АВТОМОБИЛЬНЫЙ СВАРОЧНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1995 года по МПК B23K9/10 

Изобретение относится к электросварочному оборудованию и может быть использовано в мобильных и портативных сварочных аппаратах автотранспортной техники.

Известны сварочные агрегаты, содержащие трехфазный генератор переменного тока с диодными выпрямителями, снабженными приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Недостатком таких сварочных агрегатов является ограниченный диапазон сварочных токов и слабое использование мощности ДВС в паузах сварки, что снижает общий КПД и экономическую эффективность всего устройства.

Известен также генератор с двумя выходными напряжениями переменного тока 115 В, 60 Гц и постоянного тока 14 В, содержащий автомобильный генератор трехфазного тока, обмотки которого подключены к тиристорному циклоконвертору, соединенному с резонансным трансформатором и балансным резистором, обеспечивающим возможность дуговой сварки. Тиристоры циклоконвертора связаны с задающим генератором, стабилизированного кварцевыми кристаллами и диодом Зенера, сигнал с которого поступает на усилитель, формирователь и другие вспомогательные элементы схемы.

Недостатком этого генератора является сложность конструкции и управления, которые приводят к увеличению весогабаритных характеристик устройства и затрудняют его практическое применение.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является схема альтернативного генератора системы электроснабжения автомобиля, содержащая дополнительный коммутатор, подключающий обмотки генератора к аккумуляторной батарее через трехфазный выпрямитель, а к выходной клемме электроинструмента через умножитель напряжения. При проведении сварочных работ коммутатор устанавливает максимальный ток в обмотке возбуждения генератора и отключает аккумуляторную батарею и потребителей электроэнергии от генератора, на выходе которого образуется напряжение 60-80 В, необходимое для сварки.

Недостатками этого устройства является малый диапазон регулирования сварочного тока, величина которого принципиально ограничена допустимым током обмотки генератора и диодов встроенного выпрямителя, а так же отсутствие энергообмена с аккумулятором в процессе сварки, что не позволяет эффективно использовать накопленную в нем энергию и может привести к его глубокому разряду через обмотку возбуждения генератора. Кроме того довольно высокое напряжение холостого хода на выходе альтернативного генератора представляет серьезную опасность для сварщика в полевых условиях, что требует дополнительных мер защиты как для него, так и бортового электрооборудования автомобиля.

Цель изобретения устранение указанных недостатков, т.е. сочетание высокой эффективности и энергоотдачи бортовой сети автомобиля с безопасностью сварочных работ в полевых условиях.

Цель достигается дублированием электромеханического переключателя режима бортовой сети автомобиля электронным коммутатором выходного напряжения, выполненным в виде симисторного шунта, включенного между выходной клеммой генератора и входом регулятора напряжения, который соединен с положительным полюсом аккумулятора через резистор обратной связи. При этом управляющий электрод симистора соединен с реле времени на пороговом элементе с нелинейным делителем выходного напряжения и защитным герконом с разделительным диодом, обеспечивающим автоматическое переключение выходного напряжения в соответствии с режимом сварки. Причем для дистанционного управления напряжением поджига дуги и величины сварочного тока, на электрододержателе сварочного аппарата может устанавливаться рычаг гибкой связи с приводом дроссельной заслонки, а для сварки в защитной среде выхлопных газов автомобиля гибкий шланг, связывающий сопло газоподачи в зону сварки с выхлопной трубой двигателя автомобиля.

В этом случае для формирования "жесткой" нагрузочной характеристики агрегата электронный коммутатор выполняется на тиристоре, управляющий электрод которого так же связан с защитным герконом с разделительным диодом, а анод соединен с коллектором p-n-p транзистора обратной связи с регулятором напряжения. Эмиттер этого транзистора соединен с делителем выходного напряжения и мощным стабилизатором его величины на основе n-p-n транзистора и опорного диода в цепи его базы, зашунтированного кнопочным переключателем режима, который установлен вместе с газовым соплом на электрододержателе сварочного агрегата.

На фиг.1 дана принципиальная и кинематическая схема автомобильного сварочного агрегата; на фиг.2 то же, вариант для сварки в инертной среде выхлопных газов автомобиля.

Предлагаемый агрегат содержит четырехконтактный разъем 1 электрической связи со штатными узлами бортовой сети автомобиля, комплектуемый так же соответствующей заглушкой с контактными перемычками, которые восстанавливают типовую схему соединений бортсети при убранном сварочном агрегате. При подключении сварочного агрегата выходная клемма генератора (+ Ген) через переключатель режимом 2 в I рабочем положении оказывается подключенной к катоду симистора 3, анод которого соединен непосредственно со входом регулятора напряжения (+ РН) и положительным полюсом аккумулятора (+ Ак) через резистор обратной связи 4 величиной в несколько сотых долей Ома.

Положительный полюс аккумулятора соединен так же с катодом диода 5 цепочки нелинейного делителя выходного напряжения генератора, состоящий из сигнальной лампочки накаливания 6 и потенциометра 7, ползунок которого подключен через зарядный резистор 8 к общей точке накопительной емкости 9, соединенной с токопроводом электрододержателя 10, и порогового элемента, например, динистора 11. Анод этого динистора 11 связан через разрядный резистор 12 с управляющим электродом синистора 3, а через закрепленный на токопроводе электрододержателя 10 защитный геркон 10 с катодом разделительного диода 14, подключенного своим анодом к положительному полюсу аккумулятора. Отрицательный полюс аккумулятора (- Ак) подключен к соответствующей отрицательной клемме генератора к зажиму "массы" 15 сварочного агрегата.

На электрододержателе 10 установлен так же рычаг 16 тросовой тяги с гибкой оболочкой 17, снабженной на противоположном конце неподвижной струбциной 18 и подвижным креплением троса к приводу дроссельной заслонки карбюратора 19 или рычагу топливоподачи двигателя автомобиля (фиг.1).

Для сварки в среде защитных газов на электрододержателе 10 закрепляется дополнительное сопло 20 подачи выхлопных газов двигателя в зону сварки, которое гибким шлангом 21 соединено с заборной трубкой 22, закрепленной в выхлопной трубе 23 при помощи съемной струбцины (фиг.2).

В этом случае электронный коммутатор выходного напряжения выполнен на тиристоре 24, управляющий электрод которого через разделительный диод 25 и защитный геркон 26 соединен с положительным полюсом аккумулятора (+ Ак) и коллектором мощного p-n-p транзистора обратной связи 27 по току со входом регулятора напряжения (+ РН), подключенного к базе этого транзистора. Тогда как его эмиттер соединен с цепочкой нелинейного делителя выходного напряжения, состоящей из сигнальной лампочки 28 и потенциометра 29, ползунок которого соединен с катодом опорного диода 30, включенного в цепь базы стабилизирующего n-p-n транзистора 31 и зашунтированного нормально замкнутым кнопочным переключателем режима сварки 32, установленным на электрододержателе 10.

Сварочный агрегат (фиг.1) работает следующим образом.

После пуска двигателя автомобиля ручкой привода воздушной заслонки карбюратора устанавливаются обороты двигателя в 1,5-2 раза выше оборотов холостого хода, при которых напряжение И на выходной клемме генератора (+ Ген) увеличивается до + 60 В. Это напряжение за вычетом напряжения аккумулятора U₌ прикладывается к делителю напряжения на элементах 5, 6, 7 так, что сигнальная лампа 6 загорается и на ползунке потенциометра 7 получается напряжение, превышающее напряжение открывания U_o динистора 11. Благодаря этому напряжению и току через зарядный резистор 8 происходит заряд накопительной емкости 9, напряжение на которой U_с спустя некоторое время задержки Т_з 0,1-0,5 с возрастает до напряжения U_o открытия динистора 11. В результате открывания динистора 11 происходит импульсный разряд накопительной емкости 9 через управляющий электрод симистора 3 и разрядный резистор 11, что вызывает и открытие симистора 3. Вследствие этого напряжение U на генераторе (+ Ген) падает до безопасного напряжения U₌ аккумулятора и начинается процесс его заряда током I_з, проходящим через резистор обратной связи 4, который совместно с регулятором напряжения (РН) ограничивает импульсный бросок тока в момент открытия симистора 3.

Такой процесс ограниченного подзаряда аккумулятора через сварочный агрегат будет происходить до тех пор, пока сварщик не коснется электродом держателя 10 свариваемого изделия, контактирующего с зажимом "массы" 15 агрегата. При этом через токопровод электрододержателя 10 начинает проходить ток генератора, создающий магнитное поле, которое замыкает, находящийся вблизи токопровода геркон 13. Таким образом управляющий электрод симистора 3 оказывается соединенным с его анодом через разрядный резистор 12, разделительный диод 14 и вышеупомянутый геркон 13. В результате симистор 3 практически мгновенно переключается в обратном направлении и через электрододержатель начинает протекать дополнительный ток аккумулятора, который в несколько раз превышает вышеупомянутый ток генератора, имеющий максимальную величину, так как прохождение тока разряда аккумулятора через резистор обратной связи 4 вызывает падение напряжения в пределах 1 В и тот начинает отдавать в катушку генератора максимальный ток возбуждения. При этом напряжение на выходной клемме генератора до нуля не падает, а отличается от напряжения аккумулятора лишь на величину падения напряжения на резисторе обратной связи 4 и открытом симисторе 3.

Благодаря этому режим работы генератора близок к номинальному, так как контактное падение напряжения на электроде обеспечивается большим током аккумулятора.

Однако это состояние длится недолго, потому что в момент отрыва электрода от изделия напряжение между ними скачкообразно увеличивается до 60 В, что вызывает мгновенное закрытие симистора 3 обратным напряжением и повторение медленного заряда накопительной емкости 9 в течение вышеуказанного времени задержки Т_з, которого обычно вполне достаточно для поджига дуги между электродом и изделием. Поскольку напряжение горения дуги U_д меньше напряжения открытия динистора U_о, то процесс сварки может длиться до полного использования электрода без переключения симистора 3, который за счет соединения управляющего электрода с анодом работает подобно мощному диоду, подпитывающим электрическую дугу аккумуляторным током при ее чрезмерном укорочении.

При погасании дуги происходит довольно быстрый дозаряд накопительной емкости 9 до напряжения открытия U_о динистора 11 и симистора 3, который переводит схему в режим подзаряда аккумулятора.

Если же произойдет случайное замыкание электрододержателя 10 с зажимом "массы" 15 при неработающем двигателе и, следовательно, генераторе, то никакого тока от аккумулятора идти не будет и сигнальная лампочка 6 не загорится, вследствие закрытого состояния диода 5 и геркона 13, который не позволит включиться симистору 3. Таким образом обеспечивается совместная эффективная и безопасная работа бортовых источников энергии и самого электросварщика, так как напряжение холостого хода 60 В существует на электрододержателе лишь несколько десятых долей секунды и в дальнейшем падает до напряжения горения дуги или заряда аккумулятора.

Правда, во II положении переключателя режимов 2, когда электронный коммутатор отключен от генератора, выходное напряжение становится максимальным, однако это необходимо для питания электроинструмента и некоторых электроприборов, рассчитанных на напряжение отличное от бортсети автомобиля. Тогда как в III положении переключателя 2 восстанавливается обычная схема электроснабжения автомобиля и он может переезжать вместе со сварочным агрегатом, например, между объектами сварки.

Дальнейшее повышение эффективности и экономия топлива могут быть достигнуты за счет уменьшения оборотов двигателя до холостого хода при отпущенном рычаге 16 гибкой тросовой тяги 17 к приводу дроссельной заслонки карбюратора 19 в паузах сварки. Благодаря установке такого приспособления на ручке электрододержателя 10 и струбцины 18 на подходящей части корпуса двигателя автомобиля, электросварщик может дистанционно изменять напряжение поджига дуги и ее рабочий ток в соответствии с условиями сварки (фиг.1).

Автомобильный агрегат для сварки в защитной среде выхлопных газов (фиг. 2) работает следующим образом.

При помощи аналогичной струбцины в выхлопной трубе двигателя 23 закрепляется заборная трубка 22, по которой через гибкий шланг 21 и сопло 20 в зону сварки поступают отработанные газы, свободные от кислорода, но обогащенные окислами углерода CO_x.
Газовая смесь такого состава надежно защищает зону сварки от вредного влияния кислорода воздуха, но требует для стабильного горения дуги "жесткой" характеристики ее источника питания. Такая характеристика обеспечивается мощным стабилизатором выходного напряжения электрододержателя (фиг.2), собранного на опорном диоде 30 и усиливающем его ток n-p-n транзистора 31, который через эмиттерный переход p-n-p транзистора обратной связи 27 задает повышенное напряжение на входе регулятора напряжения (+ РН) в случае превышения заданного уровня выходного напряжения, установленного делителем на потенциометре 29 и сигнальной лампочке 28. Если же это напряжение ниже заданного напряжения горения дуги U_д, то опорный диод 30 и стабилизирующий транзистор 31 закрыты и регулятор напряжения получает напряжения питания, которое ниже аккумуляторного на величину падения напряжения смещенного в прямом направлении коллекторного перехода транзистора 27. Поэтому регулятор напряжения будет увеличивать ток обмотки возбуждения генератора до тех пор, пока напряжение на его входе не станет равным номинальному,
а выходное напряжение заданному U_д. Тиристор 25 с разделительным диодом 25 и защитным герконом 26 как и в предыдущей схеме (фиг.1) обеспечивает подпитку дуги аккумуляторным током при работающем генераторе автомобиля и разомкнутом состоянии контактов кнопочного переключателя режимов 32,
которую сварщик удерживает в нажатом положении всего процесса сварки.

При отпущенной кнопке переключателя 32, его нормальнозамкнутые контакты шунтируют коллекторный переход стабилизирующего транзистора 31 и через него проходит зарядный ток, величина которого ограничивается совместным действием транзистора обратной связи 27 и регулятора напряжения автомобиля. При этом напряжение на электрододержателе 10 существенно не отличается от напряжения аккумулятора, которое даже на грузовых автомобилях не превышает безопасной величины 28 В.

Испытания опытного образца предлагаемого устройства, изготовленного в виде небольшой приставки к штатному электрооборудованию автомобиля показали его надежную работу при сварке электродами диаметром до 3 мм на легковых автомобилях с 14 В генераторами, и до 4 мм на грузовых с генераторами 28 В.

По сравнению с прототипом и его базовым вариантом установкой "Mobile Pawer" производства "AM-Produkte GmbH" ФРГ предлагаемое устройство не нуждается в замене штатного генератора автомобиля специальным трехкиловаттным генератором и высококвалифицированном сварщике, так как в нем обеспечивается автоматическая энергоотдача в необходимой пропорции мощности генератора и аккумулятора, а так же принципиально исключено большинство аварийных ситуаций, связанных с нарушением бортсети или поражения человека сварочным током.

Благодаря этому один из вариантов устройства уже внедрен в серийное производство на ПТО АвтоВАЗа г. Тольятти.

Изобретение относится к электросварочному оборудованию и может быть использовано в мобильных и портативных сварочных аппаратах автотранспортной техники. Сущность изобретения: заключается в автоматическом подключении генератора и аккумулятора к электрододержателю через электронный коммутатор с пороговым элементом, реле времени и защитным герконом, которые исключают возможность возникновения многих аварийных ситуаций. При этом введение в конструкцию агрегата дистанционного управления двигателем автомобиля и режимами самого агрегата, значительно облегчают его использование как при сварке обычными электродами, так и в защитной среде выхлопных газов самого автомобиля. Максимальное использование деталей и узлов штатной комплектации автомобиля позволяет изготавливать предлагаемый агрегат в виде малогабаритной приставки ко всем типам автомобилей. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. АВТОМОБИЛЬНЫЙ СВАРОЧНЫЙ АГРЕГАТ, содержащий бортовой генератор переменного тока с встроенным выпрямителем и внешним возбуждением от регулятора напряжения аккумулятора, который через переключатель режима бортовой сети связан с выходной клеммой генератора и токопроводом электрододержателя, и коммутатор выходного напряжения, отличающийся тем, что он снабжен симистором, резистором обратной связи, диодом нелинейного делителя напряжения генератора, зарядным резистором, сигнальной лампочкой, потенциометром, накопительной емкостью, пороговым элементом, разрядным резистором, защитным герконом и разделительным диодом, причем электронный коммутатор выходного напряжения сварочного агрегата выполнен в виде симисторного шунта, включенного между выходной клеммой генератора и входом регулятора напряжения аккумулятора, соединенного через резистор обратной связи с положительным полюсом аккумулятора и катодом диода нелинейного делителя напряжения генератора, состоящего из сигнальной лампочки и потенциометра, ползунок которого подключен через зарядный резистор к общей точке накопительной емкости электрододержателя и порогового элемента, например динистора, связанного через разрядный резистор с управляющим электродом симистора, а через закрепленный на токопроводе электрододержателя защитный геркон с катодом разделительного диода, подключенного своим анодом к положительному полюсу аккумулятора, подключенного своим отрицательным полюсом к соответствующей клемме генератора и зажиму "массы" сварочного агрегата. 2. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что на электрододержателе закреплен рычаг, связанный с одним концом тросовой тяги с гибкой оболочкой, снабженной закрепленной на ее противоположном конце неподвижной струбциной и подвижным узлом для крепления к приводу дроссельной заслонки карбюратора или рычагу топливоподачи двигателя. 3. Автомобильный сварочный агрегат, содержащий бортовой генератор переменного тока с встроенным выпрямителем и внешним возбуждением от регулятора напряжения аккумулятора, который через переключатель режима бортовой сети связан с выходной клеммой генератора и токопроводом электрододержателя, и коммутатор выходного напряжения, отличающийся тем, что он снабжен тиристором, разделительным диодом, защитным герконом, p-n-p-транзистором, сигнальной лампочкой, потенциометром, опорным диодом, n-p-n-транзистором и кнопочным переключателем режима сварки, причем электронный коммутатор выходного напряжения электрододержателя выполнен на тиристоре, соединенном своим управляющим электродом через разделительный диод и защитный геркон электрододержателя с положительным полюсом аккумулятора и коллектором p-n-p-транзистора обратной связи регулятора напряжения, с входом которого p-n-p-транзистор соединен своей базой, а эмиттером с сигнальной лампочкой, включенной в цепь потенциометра делителя выходного напряжения, ползунок которого соединен с катодом опорного диода, включенного в цепь базы стабилизирующего n-p-n-транзистора, зашунтированного нормально замкнутым кнопочным переключателем режима сварки, установленным на электрододержателе. 4. Агрегат по п. 3, отличающийся тем, что на электрододержателе установлено сопло подачи выхлопных газов двигателя в зону сварки, оснащенное гибким шлангом для соединения с заборной трубкой, закрепленной в выхлопной трубе при помощи съемной струбцины.