Источник питания установки тлеющего разряда

(19) (11) 3(51) Н 05 В 7/16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ ЕЛЬСТ" Ф 4 омышленно с массоиИР. Часть 0ИИЭТО,Тирис зоват с. 19 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Создание опытно-пр печи ионного азотирования садки до 2,5 т. Отчет о Н(54) (57) 1. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ УСТАНОВКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА, содержащий источник постоянного тока с фильт-ровым конденсатором на выходе, одинвывод которого через токоограничивающий дроссель, тиристорный мостс доэирующим конденсатором и дросселем в диагонали и диод связан скатодом камеры тлеющего разряда,анод которой эаземлен и соединен сдругим выводом конденсатора, дополнительный тиристор, шунтирующий идополнительный дроссели, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения экономичности и надежности в работе, он снабжен пороговымэлементом, включенным в цепь управления дополнительного тиристора,подключенного анодом через дополнительный дроссель к катодам тиристоров катодной группы моста, а катодом - к катоду камеры и аноду диода, связанному катодом с анодамитиристоров анодной группы мостаи через шунтирующий дроссель - с анодом камеры,1096765 сопротивлением. 2. Источник по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что он снабженмагнитно связанным с шунтирующимдросселем и включенным встречно ему Изобретение относится к электротермии и может быть использованонапример, в установках тлеющего разряда для химико-термической обработки изделий.Известны устройства для питанияустановок тлеющего разряда, предназначенных для химико-термическойобработки изделий, в которых в цепьтехнологического тока устройства включается балластное сопротивление, ограничивающее ток при переходе тлеющегоразряда в дуговой, что, соответственно, уменьшает повреждение обрабатываемых изделий1.Однако в данном устройстве на балластном сопротивлении в номинальномрежиме (при протекании технологического тока тлеющего разряда) теряется около 103 мощности устройства, чтосущественно снижает КПД устройстваи его экономичность,Известны источники питания установок тлеющего разряда с более высокимй энергетическими показателями,содержащие тиристорный мост с конденсаторной коммутацией, в котором энергия одного импульса питания, передаваемого в нагрузку, ограничивается,так называемым "дозирующим" (коммутирующим) конденсатором. Данный источник питания содержит также токоограничивающий реактор, обратный вентиль, обеспечивающий при отключениимоста сброс энергии, запасенной вреакторе, и шунтирующий нагрузку тиристор, позволякцций снизить энергию,поступающую в нагрузку при дуговыхразрядах 23. Однако этот источник питания установок тлеющего разряда обладает рядом существенных,. недостатков, снижающих надежность и экономичность установки. вторым шунтирующим дросселем, один ,конец которого соединен с анодом камеры, а другой через встречно включенный обратный диод -с катодом камеры. К одним из недостатков данного устройства относятся тяжелые условия работы тиристоров моста, работающего в режиме принудительной конденсаторной коммутации, что снижает надежность работы установки. Это обстоятельство ограничивает возможность повышения рабочей частоты инвертирования и препятствует сохранению емкости 1 б "дозирующего" конденсатора с увеличением мощности установки, что соответственно ограничивает возможностьинтенсиФикации технологических процессов и уменьшает надежность защиты 1 деталей от повреждений при переходахтлеющего разряда в дуговой.Другим недостатком данного источника питания являются неблагоприятныеусловия его пуска. Связано это с вы 20 соким сопротивлением межэлектродного промежутка камеры тлеющего разряда(ИЭП КТР) в процессе пуска и наличиемв цепи перезаряда коммутирующей емкости большой индуктивности токоогра ничивающего реактора. При этом ток перезаряда конденсатора может не превысить тока удержания тирнсторов иони не откроются. Для обеспеченияпуска в таком источнике питания 30 ИЭП КТР шунтируется малым активным Экспериментально доказано, что дляобеспечения надежности пуска данной установки на токи разряда 600 А необходимо шунтировать межэлектродный промежуток камеры тлеющего разряда активным сопротивлением 100 - 300 Ом, что вызывает большие потери в них (в номинальном режиме они составляют 4-5 кВт, а в режиме катод-ного распыления, когда разрядное напряжение выше - около 10 кВт).Кроме того, низкая частота дуговых разрядов в режиме очистки деталей, существенно увеличивает длительность этого процесса, Связаноэто, во-первых, с ограниченными возможностями увеличить рабочую частотутиристорного моста, а во-вторых, стем, что для обеспечения коммутационной устойчивости преобразователя, 5особенно при больших мощностях,нужна большая емкость "дозирующего"конденсатора. Поэтому для ограничения энергии дугового разряда доуровня достаточного для очистки,но не приводящего к повреждению обрабатываемых деталей, ИЭП КТР шунтируется короткозамыкающим тиристором.При этом снимаются управляющие импульсы с тиристоров моста, а энергия, 5запасенная в токоограничивающем реакторе, рассеивается в контуре, который образует токоограничивающий реактор, короткозамыкающий тиристор иобратный вентиль. Ввиду малости активных потерь ток в этом контуребудет .протекать достаточно долго иудерживать короткозамыкающий тиристор в открытом состоянии, что в конечном счете значительно увеличитпаузу между дуговыми разрядами исоответственно увеличит длительностьпроцесса очистки.Наиболее близким к изобретениюявляется источник питания установкитлеющего разряда, содержащий источник постоянного тока с фильтровымконденсатором на выходе, один выводкоторого через токоограничивающийдроссель, тиристорный мост с дозирую 35щим конденсатором и дросселем в диагонали и диод связан с катодом камеры тлеющего разряда, анод которойзаземпен и соединен с другим выводомконденсатора, дополнительный тиристор 40шунтирующий и дополнительный дроосеЛИ еВ отличие от предыдущего устройства в цепь (разрядного) тока включентиристор емкостного прерывателя, который прерывает ток в упомянутом контуре, а через дополнительные диодыпроисходит сброс (в фильтровый конденсатор) энергии, запасенной в токоограничивающем реакторе, и перезаряд 50конденсатора емкостного прерывателя,Это позволяет увеличить частоту дуговых разрядов до 700 Гц, что повышает производительность установки 33.55Однако в известном устройстве существенного повышения частоты с цельюдальнейшей интенсификации технологических процессов, получить не удается по указанным причинам, а также. в связи с ограниченными возможностями повышения рабочей частоты емкостного прерывателя, работающего в режиме принудительной конденсаторной коммутации.Усложнение силовой части схемы привело также к усложнению организации ее управления и потребовало ввести . дополнительные блоки управления тнристорами емкостного нрерывателя. Кроме того, дозаряд конденсатора емкостного прерывателя происходит через активное сопротивление, на котором теряется часть мощности из-эа чего снижается КПД.Все это снижает надежность и экономичность установки.Целью изобретения является повышение экономичности и надежности источника питания и установки тлеющего разряда, за счет повьппения рабочей частоты перезаряда дозирующего конденсатора и уменьшения его емкости, что, соответственно, позволяет интенсифицировать технологические процессы и повысить надежность защиты деталей,при дуговых разрядах эа счет существенного уменьшения активных потерь, а также за счет упрощения силовой части источника питания иего системы управления.Поставленная цель достигается темчто, источник питания установки тлеющего разряда, содержащий источникпостоянного тока с фильтровым конденсатором на выходе, один вывод которого через токоограничивающий дроссель,тиристорный мост с дозирующим конденсатором и дросселем в диагонали и диод связан с катодом камеры тлеющегоразряда, анод которой заземлен исоединен с другим выводом конденсатора, дополнительный тиристор, шунтирующий и дополнительный дроссели,снабжен пороговым элементом, включенным в цепь управления дополнительного тиристора, подключенного анодомчерез дополнительный дроссель к катодам тиристоров катодной группы моста, а катодом - к катоду камеры ианоду диода, связанному катодом санодами тиристоров анодной группымоста и через шунтирующий дроссель -с анодом камеры,Кроме того, с целью повышения КПДи более. эффективного ограничения на"пряжения.источник питания может бытьИсточник питания установок тлеющего разряда работает следующим образом.Предварительно от источника 1 постоянного тока заряжается конденсатор 2. Затем осуществляется пуск тиристорного моста 3 путем поочередной подачи управляющих импульсов на его перекрестные тиристоры.Поскольку МЭП КТР 6 (нагрузка) шунтирован дросселем 9, тиристорный мост 3 (инвертор) оказывается на 50 10965с на бжен ма гнитно свя занным с шунтирующим дросселем и включенным встречно ему вторым шунтирующим дросселем,один конец которого соединен с анодомкамеры, а другой через встречно включенный обратный диод - с катодом ка 1меры,На чертеже представлена схемаустройства.Устройство содержит источник 1 1 Опостоянного тока с фильтровым конденсатором 2, тиристорный мост 3 с"дозирующим" конденсатором 4 в диагонали, дроссель 5, камеру 6 тлею-щего разряда (КТР), межэлектродный 15промежуток (МЭП), который подключен через диод 7, тиристорный мост3 и токоограничивающий дроссель 8 кисточнику 1 постоянного тока, шунтирующий дроссель 9 подсоединен параллельно МЭП КТР 6 через вентиль 7,дополнительный тиристор 10, подсоединенный анодом через дополнительныйдроссель 11 к катодной группе тиристоров моста 3, катодом через 25диод 7 - к анодной группе, пороговый элемент 12, шунтирующий анод иуправляющий электрод тиристора 10выполнен, например, на переключаю -щих полупроводниковых приборах (ди- З 0нисторах), соединенных последовательно с токоограничивающим резисто.ром.Кроме этого, источник питанияустановок тлеющего разряда содержитдополнительный шунтирующий дроссель13, который магнитно связан с шунтирующим дросселем 9 и включен встречно ему, причем для увеличения коэффициента связи оба шунтирующих дросселя могут быть намотаны на общийкаркас в два параллельных привода содинаковым количеством витков; обратный диод 14, через который шунтирующий дроссель 13 подсоединяется 45параллельно МЭП КТР 6. 765груженным на параллельный К Ь, -контур, где Кн - сопротивлениеМЭП КТР б; Ь 9= Ьн - индуктивностьдросселя 9,Это позволяет обеспечить работуинвертора в резонансном режиме вовсем диапазоне изменения параметров МЭП.Так, в момент пуска тиристорногомоста 3 МЭП КТР 6 имеет высокоесопротивление, и ток перезаряда коммутирующего ( дозирующего") конденсатора 4 проходит практически лишьчерез дроссель 9 и замыкается поконтуру: плюс источника 1, дроссель9, соответствующие перекрестные тиристоры моста 3, конденсатор 4, дроссель 5, дроссель 8 и минус источника 1.Выбором параметров К, Ь , С контура, где К - суммарное активноесопротивление элементов контура,1, = Ь 9 +1, + Ь - суммарная индуктивность дрогселей 9, 5 и 8; С- емкость конденсатора 4, обеспечиваетсяработа моста в режиме резонансногоинвертора на минимальной частоте,определяемой собственной частотойконт а:урммин=СКОбеспечить колебательный ток в просцессе пуска не сложно, так как Й, определяемое лишь активным сопротивлением проводов, дросселей 9, 5 и 8 и т.п весьма мало.Вследствие протекания колебательного тока на дросселе 9 формируется напряжение, меняющее свой знак примерно в середине периода перезаряда конденсатора 4.Положительное напряжение, возникающее на дросселе 9 в первую часть периода, прикладывается через диод 7 к МЭП КТР 6, а отрицательное, возникающее во второй части периода удерживается диодом 7, так что к МЭП КТР 6 оно не прикладывается. После запуска тиристорного моста3, работающего в режиме резонансногоинвертора, напряжения на элементахколебательного К, Ь, С контура и,в частности, на дросселе 9 нарастаютв течение ряда периодов рабочейчастоты,Когда положительное напряжение надросселе 9, прикладываемое к МЭП КТР6, достигнет величины напряжения за 1096765 101 О 20 Таким образом, к МЭП в течение всего периода перезаряда конденсатора 4 прикладывается положительное напряжение, Одновременно уменьшается реактивная энергия, перекачиваемая помимо нагрузки, поскольку во второй части периода энергии, запасенной в дросселе 9, она передается в нагрузку. тиристора 10, несколько дозарядит конденсатор 4.Однако уровень дозаряда будет несущественным, так как суммарная индуктивность дросселя 8 и эквивалент ной Ь индуктивности параллельного КИЬ-контура, приведенного к последовательной схеме замещения, будет больше индуктивности дросселя 5 Ьз +ЬЬ. Поэтому ток в цепи дросселей 9 и 5 не успеет к моменту выключения тиристора 10 достичь сколь-нибудь существенного значения т.е. энергий, запасенная в дросселях 9 и 8, к этому моменту времени будет мала).Это позволяет получить требуемую степень ограничения напряжения на конденсаторе 4 и других элементах схемы, причем степень ограничения можно регулировать изменением уровня напряжения срабатывания порогового устройства 12.На этапах пуска и катодного распыления напряжение к нагрузке прикладывается лишь часть (неменее половины) периода перезаряда конденсатора 4, что несколько снижает КПД установки. Для того, чтобы обеспечить напряжение на нагрузке в течение 30 всего периода, параллельно МЭП через диод 14 подсоединяется дополнительный шунтирующий дроссель 13, магнитно связанный с дросселем 9 и включенный встречно ему. 35При этом на дросселе 13 индуцируется напряжение, находящееся. в противофазе с напряжением на дросселе 9, поэтому, когда в первой части периода на дросселе 9 положительное 40 напряжение, прикладываемое к МЭП через диод 7, на дросселе 13 отрицательное, удерживаемое запертым диодом 14, и, наоборот, когда во второй части периода на дросселе 9 4 отрицательное напряжение, удерживаемое запертым диодом 7, на дросселе 13 - положительное напряжение, прикладываемое к нагрузке .через диод 13.1 Вместе с тем, когда потребление энергии нагрузкой .чрезмерно мало, через дроссель 13 осуществляется сброс избыточной энергии, накапливаемой в колебательном контуре, что повышает надежность.ограничения напряжения на конденсаторе 4 и других элементах схемы, Осуществляется это следующим образом.Если во второй части периода напряжение на дросселе 13 окажется больше суммарного напряжения на фильтровом конденсаторе 2 и дросселе 8 на величину напряжения срабатывания порогового устройства 12, то откроется тиристор 10. При этом ток возврата избыточной реактивной энергии с дросселя 13 потечет в фильт ровый конденсатор 3 по цепи: дроссель 13 - конденсатор 2 - дроссель 8 - дроссель 11 - тиристор 10 - диод 14На этапах очистки и насыщения работа схемы аналогична.На этапе насыщения, как уже отмечалось, индуктивное сопротивление дросселя 9 выбирается на порядок выше сопротивления МЭП КТР 6. На этапе очистки каждый импульс напряжения, приложенный к МЭП от дросселя 9 в момент включения очередных тиристоров моста 3, приводит, как правило, к появлению дуговых разрядов и резкому снижению сопротивления МЭП. При этом на обоих этапах дроссель 9 шунтируется низким сопротивлением МЭП КТР 6 и практичесКи "исключается из работы схемы".В результате через ИЭП КТР 6 протекает колебательный ток перезаряда конденсатора 4 по цепи: плюс источника 1 - МЭП КТР 6 - диод 7 - соответствующие перекрестные тиристоры моста 3 - конденсатор 4 - дроссели 5 и 8 - минус источника 1 постоянного тока, напряжение иа нем приобретает форму, близкую к полусинусоиде, а максимальное значение в 1,2 - 1,3 раза превышает таковое источника постоянного тока 1.Частота и длительность импульсов дуговых (тлеющих) разрядов определяется периодом перезаряда койденсатора 4 или собственной частотой колебательного контурамиВыбором соответствующих параметров указанного колебательного контупа Ь, Ь, С можно надежно ограничить энергию, поступающую в нагрузку на один импульс дугового разряда на уровне,. не приводящем к повреждению обрабатываемых изделий, и обеспечить требуемую достаточно высокую частоту 5 дуговых (тлеющих) разрядов, которая может более, чем в 5 раз превышать максимальную частоту дуговых (тлеющих) разрядов известного устройства.На этих этапах время, предоставляемое тиристорам моста 3 для восстановления управляемости, является минимальным, определяется собственной частотой колебательного контура (ЕЕЕ), С и остается благодаря 15 этому, на допустимом уровне, обеспечивающем надежность коммутации тиристоров.На этапе насыщения изменением1 частоты возможно достаточно широкое 20 регулирование мощности подводимой к нагрузке, а на этапе очистки - регулирование частоты дуговых разрядов (паузы между ниии).На этапе очистки, ввиду малости активного сопротивления, и на этапе насыщения при нескольких случайных переходах тлеющего разряда в дуговой может наблюдаться накопление избыточной энергии в колебательном 30 контуре резонансного инвертора (моста 3), т.е. рост напряжения на конденсаторе 4. Однако и на этих этапах обеспечивается описанное ограничение потребления энергии ко,лебательным контуром от источника 1 постоянного тока за счет включения тиристора 10,При этом вследствие шунтирования дросселя 9 напряжение на внутреннем 40 дросселе 5 возрастает, а разность напряжений на конденсаторе 4 и дросселе 5, прикладываемая к тиристору 10 и его пороговому устройству 12, соответственно уменьшится. 45Поэтому включение тиристора 10 будет происходить при более высоком напряжении на конденсаторе 4.Изменением (снижением) уровня напряжения срабатывания порогового устройства 12 можно добиться требуемого напряжения на конденсаторе 4. Снижение этого уровня легко производится, например, закорачиванием части последовательно соединенных переключающих полупроводниковых приборов (динисторов) порогового устройства 12. Таким образом, в предлагаемом источнике питания установок тлеющего разряда тиристорный мост 3 работает в режиме резонансного инвертора во всем диапазоне изменения нагрузки от х.х. до КЗ. При этом существенно облегчаются условия работы его тиристоров (в 3-4 раза увеличивается минимальное время, предоставляемое тиристорам для восстановления управляемости, уменьшаются А/д 1 и перенапряжения при их включении), что позволяет более чем в 5 раз повысить рабочую частоту тиристорного моста 3, а вследствие этого сохранить выход - ную мощность, в 5-7 раз уменьшить емкость коммутирующего ("дозирующенъго ) конденсатора. Последнее обстоятельство в свою очередь позволяет более надежно защитить поверхность обрабатываемых изделий от повреждений, за счет безусловного ограничения энергии одного импульса дугового разряда на допустимом уровне (без шунтирования МЭП короткозамыкающим тиристором).Кроме того, благодаря более высокой частоте и безусловному огра- ничению энергии одного импульса дугового разряда, появляется возможность повысить более, чем в 3 раза частоты дуговых разрядов на этапе очистки, что существенно уменьшает длительность данного процесса.Благодаря исключению резисторовв шунтирующих ИЭП и резисторов в цепях сброса избыточной энергии удается уменьшить активные потери ина 2-37 повысить КПД источникапитания.Существенно удается упроститьсиловую часть источника питанияи его систему управления за счетисключения емкостного прерывающегоустройства, короткозамыкающего тиристора и их систем управления,Кроме того, напряжение на ИЭП КТРпредлагаемого источника питания изменяется "автоматически" в требуемых пределах, принимая высокое,но ограниченное до допустимого уровня значение на этапе катодногораспыления и на этапе очистки вмомент до образования дуги, и снижаясь до напряжения источника пос1096765 14 13 Составитель О,ТурпакТехред Ж.Кастелевич Корректор В.Синицкая Редактор Н.Данкулич Заказ 384342 Тираж 783 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 т оя нного тока на з тапе нас ьшения .Вместе с тем, высокое требуемоенапряжение на МЭП КТР получается за счет раскачки напряжения при более низком напряжении источника.