Способ защиты транзисторов от перегрузок в цепях сварочного оборудования

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК 1682078 23 К 9/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯ ИСАН ЗОБ Т И ОМ ТЕЛЬСТВУ К АВ ическии инс. 1(54) СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРАНЗИСТОРОВОТ ПЕРЕГРУЗОК В ЦЕПЯХ СВАРОЧНОГООБОРУДОВАНИЯ(57) Изобретение относится к сварочномупроизводству и может быть использованопреимущественно для сварки и наплавкиплавящимся и неплавящимся электродом в Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано преимущественно для сварки и наплавки плавящимся и неплавящимся электродом в различных отраслях народного хозяйства.Цель изобретения - повышение надежности транзисторов и качества работы транзисторных регуляторов в цепях сварочного оборудования за счет совершенствования защиты транзисторов от перегрузки,На фиг.1 приведена блок-схема устройства для реализации способа ащиты транзисторов; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема коммутатора; на фиг.З - результаты испытаний известного и предлагаемого способов.Сущность изобретения состоит в том, : что два мощных транзистора, включенные в цепь параллельно, коммутируют поочередразличных отраслях народного хозяиства. Цель изобретения - повышение надежности транзисторов и качества работы транзисторного регулятора за счет совершенствования способа защиты транзисторов регулятора от перегрузок, Защиту осуществляют путем поочередной коммутации транзисторов с источником управляющего сигнала, а частоту коммутации устанавливают пропорционально нагрузке транзисторов, При превышении частотой коммутации заданного значения отключают питание транзисторов, Это позволяет обеспечить уменьшение уровня пульсации на выходе регулятора и уменьшить число ложных срабатываний защиты. 3 ил 1 табл. но с одним источником сигнала, а частоту коммутации устанавливают пропорциональной нагрузке транзисторов и при превышении частотой коммутации заданного значения (уставки) отключают питание транзисторов, Поочередное включение транзисторов уменьшает нагруженность их полупроводниковой структуры. С увеличением нагрузки транзисторов нагруженность полупроводниковой структуры возрастает, увеличивается рассеивающая мощность, температура, и чтобы обеспечить теплоотвод от транзисторов необходимо чаще их переключать. С этой целью с ростом нагрузки транзисторов повышается частота их коммутации. При уменьшении нагрузки частота коммутации вновь уменьшается. Таким образом действует защита в режиме номинальных нагрузок, являющаяся активной,реагирующей на характер изменения нагрузки. Вместе с тем, повышая частоту коммутации, нельзя получить непрерывную мощность рассеяния, превышающую паспортную, в связи с тем, что с ростом частоты коммутации увеличиваются потери на переключение транзисторов, В связи с этим, при достижении частсггой коммутации определенного значения густавки) режим работы устройства идентийцируется как аварийный и питание 1 данзисоров отключается, Описанный способ защиты транзисторов обуслэвдиваает широкий диапазон изменения нагрузки и отключение питания в аварийном режиме, Таким образом, активная защита осуществляется в течение всего времени работы транзисторов, как в режиме номинальных нагрузок, так и в аварийном режиме. Вероятность ложного срабатывания аварийной защиты отключения питания) снизилась ввиду того, что для такого срабатывания необсодим не только всплеск отбираемой мощности, который может быть случайным и кратковременным, но и факт равенства частоты коммутации значению уста вки, соответствующему аварийному режиму работы.Предлагаемый;:пособ защиты транзисторов от перегрузок осуществляется следующими действиями:Транзисторный регулятор составляют из двух параллельно влюченных тоанэисгоров, которые по .вредно коммутируют с источником управ лющего сигнала,Частоту комм тации устанавливают пропорциональной нагрузке транзисторов, а сигнал, содержащий лнформацию о нагрузке регулятора, снимают с шун 1 а, вклю. ченного последовательно с транзи "торным регулятором.Текущее значение частоты сравнивают со значением уставки и при равенстве указанных частот отключают питание транзисторного регулятора.Практически указанный способ защиты транзисторов мсокет быть реализован с помощью устройства, блок схема которого приведена на фиг.1. Устройство содержит транзисторный регулятср 1, шунт 2, дуговой промежуток 3, задатчик 4 частоты, коммутатор 5, частотомер 6, сравнивающее устройство 7, аварийный выключатель 8 и сварочнь 1 й исто инин 9 плтания,Устройство работает следующим образом.Сварочный ток, регулируемый транзисторным регулятором 1, через шунт 2 питает сварочную дугу 3. Сигнал, пропорциональный нагрузке транзисторного регулятора 1, снимается с шунта 2 и падается на задат лик 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4 частоты фиг.1), выходной прямоугольный сигнал которого управляет работой коммутатора 5, обеспечивающего поочередную работу транзисторов транзисторного регулятора 1, Сигнал такой же частоты подается на частотомер 6 и результат измерения частоты поступает на сравнивающее устройство 7, где он сравнивается со значением уставки и в случае превышения подается команда на срабатывание аварийного выключателя 8, отключающего питание транзисторного регулятора: сварочный источник 9 питания,В качестве примера реализации способа приводится вариант конкретного исполнения устройства, вцподненного по приведенной выше блок-схеме. В качестве сварочного источника питания использовался выпрямитель типа ВДУ, Транзисторный регулятор выполнен на двух транзисторах типа ТК-100, вкл ючен н ых параллельно, Шунт использовался стандартный - 500 А, 75 мВ. В качестве частотомера использовался стандартный частотомер Ф 5041, имеющий цифровую форму выдачи информации в коде 8 - 4 - 2 - 1. Функции сравнивающего устройства и аварийного выключателя выполняд стандартный дискриминатор типаа П 215, воспринимающий сигнал в указанном коде и имеющий релейный выход исполнительного устройства, Коммутатор разработан специально, его принципиальная электрическая схема приведена на фиг,2,Коммутатор выполнен на пяти транзисторах типа р-п-р, Первый каскад коммутатора выполнен на транзисторе 10 по схеме с разделенной нагрузкой с фиксированным напряжением базы. На входе коммутатора (выход 11) установлен разделительный конденсатор 12. Резистор 13 включен в коллекторную цепь транзистора 10, а резистор 14 - в эмиттерную. На транзисторах 15 и 16 выполнены каскады усиления по схеме с общим эмиттером, нагрузкой каскадов являются резисторы 17 и 18 соответственно. База транзистора 15 соединена с эмиттером тоанэистора 10, а база транзистора 16 - с коллектором транзисторов 19 и 20, выполнен двухканальный ключ, нагрузкой плеч которого являются резисторы 21 и 22. По цепи питания транзисторный ключ развязан относительно первых каскадов коммутатора посредством ЯС-фильтра 23, 24, В эмиттерные цепи транзисторов 19 и 20 включенц резисторы 25 и 26 соответственно. Базовые выводы транзисторов 19 и 20 соединены с общим проводом посредством резисторов 27 и 28 соответственно. Кроме того, к базам упомянутых транзисторов подключены аноды диодов 29 и 30, катодыкоторых соединены между собой и поданына вывод 31 коммутатора. Кроме того, кбазам транзисторов 19 и 20 подключеныаноды диодов 32 и 33. котоды которых соединены с коллекторами транзисторов 15и 16 соответственно, Коллектор транзистора 19 соединен с выводом 34, а коллектортранзистора 20 - с выводом 35 коммутатора. 10Работает коммутатор следующим образом,На вход коммутатора (вывод 11) поступает напряжение прямоугольной формы отзадатчика частоты, Частота указанного сигнала прямо пропорционально зависит от нагрузки транзисторного регулятора.Конденсатор 12 исключает влияние выходных цепей задатчика частоты на режим работы первого каскада коммутатора по 20постоянному току. При отсутствии входногосигнала(во время паузы между прямоугольными импульсами) транзистор 10 находитсяв закрытом состоянии, что обеспечиваетсясоответствующим подбором значений сопротивлений резисторов 36 и 37, образующих делитель напряжения, которыеопределяют режим покоя транзистора, 10,Поскольку транзистор 10 закрыт, сопротивление его перехода эмиттер-коллектор велико, величина тока, протекающего черезупомянутый переход мала, следовательно,падение напряжения на резисторе 14, имеющем малое сопротивление, невелико, поэтому потенциал базы транзистора 15 будет 35близок к потенциалу его эмиттера, транзистор 15 - закрыт. Сопротивление переходаэмиттер - коллектор указанного транзистора велико, через упомянутый переход проходит ток небольшой величины, равный току 40покоя коллектора 1 . При этом напряжение на коллекторе транзистора 15 близко кнапряжению коллекторного Е питания первых каскадов коммутатора за вычетом падения напряжения на резисторе 17, Величина 45упомянутого резистора выбрана такой, чтобы отрицательный потенциал, являющийсяразрешающим сигналом, поданный с коллектора транзистора 15 через диод 32 к базетранзистора 19, обеспечил открытое состояние последнего транзистора, которое, однако, не является состоянием насыщения, аположение рабочей точки транзистора соответствует активному режиму работы транзистора 19, Диодный ключ 32, 29обеспечивает отсутствие влияния упомянутого разрешающего сигнала на транзистор20, и влияние управляющего сигнала, поступающего на вход 31 коммутатора на режимработы транзисторов 15 и 16. Аналогичные функции выполняет диодный ключ 33, 30. управляющий сигнал, обеспечивающий любой необходимый алгоритм управления сварочным током, и никак не связанный с работой рассматриваемого коммутора по обеспечению поочередности работы силовых транзисторов регулятора, поступает на вход 31 (вы вод 31) коммутатора и через диод 29 на базу транзистора 19, Через открытый транзистор 19 протекает ток, соответствующий упомянутому сигналу: через резистор 25, переход эмиттер - коллектор транзистора 19 и резистор 21, являющийся коллекторной нагрузкой транзистора 19, Падение напряжения на резисторе 21, являющееся отображением управляющего сигнала, через вывод 34 коммутатора поступает на базу соответствующего силового транзистора регулятора и обеспечивает его работу в необходимом режиме. В это же время, когда транзистор 10 закрыт, ток через его эмиттерно-коллекторный переход мал, однако сумма падений напряжения на резисторе 14 и на змиттерно-коллекторном переходе, сопротивление которого у закрытого транзистора весьма велико, достаточна для создания отрицательного отпирающего потенциала для базы транзистора 16, которая соединена с коллектором транзистора 10. Транзистор 16 открыт и находится в состоянии насыщения, что соответствует максимальному значению тока коллектора указанного транзистора и минимальному значению сопротивления перехода эмиттер-коллектор транзистора 16, Последнее обстоятельство приводит к тому, что потенциал коллектора транзистора 16 близок к потенциалу его эмиттера, который равен нулю (поскольку соединен с общим проводом), следовательно, отрицательный потенциал, снимаемый с коллектора транзистора 16, являющийся разрешающим сигналом для транзистора 20, будет недостаточным для открытия транзистора 20. Закрытый транзистор 20 будет обуславливать малое значение токав цепи: резистор 26 эмиттерно-коллекторный переход транзистора 20 - резистор 22, и, следовательно, крайне малое значение падения напряжения на резисторе 22, имеющем малое собственное сопаротивление. Поэтому на вывод 35 коммутатора не будет поступать сигнал, необходимый для работы второго силового ранзистора регулятора. Таким образом, в момент паузы прямоугольного входного сигнала на входе коммутатора (вывод 11) состояние коммутатора таково,что один из силовых транзисторов регулятора (соединенный с выводом 34 коммутатора) находится в рабочем состоянии, а другой(соединенный с выводом 35) - в нерабочем. С приходом отрицательного прямоугольного сигнала на вход коммутатора (вывод 11) потенциал базы транзистора 10 становится о грицательным относительно его эмиттера и соответствующим режиму насыщения транзистора. Режим насыщения характеризуется небольшим значением сопротивления перехода эмиттер-коллектор транзистора, вследствие чего через упомянутый переход протекает максимальный ток (ток насыщения, 1 к ), Указанный ток проходит по цепи: общий привод - резистор 14 - паереход эмиттер-коллектор транзистора 10 - резистор 13 - отрицательный провод источника коллекторного питания, создавая падения напряжения на указанных участках, Падение напряжения на резисторе 14 возрастет ориентировочно от величины 814 к до величины 8141 к (Где 814 сопротивление резистора 14), что приведет к увеличению отрицательного потенциала эмиттера транзистора 10 относительно общего провода. Отрицательный потенциал базы транзистора 15 относительно эмиттера транзистора 15 также возрастет, поскольку эмиттер транзистора 15 непосредственно соединен с общим проводом, а база транзистора 15 соединена с эмиттером транзистора 10, Упомянутое увегичение отрицательного потенциала базы транзистора 15 относительно его эмиттера приведет к открытию транзистора 15 и переходу в состояние насыщения, вследствие чего сопротивление эмиттерно-коллектор- ного перехода транзистора.15 уменьшится, что сделает потенциал коллектора транзистора 15 близким к потенциалу общего провода, с которым соединен эмиттер транзистора 15. Таким образом, отрицательный потенциал коллектора транзистора 15 уменьшится и станет близким к нулю и разрешающий сигнал, снимаемый с коллектора упомянутого транзистора через диод 32 на базу транзистора 19, исчезнет, что приведет к уменьшению отрицательного погенциала базы транзистора 19 и его запиранию вследствие действия обратной связи, которая состоит из резисторов 25 и 27,Указанная связь действует следующим образом; падение напрякения на резисторе 25 в любом режиме работы транзистора имеет полярность: плюс на нижнем по схеме конце резистора 25, а минус - на верхнем. При исчезновении отрицательного разрешающего сигнала на базе транзистора 19 ток эмиттерно-коллекторного перехода уменьшится до величины 1 указанная выше полярность сохранится и положительный потенциал с нижнего (по схеме) конца резистора 25 через резистор 27 закроет транзистор 19 и переведет его в состояние отсечки, вследствие чего наличие небольшого по амплитуде управляющего сигнала на 5 входе 31 коммутатора не приведет к открытию транзистора 19, Запирание транзистора 19 приведет к снижению падения напряжения на резисторе 21 до весьма малой величины и, следовательно, к уменьше нию сигнала на выводе 34 коммутатора, чтоприведет к закрытию силового транзистора регулятора, который до сих пор был в рабочем состоянии. Вместе с тем, одновременно с упомянутым выше переходом транзистора 15 10 в состояние насыщения, сопротивлениеего эмиттерно-коллекторного перехода упадет настолько существенно, что потенциал коллектора транзистора 10 снизится несмотря на некоторое увеличение падения 20 напряжения на резисторе 14, которое будетнебольшим в силу небольшой величины сопротивления резистора 14. Снижение потенциала коллектора транзистора 10 приведет к уменьшению отрицательного 25 потенциала базы транзистора 16 относительно его эмиттера и, следовательно, к его запиранию, Закрытое состояние транзистора характеризуется небольшим значением коллекторного тока и значительной величиной сопротивления эмиттерно-коллектор- ного перехода, В этой связи отрицательный потенциал коллектора транзистора 16 существенно увеличится и приблизится к величине Ек - 1 к Й 18, где 818 - сопротивление резистора 18, Разрешающий сигнал, снимаемый с упомянутого коллектора также увеличится и через диод 33 поступит на базу транзистора 20, чем обеспечит положение рабочей точки транзистора 20, соответству ющее активному режиму, Транзистор 20 будет управляться сигналом с входа 31 коммутатора и по описанному выше механизму введет в работу второй силовой транзистор регулятора. Таким образом, когда после паузы на вход коммутатора (вывод 11) пришел отрицательный прямоугольный импульс, состояние силовых транзисторов коммутатора сменилось на противоположное. Теперь первый транзистор (соединенный с выводом 34 коммутатора) находится в нерабочем состоянии, а второй (соединенный с выводом 35) - в рабочем, В соответствии с описанным алгоритмом работы коммутатора частота переключения силовых транзисторов транзисторного регулятора равна частоте прямоугольного сигнала, поступающего на вход 11 коммутатора от задатчика частоты, Независимо от этого транзисторный регулятор обеспечивает заданный алгоритм изменения сварочного тока в соответствии с сигналом, поступающим на вход 31 коммутатора.Проводились эксперименты с использованием описанного устройства, где реализуется предлагаемый способ защиты 5 транзисторов для следующих условий сварки: Сварочный источник питания - ВДУПолуавтомат ПДГ. Сварочная проволока диаметром 0,8 мм, Марка проволоки и основного металла - 06 Х 18 Н 10 Т, Свароч ный ток 120 - 140 А, Напряжение на дуге 24-26 В. Защитный газ - аргон. Расход защитного газа - 12-16 л/мин. Скорость сварки 18-22 м/ч. Рабочий диапазон изменения частоты коммутации 5-16 кГц, Значение ча стоты уставки 16 кГц. Дл аналогичных условий использовалось устройство, где использовался способ защиты силовых транзисторов, аналогичный принятому в известном устройстве, В качестве примера, 20 характеризующего надежность работы системы защиты принималось число отказов и регулятора, в течение определенного времени 1 работы при нагрузке, превышающий допустимую для транзисторов регулятора 25 на 20 - 40. Результаты испытаний приведены на фиг.3, где приведены зависимости числа отказов и устройств от времени 1 их работы для предлагаемого (кривая А) и для известного (кривая Б) способов защиты. В 30 качестве параметра, характеризующего качество работы регулятора с предлагаемой системой защиты был принят коэффициент пульсаций выходного напряжения регулятора, Результаты испытания качества работы транзисторных регуляторов с предлагаемой и известной структурой построения системы защиты силовых транзисторов приведены в таблице.Из фиг,3 видно, что предлагаемая сис тема защиты работает заметно эффективнее известной, что выражается в меньшем числе отказов. Качество работы регулятора, характеризуется коэффициентом пульсаций выходного напряжения при использовании известного способа составляет 0,1-0,2 (таблица), Коэффициент пульсаций выходного напряжения при использовании предлагаемого способа защиты транзисторов зависит от частоты коммутации и находится в диапазоне 0,02-0,08, что превосходит показатели известного способа и обусловлено тем, что несмотря на переключения силовых. транзисторов регулятор проводит ток постоянно ввиду того, что один из транзисторов всегда находится в рабочем состоянии, а в известном способе защиты существуют моменты, когда в регуляторе нет транзисторов, находящихся в проводящем состоянии, ввиду чего возрастает коэффициент пульсаций выходного напряжения.По сравнению с известным предлагаемый способ защиты силовых транзисторов дает возможность повысить надежность работы транзисторных регуляторов сварочного тока и повысить качество их работы. Формула изобретения Способ защиты транзисторов от перегрузок в цепях сварочного оборудования, заключающийся в том, что транзисторы включают параллельно, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности и улучшения качества работы транзисторного регулятора, осуществляют поочередную коммутацию транзисторов с источником управляющего сигнала, частоту коммутации регулируют пропорционально току нагрузки транзисторов, при превышении частотой коммутации допустимого значения отключают питание транзисторов,1682078 актор Е.Папп 1 ираж Подписноедарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская нэб., 4/5 оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина Заказ 3367 ВНИИП