радиоликбез

Статья представляет собой краткий обзор работ, посвященных исследованию возможности и перспектив применения резонансных преобразователей напряжения в качестве основы для построения сварочных инверторов — источников сварочного тока.

В настоящее время благодаря развитию элементной базы силовой электроники стало возможным и экономически целесообразным массовое производство источников сварочного тока (ИСТ), построенных на базе высокочастотных ключевых преобразователей. За оборудованием данного типа закрепилось название «сварочный инвертор». Все ведущие фирмы в области производства сварочного оборудования освоили выпуск сварочных инверторов, как бытового назначения, так и профессионального класса для промышленного сектора.

Преимущества ИСТ инверторного типа по сравнению с традиционными сварочными выпрямителями по таким ключевым параметрам, как масса и габариты, энергетическая эффективность и функциональность достаточно очевидны и описаны в специальной литературе, поэтому здесь обсуждаться не будут. Первой, и не простой задачей, которая встает перед разработчиком ключевого источника питания, является выбор оптимальной топологии (схемотехники) будущего устройства. Автор предпринял попытку собрать доступную информацию о топологии сварочных инверторов, выпускаемых крупными производителями. Источниками являлись инструкции по эксплуатации (Service Manuals), размещенные на сайтах компаний. Несмотря на то, что производители неохотно публикуют принципиальные схемы, все же можно найти интересующие нас данные, которые сведены в табл. 1.

В таблицу включены сварочные выпрямители инверторного типа, предназначенные для ручной дуговой сварки штучным электродом диаметром 3...4 мм. Этот класс инверторов выбран как наиболее распространенный и востребованный по мнению автора.

Из табл. 1 видно, что не наблюдается явного предпочтения какой-либо топологии. Авторы публикации [1], однако считают, что «сегодня наиболее популярной топологией (применительно к ИСТ, прим, автора) стал несимметричный мостовой прямоходовой конвертер. При необходимости увеличения рабочего тока используется параллельное включение по входу и выходу двух одинаковых модулей, управляемых ШИМ-контроллером с фазовым сдвигом в 180°». Указанный в цитате тип конвертера среди российских разработчиков более известен как «косой мост», он не обладает какими-либо особенными энергетическими показателями, но имеет три очень существенных свойства — более высокую надежность по сравнению с двухтактными конвертерами за счет отсутствия сквозных токов, отсутствие проблемы динамического подмагничивания магнитопровода силового трансформатора при использовании потактового ограничения тока ключевых транзисторов, технологическую простоту, что и делает его, возможно, оптимальным выбором для построения сварочного инвертора на токи приблизительно до 130 А. Как известно, главный недостаток этого типа конвертера — большие динамические потери на всех ключевых элементах из-за жесткого характера коммутации. Справедливости ради, необходимо отметить, что это относится и к традиционным двухтактным преобразоват елям. Этим обстоятельством объясняется явный всплеск примерно с середины 80-х годов прошлого века интереса к преобразователям С «МЯГКИМ» режимом коммутации силовых транзисторов и диодов. Вместе с этим известны работы по преодолению проблемы коммутационных потерь в «косом мосте». Кардинальный способ заключается в применении пассивных и активных бездиссипативных демпферных цепей с возвратом накопленной ими за рабочий такт энергии в источник питания. К сожалению, повышение эффективности, полученное таким схемотехническим способом, приводит к необходимости использования дополнительных реактивных и активных элементов, в результате чего страдает как простота, так и надежность.

Таким образом, интерес к преобразователям с «мягкой» коммутацией возникает совершенно закономерно. К таким преобразователям относятся резонансные, квазирезонансные (обычно — однотактные конвертеры с одно- и двухполупериодным режимом работы ключа), мультирезонансные и конвертеры с ШИМ и «мягким» режимом коммутации (в зарубежной литературе — soft-switched PWM).

Обзор достоинств и недостатков перечисленных выше разновидностей ключевых преобразователей с определением оптимальных областей применения сделан в [2].

Об особенностях построения импульсных резонансных преобразователей напряжения можно прочитать в [3]. В [4] на примере полумостовой топологии показаны особенности коммутационных процессов в трех наиболее изученных и применяемых типах резонансных преобразователей — конвертер с последовательным включением нагрузки в LC-контур (series-loaded resonant converter — SRC), конвертер с параллельным включением нагрузки (parallel-loaded resonant converter — PRC) и конвертер с последовательно-параллельным включением нагрузки (series-parallel loaded resonant converter — SPRC). В преобразотелях SPRC нагрузка может быть подключена как к части резонансной емкости (так называемый LCC converter), так и к части резонансной индуктивности (LLC converter). Топологическое многообразие резонансных преобразователей весьма велико и их рассмотрение выходит за рамки данной работы. В последнее время появилось большое числе публикаций, посвященных особенностям конвертеров LLC типа, с примером их применения в качестве ИСТ можно познакомиться в [5].

Обратимся к работам, посвященным возможности применения резонансных конвертеров в качестве источников сварочного тока. Судя по публикациям в зарубежных журналах, в качестве основы сварочных инверторов с «мягкой» коммутацией в основном рассматриваются следующие варианты.

Мостовой преобразователь, управляемый ШИМ с фазовым сдвигом (phase-shifted full bridge ZVS PWM converter). Снижение коммутационных потерь достигается за счет затягивания фронтов тока и напряжения на силовых транзисторах благодаря использованию резонансных процессов, протекающих только на интервалах времени переключения транзисторов и последующего возврата накопленной реактивной мощности из элементов резонансной цепи обратно в источник питания ИСТ.

Резонансный преобразователь LCC с регулированием за счет изменения частоты коммутации силовых транзисторов относительно собственной частоты резонансного контура (частотный способ). Существуют и другие способы регулирования тока (напряжения) нагрузки. Известен метод регулирования с постоянным временем включенного состояния транзистора и переменной паузой между тактами. Его характерный недостаток — необходимость увеличения индуктивности выходного дросселя. Возможно построение мостового резонансного LCC преобразователя с фиксированной частотой коммутации и регулированием методом ШИМ с фазовым сдвигом между плечами моста. При частотном методе предпочтительным является режим работы, когда частота коммутации всегда выше собственной частоты контура [4]. В этом случае включение транзисторов происходит при нулевом напряжении, а выключение — «жесткое», но при этом можно существенно снизить потери при выключении за счет применения так называемых ‹‹бездиссипативных демпферов, которые представляют собой просто конденсатор››, установленный параллельно силовому транзистору. Фактически — это вырожденный случай известного RCD-демпфера.

Характерные недостатки LCC конвертеров: во-первых, это достаточно большой реактивный ток на холостом ходу, коммутируемый силовыми транзисторами, что заставило авторов ввести дополнительный «спящий режим — схема управления (СУ) кратковременно запускает силовой каскад и проверяет наличие тока нагрузки, если тока нагрузки нет, то конвертер останавливается, а через некоторое время попытка повторяется. Если ток нагрузки обнаруживается, то СУ из « спящего» режима переходит в нормальный и к онвертер работает далее в штатном режиме. Во-вторых, возникает проблема «забегания» частоты ком мутации, определяемой СУ, в область частот ниже собственной резонансной частоты контура. Эго происходит из-за ограниченного быстродействия СУ по цепи обратной связи и зависимости собственной резонансной частоты контура от тока нагрузки. Эта ситуация проиллюстрирована на рис. 1, по вертикальной оси отложена величина коэффициента передачи кон нертера по напряжению, а по горизонтальной — относительная частота расстройки.

На холостом ходу СУ устанавливает частоту коммутации равную F_a — конвертер работает в точке А, собственная резонансная частота контура равна F_p. Частота F_a определяется выбранным коэффициентом трансформации силового трансформатора, добротностью контура и необходимым напряжением холостого хода. Пусть теперь сопротив ление нагрузки уменьшается до своего минимального значения, собственная

частота контура становится равном F_s, а конвертер переходит сначала в точку В из-за ограниченного быстродействия СУ, а затем — в точку С, в которой устанавливается ток нагрузки, равный току уставки (задания) СУ. Если теперь сопротивление нагрузки резко увеличивается, например, конвертер снова возвращается в режим холостого хода, то контурная частота становится равной Fp, но коммутационная частота осталась в точке С из-за ограниченного быстродействия СУ. В результате СУ продолжает уменьшать частоту управления транзисторами, чтобы вернуться в точку А, так как СУ не знает, на каком склоне АЧХ контура она сейчас находится. Для преодоления этой проблемы авторы вынуждены были использовать дополнительный модуль в СУ — фазовый детектор, с помощью которого СУ определяет, где находится частота ее задающего генератора по отношению к текущей контурной частоте. Дополнительно к этому необходимо ограничивать диапазон перестройки тактового генератора СУ как снизу, так и сверху Несмотря на все описанные проблемы, авторами был создан прототип промышленного сварочного инвертера со следующими параметрами. Напряжение холостого хода — 80 В, максимальный сварочный ток — 130 А при частоте коммутации 80 кГц, топология — полумостовой преобразователь на MOSFET. В работах также представлены результаты разработки ИСТ на базе LCC конвертера. Например, представлен действующий прототип ИСТ — мостовой конвертер с «мягким» режимом переключения всех активны силовых элементов и частотным методом регулирования тока нагрузки. При изменении частоты коммутации в диапазоне 65...100 кГц ток нагрузки регулируется в диапазоне 50...150 А, напряжение холостого хода — 70 В. Из рис. 1 видно, что необходимое напряжение холостого хода может быть получено при различных значениях коэффициента трансформации силового трансформатора, что позволяет оптимизировать последний. Мультирезонансный преобразователь, являющийся, фактически, усложненной версией LCC и LLC конвертеров. Внимание разработчиков к мультирезонансным преобразователям (МРП) объясняется желанием добиться такой АЧХ формирующего контура и его поведения в зависимости от сопротивления нагрузки, которое позволило бы оптимизировать процесс коммутации силовых транзисторов конвертера во всем диапазоне изменения частоты коммутации и нагрузки, если используется регулирование частотой, и получить достаточный диапазон регулировки тока нагрузки. В мультирезонансных конвертерах формирующий контур содержит более трех реактивных элементов. Часто термин LCC converter или SPRC converter применяется и к мультирезонансным версиям. Примеры построения силовой части сварочного инвертора на базе МРП можно посмотреть, например, в [8,16,17]. В работе [17] описан полу мостовой ИСТ, обеспечивающий сварочный ток до 200 А при напряжении дуги 25 В на частоте 85 кГц. Интересной особенностью данного лабораторного прототипа является применение активного корректора коэффициента мощности (ККМ) на входе ИСТ. Ток нагрузки регулируется изменением напряжения питания конвертера, контролируемого с помощью ККМ. Мультирезонансный ИСТ с частотным регулированием описан в [8]. Был получен диапазон тока нагрузки 60... 150 А при изменении частоты коммутации 65... 100 кГц, отмечаются хорошие динамические характеристики устройства. Амплитудно-частотная и фазо частотная характеристики коэффициента передачи ИСТ из [8] приведены на рис. 2. На рис. 3 показана топология силовой части преобразователя [8].

В [16] описан мостовой ИСТ с максимальным током нагрузки 150 А при 26 В и напряжением холостого хода 50...70 В. Топология силовой части полностью аналогична [8] и для краткости может быть названа LLLCCC-конвертер с частотным регулированием.

Резонансный преобразователь SRC. Одна из наиболее схемотехнически простых резонансных топологий так же, как и предыдущие, обсуждается в качестве ИСТ в публикациях [18—20]. В работе [ 19] описывается модифицированный вариант SRC-конвертера, имеющий интересные особенности. Используется частотный метод регулирования полумостового SRC, причем частота коммутации всегда ниже контурной. При этом ключи коммутируются при нулевом напряжении на них (режим ZVS), а не при нулевом токе (режим ZCS), что обычно имеет место, когда контурная частота выше коммутационной. Для реализации принудительного ZVS параллельно первичной обмотке силового трансформатора установлена дополнительная индуктивность Lp (в качестве Lp, авторы использовали индуктивность намагничивания силового трансформатора), а в качестве резонансной используется индуктивность рассеивания трансформатора. Второй особенностью является принудительное ограничение напряжения на резонансных конденсаторах Cl, С2 на уровне напряжения питания конвертера с помощью дополнительных диодов VD1, VD2 (рис. 4).

Это простое схемотехническое решение ограничивает запасаемую контуром энергию и, как следствие, приводит к дополнительному ограничению тока короткого замыкания с высоким быстродействием. Также упрощается проблема выбора оптимальной нагруженной добротности контура и повышается надежность токовой защиты силовых транзисторов конвертера. На лабораторном прототипе был получен ток нагрузки 130 А при напряжении 25 В. Напряжение холостого хода 80 В и КПД порядка 92 %. Выходной выпрямитель нагружен на емкостный фильтр (в соответствии с [4]), что не всегда приемлемо с точки зрения реакции со стороны нагрузки — сварочной дуги.

Конденсаторы С3 и С4 — демпферы, использующие режим ZVS.

Резонансные преобразователи напряжения активно используются в качестве основы для построения сварочных инверторов, так как возможноcти снижения коммутационных потерь в преобразователях с прямоугольной формой напряжения фактически исчерпаны. Основные трудности связаны с тем фактом, что минимальные коммутационные потери в резонансных преобразователях достигаются в узком диапазоне токов нагрузки в силу естественных особенностей этого класса конвертеров, в то время как диапазон изменения нагрузки сварочного инвертора - от холостого хода до короткого замыкания, поэтому основное направление в адаптации резонансных конвертеров в качестве ИСТ— это поиск оптимальных топологий, обеспечивающих «мягкую» коммутацию силовых ключевых элементов во всем диапазоне токов нагрузки.

Автор не ставил своей целью в ограниченном объеме журнальной статьи предоставить исчерпывающую информацию по такой сложной и объемной проблеме, как применение резонансных преобразователей в источниках питания сварочной дуги. В статье сделана попытка показать в целом текущее состояние обсуждаемой проблемы и познакомить читателя с практическими результатами работ по использованию этого класса преобразователей в качестве ИСТ.

Литература:

1.    Н. Меске, W. Fischer, F. Werther. Soft switching inverter power source for arc welding. EPE'97, Trondheim, pp. 4333—4337, 1997

2.    M. M. Jovanovic. Resonant, quasi-resonant, multi-resonant and soft-switching techmques-ments and limitations. Int. Journal Electronics, vol. 77, No. 5, 1994, pp. 537—554.

3.    Г. Волович. Резонансные преобразователи напряжения. — Схемотехника, 2003, № 8, с. 10—12.

4.    R. L. Steigerwald. A comparison of half-bridge resonant converter topologies. IEEE Transactions on power electronics, vol. 3, No. 2, 1988, pp. 174—182.

5.    Z. F. Bat. LCL-type resonant arc welding power supply and its steady-state mathematical model. Transactions of China Welding Institution, vol. 21, part 4, 2000, pp. 80—83.

6.    H. Aigner, K. Dierberger, D. Graf-ham. Improving the full-bridge phase-shift

p style="text-align:justify;">ZVT converter for failure-free operation under extreme conditions in welding and similar applications. IEEE Industry Appl. Conference, 12—15 October 1998, vol. 2, pp. 1341—1348.

7.    S. J. Jeon, G. H. Cho. Zero-voltage and zero-current switching full bridge DC-DC converter for arc welding machines. Electronics Letters, vol. 35, No. 13, 1999, pp. 1043—1044.

8.    H. Pollock, J. O. Flower. New method of power control for series-parallel load-resonant converters maintaining zero-current switching and unity power factor operation. IEEE transactions on power electronics, vol. 12, No. 1, 1997, pp. 103—115.

9.    N. Frohleke, M. Schmedermann. Enhanced analysis and design issues of a 3-level DC/DC converter with zero voltage and zero current switching. EPE Conf. Proceed., Graz, Austria, 2201, pp. 1—10.

10.    N. Frohleke, R. Pieper, H. Mundinger, H. Grotstollen. Computer aided investigation of the auxiliary resonant commutated pole converter for wide range applications such as welding power supplies. IEEE IES, IECON 99 Proceed., vol. 2, pp. 891—896, 1999

11.    L. Malesani, P. Mattavelli, L. Rossetto, P. Tenti, W. Marin, A Pollmann. Electronic welder with high frequency resonant inverter. IEEE Transactions on industry applications, vol. 31, No. 2, 1995, pp. 273—279.

12.    J. Dudrik, P. Dzurko. Series-parallel resonant DC-to-DC converter for arc welding. Proc. Of the Conf. PEMC'98, Prague, September 1998, vol. 7, pp. 16—20.

13.    P. Dzurko, J. Dudrik, P. Visnyi. Behaviour of arc welder with high frequency LCC resonant converter. 9^th International Conference on Power Electronics and Motion Control. — EPE-PEMC 2000 Kosice.

14.    С. T. Pan, C. D. Wey, Y. C. Wu, L. M. Wu, M. P. Cheng. Modeling of an LCC resonant power supply used for welding. Sympos on Electric Power Engineering, 1996, pp. 117—121.

15.1. Al-Bahadly, M. Saffar. Switching power supply for arc welding unit using resonant converter. WSEAS Transactions on circuits and systems, Issue 7, vol. 4, p.804, 2005.

16.    P. Dzurko, J. Dudrik. An improved multiresonant DC-to-DC Converter for arc welding. Electrical Drives and Power Electronics International Conference. — EDPE 01, Slovakia 3—5, October 2001, pp. 266—270.

17.    H. Pollock, J. O. Flower. Senes-parallel load-resonant converter for controlled-cur-rent Arc welding power supply. IEE Proc.-Electr. Power Appl. vol. 143, No. 3 1996, pp. 211—218.

18.    H. Pollock, J. O. Flower. Design, simulation and testing of a series resonant converter for pulsed load applications. PEVD 94, London, pp. 256—261, 1994.

19.    P. C. Theron, J. A. Fereira. Heavy duty inverter welders with high overvoltage immunity. IEEE AFRICON 96 4^th Proceed, vol. 1, pp. 221—225, 1996.

20.    F. X. Fifatin, S. Pierfederici, B. Da-vat. Series load-resonant converter with an auxiliary resonant commutated pole circuit for controlled-current arc welding power supply. EPE 8^th Conf. on power electronics and motion control, Lausanne, Switzerland, 1999.

21.    T. F. Wu, О. P. Yang, С. M. Pan. Analysis and design of variable frequency and phase-shift controlled series-resonant converter applied for arc welding machines. IEEE, IECON'95 Proceed., vol. i, pp. 656—661, 1995.

Сергей Петров,</p