной энергии сердечника происходит через диоды при его размагничивании. Указанный преобразователь принят в качестве прототипа настоящего изобретения. Недостатком указанного источника питания с однотактным полумостовым преобразователем при использовании ферритовых сердечников является его невысокая мощность. Кроме того, в указанной схеме преобразователя отсутствует возможность ограничения в потреблении энергии от промышленной сети. Задачей настоящего изобретения является разработка простого и надежного источника питания на основе однотактного полумостового резонансного преобразователя инверторного типа мощностью до 10 кВт с заданным предельным пиковым потреблением энергии от промышленной сети, регулированием и поддержанием выходных параметров. Поставленная задача в источнике питания инверторного типа, содержащем преобразователь переменного промышленного напряжения в постоянное напряжение, фазовый регулятор мощности, однотактный полумостовой инвертор резонансного типа, блок управления инвертором и регулятором мощности, решена тем, что сердечник высокочас 2 13277 1 2010.06.30 тотного трансформатора инвертора выполнен из композиционного магнитно-мягкого материала с высокой индукцией насыщения резонансный конденсатор инвертора выполнен из двух конденсаторов с суммарной емкостью, определяемой из условий резонанса для среднего значения индуктивности трансформатора инвертора, и соотношением величин емкостей первого конденсатора ко второму в пределах от 11 до 12, соединенных параллельно через диод, положительный электрод которого соединен с первым конденсатором, а отрицательный электрод - со вторым конденсатором, резонансный конденсатор подключен к преобразователю через транзистор регулятора мощности. Суммарная величина емкости составного конденсатора определяется из условий резонанса для среднего значения индуктивности высокочастотного трансформатора, а соотношение величин емкостей между первым и вторым конденсаторами лежит в пределах от 11 до 12. Настоящее изобретение описано более подробно на примере предпочтительных вариантов их выполнения, которые приведены со ссылкой на прилагаемые чертежи и не ограничивают объем правовой охраны. Фиг. 1 - схема источника питания с полумостовым резонансным инверторным преобразователем. Фиг. 2 - формы импульсов управления транзисторами инвертора 15 и форма импульсов управления транзистором регулирования мощности 16. Заявляемый источник питания, схема которого приведена на фиг. 1, включает в себя следующие элементы преобразователь переменного промышленного напряжения в постоянное (- преобразователь) 1 с конденсатором 2, транзистор 3 Т 1 управления мощностью, составной резонансный конденсатор 4 С 2 и 6 С 3 полумостового инвертора,разделяющий диод 5 1, транзисторы 7 Т 2 и 8 Т 3 инвертора, высокочастотный трансформатор 9 Т 2, рекуперирующие диоды 10 2 и 11 3, трансформатор тока 12 Т 1, блок 13 управления инвертором и регулятором мощности, фазовый регулятор мощности 14. Заявляемый источник питания работает следующим образом. При подаче сетевого напряжения включается блок 13 управления инвертором и регулятором мощности, вырабатывающий управляющие импульсы (15, фиг. 2) на транзисторах 7 Т 2 и 8 Т 3 инвертора и импульсы (16, фиг. 2) на транзисторе Т 1 регулятора мощности. При включении переключателяпри отключенных транзисторах инвертора открывается транзистор Т 1 регулятора мощности. При этом происходит заряд составного конденсатора С 2 и С 3. После закрытия транзистора Т 1 и одновременного открытия транзисторов инвертора Т 2 и Т 3 в цепи первичной обмотки высокочастотного трансформатора Т 2 протекает импульс тока. При этом сердечник трансформатора намагничивается до определенного значения магнитной индукции. При закрытии транзисторов инвертора Т 2 и Т 3 магнитный сердечник высокочастотного трансформатора размагничивается до исходного нулевого значения магнитной индукции. Индуцируемое при рекуперации энергии магнитного сердечника напряжение инвертируется посредством диодов 2, 3 и заряжает конденсатор С 3. Одновременно с этим открывается транзистор Т 1, заряжающий емкость С 2 до номинального значения. При этом диод 1 выступает в качестве затвора, разделяющего процессы рекуперации энергии магнитного сердечника и заряда конденсатора С 2 от промышленной сети. В дальнейшем описанный цикл работы инвертора повторяется. В схеме инвертора (фиг. 1) имеется трансформатор тока 12 (Т 1), сигнал с которого управляет работой фазового регулятора мощности 14. А именно, низкочастотный фазоимпульсный регулятор поддерживает заданное значение выходного тока нагрузки. Схему резонансного однотактного полумостового инвертора предпочтительно использовать с сердечником высокочастотного трансформатора на композиционном магнитномягком материале, например на основе железного порошка 100.29 или других железных порошков. Линейная часть кривой намагничивания - намагничивание с минимальными потерями - для композиционного материала составляет величину порядка В 1 Тл,тогда как для ферритов с зазором эта величина не превышает В 0,1-0,2 Тл. 3 13277 1 2010.06.30 Суммарная емкость составного трансформатора определяется из условий резонанса для среднего значения индуктивности высокочастотного трансформатора. Для применяемого композиционного магнитно-мягкого материала на основе железного порошка 100.29 начальная магнитная проницаемость составляет 0100-150, максимальная магнитная проницаемость лежит в пределах 500-750. Расчетное значение суммарной емкости резонансного определяется из среднего значения 300-350. Величина разрядной емкости С 3 определяется из минимального значения проницаемости 150-200. В результате соотношение емкостей С 2 и С 3 будет в пределах от 11 до 12. Преимуществом предлагаемой схемы является тот факт, что эффективное значение тока как в рабочем режиме, так и при любой пиковой перегрузке, например в случае короткого замыкания во вторичной обмотке, определяется из отношения заряда на конденсаторах С 2, С 3 ко времени его разряда эфф/тиС 2/2 ти,где- заряд конденсаторов С 2 и С 3, С - суммарная емкость конденсаторов С 2, С 3 резонансного контура,- напряжение на конденсаторах С 2, С 3, ти - длительность периода включения транзисторов инвертора Т 2, Т 3. Поскольку значения эффективного тока в рабочем и режиме короткого замыкания задаются параметрами схемы, это позволяет отказаться от необходимости дополнительной защиты от превышения максимального тока в цепи нагрузки. В качестве примера изготовлен источник питания с резонансным полумостовым инвертором мощностью до 3 кВт при частоте переключения инвертора 80 кГц. В источнике использовался высокочастотный трансформатор на композиционном магнитном материале. Размеры сердечника - кольцо 653530 мм. Исследование источника питания для сварочного аппарата показало его надежность как в рабочем режиме, так и в режиме короткого замыкания. При этом величина выходных параметров источника плавно изменяется от нулевых значений до максимального и стабилизируется в пределах 1 от заданного значения. Источники информации 1. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М. Энергоатомиздат, 1986. - С. 15-20. 2. Ковалев Н. Компоненты и технологии. -1. - 2005. - С.16-18. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4