ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ Российский патент 1995 года по МПК B23K9/00 H02M3/305 

Изобретение относится к электросварке, а именно к сварочным источникам питания инверторного типа, и может быть использовано для сварки в строительстве, производстве и быту.

Известен источник питания для дуговой электросварки, содержащий сетевой трансформатор, управляемый выпрямитель на вторичной стороне трансформатора и систему управления (О.Н.Браткова. Источниками питания сварочной дуги. М. Высшая школа, 1982, с. 166-170). Однако указанное устройство характеризуется низкими удельными массо-габаритными показателями, примерно 2 А/кг, что дает 50 кг массы источника на 100 А сварочного тока из-за наличия сетевого трансформатора.

Известны также источники питания для дуговой электросварки без сетевого трансформатора, называемые инверторными, содержащие последовательно включенные неуправляемый выпрямитель, автономный резонансный инвертор, повышенной частоты с системой управления, высокочастотный трансформатор, выходной выпрямитель (И.В.Пентегов, С.Н.Мещеряк, В.А.Кучеренко и др. Автоматическая сварка, 1982, N 7, с. 29-35). Однако выполнение источника питания для дуговой электросварки на основе резонансного инвертора практически затруднено отсутствием отечественных коммутирующих конденсаторов, предназначенных для работы в резонансных контурах на частотах 10 кГц и выше.

Известен источник питания, который может быть использован для дуговой электросварки на основе инвертора на тиристорах без использования коммутирующих конденсаторов [1] Он содержит три выходных трансформатора со средними точками на первичных обмотках, трансформатор коммутирующих импульсов со средней точкой на вторичной обмотке, источник постоянного напряжения, подключенный плюсом к средним точкам выходных трансформаторов, а минусом со средней точкой выходной обмотки трансформатора коммутирующих импульсов, силовые тиристоры, подключенные анодами к первичным обмоткам выходных трансформаторов, а катодами, объединенными в две группы, ко вторичным обмоткам трансформатора коммутирующих импульсов, выпрямитель переменного тока на диодах, подключенный к вторичным обмоткам выходных трансформаторов, генератор коммутирующих импульсов, выполненный на ключах, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора коммутирующих импульсов, а также систему управления, состоящую из задающего генератора, триггера с прямым и инверсными выходами, связанными со входами двух трехразрядных регистров сдвига и формирователями импульсов управления ключами генератора коммутирующих импульсов.

Однако указанный инверторный источник питания для дуговой электросварки имеет тот недостаток, что коммутирующий импульс напряжения по амплитуде должен быть большим (больше напряжения источника питания на величину обратного напряжения на вентиле), что требует мощного генератора коммутирующих импульсов. Другим недостатком является то, что этот источник требует на входе сеть постоянного напряжения или выпрямитель и кроме того, технология изготовления такого устройства осложнена необходимостью соединения катодов силовых тиристоров в группы при подключении к обмоткам коммутирующего трансформатора. Указанные недостатки приводят к незначительному увеличению удельного показателя массы источника питания.

Поэтому задачей, на которую направлено изобретение, является создание такого устройства, которое позволяло бы существенно (на порядок) снизить напряжение коммутирующего импульса и уменьшить вследствие этого мощность генератора коммутирующих импульсов, а также исключить явное промежуточное звено постоянного напряжения внутри иcточника путем совмещения функций выпрямления сетевого напряжения и автономного инвертирования в одних тиристорах. Решение поставленной задачи приводит к техническому эффекту в виде существенного повышения удельного показателя массы источника до значительного уровня.

Для достижения технического эффекта известное устройство, содержащее три инверторные ячейки с тремя выходными трансформаторами и силовыми тиристорами, подключенными анодами к первичным обмоткам выходных трансформаторов, трансформатор коммутирующих импульсов со средней точкой на вторичной обмотке, генератор коммутирующих импульсов, выполненный на ключах, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора коммутирующих импульсов, выпрямитель, выполненный на диодах, а также систему управления, содержащую формирователи импульсов управления ключами генератора коммутирующих импульсов, подключено к трехфазной сети переменного тока с нулевым проводом, в силовую схему каждой инверторной ячейки дополнительно введены по второму выходному трансформатору, причем как первый так и второй трансформаторы имеют по одной первичной обмотке, одной вторичной и по одной обмотке сброса, при этом все начала первичных обмоток и обмоток сброса соединены вместе и подключены к соответствующей фазе сети: первая инверторная ячейка к фазе А, вторая к фазе В, третья к фазе С, в каждую ячейку добавлено по два транзисторных ключа, параллельно подключенных к основным тиристорам инверторных ячеек, также добавлено по два тиристора, подключенные катодами к соответствующим концам обмоток сброса, а анодами к нулевому проводу сети, к которому также подключены катоды основных тиристоров и эмиттеры транзисторных ключей. Вторичные обмотки шести выходных трансформаторов своим началом присоединены к анодам соответствующих диодов выпрямителя, а аноды этих диодов соединены вместе и подключены к нагрузке в виде сварочной цепи, эквивалентной активному сопротивлению, концы вторичных обмоток соединены вместе по три соответственно от левых и правых выходных трансформаторов инверторных ячеек и подключены к концам вторичной обмотки коммутирующего трансформатора, средняя точка которой подключена к другому концу нагрузки. В систему управления введен блок нуль органов с формирователями импульсов, подключенный к шинам питания трехфазной сети, выходы которого присоединены к шести входам логического элемента ИЛИ и три выхода попарно подключены к входам трех триггеров селекторных импульсов, выход логического элемента ИЛИ связан с входом умножителя частоты, его выход подключен ко входу триггера деления частоты на два, выходы которого по двум инверсным каналам подключены к входам двух блоков ждущих мультивибраторов, два выхода которых подключены ко входам двух логических элементов, третьи выходы и выходы триггеров селекторных импульсов подключены к входам распределителя импульсов управления тиристорами в цепях обмоток сброса. Вторые выходы блоков ждущих мультивибраторов и выходы триггеров селекторных импульсов подключены ко входам распределителя импульсов управления транзисторными ключами инверторных ячеек, выходы двух логических элементов ИЛИ и выходы триггеров селекторных импульсов подключены к входам распределителя импульсов управления силовыми тиристорами инверторных ячеек. Выходы всех распределителей импульсов присоединены к соответствующим выводам управляющих электродов тиристоров и базам транзисторных ключей.

На фиг.1 представлена принципиальная схема силовой части источника питания для дуговой электросварки на постоянном токе; на фиг.2 функциональная схема системы управления; на фиг. 3 эпюры напряжений и токов, поясняющие принцип работы силовой схемы предлагаемого устройства; на фиг.4 эпюры импульсов системы управления.

Источник питания, схема которого приведена на фиг.1, содержит три инверторные ячейки 1,2,3, генератор коммутирующих импульсов 4, трансформатор коммутирующих импульсов 5, выпрямитель из трех пар диодов 6, 7, сварочную цепь 8. Каждая инверторная ячейка содержит два выходных трансформатора 9, 10 с первичными обмотками 11, 12, вторичными обмотками 13, 14 и обмотками сброса 15, 16. Начала обмоток 11, 12, 15, 16 соединены вместе и подключены в каждой ячейке к соответствующей фазе А, В, С питающей сети переменного тока. Силовые тиристоры 17, 18 анодами присоединены к концам обмоток 11, 12 и к коллекторам транзисторных ключей 19, 20. Концы обмоток 15, 16 подключены к катодам тиристоров 21, 22 в цепи обмоток сброса. Катоды тиристоров 17, 18, эмиттеры ключей 19, 20 и аноды тиристоров 21, 22 присоединены к нулевому проводу. Начала обмоток 13, 14 подключены к анодам диодов 6, 7, а катоды этих диодов подключены к нагрузке 8, которая другим концом присоединена к средней точке вторичных обмоток 23, 24 трансформатора 5. Концы обмоток 13, 14 соединены при этом от каждой инверторной ячейки и подключены к другим концам обмоток 23, 24. Первичная обмотка 25 трансформатора 5 подключена к выходу генератора 4, выполненного на четырех обратных диодах 26-29 и четырех транзисторных ключах 30-33, включенных параллельно друг другу и запитанных выпрямителем 34 от трехфазной сети через LC-фильтр 35.

Система управления, функциональная схема которой приведена на фиг.2, содержит блок нуль-органов с формирователями импульсов 36, питаемый от трехфазной сети, с шестью выходами, которые подключены к входу элемента ИЛИ 37, а также три из них попарно связаны с входами триггеров селекторных импульсов 38, 39, 40. Выход элемента ИЛИ 37 связан со входом умножителя частоты 41, выход которого связан с двухканальным входом триггера деления частоты 42. Выходы триггера соединены со входами формирователей импульсов 43 и 44 с одной стороны и с другой стороны с входами блоков ждущих мультивибраторов 45, 46, по два выхода которых связаны с входами двух элементов ИЛИ 47, 48, а их выходы и выходы триггеров селекторных импульсов 38, 39, 40 соединены со входами распределителя импульсов 49 управления тиристорами инверторных ячеек. Вторые выходы блоков 45 и 46 и выходы блоков 38, 39, 40 связаны с входами распределителя импульсов 50 управления транзисторными ключами. Третьи выходы блоков 45 и 46 и выходы блоков 38, 39, 40 соединены со входами распределителя импульсов 51 управления тиристорами в цепи обмоток сброса. Выходы распределителя 49 подключены к соответствующим выводам управляющих электродов трех пар тиристоров 17, 18; распределителя 50 к базам трех пар транзисторных ключей 19, 20; распределителя 51 к выводам трех пар тиристоров 21, 22. Выходы блоков 43, 44 подключены к базам транзисторных ключей 30 33.

Устройство работает следующим образом.

При появлении напряжения на шинах питания начинает работать та инвертоpная ячейка, которая находится под наиболее положительным потенциалом сети. На фиг.3 (эпюра Uп) приведена система фазных напряжений, когда за начало отсчета взята точка естественного зажигания, фаза А первой вступает в работу и первыми поочередно коммутируют тиристоры 17, 18 первой инверторной ячейки. Через 120 градусов питающей сети фаза В становится наиболее положительной и коммутации тока переходят на тиристоры второй инверторной ячейки, которые работают поочередно пока фаза С не становится наиболее положительной и тогда вступают в работу тиристоры третьей инверторной ячейки. Коммутации основных тиристоров осуществляется следующим образом. Для выключения тиристора 17 одновременно с появлением коммутирующего импульса на вторичных обмотках 23, 24 трансформатора 5 (эпюра U25 фиг.3) отпирается второй основной тиристор 18 этой же инверторной ячейки 1. В результате действия коммутирующего импульса соответствующей полярности в контуре, состоящем из обмотки 14, диода 7, диода 6, обмотки 13, ток нагрузки 8 из обмотки 13 трансформатора 9 перейдет в обмотку 14 трансформатора 10, а соответственно приведенный ток нагрузки (через коэффициент трансформации трансформаторов 13 и 14) перейдет из тиристора 17 в тиристор 18 (эпюры 117, 118). При этом в тиристоре 17 остается небольшой ток, равный току намагничивания трансформатора 9. Этот остаточный ток тиристора 17 переходит в транзистор 19 при открывании последнего (эпюра 119 на фиг.3). После восстановления управляющих свойств тиристора 17 транзистор 19 закрывается, одновременно открывается тиристор 21 цепи сброса и ток намагничивания трансформатора 9 из обмотки 11 перескакивает в обмотку сброса 15 и через тиристор 21 (эпюра I21 (фиг.3) замыкается на источник фазы А. Аналогично работают две другие инверторные ячейки, причем смена работы ячеек по точкам естественного зажигания происходит за счет естественной коммутации. Форма выпрямленного напряжения в сварочной цепи показана на эпюре U8, фиг.3.

Синхронизация работы элементов силовой схемы с питающей сетью осуществляется системой управления, функциональная схема которой приведена на фиг.2, с помощью импульсов блока нуль-органов 36, который формирует короткие импульсы в моменты перехода фазных и линейных напряжений трехфазной сети через ноль. Импульсы, соответствующие нулям линейного напряжения, используются для формирования селекторных импульсов триггерами 38, 39, 40 (эпюры напряжения U38, U39, U40, фиг.3). Импульсы с блока 37 подаются на умножитель частоты 41 (эпюры U41, фиг.4), параметры которого выбираются таким образом, чтобы частота следования импульсов была кратна частоте сети в целое число раз и отвечала частотным свойствам тиристоров инверторной ячейки. Триггером давления частоты на два 42 (U42, фиг.4) последовательность импульсов разбивается на два канала и подается на входы формирователей импульсов 43, 44, с выхода которых импульсы управления поступают на базы транзисторных ключей 30-33 генератора коммутирующих импульсов 4, на выходе которого формируется серия двуполярных импульсов (U25, фиг.3). Через вторичные обмотки 23, 24 коммутирующего трансформатора импульсное напряжение генератора осуществляет коммутацию основных тиристоров инверторных ячеек, причем чередование импульсов разной полярности подобрана так, чтобы при включении тиристора на его катод подавался минус напряжения, а при выключении соответственно плюс. С выхода блока 42 две последовательности высокочастотных импульсов поступают на входы блоков ждущих мультивибраторов 45, 46. Каждый из этих блоков представляет собой три последовательно соединенных ждущих мультивибратора (эпюры U45, U46, фиг.4), первый из которых запускается импульсами первого канала блока 42 и сбрасывается с временной задержкой t₃₁, задним фронтом образованного импульса запускается второй мультивибратор, который сбрасывается с временной задержкой t₃₂, а задним фронтом образованного импульса запускается третий мультивибратор с временной задержкой t₃₃. Импульсы первого и второго мультивибраторов суммируются в логическом блоке 47 (эпюра U47, фиг. 4) и используется для управления тиристорами 17 трех инверторных ячеек через распределитель 49. Аналогично формируются импульсы управления для тиристоров 18 для этих же ячеек по другому каналу блоками 46, 48, 49. Импульсы вторых мультивибраторов используются для управления транзисторными ключами инверторных ячеек 19, 20 через распределитель 50. Импульсы третьих мультивибраторов используются для управления тиристорами 21, 22 включенных в цепи обмоток сброса через распределитель 51.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является существенное повышение удельного показателя массы источника питания для электросварки до значительного уровня за счет уменьшения мощности генератора коммутирующих импульсов, исключения явного промежуточного звена и улучшения в технологии изготовления, так как выводы электродов всех вентилей присоединяются к общей шине нулевого провода или земли.

Использование: источник питания для дуговой электросварки на постоянном токе относится к сварочным источникам питания инверторного типа и может быть использован для сварки в строительстве, производстве и быту. Сущность изобретения: источник питания содержит три инверторные ячейки, генератор коммутирующих импульсов, трансформатор коммутирующих импульсов, выпрямитель из трех пар диодов и сварочную цепь. Каждая инверторная ячейка состоит из двух выходных трансформаторов с первичными обмотками, вторичными обмотками и обмотками сброса, из двух основных тиристоров, транзисторных ключей и тиристоров в цепи обмоток сброса. Система управления источника питания содержит блок нуль-органов, логический элемент, три триггера селекторных импульсов, умножитель частоты, триггер деления частоты, формирователи импульсов, два блока ждущих мультивибраторов, логические элементы и три распределителя импульсов. 4 ил.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ, содержащий три инверторные ячейки с тремя основными выходными трансформаторами и шестью силовыми тиристорами, подключенными анодами к первичным обмоткам выходных трансформаторов, трансформатор коммутирующих импульсов со средней точкой на вторичной обмотке, генератор коммутирующих импульсов, выполненный на ключах, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора коммутирующих импульсов, выпрямитель, выполненный на шести диодах, а также систему управления, содержащую формирователи импульсов управления ключами генератора коммутирующих импульсов, отличающийся тем, что в силовую схему каждой инверторной ячейки введен второй дополнительный выходной трансформатор, причем как первый, так и второй выходные трансформаторы содержат по одной первичной обмотке, одной вторичной и по одной обмотке сброса, при этом все начала первичных обмоток и обмоток сброса соединены и подключены к соответствующей входной клемме источника, каждая ячейка снабжена двумя транзисторными ключами, которые подключены параллельно к силовым тиристорам инверторных ячеек, двумя дополнительными тиристорами, подключенными катодами к концам обмоток сброса, а анодами к нулевой входной клемме источника, к которой также подключены катоды силовых тиристоров и эмиттеры транзисторных ключей, при этом вторичные обмотки шести выходных трансформаторов своими началами присоединены к анодам соответствующих диодов выпрямителя, а катоды этих диодов соединены вместе и подключены к первой клемме нагрузки в виде сварочной цепи, концы вторичных обмоток соединены вместе соответственно от трех основных выходных и трех дополнительных выходах трансформаторов инверторных ячеек и подключены к концам вторичной обмотки коммутирующего трансформатора, средняя точка которой подключена к второй клемме нагрузки, причем в систему управления введены блок нуль-органов с формирователями импульсов, три логических элемента ИЛИ, три триггера селекторных импульсов, умножитель частоты, два блока ждущих мультивибраторов и три распределителя импульсов, при этом шесть выходов блока нуль-органа, подключенного входом к шинам питания трехфазной сети, присоединены к шести входам первого логического элемента ИЛИ, а три из них попарно подключены к соответсвующим входам трех триггеров селективных импульсов, выход первого логического элемента ИЛИ связан с входом умножителя частоты, его выход подключен к входу триггера деления частоты на два, выходы которого по двум инверсным каналам подключены к входам блоков ждущих мультивибраторов, два выхода которых подключены к входам второго и третьего логических элементов ИЛИ, третьи выходы блоков ждущих мультивибраторов и выходы триггеров селекторных импульсов подключены к входам распределителя импульсов управления тиристорами в цепях обмоток сброса, вторые выходы блоков ждущих мультивибраторов и выходы триггеров селекторных импульсов подключены к входам распределителя импульсов управления транзисторными ключами инверторных ячеек, выходы второго и третьего логических элементов ИЛИ и выходы триггеров селекторных импульсов подключены к входам распределителя импульсов управления силовыми тиристорами инверторных ячеек, выходы всех трех распределителей импульсов подключены к соответствующим выводам управляющих электродов тиристоров и базам транзисторных ключей.