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

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

Известен инверторный источник питания для дуговой электросварки, содержащий входной выпрямитель сетевого напряжения, фильтр, последовательный резонансный инвертор по мостовой схеме с трансформаторным выходом, выходной выпрямитель систему управления. Однако выполнение резонасного инвертора по мостовой схеме характеризуется сложностью силовой схемы из-за необходимости использования в инверторе четырех тиристоров и четырех диодов. В результате масса и габариты источника получаются значительными.

Известны также инверторные источники питания для сварки, в которых последовательный резонансный инвертор выполнен по полумостовой схеме, т.е. на двух тиристорах и диодах. Однако полумостовая схема резонансного инвертора характеризуется в два раза худшим (чем мостовая схема) использованием напряжения источника на входе инвертора (в два раза меньшим входным напряжением инвертора) и в два раза худшей коммутирующей способностью (из-за меньшего напряжения на коммутирующей емкости). Кроме того, схема инвертора характеризуется высокими скоростями нарастания прямого напряжения на тиристорах инвертора, что увеличивает потери в демпфирующих RC-цепях тиристоров. Наличие указанных недостатков не позволяет улучшить массо-габаритные показатели такого инверторного источника питания для сварки.

Известен инверторный источник питания, содержащий каскадно включенные входной выпрямитель, фильтр, резонансный полумостовой инвертор с обратными диодами, выходной трансформатор с разделенной на две секции первичной обмоткой, концы которой включены последовательно с тиристорно-диодными парами инвертора, а к вторичной обмотке подключен выходной выпрямитель и нагрузка в виде сварочной дуги, к общим точкам соединения концов первичной обмотки выходного трансформатора и тиристорно-диодных пар подключены дополнительные диоды, образующие с обратными диодами тиристорно-диодных пар мост, диагональ постоянного тока которого подключена в обратном направлении к соответствующим положительным и отрицательным зажимам фильтра, а в диагональ переменного тока включены концы первичной обмотки выходного трансформатора, причем средняя точка первичной обмотки через последовательный LC-контур соединена с общей точкой разделенного на две части конденсатора фильтра [1]
Однако указанный инверторный источник питания для дуговой электросварки имеет тот недостаток, что коэффициент преобразования напряжения инвертором низок, т.к. отношение амплитуды переменного напряжения на выходе инвертора к величине постоянного напряжения на его входе не может превышать значения 0,5. Другим недостатком является то, что перепад напряжения на коммутирующем конденсаторе, используемый для искусственной коммутации, также не может превышать половины постоянного напряжения на входе инвертора, т.е. схема инвертора характеризуется плохим использованием коммутирующей способности коммутирующего конденсатора. Третьим недостатком этого источника является то, что обратные напряжения на тиристорах и диодах в два раза превышают постоянное напряжение на входе инвертора, т.к. напряжение на трансформаторе суммируется на вентилях с напряжением на входе инвертора.

Наличие указанных недостатков не позволяет добиться существенного уменьшения массы и габаритов инверторного источника питания для сварки.

Поэтому задачей, на которую направлено изобретение, является создание такого устройства, которое позволяло бы на базе двухтиристорной (полумостовой) схемы инвертора, во-первых, увеличить в два раза коэффициент преобразования напряжения инвертором, во-вторых, увеличить коммутирующую способность коммутирующего конденсатора, в-третьих, обеспечить величину обратного напряжения на тиристорах на диодах не более напряжения на входе инвертора. Решение этой поставленной задачи приводит к техническому эффекту в виде снижения массы и габаритов инверторного источника, что является определяющим в проблеме создания мобильного источника питания для сварки.

Для достижения цели в известное устройство, содержащее каскадно включенные входной выпрямитель, фильтр, резонансный инвертор с обратными диодами и с трансформаторным выходом и системой управления, выходной выпрямитель, дополнительно введен в резонансный инвертор второй коммутирующий контур, состоящий, как и первый, из последовательно включенных емкости и первичной обмотки второго выходного трансформатора, причем оба указанных контура подключены последовательно со своей антипараллельной тиристорно-диодной парой инвертора к соответствующим положительным и отрицательным зажимам фильтра, также дополнительно введена цепь из последовательно соединенных дросселя и вентиля, подключенная концом дросселя к катоду одной тиристорно-диодной пары, а катодом вентиля к аноду второй тиристорно-диодной пары, и введен второй выходной выпрямитель, подключенный своим входом к выходу вторичной обмотки второго выходного трансформатора, а своим выходом параллельно выходу первого выходного выпрямителя.

Также входной выпрямитель и фильтр могут быть выполнены в виде мостовой схемы, два плеча которой образованы вентилями с последовательно включенными с ними дросселями, два плеча конденсаторами, переменное напряжение подключается между точками соединения вентилей и конденсаторов, а постоянное напряжение снимается с конденсаторов.

Также выходные трансформаторы резонансного инвертора могут быть выполнены с общим магнитопроводом.

На фиг.1 представлена схема предложенного источника питания для дуговой электросварки на постоянном токе; на фиг.2 эпюры напряжений и токов, поясняющие принцип работы силовой схемы предлагаемого устройства; на фиг.3 принципиальная схема входного выпрямителя-удвоителя, совмещенная с LC-фильтром.

Источник питания, схема которого приведена на фиг.1, содержит входной выпрямитель BBI, LC-фильтр Ф2, резонансный инвертор РИЗ с системой управления СУ4, выходные выпрямители В-5,6, сварочную цепь СЦ7. Выпрямитель по однофазной мостовой схеме выполнен на вентилях 8-11, в качестве которых могут быть использованы диоды или тиристоры с любой известной системой управления ими, LC-фильтр на выходе выпрямителя образован дросселем 12 и конденсатором 13. Подключенный к выходу фильтра резонансный инвертор содержит две тиристорно-диодные пары 14, 15 и 16, 17, последовательно с которыми включены коммутирующие цепи, состоящие соответственно из коммутирующего конденсатора 18 и первичной обмотки первого выходного трансформатора 19, и коммутирующего конденсатора 20 и первичной обмотки второго выходного трансформатора 21. Указанные две тиристорно-диодные пары со своими коммутирующими цепями включены между соответствующими зажимами фильтра на входе инвертора. Между катодом одного и анодом другого тиристоров этих тиристорно-диодных пар включены последовательно соединенные защитный дроссель 22 и вентиль перезаряда 23. В качестве вентиля перезаряда может быть использован диод или тиристор с любой известной системой управления, позволяющей задерживать включение тиристора относительно момента появления на нем прямого напряжения. Ко вторичным обмоткам со средними точками выходных трансформаторов 19, 21 соответственно подключены вентили 24, 25, образующие с выводом средней точки первый выходной выпрямитель 5 и вентили 26, 27, образующие со средней точкой второй выходной выпрямитель, соединенные по выходу параллельно и подключенные к сварочной цепи 7. В качестве вентилей выходного выпрямителя могут быть использованы диоды или тиристоры с любой известной системой управления. Система управления СУ4 представляет собой любой известный управляемый по частоте генератор импульсов, поступающих по двум каналам к управляющим электродам тиристоров 14, 16.

На фиг. 3 приведена принципиальная схема СВФ совмещенного выпрямителя-удвоителя с LC-фильтром 28, выполненного в виде мостовой схемы, два плеча которой образованы вентилями 29,30 с последовательно включенными с ними дросселями 31, 32, а два других плеча конденсаторами 33, 34, переменное напряжение подключается между точками соединения вентилей и конденсаторов, а постоянное напряжение снимается с конденсаторов. По схеме блока СВФ могут быть выполнены входной выпрямитель ВВ и фильтр Ф на фиг.1. В качестве вентилей 29, 30 могут быть использованы диоды или тиристоры с любой известной схемой управления.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При поступлении в момент времени t₁ импульса управления на тиристор 14 он открывается и коммутирующая емкость 18 через индуктивность трансформатора 19 заряжается в колебательном режиме от постоянного напряжения на входе инвертора. Начальное напряжение на емкости при первом включении равно нулю, в установившемся режиме, как будет видно из дальнейшего, напряжение на емкости имеет небольшую отрицательную величину. В момент времени t₂ заряд прекращается, напряжение на емкости имеет величину, примерно равную удвоенной величине источника входного напряжения инвертора. С этого момента до момента времени t₃ происходит колебательный разряд емкости на источник через обратный вентиль 15, при этом емкость к моменту t₃ окончания разряда будет иметь небольшое положительное остаточное напряжение (вследствие потерь и отбора мощности со вторичной обмотки трансформатора 19). Форма напряжения на емкости и тока через емкость 18 приведены на эпюрах U₁₈ и i₁₈ на фиг.2. Напряжение на первичной обмотке трансформатора 19 приведено на эпюре U₁₉, а выпрямленное напряжение вторичных обмоток трансформатора на зажимах сварочной дуги 7 изображено на эпюре U₇ (интервал t₁-t₃) на фиг.2.

В момент времени t₄ поступает импульс управления на тиристор 16 и на интервале t₄t₆ вторая коммутирующая емкость 20 проходит стадии заряда-разряда, аналогично емкости 18, как рассмотрено выше. Эпюры напряжений на емкости U₂₀ и тока через емкость i₂₀ представлены на фиг.2. Одновременно с этими процессами с момента t₄ перезаряжается в колебательном режиме в исходную полярность и емкость 18 по контуру емкость 18 дроссель 22 вентиль 23 тиристор 16 трансформатор 19. Ток дросселя 22 представлен на фиг.2 эпюрой i₂₂, к моменту t₅¹, т.е. раньше момента t₆ этот процесс должен завершиться. Напряжение на трансформаторе 21 второй коммутирующей цепочки изображено на эпюре U₂₁ фиг.2.

Таким же образом на интервале t₁t₂¹ возвращается в исходную полярность и напряжение на емкости второй коммутирующей цепочки, как показано на эпюре U₂₀ фиг.20, при этом емкость 20 перезаряжается по контуру: емкость 20 трансформатор 21 тиристор 14 дроссель 22 вентиль 23.

Регулированием частоты следования импульсов системы управления (любой генератор) U₄, изображенных на фиг.2, обеспечивается регулирование скважности выпрямленного напряжения U₇ сварочной дуги, что приводит к изменению сpеднeго значения тока сварки.

Техническим эффектом предложенного изобретения является существенное улучшение массо-габаритных показателей источника питания за счет получения при двухтиристорной (квази-полумостовой) силовой схемe инвертора удвоенной коммутирующей способности узла коммутации (как в четырехтиристорной мостовой схеме), т. е. за счет увеличения в два раза коэффициента преобразования по напряжению, а также за счет уменьшения параметров демпфирующих RC-цепей на тиристорах (известные элементы на схеме не показаны), т.к. ограничение скорости нарастания прямого напряжения на тиристорах (т.е. их RC-цепях) обеспечивается всей индуктивностью трансформаторов 19 и 21. Кроме того, перезарядный дроссель 22, выполняющий еще и защитную функцию при срывах инвертора (одновременное включение тиристоров 14 и 16), вынесен из контуров заряда-разряда коммутирующих емкостей 18 и 20 и вследствие уменьшения токов через него может быть также облегчен.

Дальнейшее уменьшение массо-габаритных показателей источника обеспечивается при выполнении входного выпрямителя В и фильтра Ф (фиг.1) в виде выпрямителя-удвоителя напряжения, совмещенным с LC-фильтром в звене постоянного тока, как показано на схеме совмещенного выпрямителя-фильтра СВФ-28 на фиг. 3. Удвоение входного напряжения инвертора позволяет в два раза снизить величину коммутирующих токов LC-цепей коммутации, что соответственно уменьшит потери активной мощности в них, а значит и их массо-габаритные показатели.

И наконец, еще одна возможность дальнейшего улучшения массо-габаритных показателей источника обеспечивается за счет выполнения двух выходных трансформаторов с общим магнитопроводом. При этом две вторичные обмотки трансформатора будут загружены в режиме предельно-непрерывного тока (т.е. при равенстве нулю интервалов t₃t₄ и t₆t₇ на фиг.2) непрерывно, а не со скважностью два, что позволит уменьшить затраты на медь. Более того, при наличии быстродействующих мощных диодов в этом случае и вторичная обмотка может быть одна и выходной выпрямитель один, что также уменьшает массу источника. Платой за это является только увеличение в два раза рабочего напряжения вентилей инвертора.

Использование: переносной источник питания для электросварки может быть использован для проведения сварочных работ в строительстве, промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Сущность изобретения: источник состоит из каскадно включенных входного выпрямителя, фильтра, резонансного инвертора с обратными диодами и с трансформаторным выходом и системой управления, двух параллельно включенных выходных выпрямителей. Особенностью инвертора является наличие двух коммутирующих контуров, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов и первичных обмоток выходных трансформаторов. Каждый контур предназначен для коммутации своей тиристорно-диодной пары. Также введена перезарядная цепь из последовательно соединенных дросселя и диода. Возможно выполнение выходных трансформаторов с общим магнитопроводом. Входной выпрямитель и фильтр могут быть выполнены в виде совмещенного выпрямителя-удвоителя с фильтром. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ, содержащий соединенные последовательно входной выпрямитель, фильтр и резонансный инвертор, содержащий две входные клеммы, два конденсатора, дроссель, первый трансформатор и два тиристора с системой управления ими, причем встречно параллельно каждому тиристору включен диод, а первый выходной трансформатор соединен с первым выходным выпрямителем, при этом катод первого тиристора соединен с первой обкладкой первого конденсатора, а анод второго тиристора с первой обкладкой второго конденсатора, анод первого тиристора соединен с первым выводом первичной обмотки первого трансформатора, отличающийся тем, что инвертор снабжен вентилем и вторым выходным трансформатором, соединенным с вторым выходным выпрямителем, при этом выходные клеммы выходных выпрямителей соединены параллельно, причем первая входная клемма инвертора соединена с анодом первого тиристора, а вторая входная клемма инвертора с катодом второго тиристора и с первым выводом первичной обмотки второго трансформатора, второй вывод которой соединен с второй обкадкой первого конденсатора, первая обкладка которого через дроссель соединена с анодом вентиля, катод которого соединен с первой обкадкой второго конденсатора, вторая обкладка которого соединена с вторым выводом первичной обмотки первого трансформатора. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что входной выпрямитель и фильтр выполнены в виде мостовой схемы, два плеча которой образованы вентилями с последовательно включенными с ними дросселями, а два плеча конденсаторами, причем входные клеммы мостовой схемы подключены к точкам соединения вентилей и конденсаторов, а выходные клеммы мостовой схемы подключены к конденсаторам. 3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что выходные трансформаторы инвертора выполнены с общим магнитопроводом.