4.1. Система автоматической стабилизации напряжения на батарее конденсаторов

Качество сварки иа КМ в первую очередь зависит от стабильности напряжения иа батарее конденсаторов. Рассматриваемая в этом пара­графе система автоматической стабилизации напряжения (САСН) при­меняется во всех КМ средней и большой мощности, выпускаемых серий­но заводами «Электрик» им. Н. М. Шверника и ПЗТЭСО (МТК-500Г, МТК-8004, ПРК-4001, ПРК-12001). САСН обеспечивает заряд батареи конденсаторов и стабилизацию напряжений иа ней с точностью ±1%. заданного значения при колебаниях сетевого напряжения в пределах —15 ... +10%, причем точность сохраняется во всем диапазоне изме­нений запасаемой в конденсаторах энергии. Этот диапазон может дости­гать 20, ио при этом минимальное время заряда батареи конденсаторов должно быть не менее 0,06 с. Ограничение времени заряда связано с ограниченным быстродействием САСН. При временах заряда, меньших 0,06 с, происходит перезаряд батареи конденсаторов, что недопустимо, так как из-за малых токов утечки напряжение станет равным заданному только через большой промежуток времени.

САСН представляет собой статическую систему с принципом управ­ления по отклонению. На рис. 4.1 приведены функционально-структур­ная и принципиальная схемы САСН. На функционально-структурной схеме видно, что система охвачена отрицательной обратной связью по напряжению на батарее конденсаторов БК. Сигнал рассогласования ДU, равный разности сигнала задания ия с источника задающего напряже­ния ИЗН и сигнала обратной связи, усиливается в промежуточном уси­лителе ПУ и поступает на вход формирователя импульсов ФИ. Послед­ний работает по вертикальному принципу, формируя импульс по фазе в зависимости от значения сигнала Ивых с выхода ПУ. В режиме заря­да батареи конденсаторов БК сигнал ДU вводит усилитель ПУ в режим насыщения, при этом ивъ, х максимально и фаза импульсов с выхода ФИ постоянна. Угол включения тиристоров управляемого выпрямительного устройства УВУ остается постоянным, пока Л£/> 1 В. При AU<1 В усилитель ПУ выходит из режима насыщения, импульсы управления пе­ремещаются относительно полуволны сетевого напряжения вправо и угол включения тиристоров устанавливается таким, при котором БК подзаряжается через УВУ в каждую полуволну выпрямленного напря­жения.

Статический расчет САСН сводится к вычислению статического ко­эффициента передачи системы, необходимого для получения заданной точности. На рис. 4.1 стрелкой, обозначенной буквой F, изображено внешнее возмущение — колебание сетевого напряжения, действующее иа устройство УВУ. Передаточная функция замкнутой системы по возму­щению имеет вид

W3 (р) Wt (р)

Ф(р)= і +vApW. IpW*IpW*(pW*(p) '

где в числителе и знаменателе записаны передаточные функции соответ­ствующих звеньев фуикционалыю-структуриой схемы САСН.

При малых приращениях звенья ФИ и УВУ можно считать линей­ными с передаточными функциями W2(p)=k2 в градусах иа вольт и W3(p)=k3 в вольтах на градус. Усилитель ПУ и звено обратной связи ЗОС представляют собой пропорциональные звенья, и поэтому их пере­даточные функции запишутся как kt и *5 соответственно. При р=0 по­лучаем уравнение статики, при этом и передаточная функция W*(p) за­пишется в виде коэффициента к*. При заданной точности поддержания напряжения на батарее БК, равной 1% (А^бк = 1 %). и значении возму­щения iAF=25%

Шък

Ф(°) = - д^=°.04-

При й2=10 *3=8В/..°, *4=1, *5=0,5 (значения для рассматри­

ваемой здесь схемы САСН)

*,*«-Ф (0)

Ф (0) *г*,*4*5

В итоге получим, что коэффициент усиления промежуточного уси­лителя ПУ для реализации заданной точности должен быть равен пяти (*i=5). Пульсация напряжения, связанная с подзарядом БК в каждую полуволну выпрямленного напряжения, составляет сотые доли процента и практически не сказывается иа общей стабильности напряжения на БК-

Рассмотрим работу САСН по принципиальной электрической схеме. Силовой регулятор собран по мостовой схеме на диодах VD1, VD2 и тиристорах VS1, VS2. Резистор R1 служит для ограничения значения зарядного тока. Тиристоры VS1 и VS2 включаются импульсами соот­ветственно от однотипных формирователей импульсов ФИ1 и ФИ2. Про­тивофазным включением обмоток трансформатора ТІ достигается сдвиг по фазе импульсов управления на 180° эл. Трансформатор ТІ входит - в состав источника пилообразного напряжения («пилы»). «Пила» фор­мируется при разряде конденсатора С1 на резистор R2, причем оконча­ние разряда совпадает с окончанием периода сетевого напряжения. «Пила» сравнивается на входе элемента Т-202, являющегося пороговым, с сигналом управления — напряжением {У„ых с усилителя ПУ. Напря­жение t/вых отпирает входной каскад элемента Т-202, «пила» запирает его. При включенном заряде, т. е. при (У,,их = 0, входной каскад элемен­та Т-202 должен быть закрыт и на выходе 9 элемента Т-202 должен быть постоянный «0». («0» и «1» в логических схемах означают соответствен­но отсутствие и присутствие сигналов на входе и выходе.) Исходный «0», или рабочая точка элемента Т-202, устанавливается резистором R3. При появлении напряжения U„ых и в момент превышения им уровня «пилы» входной каскад элемента Т-202 отпирается и на его выходе 9 появляет­ся «1». Чем больше значение UB Ы1, тем раньше относительно полупери­ода сетевого напряжения срабатывает элемент Т-202 и тем левее сдви­нут импульс, формирумый в импульсном устройстве, собранном на эле­менте Т-403, относительно полупериода напряжения сети. Импульс управления формируется при разряде конденсатора С2 иа импульсный трансформатор ТИ2 через включенный выходной каскад усилителя Т-403. Это позволяет исключить импульсное потребление тока по цепям литания и связанные с этим помехи.

Промежуточный усилитель ПУ является усилителем постоянного тока и усиливает сигнал рассогласования, равный U3—Ucl2. Деление сигнала обратной связи Uc на два связано с трудностью изготовления источника задающего напряжения ИЗН на 400 В, максимального для применяемых электролитических конденсаторов. Чтобы избежать под­строек ПУ в работе, которые неизбежны, если применить усилитель по­стоянного тока с гальваническими связями, и повысить стабильность, ■усилитель ПУ собран по схеме модулятор—усилитель переменного тока — выпрямитель. Кроме того, такая схема позволяет получить галь­ваническую развязку ПУ от логических элементов, общий вывод кото­рых с целью повышения помехоустойчивости заземляется. Заземлять же усилитель ПУ, связанный по цепи обратной связи с питающей электро­сетью, нельзя. Модулятор собран на транзисторах VT1, VT2, включен­ных инверсно для уменьшения остаточных напряжений. Усилитель пере­менного тока собран иа транзисторах VT3, VT4, VT5. Первый и послед­ний каскады усилителя представляют собой эмиттерные повторители, средний каскад иа транзисторе VT4 является усилительным. Несущая частота 5 кГц выбрана из условий точности и быстродействия. Она вырабатывается генератором несущей частоты на транзисторах VT6, VT7, VT8, представляющим собой мультивибратор с корректирующими диодами. Мультивибратор запускается с помощью контакта реле К, од­новременно начинает работать вся САСН. Прямоугольные сигналы с ча­стотой 5 кГц с выхода мультивибратора (с трансформатора ТЗ) посту­пают на вход модулятора, и транзисторы VT1 и VT2 преобразовывают сигнал рассогласования в сигнал переменного тока, который, будучи усиленным, через трансформатор Т2 и выпрямитель поступает на вход элемента Т-202.

Начальная фаза импульсов включения, при которой происходит за­ряд батареи конденсаторов Сн, выбирается из условия, чтобы при пони­жении напряжения сети иа 15% мгновенное напряжение при начальной фазе не было меньше 405 В. Это соответствует фазе 60° эл. Подстройка начальной фазы производится резистором R5. Источник ИЗН состоит из двух высокостабилизированиых источников постоянного тока иа 100 В каждый, собранных по компенсационной схеме с усилителями по­стоянного тока. Источники соединены последовательно. Напряжение иа выходе ИЗН (иа резисторе R4) регулируется от 75 до 200 В с помощью резистора R6, при этом напряжение на резисторе R4 плавно меняется в пределах 150—400 В.