ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 1995 года по МПК B23K9/06 

Изобретение относится к сварке металлов и может быть использовано в установках для дуговой сварки.

Известны источники питания для дуговой сварки, содержащие трансформатор, один неуправляемый выпрямитель и сглаживающий дроссель [1,2]
Они просты и надежны в эксплуатации, однако имеют повышенную массу меди и потребляют большую мощность из электрической сети. Для снижения этих показателей сравнительно часто в таких установках используют импульсные стабилизаторы дуги или другие устройства, обеспечивающие повышенное напряжение на дуговом промежутке при зажигании дуги или ее прерывании в процессе сварки.

Недостатками этих источников являются низкая надежность, трудность ремонта, что связано с использованием в них электронных схем и сложных систем управления ими.

В качестве прототипа изобретения выбран источник питания для дуговой сварки, содержащий однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками и два выпрямителя, подключенных параллельно дуговому промежутку. Напряжение холостого хода одной обмотки составляет 80 В, другой 28-30 В. Первая из обмоток с подключенным к ней вспомогательным выпрямителем служит для возбуждения и устойчивого горения дуги, другая обмотка и основной выпрямитель обеспечивают рабочий ток при сварке. Емкость, включенная последовательно с обмоткой высокого напряжения, ограничивает ток выпрямителя и осуществляет фазовый сдвиг токов выпрямителей. Требуемую внешнюю характеристику обеспечивает электронная схема и система управления ею.

Недостатками этого источника являются низкая надежность работы и его повышенная сложность системы управления.

В основу изобретения положена задача создать на базе неуправляемых выпрямителей источник питания для дуговой сварки со сниженными массогабаритными показателями, обеспечивающий высокие сварочно-технологические свойства при низком уровне потребляемой из электрической сети мощности и высокой надежности работы.

Поставленная задача решается тем, что источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подключенные к дуговому промежутку, однофазный трансформатор с первичной и первой и второй вторичными обмотками, первая из которых электрически связана с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка с вторым выпрямителем, согласно изобретению снабжен первым и вторым дросселем, первая вторичная обмотка трансформатора подключена к первому выпрямителю через первый дроссель, а вторая к второму выпрямителю через второй дроссель, причем дроссели встречно магнитосвязаны.

Кроме того, дроссели имеют нелинейные вольт-амперные характеристики.

Использование двух параллельно соединенных выпрямителей, один из которых служит для зажигания и устойчивого горения дуги (вспомогательный выпрямитель), а другой для обеспечения рабочего тока I_р (основной выпрямитель) позволяет снизить расход меди и потребление энергии. Это связано с низким напряжением холостого хода основного выпрямителя, поскольку снижается количество витков вторичной обмотки трансформатора, по которым протекает основная часть рабочего тока. Кроме того, повышается коэффициент трансформации К_тр, что снижает потребляемый из сети ток I_сет= .

Эффективность такого решения возрастает при снижении напряжения холостого хода (х.х.) основного выпрямителя.

Однако низкое значение напряжения х.х. затрудняет получение рабочей точки на внешней характеристике источника с одновременным выполнением условия ограничения тока короткого замыкания (к.з.).

В заявляемой решении внешняя характеристика получена за счет введения в цепь переменного тока основного выпрямителя переменного сопротивления, изменяющегося в зависимости от тока нагрузки источника. Такое переменное сопротивление создают встречно магнитосвязанные дроссели, обмотки которых намотаны на один ферромагнитный сердечник. Сопротивление дросселей зависит от магнитного потока в сердечнике, который создается суммой магнитодвижущих сил его обмоток:
F i_ов ˙W_ов + i_вв ˙W_вв, где i_ов, W_ов ток и количество витков дросселя основного выпрямителя;
i_вв, W_вв ток и количество витков дросселя вспомогательного выпрямителя.

Поскольку соотношение токов в основном и вспомогательном выпрямителях изменяется при изменении нагрузки источника, меняется и сопротивление дросселей.

На фиг.1 представлена электрическая схема заявляемого источника питания; на фиг. 2 внешние характеристики аналога и заявляемого источника; на фиг.3 внешние характеристики источника, отличающегося от заявляемого отсутствием магнитосвязанных дросселей, и заявляемого источника; на фиг.4 осциллограммы токов в заявляемом источнике.

Заявляемый источник питания (фиг.1) содержит трансформатор 1 с первичной 2 и первой 3 и второй 4 вторичными обмотками. Обмотка 3 через дроссель 5 соединена со вспомогательным выпрямителем 6, а обмотка 4 через дроссель 7 с основным выпрямителем 8. Дроссели 5 и 7 встречно магнитосвязаны. Выпрямители 6 и 8 параллельно подключены к дуговому промежутку 9. Напряжение х.х. обмотки 3 равно напряжению зажигания дуги (60-70В), а напряжение х.х. обмотки 4 в 1,5-2 раза меньше. Индуктивность рассеяния обмотки 3 значительно превышает индуктивность рассеяния обмотки 4.

Источник питания работает следующим образом. После включения первичной обмотки 2 на выходах выпрямителей 6 и 8 устанавливается постоянное напряжение, по величине близкое к напряжению х.х. обмотки 3. Это напряжение запирает большую часть периода работы источника, поэтому ток вспомогательного выпрямителя значительно превышает ток основного. Ток в дуговом промежутке 9 складывается из токов этих выпрямителей. Магнитный поток в сердечнике дросселя, создаваемый в этом случае преимущественно обмоткой 5, индуктирует на зажимах дросселя 7 электродвижущую силу (ЭДС), которая складываясь с ЭДС вторичной обмотки 4, повышает напряжение на входе выпрямителя 8 и увеличивает ток этого выпрямителя. Таким образом благодаря магнитной связи дросселей снижается эквивалентное сопротивление в цепи переменного тока основного выпрямителя.

При увеличении тока в дуговом промежутке 9 снижается напряжение на выходе вспомогательного выпрямителя 6, поскольку возрастает падение напряжения на индуктивности рассеяния трансформатора и на дросселе 5. Время включения основного выпрямителя 8 увеличивается, а следовательно, увеличивается и ток этого выпрямителя. В рабочей точке основная часть тока обеспечивается основным выпрямителем.

При токах, превышающих рабочий, в сердечнике дросселя преобладает магнитный поток, созданный обмоткой 7, противоположный по знаку потоку, созданному обмоткой 5. Он индуктирует на зажимах дросселя 7 ЭДС, которая вычитается из ЭДС вторичной обмотки 4. Это эквивалентно возрастанию сопротивления в цепи основного выпрямителя 8, что обеспечивает ограничение тока к.з. источника.

На фиг.2 показана внешняя характеристика 10 заявляемого источника, а также внешние характеристики 11 и 12 основного и вспомогательного выпрямителей. Напряжение х.х. вспомогательного выпрямителя составляет (для примера) 70 В, основного 36 В. Из сравнения зависимостей 11 и 12 видно, что соотношение между токами основного и вспомогательного выпрямителей меняется в зависимости от тока нагрузки. В связи с этим меняется магнитный поток в сердечнике, на который намотаны обмотки дросселей, и сопротивление в цепи переменного тока основного выпрямителя. При токе, превышающем рабочий (I_р. 80А), это сопротивление резко возрастает и ограничивает ток к.з. величиной 100 А. В рабочей точке (U_дуги=23В, I_р.=80А) основную часть тока нагрузки (65А) дает основной выпрямитель 8.

На фиг.2 приведена внешняя характеристика 13 распространенного источника питания для дуговой сварки с падающей характеристикой. Из сравнения зависимостей 10 и 13 следует, что заявляемый источник позволил получить рабочую точку и ток к.з. совпадающие с аналогом, при повышении напряжения х.х. источника без увеличения тока, потребляемого из сети.

Зависимости, представленные на фиг.3, иллюстрируют влияние встречно магнитосвязанных дросселей на формирование внешней характеристики. Внешняя характеристика 14, полученная для источника, отличающегося от заявляемого отсутствием магнитосвязанных дросселей, расположена значительно ниже внешней характеристики 15 заявляемого источника. Это связано с изменением индуктивности трехобмоточного трансформатора при изменении соотношения токов в его вторичных обмотках. Кроме того, ток к.з. для характеристики 14 недостаточно ограничен.

На фиг. 4 представлены зависимости от времени тока 16 в дуговом промежутке 9, тока 17 основного выпрямителя 8 и тока 18 вспомогательного выпрямителя 6. Они показывают, что в заявляемом источнике достигнут фазовый сдвиг между токами основного и вспомогательного выпрямителей, поэтому ток дуги не спадает до нуля.

Таким образом, встречно магнитосвязанные дроссели в заявляемом источнике проявили следующие свойства:
изменение сопротивления в зависимости от тока нагрузки,
обеспечение сдвига фаз токов основного (ОВ) и вспомогательного (ВВ) выпрямителей.

Эксперименты показали, что нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) дросселей в цепях ОВ и ВВ позволяет расширить возможности формирования требуемой внешней характеристики источника при минимальных массогабаритных показателях дросселей.

Например, в нелинейной части ВАХ ослабляется магнитная связь между обмотками дросселей, что обеспечивает крутопадающую характеристику при токе источника, превышающем рабочий. В то же время индуктивность дросселя 7 изменяется несущественно, поскольку магнитный поток, созданный дросселем 7, ослабляется потоком, созданным дросселем 5, что препятствует уменьшению магнитной проницаемости.

Оптимальные параметры дросселей, имеющих нелинейные ВАХ, определены экспериментально.

Эффективность заявляемого изобретения подтверждается следующим примером. На базе серийно выпускаемого бытового сварочного выпрямителя ВД-801 разработан макет источника питания для ручной дуговой сварки, содержащий два параллельно соединенных неуправляемых выпрямителя, один из которых обеспечивает зажигание дуги, а другой рабочий ток. В заявляемом источнике отношение рабочего тока к току к.з. совпадает со значением этого отношения в бытовом выпрямителе ВД-801 для всех ступеней регулирования тока. Результаты сравнения представлены в таблице.

По сравнению с прототипом заявляемый источник имеет следующие преимущества:
наличие в заявляемом источнике встречно магнитосвязанных дросселей обеспечивает приемлемое для ручной дуговой сварки отношение тока к.з. к рабочему току. В прототипе при неуправляемых вентилях V1-V4 получение приемлемого для сварки отношения тока к.з. к рабочему току невозможно. В случае применения управляемых вентилей V1-V4 источник значительно усложняется, что снижает его надежность и повышает стоимость.

По сравнению с аналогом существенно улучшены условия возбуждения и устойчивого горения дуги за счет повышения напряжения х.х. заявляемого источника (на двух последних ступенях) при примерно одинаковой потребляемой из сети мощности и снижении массы меди обмоток и дросселя.

Таким образом, заявляемый источник обеспечивает снижение массогабаритных показателей установки, высокие сварочно-технологические свойства при низком уровне потребляемой из сети мощности, а так же повышение надежности в работе.

Использование: изобретение относится к сварке металлов и может быть использовано в установках для дуговой сварки. Сущность изобретения: источник содержит однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками, каждая из которых через свой дроссель подключена к своему неуправляемому выпрямителю. Выходы обоих выпрямителей подключены параллельно дуговому промежутку, а дроссели встречно магнитосвязаны. Такое подключение позволяет использовать один выпрямитель для зажигания дуги, а другой - для обеспечения рабочего тока. Дроссели служат для формирования требуемой внешней характеристики источника. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подключенные к дуговому промежутку, однофазный трансформатор с первичной и первой и второй вторичными обмотками, первая из которых электрически связана с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка с вторым выпрямителем, отличающийся тем, что он снабжен первым и вторым дросселями, первая вторичная обмотка трансформатора подключена к первому выпрямителю через первый дроссель, а вторая к второму выпрямителю через второй дроссель, причем дроссели встречно магнитосвязаны. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что дроссели имеют нелинейные вольтамперные характеристики.