Существует известная топология двухтактного инвертора, у которого в цепи первичной, либо
вторичной, обмотки включен индуктор (дроссель), работающий без постоянной составляющей
магнитного потока. На Рис.1 показана реализация такого инвертора в виде полумоста.
Дроссель переменного тока обозначен Lac.
Рис.1 Базовая схема полумостового преобразователя с дросселем переменного тока Lac.
Величина Lac включает в себя и индуктивность рассеяния трансформатора Tr1.
Внешняя характеристика инвертора описывается выражением:
где n=w2/w1 - коэффициент трансформации,
U2 - напряжение на вторичной обмотке в отсутствии нагрузки,
Lac - индуктивность, приведенная к первичной обмотке силового трансформатора.
Ток короткого замыкания равен:
где Е=300V - напряжение питания,
Lac - индуктивность, приведенная к первичной обмотке трансформатора.
Приблизительно можно считать, что , где
- ток нагрузки, при котором напряжение на
нагрузке составляет 50% от напряжения холостого хода. Это "рабочая точка" на внешней
характеристике, так как при этих условиях в нагрузку отдается максимальная мощность.
На Рис.2 качественно показан вид внешней характеристики. Здесь Uload - напряжение на
нагрузке, Iload - ток нагрузки, Isc - ток короткого замыкания, a Imax power - значение тока
нагрузки в "рабочей точке".
Рис.2 Внешняя характеристика инвертора с дросселем переменного тока.
На рис.3 показаны формы токов и напряжений в некоторых характерных точках инвертора:
Рис. 3 Эпюры токов и напряжений. Обозначения: Ugs - напряжение затвор-исток ключа,
Uds - напряжение сток-исток, U Lac - напряжение на обмотке дросселя переменного тока,
I Lac, Iw1 - ток первичной обмотки (w1) трансформатора и (он же) дросселя, Ids - ток стока
(коллектора) ключа.
Красной пунктирной линией показано как изменится ток стока, если выходной выпрямитель
нагрузить на типовой LC-фильтр ( Рис. 4). Добавление дросселя постоянного тока Ldc с
одной стороны уменьшает (в 2 -4 раза) амплитудное значение тока стока, но с другой -
увеличивает ток короткого замыкания в 1,5 - 2 раза. Дроссель Ldc делает внешнюю
характеристику более "жесткой".
Рис. 4 Инвертор с дросселями переменного и постоянного тока.
Размещение Lac на вторичной стороне трансформатора позволяет получить так называемую
"вольтодобавку". На Рис. 5 показано схемотехническое решение, а на Рис. 6 суммарная
внешняя характеристика двухтактного инвертора с жесткой внешней характеристикой и "мягкой"
вольтодобавкой.
Рис. 5 "Вольтодобавка" на вторичной стороне.
Рис. 6 Внешняя характеристика инвертора типа "источника напряжения" с вольтодобавкой.
Описанный выше инвертор с дросселем переменного тока можно рассматривать в качестве
возможной топологии для построения сварочного преобразователя.
Коротко "плюсы" и "минусы" данного варианта:
"Плюсы":
1. Не боится короткого замыкания нагрузки и без обратной связи по току.
2. Ток нагрузки можно регулировать изменением тактовой частоты при постоянной скважности
почти 100%, ШИМ-контроллер не требуется.
3. Отпирание транзистора происходит при нулевом напряжении на нем.
"Минусы":
"Минус", собственно, один, но он почти убивает все плюсы - большое амплитудное значение
тока стока ключа (в 2 -4 раза) по сравнению с "традиционным" без Lac инвертером из-за
треугольной его формы. То же относится и к диодам выходного выпрямителя. А также проблемы
при практической реализации самого Lac из-за сильного проявления скинэффекта и эффекта
"близости".
Для сварочных задач эта топология вряд ли представляет интерес, но для каких-то
специфических применений может оказаться интересной (например, простой источник для заряда
емкостного накопителя).
Существует публикация, в которой очень подробно описывается данный тип преобразователей, но
книга утеряна и все здесь описано по памяти и кратко.
Возможно, что в сварочном инверторе MAXSTAR-151 фирмы Miller Electric вольтодобавка
сделана по описанному принципу:
, где
- ток нагрузки, при котором напряжение на
нагрузке составляет 50% от напряжения холостого хода. Это "рабочая точка" на внешней
характеристике, так как при этих условиях в нагрузку отдается максимальная мощность.
