автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование резонансных тиристорных инверторов для источников питания дуговой электросварки

^ ^ВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

, г ^

На правах рукописи

ЛОПАТКИН Николай Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ТИРИСТОРНЫХ ИНВЕРТОРОВ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ

Специальность 05. 09. 03 -

Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК -1998

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники Новосибирского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Г. С. Зиновьев

Официальные оппоненты: кандидат технических наук,

профессор Ю. Д. Коэляев

доктор технических наук, член-корр. РАЕН Б. Ф. Снмоиов

Ведущая организация - НИИ "ЭЛСИБ", г. Новосибирск

Защита диссертации состоится " 29 " декабря 1998 г. в 1()оо Часов на заседании специализированного совета К 063. 34. 01 Новосибирского государственного технического университета по адресу: 630092, г. Новосибирск - 92, пр. Карла Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим прислать по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан ". " ноября 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

к. т. н., доцент

Г. А. Шапшуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время луговая электросварка занимает ведущее место в сварочном производстве. Наряду с совершенствованием технологии сварки актуальной для данной отрасли является проблема создания оборудования, отвечающего современным требованиям.

Монтажные и ремонтно-строительные организации, ЖЭУ, гаражные и огородно-садоводческие кооперативы, сельскохозяйственные структуры различных типов, индивидуальные застройщики, автолюбители и другие категории людей, которым приходится производить сварные работа, сталкиваются с трудностью, а то и с невозможностью транспортировки сварочного оборудования к месту расположения спариваемых изделий. Поэтому сейчас приходится оснащать источниками питания дуги (ИПД) все возможные места выполнения сварочных работ или, если это опять же возможно, каждый раз транспортировать сами свариваемые изделия.

Такое состояние организации выполнения сварочных работ является результатом того, что выпускаемые промышленностью источники питания для ручной дуговой электросварки, как правило, содержат сетевой трансформатор, во многом определяющий массогабаритные и энергетические показатели источника в целом. Таким образом, большие габариты и пес трансформаторных источников ограничивают возможности оперативной организации сварочных работ, причем резкий рост пен на обмоточную медь и трансформаторную сталь приводит к росту себестоимости таких источников при неизменных потребительских свойствах.

В связи с вышеизложенным проблема совершенствования технико-экономических показателей источников питания для электродуговой сварки связана прежде всего с исключением из их структуры входного трансформатора за счет введения преобразовательного звена повышенной частоты. Увеличение частоты передаваемых напряжений и токов позволяет резко уменьшить массогабаритные показатели всех реактивных элементов, дает экономию металла и материалов, улучшает динамические свойства источника питания.

Как показывает опыт стран Западной Европы и США, где различные фирмы выпускают серийно десятки типов различных по структуре бестрансформаторных источников, новое поколение источников уверенно занимает свое мссю на рынке рядом с традиционным» трансформаторными источниками. При этом в нашей стране, в связи с разукрупнением больших промышленных и строительных предприятий и организаций и расширени-

ем сети мелких и средних частных производственных структур, потребность в переносных источниках в ближайшие годы будет расти.

Итак, проблема разработки переносных бсстрансформаторных источников питания для сварки является для России актуальной.

Дальнейшее развитие схемотехники источников питания для сварки требует, в свою очередь, дальнейшего развития методов анализа и расчета электромагнитных процессов в них. Так, для тех инверторных ИПД, где центральным звеном является резонансный инвертор, несмотря на появление в последние годы у нас и, в особенности, за рубежом, казалось бы, достаточного количества публикаций, посвященных проектированию и исследованию его основных классов и внесших весомый вклад в теорию и практику расчета, остается актуальной задача получения интегральных характеристик установившегося режима работы в аналитической форме, удобной для анализа и параметрической оптимизации реактивных элементов инвертора.

Целью диссертационной работы является исследование установившихся электромагнитных процессов в однофазных резонансных инверторах, используемых в составе источников питания дуговой сварки на постоянном токе со звеном повышенной частоты, разработка методики расчета и оптимизации основных энергетических характеристик однофазных мостовых и нолумостовых инверторов с обратными диодами.

Методы исследования. При анализе электромагнитных процессов в резонансных инверторах мостового и полумостового видов с обратными диодами использовался прямой метод расчета интегральных характеристик процессов в преобразователях - метод алгебраизации дифференциальных уравнений (АДУ) и методы теории электрических цепей, а для проверки достоверности аналитических результатов и для получении характеристик предложенной схемы резонансного инвертора - метод машинного моделирования.

Научная новизна работы заключается:

- в уточнении математической модели однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами в установившемся режиме;

- в развитии теории однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно при частотном и широтном способах регулирования выходного напряжения;

- в результатах анализа основных энергетических характеристик исследуемых инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями

второго, третьего и четвертого порядков, а также с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно, как при учете основных реактивных параметров Т-образной схемы замещения выходного трансформатора, так и в предположении его идеальности;

- в полученном аналитическом выражении для установленной мощности реактивных элементов типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых инверторов и аналитическом выражении для оптимизированного по минимуму этой величины значения одного из параметров данной комму тирующей цепи;

- в полученных аналитических выражениях для схемного времени выключения тиристоров исследуемых инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими пенями второго и 1ретьсго порядков;

- в применении в предложенной схеме квазиоднотактного резонансного инвертора принципа отработки заданного времени восстановления управляющих свойств тиристоров.

Практическая ненноегь работы. Разработана инженерная методика как расчета основных энергетических характеристик однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, так и выбора конфигурации и основных параметров коммутирующей цепи в зависимости от требований, предъявляемых видом сварки к параметрам внешней характеристики инвертора. Проведена оптимизация параметров типовой коммутирующей цепи четвертого порядка по минимуму установленной мощности реактивных элементов.

Реализация работы. Настоящая диссертация подготовлена в НИЛ Эпергооптимизации преобразовательных систем (ЭОПС) кафедры промышленной электроники в процессе работы автора в составе группы сотрудников лаборатории в рамках республиканской госбюджетной программы "Оборудование и технология дуговой сварки, наплавки и пайки" и но гранту МЭИ "Основы анализа и синтеза энергоэффективных модуляционных токовых преобразователей".

Результаты работы в виде методик и рекомендаций внедрены в АКБ "Якорь" (г. Москва) и в НПО "Коминтерн" (г. Новосибирск) и использованы при проектировании опытно-промышленного и серийного образцов ти-ристорных инверторных источников питания для дуговой электросварки на постоянном токе. Информация, необходимая для освоения выпуска пере-

поеных ИПД, передана также на следующие предприятия: торгово-промышленное объединение "Урал", ПО "Сснер", АО СибПКТИ.

На защиту выносятся основные положения и результаты диссертационной работы, сформулированные в заключении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (г. Новосибирск, 1993г.) на трех международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г. Новосибирск, 1994г., 1996г., 1998г.), на международной научной конференции "Power Electronics and Motion Control" (Варшава, 1994г.), а также на научных семинарах кафедры промышленной электроники НГТУ в 1993-1998гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе получен патент на изобретение.

Структура и объем работа. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (115 наименований) и приложений. Содержит 185с. основного текста, 87с. иллюстраций, 4 таблицы, 10с. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и научная новизна работы, дано краткое ее описание.

В первой главе дан сравнительный анализ схемотехнических решений источников питания для сварки и обзор моделей и методов расчета электромагнитных процессов в автономных резонансных инверторах.

Показано, что основными классами источников питания дуги с высокочастотным преобразованием энергии, обладающих высокими массогаба-ритными и энергетическими показателями, являются источники питания с явным промежуточным звеном постоянного напряжения с автономными инверторами (резонансные инверторы с обратными диодами (РИ с ОД)) и источники питания без явного звена постоянного тока.

Отмечено, чтоДост ижение в транзисторных инверторных источниках лучших, чем в тиристорных, массогабаригных показателей и качества сварки, несмотря на значительный прогресс в технологии транзисторов, сопряжено с повышением себестоимости ИПД, что делает не менее значимой разработку мобильных источников на вентилях с неполным управлением, т.е. в тиристорном варианте.

Таким образом, выявлена актуальность разработки различных модификаций тиристорного РИ с ОД как центрального блока структуры с явным промежуточным звеном постоянного напряжения.

Показано, что специфические требования, предъявляемые к РИ с нагрузкой в виде сварочной дуги (прежде всего, работоспособность в режимах холостого хода (XX) и короткого замыкания (КЗ)), вызывают необходимость рассмотрения различных альтернативных вариантов последовательно-параллельных инверторов, выполненных по классическим мостовой и полумостовой схемам с коммутирующими цепями (КЦ) порядка выше второго.

Обоснован выбор для анализа электромагнитных процессов прямого метода расчета интегральных характеристик - метода АДУ, разработанного проф. Г.С. Зиновьевым и позволяющего получить в аналитическом виде основные энергетические характеристики РИ с ОД при произвольной конфигурации и произвольном порядке эквивалентной КЦ (ЭКЦ), благодаря отсутствию необходимости нахождения корней характеристического уравнения исходного дифференциального уравнения (ДУ).

Во второй главе развита теория мостового и полумостового РИ с ОД с произвольной конфигурацией ЭКЦ до четвертого порядка включительно и исследованы характеристики РИ с типовыми видами ЭКЦ при частотном способе регулирования выходного напряжения. Предложена методика расчета основных энергетических характеристик РИ для выбора конфигурации и основных параметров КЦ.

Место РИ в структуре инверторного источника питания с явным звеном постоянного тока для дуговой электросварки на постоянном токе, осуществляющего тройное преобразование вида электрической энергии (переменное напряжение 50Гц - постоянное напряжение - переменное напряжение высокой частоты - постоянное напряжение) показано на рис.1, где Ф1 - входной фильтр, необходимый для обеспечения электромагнитной совместимости источника с питающей сетью; В1 - входной выпрямитель; Ф2 - фильтр входного выпрямителя; АИ - автономный высокочастотный инвертор - центральный блок структуры; В2 - выходной выпрямитель; ФЗ -фильтр выходного выпрямителя; СУ - система управления источником.

Место пассивного четырехполюсника КЦ в схеме РИ на базе мостового инвертора с ОД и с трансформаторным выходом показано на рис.2.

Вторичная обмотка трансформатора нагружена неуправляемым выпрямителем, индуктивным фильтром, предназначенным для обеспечения непрерывности сварочного тока, и собственно сварочной дугой.

Используемые в работе схемы замещения РИ с ОД с произвольной конфигурацией четырехполюсника ЭКЦ, изображены на рис.3.

Напряжение на выходных зажимах вентильного комплекта (ВК) АИ в рассматриваемых случаях представляется источником э.д.с. прямоугольной формы в, мгновенное значение которой выражается через сумму ряда нечетных гармоник:

Здесь Е - значение постоянной э.д.с. источника питания мостового РИ или половина входного напряжения, т.е. напряжение, присутствующее на каждой из емкостей, образующих среднюю точку источника питания полумостового РИ; (Оу - круговая частота импульсов управления одной пары тиристоров инвертора; У^ - коэффициент искажения э.д.с. (?, У^ =---,где

Е

Ещ - действующее значение первой гармоники э.д.с. е^у,

В четырехполюснике ЭКЦ, кроме параметров КЦ, учитываются и реактивные (индуктивные) параметры выходного трансформатора и, в общем случае, нагрузки.

Нагрузка в виде сварочной дуги - как переменного тока, так и питаемой выпрямителем - в упрощенном виде может' быть представлена активным сопротивлением И.н, приведенным к первичной стороне выходного трансформатора. Данная схема замещения, изображенная на рис.3,а, может адекватно отображать процессы в РИ при малом значении индуктивности

фильтра Ь,ф (рис.2). Ее ограничением является невозможность получения

непосредственно в ее рамках точного выражения для входного тока КЦ I/, необходимого для расчета схемного времени выключения тиристоров ВК, и рост порождаемой ею погрешности расчета при росте значения индуктивности фильтра.

Второй вариант схемы замещения РИ, представленный на рис.3,б, позволяет распространить модель на выпрямитель, фильтр и нагрузку в виде

дуги при большом значении индуктивности фильтра При этом ток, потребляемый первичной обмоткой выходного трансформатора РИ, представляется источником переменного тока I так же, как и э.д.с., прямоугольной формы, синфазного с выходным напряжением инвертора М„.

Мгновенное значение выходного тока / представляется суммой ряда, аналогичного ряду э.д.с.:

« 0,900.

I = -72^/2,--—Т2-•

И=1 2/1-1

Здесь / - приведенное к первичной стороне трансформатора значение сглаженного тока па выходе выпрямителя; <р - разность фаз между меандрами, а значит, и между первыми гармониками э.д.с. е и тока /; Л/^ - коэффициент искажения тока источника тока У[ = , где - действующее значение первой гармоники выходного тока ¡щ, ввиду совпадения

формы кривой тока I с формой кривой э.д.с. С' V] = УЕ — V.

Данная схема замещения позволяет получить выражение для мгновенных значений входного тока КЦ I / на любом интересующем нас интервале методом гармонического синтеза. Ее ограничением является невозможность учета индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния вторичной обмотки выходного трансформатора.

Возможно более точное эквивалентирование выхода инвертора за

счет учета угла коммутации у в выходном выпрямителе путем изменения

формы тока источника тока I в последней схеме с прямоугольной (меандра)

на трапецеидальную с длительностью боковых сторон трапеции, равной у. Однако расчет основных характеристик в данной усложненной модели показал, что вносимая поправка, хотя и имеет место при больших относительных значениях потребляемого нагрузкой тока, но достаточно мала.

Наконец, возможно построение третьего варианта схемы замещения инвертора, когда пологовозрастающий характер вольтамперной характеристики сварочной дуги при ручной дуговой сварке в воздухе учитывается

введением активного сопротивления Л^ и противо-э.д.с. , величина которых зависит от величины сварочного тока. Обычно данная модель используется для расчета динамических характеристик источников питания. Однако естественные статические характеристики, получение которых является задачей, решаемой в рамках данной рабо ты, вполне адекватно описываются в рамках моделей, соответствующих рис.3.

Схемы послсдовательно-параллельного инвертора, полученные путем добавления в четырехполюсники ЭКЦ простейшего вида тех или иных реактивных элементов при фиксированной структуре ВК, образуют семейства, в часшости, мостового и полумостового РИ с ОД. Ценой увеличения количества элементов ЭКЦ исключаются основные недостатки последовательной и параллельной схем при сохранении их основных достоинств и получении дополнительных степеней свободы, позволяющих оптимизировать те или иные характеристики инвертора путем обоснованного выбора параметров вводимых элементов колебательного контура.

Искомая математическая модель для расчета характеристик инвер-торного источника методом АДУ, соответствующая избранной схеме замещения, принимает форму ДУ Д'-го порядка с постоянными коэффициентами для интересующей нас переменной, справедливого в некотором диапазоне параметров КЦ. Для схемы замещения рис.3,а ДУ общего вида для напряжения на нагрузке РИ при произвольной конфигурации ЭКЦ запишется следующим образом:

14 = 0)

и=0 ОХ п=0 аг

Ограничимся 4-ым порядком рассматриваемых ЭКЦ и ДУ вида (1).

Если нагрузка (сопротивление ) »ходит хотя бы в один контур, не содержащий последовательного участка с индуктивностью (это может быть и контур с источником э.д.с. е), то Оп Ф ./ (К,,) при = 1, и РИ с рассматриваемой ЭКЦ следует отнести к классу, условно называемому РИ с идеальным выходным трансформатором, для которого интегральное уравнение (ИУ), не содержащее величину , имеет вид:

а0ин + а2Мн2) + я4и«4) + + Ь^и? = с10е + с12е(2) + с1^е{А). (2)

Здесь коэффициенты соответствуют (1) следующим образом:

для д - четных ач = Ьд =0, Бн-д,

ДЛЯ д - нечетных (1(/ =0, Ьд = (1ц = 0.

Для класса РИ с реальным выходным трансформатором Ип = при А^ = 1, и не содержащее величину ИУ имеет вид:

Ь0гн +Ь21н] +Ь41(п] +а1и,, + а3и^) = с11е + с13е(3), (3) где для д - четных =0, = = 0;

для д - нечетных = ~ ¿> = 0, ^ = ~ £>лт-<г

Л. Л,

Модели, представляемые схемами замещения рис.3, предназначены для описания установившихся электромагнитных процессов в режиме непрерывного входного тока инвертора (РНТИ), когда может быть применен метод эквивалентного источника, позволяющий рассматривать процессы в любой момент времени и использовать для расчета основных характеристик инвертора метод АДУ. Кроме того, входной ток КЦ тиристорного РИ

I] всегда должен быть опережающим по отношению к э.д.с. £? для обеспечения восстановления запирающих свойств тиристоров Приводимые ниже граничные условия работоспособности РИ и применимости разрабатывае-

мых моделей позволяют наложить ограничения на сочетание значений параметров ЭКЦ, нагрузки, управления и питания инвертора.

1. В самом общем случае произвольной величины тока нагрузки и произвольных конфигурации и порядка ЭКЦ значения параметров схемы замещения должны быть таковы, чтобы значение функции входного тока

КЦ вычисленное по модели для момента начала интервала прово-

димости одной пары тиристоров, совпадало, а для момента окончания интервала проводимости - было противоположным по знаку по отношению к

действующей на данном интервале "квадратной полуволне" э.д.с. в. При

этом функция должна принимать нулевое значение только один раз на каждом полупериоде управления. Данное условие относится к работоспособности как самого тиристорного РИ, так и модели РНТИ.

2. Обеспечение емкостного характера входного сопротивления ЭКЦ четвертого порядка в крайних режимах работы достигается принадлежностью круговой частоты импульсов управления СОу следующим интервалам:

а) доя класса РИ с идеальным выходным трансформатором -

- из условия режима XX

О < (Оу < 60 а5 (зона 1) или 00^ < 03у < 0)а2 (зона 2), где й>а] 2 - значения

частот резонанса напряжений, а в)сх - значение частоты резонанса токов ЭКЦ в режиме XX нагрузки инвертора;

- из условия режима КЗ

2

ЭКЦ в режиме КЗ нагрузки;

б) для класса РИ с реальным выходным трансформатором -

- из условия режима КЗ

О < О)у < (дьI (зона 1) или (Оск < (Оу < 03Ь2 (зона 2), где СОЪ\ 2 - значения

частот резонанса напряжений, а 0)ск - значение частоты резонанса токов ЭКЦ в режиме КЗ нагрузки инвертора;

- из условия режима XX

2

ЭКЦ в режиме XX нагрузки.

Для зон 1 и 2 следует дополнительно проводить проверку обеспечения режима РНТИ в соответствии с положениями п. 1.

Частоты последовательного резонанса ЭКЦ определяются через коэффициенты ИУ следующим образом:

а) для класса РИ с идеальным выходным трансформатором - по ИУ (2) -

< (Оу < СОь (зона 3), где 0)ь - значение частоты резонанса напряжений

< (Оу < Сйа (зона 3), где СО а - значение частоты резонанса напряжений

б) для класса РИ с реальным выходным трансформатором - по ИУ (3) -

При понижении порядка ЭКЦ число резонансных частот уменьшается, а в любом из крайних режимах имеется лишь одна резонансная частота и один рабочий интервал, аналогичный интервалу зоны 3 ЭКЦ четвертого порядка.

Так, для обеспечения работоспособности на XX в режиме РНТИ ти-ристорного РИ с идеальным трансформатором с ЭКЦ второго и третьего порядков круговая собственная частота последовательного резонанса ЭКЦ 1 должна быть соотнесена со значением СОу в соответствии с известным неравенством: со у <соа < 2 аз у.

Условия последнего пункта позволяют с некоторой погрешностью (не учитывается влияние высших гармоник тока I]) произвести предварительный выбор частотного режима работы инвертора.

При расчете характеристик принят ряд упрощающих допущений, практически не снижающих точности результатов: 1) напряжение на входе ВК неизменно и может быть представлено постоянной э.д.с. Е; 2) тиристоры и диоды ВК и выходного выпрямителя являются идеальными; 3) активные сопротивления конденсаторов и катушек индуктивности, являющихся элементами КЦ, и активные сопротивления схемы замещения выходного трансформатора равны нулю.

В соответствии с алгоритмом АДУ получены представленные ниже выражения основных интегральных характеристик мостового и полумостового РИ с ОД с произвольной конфигурацией ЭКЦ до четвертого порядка включительно.

Для РИ с идеальным трансформатором выведены в относительных единицах, соответствующих базовым величинам напряжения 116—Е, тока 1б =—— и определяемого для каждого типа схем сопротивления Яб, выражения -

1) с использованием схемы замещения рис.3,а -

а) внешних и регулировочных характеристик (действующих значений (ДЗ) первой гармоники напряжения на нагрузке РИ и выходного напряжения с учетом высших гармоник ин при принятой первого уровня асимптотического приближения метода АДУ N=1):

а ! 1

Г со

(4)

и:

где ай) = а()

(1-, . с1.

(1~> , _ т ы2 , "4 и

2 Н 4 ' £У 0 2 4 ' СОу СО у <Оу соу

у;

коэффициенты а^, (¿^ и соответствуютИУ (2),

и ^

V а0 -

[ (Оу \ >

1Н(\) - первая гармоника тока нагрузки РИ и ток нагрузки с учетом т*

высших гармоник /„ при N=1,

К^ге - интегральные коэффициенты гармоник порядка q=0...4 (известные константы);

б) энергетической характеристики (коэффициента гармоник напряжения на нагрузке при N=1):

Кгин ~

аша0Кб .

V "ю

{У/А»)2

2) с использованием схемы замещения рис.3,б при принятии допущения о совпадении начальных фаз первых гармоник тока источника тока

и напряжения М„(1) на нагрузке РИ ^„(1), т.е.

9>{\)=<Р = <Р„{\у- (5)

Г 7*

а) ДЗ напряжения на нагрузке РИ с учетом высших гармоник и н при ЛГ= 1:

\2

(вг)ш

V ай ,

- V,

щ

где

для иI), благодаря принятому допущению (5) и тождественной замене

1Н = I, справедливо (4); б) коэффициента гармоник напряжения на приведенной нагрузке при

ЛИ:

Кгт ~

а,.

Яо

^ 2 о 2 ^ / 2

^Л^ш-УАвг^-зК1

_АР

«о

72 7 2

и(вг)а °(вг)ш

и>1

4,

В диссертации приведены выражения аналогичных характеристик РИ с идеальным трансформатором, полученные по данной схеме замещения для случая, когда допущение (5) из-за большой погрешности результатов расчета является неприемлемым. Используемое при этом уточненное значение <р может быть определено путем численного решения уравнения

ин (й>у() = 0 или машинного моделирования в среде пакета "ПАРУС".

Для РИ с реальным трансформатором с использованием схемы замещения, соответствующей рис.3,а, выведены выражения

а) ДЗ напряжения на нагрузке РИ с учетом высших гармоник IIн при N=1:

где аш =

со

1 " со,,

4вг)й) _

й>„

при данном определении аю, с1ш и описывается (4);

б) коэффициента гармоник напряжения на нагрузке при ЛМ:

1

У,I

\ 2

и,

со(вг)/

Отмечено, что при малых номерах допущения метода АДУ приемлемая для инженерных расчетов погрешность определения составляющих по высшим гармоникам полученных характеристик соответствует области малых токов для класса РИ с идеальным трансформатором и области малых напряжений - для класса РИ с реальным трансформатором.

Показано, что при 00у —> б)а1 2 (0)а2 а 1=0 = С0а) РИ приближается

по свойствам внешней характеристики к источнику переменного тока (ИПТ), ДЗ тока нагрузки РИ при этом стремится к оцениваемому первой гармоникой следующему значению:

1нИПТ

; КипТ( 1) _ уЕ^б

= /

*0)

° в>у=*>а1.2 т«

где - ДЗ первой гармоники тока КЗ РИ;

а при (^¿2[са41=0 =<уг>) приближается по свойствам

внешней характеристики к источнику переменного напряжения (ИПН), а ДЗ напряжения на нагрузке РИ при этом стремится к оцениваемому первой гармоникой следующему значению:

1

и:

' нИПН ~ инИПНО) ~ УЕ^б

0

где Унх(\) - ДЗ первой гармоники напряжения XX РИ.

Таблицы, содержащие варианты конфигурации ЭКЦ, которые могут быть реализованы в практических разработках, соответствующие им коэффициенты ИУ и основные параметры характеристик РИ двух рассматриваемых классов представлены в диссертации.

На рис.4 показаны типовые варианты ЭКЦ РИ с идеальным выходным трансформатором (ЬС-, ЬСС- и ЬССЬ- типов) и ЭКЦ РИ с реальным выходным трансформатором, учитывающие основные реактивные параметры Т- образной схемы замещения (СТ- и ЬСТ- типов). Построенные для данных схем энергетические характеристики приведены в диссертации. Для схем РИ с ЭКЦ ЬС- и 1.СС- типов получены аналитические выражения для схемного времени выключения тиристоров.

Для схемы РИ с ЭКЦ ЬССЬ- типа получено аналитическое выражение для установленной мощности реактивных элементов. Показано, что данная

¡г 1Т

величина имеет минимум при значении параметра к[ = _ —, определяв-

и

«(1)

мом по формуле

I 1 + 3 к2сп20

при условии «о

II +

где Щ - частотно-зависимый (регулирующий) параметр,

&>п

Л0=-(Оу

Внешние и регулировочные характеристики (по первой гармонике) схемы РИ с ЭКЦ ЬССЬ- типа показаны соответственно на рис.5 и 6, где

О),.

(Ог

<0^

ПР =

(О,

(О, =

1 а 1 я =

-у Ыу -у - —

В разработанной методике расчета характеристик и выбора адекватной типу сварки схемы ЭКЦ используются соотношения для величин тока КЗ и напряжения XX и жесткости оцениваемой первыми гармониками внешней характеристики РИ, с учетом наиболее значимых неравенств частотных ограничений.

В третьей главе развита теория и исследованы характеристики рассматриваемых инверторов при широтном способе регулирования выходного напряжения.

Для случая пшропюго способа регулирования выходного напряжения (ШРН) однофазного одномостового РИ, разработанного, в частности, В.Д. Куликом, получено выражение для интегральных коэффициентов гар-

-рМ

моник Л геа произвольного порядка q:

Ш = l-Sqa---1, где Sqa = tó})2 + 1 + V

11 + cosa 4 \ /

(а /т \2т

*яа

а - регулирующий параметр (фазовый угол задержки подключения контура ЭКЦ и нагрузки к источнику питания).

Для РИ с произвольной конфигурацией ЭКЦ при ШРН в аналогичной форме получен тот же набор характеристик, что и при рассмотрении частотного способа регулирования.

Для РИ с типовыми ЭКЦ различных порядков, рассмотренных во второй главе, для случая ШРН в диссертации приведены те же основные характеристики.

Внешние характеристики (по первой гармонике) и зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения Кгин (для режимов, близких к режиму XX) для РИ с ЭКЦ IX- тина при ШРН приведены на рис.7, где . (О /

со „ = у .

у /Ч

В четвертой главе проведено сравнение результатов расчета с результатами моделирования, рассмотрены модернизированные схемы резонансных инверторов для сварки, а также представлены результаты практических разработок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен качественный сравнительный анализ схемотехнических решений источников питания для дуговой электросварки, показавший, что для проектирования обладающих высокими энергетическими и массогаба-ритными показателями мобильных источников постоянного сварочного

тока с питанием от однофазной сети актуальна разработка различных модификаций тиристорного резонансного инвертора, как центрального блока структуры с явным промежуточным звеном постоянного напряжения.

Отмечена перспективность генерации семейства последовательно-параллельных инверторов с обратными диодами, выполненных по мостовой и полумостовой схемам, изменением конфигурации коммутирующей цепи для удовлетворения специфических требований, предъявляемых к резонансному инвертору нагрузкой в виде сварочной дуги.

2. Разработаны схемы замещения для установившегося режима непрерывного входного тока однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, филыром и сварочной дугой, и развита анали тическая теория мостового и полумостового резонансных тиристорных инверторов с обратными диодами с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно как при частотном, так и при широтном способах регулирования выходного напряжения.

3. В результате анализа внешних характеристик исследуемых инверторов с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи показано, что последовательно-параллельный резонансный инвертор с обратными диодами является универсальным типом автономного инвертора, способным при определенных значениях частоты управления обеспечить естественные характеристики, близкие по виду к характеристикам как идеального источника переменного тока, гак и идеального источника переменного напряжения.

4. Показан принцип и для типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых инверторов проведена аналитическая параметрическая оптимизация по минимуму установленной мощности реактивных элементов.

5. Показано, что введение управления длительностью подключения к источнику питания контура, содержащего коммутирующую цепь и нагрузку исследуемых видов инвертора, увеличивая число степеней свободы системы, позволяет:

а) снять остроту проблемы обеспечения условий коммутации вентилей при регулировании выходного напряжения;

б) получить оптимальную по соотношению первой и высших гармоник форму эквивалентной э.д.с., прикладываемой к контуру вентильным комплектом;

в) регулировать величины тока в режиме источника тока и напряжения в режиме источника напряжения последовательно-параллельного резонансного инвертора с обратными диодами.

6. Даны рекомендации но выбору конфигурации коммутирующей цепи и метода регулирования выходного напряжения и разработана инженерная методика как расчета основных энергетических характеристик однофазных мостовых и нолумостовых инверторов с обратными диодами и высокочастотным трансформаторным выходом, отличающихся видом коммутирующей цепи, так и выбора и параметрической оптимизации элементов коммутирующей цени инвертора в зависимости от требований, предъявляемых конкретным видом сварки к основным параметрам внешней характеристики, а именно к величинам напряжения холостого хода, тока короткого замыкания инвертора и жесткости характеристики.

7. Предложено новое схемотехническое решение резонансного инвертора для сварки - квазиоднотактный инвертор, реализующий принцип отработки заданного времени восстановления управляющих свойств тиристоров.

8. В результате численных экспериментов с использованием пакета прикладных программ "ПАРУС" показана адекватность применения схемы замещения, в которой трансформаторный выход резонансного инвертора, нагруженный выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, моделируется источником тока в форме меандра и трапеции, при больших значениях индуктивности выходного фильтра источника питания.

9. Доведение результатов теоретических исследований до практической реализации разработанного варианта резонансного инвертора в макетном, опытном и серийном образцах мобильного источника питания для сварки на постоянном токе показало достоверность основных аналитических результатов и возможность обеспечения существенного улучшения массогабаритных показателей источника питания дуги (ИПД на 140А, весом 12кг) за счет применения разработанной методики оптимального проектирования резонансного инвертора с обратными диодами.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: 1. Зиновьев Г.С., Лопаткин H.H. Расчет характеристик резонансного инвертора прямым методом. // Проблемы электротехники. Тезисы докладов научной конференции с международным участием. Секция 4. Новосибирск, НГТУ, 1993. - с.48-52.

2. Зиновьев Г.С., Лопаткин H.H. Резонансные инверторы с емкостным выходом инверторных источников питания для сварки. // АПЭП - 94. Труды второй международной научно-технической конференции. - Новосибирск, 1994. - Том 7. - с.97-101.

3. Lopatkin N.N., Zinoviev G.S. A New Approach to Analysis of Resonant Inverters. II PEMC' 94. Conference publication. Warsaw, Poland, 1994, vol. 2, pp.12541257.

4. Лопаткин H.H. Расчет времени выключения вентилей в инверторах с емкостным выходом с коммутирующей цепью третьего порядка. И Сборник трудов НГТУ. Выпуск 1. Новосибирск: НГТУ. - 1995. - с.126-131.

5. Патент 2094196 РФ. Источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе. / Г.С. Зиновьев, H.H. Лопаткин. - Бюл. № 12, 1997.

6. Лопаткин H.H. Квазиоднотактный резонансный тиристорный инвертор. // АПЭП-96. Труды третьей международной научно-технической конференции. - Новосибирск, 1996. - Том 8. - с.56-58.

7. Баховцев И.А., Бакланов С.Н., Зиновьев Г.С., Лопаткин H.H. Мобильный инверторный источник питания для дуговой электросварки. // Электроснабжение и электрооборудование речных судов и промышленных предприятий. / Сб. научн. трудов под ред. В.П. Горелова. - Новосибирск: Издательство НГАВТ, 1997. -с.89-95.

8. Лонагкин H.H. Расчет прямым методом интегральных характеристик мостового резонансного инвертора с обратными диодами при широтном регулировании выходного напряжения. II Труды IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (АПЭП-98). - Новосибирск: НГТУ, 1998. - Том 7. - с.93-97.

<¡>1

Рис. J

VTlT 7 2 î

ypl VT3

¿ïvia

VT4^ 7 2 Î

rav1—4 VT?J

туп У-

AVDZ

4 ü?

Рис.2

а)

Рис.3

б)

L Сз

L CS

i

={=С

—<1-О 0-

TL -X

с <lp

LC

LCC

С Li L2

LCCL

Ы L2

H

Lu

CT

Рис. 4

X

Lu

LCT

я

п,= о 0.2 0.3 }

04

05 0.6 07

0,5

0 2 4

Я„=1.82 Пр-0 5 /*

Рис.5. Внешние характеристики РИ с ЭКЦ типа ЬССЪ

0 s

/*=0 0.7511.151 35 18 4 10 10

4 И0

/*= 0 0 75 1 0.75 О 0 0.75 1 0.75 О

1

1

[ 1

\

\ А

/ <

(

\

\

\

J

У

О 1

/*= О 0.75 1.3 1 8 4 10 10 4 1.8 1.3 0.75

2

П0

Рис.6. Регулировочные характеристики РИ с ЭКЦ типа I.CCL

Uh(I) 10

Я 1/8 1/4 3/8 1/2

5/8 5

3/4

7/8

0,5

'"(1)

Кгин 0,1

(ûy - 0.55

0.85 0.9 0.93 0.95

Рис. 7. Характеристики РИ с ЭКЦ типа LC при ШРН

Подписано в печать 26.11.98. Формат 60x84. Бумага офсетная. Тираж 80 экз. Уч.-изд. л. 1,25. Печ.л. 1,5. Заказ №

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

/ /

■Л (}

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛОПАТКИН Николай Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ТИРИСТОРНЫХ ИНВЕРТОРОВ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ

Специальность 05. 09. 03 -

Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Зиновьев Г. С.

НОВОСИБИРСК -

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................... 6

1. АНАЛИЗ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ. ОБЗОР МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ.......................................... 13

1.1. Сравнительный анализ технических решений источников питания для сварки........................................................................... 13

1.1.1. Источники питания с явным звеном постоянного напряжения.. 15

1.1.2. Источники питания без явного промежуточного звена постоянного тока........................................................................... 20

1.2. Модели и методы расчета электромагнитных процессов в автономных резонансных инверторах............................................. 24

1.3. Постановка задачи исследования..................................................... 28

Выводы.............................................................................................. 32

2. АНАЛИЗ МОСТОВОГО РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА С ОБРАТНЫМИ ДИОДАМИ ПРИ ЧАСТОТНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ..................... 35

2.1. Место резонансного инвертора в структуре источника питания

для сварки.......................................................................................... 35

2.2. Структура и схемы замещения мостового резонансного инвертора с обратными диодами..................................................... 38

2.3. Генерация множества схем мостовых и полумостовых резонансных инверторов с обратными диодами............................. 47

2.4. Расчет основных характеристик резонансных инверторов

с идеальным выходным трансформатором...................................... 56

2.4.1. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью второго порядка..................................... 56

2.4.2. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной

коммутирующей цепью третьего порядка.................................... 79

2.4.3. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка................................ 97

2.4.4. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик............................................. 99

2.5. Расчет основных характеристик резонансных инверторов с реальным выходным трансформатором......................................... 144

2.5.1. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик............................................ 145

2.5.2. Характеристики инвертора с последовательной эквивалентной коммутирующей цепью....................................... 152

2.5.3. Характеристики инвертора с некоторыми вариантами эквивалентной коммутирующей цепи третьего порядка............ 156

2.5.4. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка............................... 171

2.6. Расчет схемного времени выключения вентилей инвертора.......... 174

2.6.1. Мгновенное значение входного тока эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка инвертора с идеальным выходным трансформатором................................... 179

2.6.2. Расчет схемного времени выключения тиристоров инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью третьего порядка......................................................................................... 188

2.7. Расчет установленной мощности реактивных элементов инвертора с типовой коммутирующей цепью четвертого

порядка................................................................................................... 190

2.8. Рекомендации по применению различных вариантов схемы

коммутирующей цепи........................................................................... 211

Выводы................................................................................................... 216

3. АНАЛИЗ МОСТОВОГО РЕЗОНАНСНОГО ИНВЕРТОРА С ОБРАТНЫМИ ДИОДАМИ ПРИ ШИРОТНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ..................... 220

3.1. Широтное регулирование выходного напряжения одномостового резонансного инвертора с одним источником питания................................................................................................... 220

3.2. Интегральные коэффициенты гармоник эквивалентной э.д.с.

при широтном регулировании выходного напряжения.................. 229

3.3. Расчет основных характеристик резонансных инверторов с идеальным выходным трансформатором.......................................... 232

3.3.1. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью второго порядка...................................... 234

3.3.2. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью третьего порядка..................................... 243

3.3.3. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка................................. 245

3.3.4. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией

V/ и ____

эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик............................................... 254

3.4. Расчет основных характеристик резонансных инверторов

с реальным выходным трансформатором......................................... 263

3.4.1. Развитие теории инвертора с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка и расчет его основных характеристик............................................... 263

3.4.2. Характеристики инвертора с последовательной эквивалентной коммутирующей цепью......................................... 266

3.4.3. Характеристики инвертора с некоторыми вариантами эквивалентной коммутирующей цепи третьего порядка............. 267

3.4.4. Характеристики инвертора с типовой эквивалентной коммутирующей цепью четвертого порядка................................. 272

3.5. Расчет установленной мощности реактивных элементов инвертора с типовой коммутирующей цепью четвертого

порядка................................................................................................... 276

3.6. Сравнение двух исследуемых методов регулирования выходного напряжения и рекомендации по применению различных

вариантов схемы коммутирующей цепи........................................... 277

Выводы................................................................................................... 278

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ИНВЕРТОРОВ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ............ 280

4.1. Моделирование мостового резонансного инвертора с обратными диодами................................................................................................... 280

4.1.1. Моделирование инвертора с коммутирующей цепью третьего порядка............................................................................................... 281

4.1.2. Моделирование инвертора с коммутирующей цепью второго порядка и реальным выходным трансформатором..................... 289

4.2. Исследование модернизированных схем резонансных инверторов............................................................................................. 293

4.2.1. Инвертор с фазовым регулированием выходного напряжения... 294

4.2.2. Квазиоднотактный инвертор........................................................... 300

4.2.3. Двухтактный инвертор..................................................................... 308

4.3. Практические разработки.................................................................... 314

Выводы................................................................................................... 318

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................ 320

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................. 323

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................... 335

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время дуговая электросварка занимает ведущее место в сварочном производстве. Наряду с совершенствованием технологии сварочных работ актуальной для данной отрасли является проблема создания оборудования, отвечающего современным требованиям.

Монтажные и ремонтно-строительные организации, ЖЭУ, гаражные и огородно-садоводческие кооперативы, сельскохозяйственные структуры различных типов, индивидуальные застройщики, автолюбители и другие категории людей, которым приходится производить сварные работы, сталкиваются с трудностью, а то и с невозможностью транспортировки сварочного оборудования к месту расположения свариваемых изделий. Поэтому сейчас приходится оснащать источниками питания дуги (ИПД) все возможные места выполнения сварочных работ или, если это опять же возможно, каждый раз транспортировать сами свариваемые изделия.

Такое состояние организации выполнения сварочных работ является результатом того, что выпускаемые промышленностью источники питания для ручной дуговой электросварки, как правило, содержат сетевой трансформатор [1], во многом определяющий массогабаритные и энергетические показатели источника в целом. Таким образом, большие габариты и вес трансформаторных источников ограничивают возможности оперативной организации сварочных работ, причем резкий рост цен на обмоточную медь и трансформаторную сталь приводит к росту себестоимости таких источников при неизменных потребительских свойствах.

В связи с вышеизложенным проблема совершенствования технико-экономических показателей источников питания для электродуговой сварки связана прежде всего с исключением из их структуры входного трансформатора за счет введения преобразовательного звена повышенной частоты. Увеличение частоты передаваемых напряжений и токов позволяет резко уменьшить массогабаритные показатели всех реактивных элементов, дает

V/ _

экономию металла и материалов, улучшает динамические свойства источника питания и оперативную управляемость его выходными координатами (ток, напряжение, мощность), что при улучшенном качестве сварки расширяет области применения сварочных работ.

Как показывает опыт стран Западной Европы и США, где различные фирмы выпускают серийно десятки типов различных по структуре бестрансформаторных источников [2], новое поколение источников уверенно занимает свое место на рынке рядом с традиционными трансформаторными. При этом в нашей стране, в связи с разукрупнением больших промышленных и строительных предприятий и организаций и расширением сети мелких и средних частных производственных структур, потребность в переносных источниках в ближайшие годы будет расти. Следует отметить возможность применения бестрансформаторных ИПД с выходом на постоянном токе не только для сварки, но и для зарядки аккумуляторных батарей, пуска двигателей и т.п., в то время как потребность в легких универсальных источниках также далеко не удовлетворена.

Итак, проблема разработки переносных бестрансформаторных по входу источников питания для сварки является для России актуальной.

Дальнейшее развитие схемотехники источников питания для сварки требует, в свою очередь, дальнейшего развития методов анализа и расчета электромагнитных процессов в них. Так, для тех инверторных ИПД, где центральным звеном является резонансный инвертор, несмотря на появление в последние годы у нас [3-6] и, в особенности, за рубежом [7-15], казалось бы, достаточного количества публикаций, посвященных проектированию и исследованию его основных классов и внесших весомый вклад в теорию и практику расчета, остается актуальной задача получения интегральных характеристик установившегося режима работы в аналитической форме, удобной для анализа и параметрической оптимизации реактивных элементов инвертора.

Целью диссертационной работы является исследование установившихся электромагнитных процессов в однофазных резонансных инверторах, используемых в составе источников питания дуговой сварки на постоянном токе со звеном повышенной частоты, разработка методики расчета основных энергетических характеристик однофазных мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами и параметрической оптимизации элементов коммутирующей цепи инвертора в зависимости от требований, предъявляемых конкретным видом сварки.

В диссертации решены следующие вопросы:

- разработана схема замещения для установившегося режима непрерывного входного тока однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой;

- показан принцип генерации множества схем однофазных мостовых и полумостовых инверторов с обратными диодами изменением конфигурации коммутирующей цепи с целью получения требуемого вида естественных характеристик инвертора;

- получены аналитические выражения в замкнутом виде основных статических характеристик как при частотном, так и при широтном способах регулирования выходного напряжения однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго, третьего и четвертого порядков, а также с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно, как для случая пренебрежения некоторыми из основных реактивных параметров Т-образной схемы замещения выходного трансформатора, так и для случая их одновременного учета;

- показан принцип анализа полученных основных статических (внешних, регулировочных и энергетических) характеристик исследуемых инверторов, позволяющий определить параметры коммутирующей цепи, исходя из требуемых для того или иного вида сварки параметров внешней характеристи-

ки, а именно величин напряжения холостого хода и тока короткого замыкания инвертора и жесткости характеристики;

- получено аналитическое выражение для установленной мощности реактивных элементов типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых видов инверторов, показан принцип и для данного варианта коммутирующей цепи по минимуму установленной мощности реактивных элементов проведена оптимизация ее параметров;

- получены аналитические выражения для схемного времени выключения тиристоров в установившемся режиме работы исследуемых видов инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго и третьего порядков, показан принцип численного определения схемного времени выключения вентилей при произвольной конфигурации эквивалентной коммутирующей цепи четвертого порядка;

- даны рекомендации по выбору конфигурации коммутирующей цепи исследуемых инверторов для получения соответствующего типу сварки вида естественных внешних и регулировочных характеристик;

- предложены нетрадиционные варианты схем однофазного резонансного инвертора, используемого в составе источников питания сварочной дуги;

- проведена проверка достоверности полученных аналитических зависимостей с помощью численного эксперимента с использованием универсального пакета программ для моделирования систем с вентильными преобразователями - "ПАРУС".

Методы исследования. При анализе электромагнитных процессов в резонансных инверторах мостового и полумостового видов с обратными диодами использовался прямой метод расчета интегральных характеристик процессов в преобразователях - метод алгебраизации дифференциальных уравнений (АДУ) и методы теории электрических цепей, а для проверки достоверности аналитических результатов и для получения характеристик предложенной схемы резонансного инвертора - метод машинного моделирования.

Научная новизна работы заключается:

- в уточнении математической модели однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами в установившемся режиме;

- в развитии теории однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно при частотном и широтном способах регулирования выходного напряжения;

- в результатах анализа основных энергетических характеристик исследуемых инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями второго, третьего и четвертого порядков, а также с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно, как при учете основных реактивных параметров Т-образной схемы замещения выходного трансформатора, так и в предположении его идеальности;

- в полученном аналитическом выражении для установленной мощности реактивных элементов типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых инверторов и аналитическом выражении для оптимизированного по минимуму этой величины значения одного из параметров данной коммутирующей цепи;

- в полученных аналитических выражениях для схемного времени выключения тиристоров исследуемых инверторов с типовыми коммутирующими цепями второго и третьего порядков;

- в применении в предложенной схеме квазиоднотактного резонансного инвертора принципа отработки заданного времени восстановления управляющих свойств тиристоров.

Практическая ценность работы. Разработана инженерная методика как расчета основных энергетических характеристик однофазных мостового и полумостового резонансных инверторов с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, так и выбора конфигура