ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 1996 года по МПК B23K9/10 

Изобретение относится к сварке, в частности к источникам питания для различных видов ручной сварки с крутопадающей характеристикой, и может быть использовано для питания электрической дуги однофазным переменным током, а при необходимости и постоянным током, и является переносным источником питания электродуговой сварки с широким диапазоном изменения тока дуги. Изобретение может быть использовано при сварке как в стационарных условиях, так и непосредственно при монтаже конструкций с применением покрытых электродов или при сварке в среде инертных газов.

Источник питания для электродуговой сварки может быть также использован в качестве пускозарядного устройства для зарядки автомобильных аккумуляторов, пуска двигателей легковых автомобилей.

Известен источник питания для электродуговой сварки, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена в виде основной обмотки питания дуги и вспомогательной, и токоограничительный элемент (индуктивность).

Кроме того, источник питания содержит тиристорный регулятор.

К недостаткам известного устройства следует отнести его сложность, обусловленную наличием тиристорного регулятора со схемой фазового управления для обеспечения требуемого диапазона изменения тока дуги, при этом мощность тиристорного регулятора выбирается исходя из максимальной величины тока дуги.

Кроме того, в рассматриваемом устройстве токоограничительный элемент (индуктивность) выбирается из условий требуемой величины тока дуги при сварке.

Вследствие вышеописанного как тиристорный регулятор, так и токоограничительный элемент являются крупногабаритными узлами известного источника питания.

Известен источник питания для электродуговой сварки, содержащий сварочный трансформатор, токоограничительный элемент и переключатель.

Кроме того, источник питания содержит автотрансформатор с дополнительной обмоткой обмоткой питания дуги.

К недостаткам известного устройства следует отнести его сложность, обусловленную наличием двух трансформаторов автотрансформатора и сварочного трансформатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является источник питания для электродуговой сварки, содержащий трансформатор, токоограничительный элемент и переключатель, причем вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде основной обмотки питания дуги, охватывающей полное сечение магнитопровода, и дополнительной обмотки, включенной с основной последовательно.

Известный источник содержит также два встречно-параллельно соединенных тиристора со схемой фазового управления для обеспечения плавного регулирования тока дуги.

Недостатком известного источника питания является его сложность, так как сварочный трансформатор имеет нестандартную конструкцию магнитопровода, масса которого на 30% превышает стандартную. Кроме того, ограничительный элемент включен непосредственно в цепь дуги, т.е. параметры, в том числе массогабаритные характеристики последнего, должны выбираться из условия величины сварочного тока.

К недостаткам известного источника питания следует отнести и наличие сильноточного тиристорного регулятора тока, включенного в цепь обмотки питания дуги со схемой фазного управления, а также наличие регулируемого источника постоянного тока. При этом элемент тиристорного регулятора система охлаждения тиристоров выбирается исходя из максимального тока дуги (сварки), что значительно ухудшает массогабаритные характеристики источника питания.

Целью изобретения является упрощение устройства, снижение массогабаритных характеристик, а также снижение мощности управления.

Цель достигается тем, что в источнике питания для электродуговой сварки, содержащем трансформатор, токоограничительный элемент и переключатель, причем вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде основной обмотки питания дуги, охватывающей полное сечение магнитопровода, и дополнительной обмотки, включенной с основной последовательно, трансформатор дополнительно снабжен вольтодобавочной обмоткой, а вторичная обмотка снабжена двумя дополнительными обмотками, включенными относительно друг друга (по напряжению) последовательно-встречно, каждая из дополнительных обмоток, а также вольтодобавочная обмотка указанного трансформатора охватывает соответствующую половинную часть магнитопровода трансформатора, причем вольтодобавочная обмотка расположена на той части магнитопровода, дополнительная обмотка которой включена по напряжению встречно основной обмотке питания дуги, и через токоограничительный элемент и переключатель подключена к переменному напряжению, а токоограничительный элемент выполнен секционированным с отводами.

Магнитопровод трансформатора может быть выполнен в виде тороидального сердечника с внутренней перемычкой, первичная обмотка и основная обмотка питания дуги расположены на внутренней перемычке магнитопровода, дополнительные и вольтодобавочная обмотки расположены на тороидальной части магнитопровода, причем сечение внутренней перемычки магнитопровода не менее чем в два раза больше сечения тороидальной части магнитопровода.

Наличие в предлагаемом источнике питания трансформатора, вторичная обмотка которого содержит основную обмотку питания дуги, охватывающую полное сечение магнитопровода, и двух встречно включенных дополнительных обмоток, охватывающих равные части магнитопровода, и двух встречно включенных дополнительных обмоток, охватывающих равные части магнитопровода, и обеспечение тесной магнитной связи вольтодобавочной обмотки с дополнительной обмоткой, включенной по напряжению встречно напряжению основной обмотки питания дуги, обеспечивает требуемую величину напряжения холостого хода цепи питания дуги, в несколько раз превышающую напряжение зажигания дуги, что позволяет значительно повысить коэффициент трансформации (снизить напряжение основной обмотки питания дуги), т.е. снизить величину тока, потребляемого из сети, повысить коэффициент полезного действия.

Наличие секционированного токоограничительного элемента, через который вольтодобавочная обмотка с помощью переключателя подключена к переменному напряжению, обеспечивает требуемую крутопадающую внешнюю характеристику трансформатора и возможность регулирования в широком диапазоне величину тока дуги.

Кроме того, включение токоограничивающего элемента в цепь вольтодобавочной обмотки значительно снижает массогабаритные характеристики, так как величина тока в цепи последнего в 15-30 раз меньше величины тока в цепи дуги. При этом обеспечивается крутопадающая внешняя характеристика источника питания при сварке покрытыми электродами, при работе в режиме пускозарядного устройства жесткая характеристика.

Новым в предлагаемом источнике питания является то, что сварочный трансформатор одновременно служит вольтодобавочным, обмотки которого расположены на участках магнитопровода, свободных от основной обмотки. При этом наличие в цепи вольтодобавочной обмотки секционированного токоограничительного элемента обеспечивает заданную величину напряжения холостого хода трансформатора для стабилизации дуги, требуемую ее крутизну и ступенчатое регулирование величины тока сварки без увеличения размеров и сечения магнитопровода при использовании стандартных конструкций магнитопроводов.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема источника питания для электродуговой сварки; на фиг. 2 схема соединения обмоток трансформатора; на фиг; 3 источник питания, вариант выполнения.

Источник питания для электродуговой сварки состоит из трансформатора 1, магнитопровод которого может быть выполнен Ш-образной, П-образной или тороидальной формы, а также разработанной авторами и показанной на фиг. 3, где первичная обмотка 2 и основная обмотка 3 питания дуги расположены на внутренней перемычке 4 магнитопровода, дополнительная обмотка 5 расположена на одной из двух тороидальных частей магнитопровода, на другой тороидальной части магнитопровода расположены дополнительная обмотка 6, по напряжению встречно соединенная с основной обмоткой 3 питания дуги, и вольтодобавочная обмотка 7, через переключатель 8 и секционированный токоограничительный элемент 9 подключенная к напряжению переменного тока. При этом в качестве источника напряжения для питания вольтодобавочной обмотки 7 может быть использовано полное или частичное напряжение сети питания или напряжение вторичной обмотки трансформатора 1, которое образуется из суммы напряжений основной обмотки 3 питания дуги и дополнительных обмоток 5 и 6, включенных последовательно в цепь основной обмотки 3 питания дуги. В качестве токоограничительного элемента 9 могут быть использованы активные и индуктивные элементы с плавным регулированием. Однако введение последних в схему усложняет устройство. Вторичная обмотка трансформатора 1 непосредственно или при необходимости через выпрямитель подключена к нагрузке 10.

Сечение внутренней перемычки 4 магнитопровода должно быть не менее чем в два раза больше сечения тороидальных частей магнитопровода.

Источник питания для электродуговой сварки работает следующим образом.

При подключении первичной обмотки 2 трансформатора 1 к напряжению электрической сети в режиме холостого хода (при отключенной вольтодобавочной обмотке 7) напряжение вторичной обмотки трансформатора 1 равно напряжению основной обмотки 3 питания дуги, суммарное напряжение дополнительных обмоток 5 и 6 при равенстве их витков равно нулю, так как величины магнитного потока в охватывающих ими магнитопроводах равны между собой, а указанные обмотки расположены на параллельных ветвях магнитопровода встречно, т.е. включены встречно по напряжению. При этом величина напряжения на основной обмотке 3 питания дуги выбирается из условия, что оно должно быть не менее напряжения горения дуги. Так как магнитный поток в основном магнитопроводе (внутренней перемычке 4), создаваемый током нагрузки (током дуги) в дополнительных обмотках 5 и 6, равен нулю, то их связь с первичной обмоткой как бы отсутствует, т. е. коэффициент трансформации, а следовательно, величина потребляемого из сети тока определяется отношением витков первичной обмотки 2 и основной обмотки 3 питания дуги.

Для стабилизации горения дуги и обеспечения требуемых диапазонов изменения тока сварки трансформатор 1 снабжен вольтодобавочной обмоткой 7, которая расположена на магнитопроводе, дополнительная обмотка которого по напряжению включена встречно с основной обмоткой 3 питания дуги. При необходимости или технологической целесообразности вольтодобавочная обмотка 7 может быть расположена на обеих тороидальных частях магнитопровода, при этом магнитный поток, создаваемый этой обмоткой 7 должен складываться из магнитных потоков, создаваемых в обеих тороидальных частях магнитопровода, т.е. должен быть направлен согласно с магнитным потоком от вольтодобавочной обмотки 7 в каждой из тороидальных частей магнитопровода.

Выбором величины напряжения питания вольтодобавочной обмотки 7 достигается повышение напряжения холостого хода на вторичных обмотках 3, 5, 6 до величины напряжения зажигания дуги, которое должно быть в 1,5-3 раза больше напряжения горения дуги. Так как вольтодобавочная обмотка 7 подключена к напряжению переменного тока через токоограничительный элемент 9, выбором полной величины сопротивления которого определяется крутизна внешней характеристики источника питания, то изменением величины сопротивления (активного и индуктивного) изменением крутизну внешней характеристики, что обеспечивает возможность регулирования тока нагрузки в требуемом диапазоне. Выбор параметров предлагаемого источника питания, исходя из условий требуемого напряжения горения дуги, а не напряжения холостого хода (как обязательного требования большинства известных источников питания для электродуговой сварки), в несколько раз превышающего напряжение горения дуги, обеспечивает возможность получения оптимальных параметров (высокого КПД, коэффициента мощности, минимальных массогабаритных характеристик, снижения мощности регулирования).

Требуемое повышение напряжения источника питания с напряжения U=20+0,041 до напряжения холостого хода Vxx=60-70 В обеспечивается наличием у трансформатора 1 вольтодобавочной обмотки 7, имеющей тесную индуктивную связь с дополнительными обмотками 5 и 6, которая через токоограничительный элемент 9 и переключатель 8 подключена к напряжению переменного тока. Выбором требуемого значения вольт/ниток указанной обмотки 7 и величины тока в последней обеспечивается требуемое значение напряжения холостого хода источника питания, а выбором величины сопротивления токоограничительного элемента 9 обеспечивается крутизна внешней характеристики предлагаемого источника питания для электродуговой сварки. При этом пределы регулирования и число диапазонов регулирования тока дуги обеспечиваются наличием секционированного элемента 9 и переключателя 8. Вольтодобавочная обмотка 7 при переключении полярности питания переменного напряжения, т.е. при изменении фазы на 180^о, обеспечивает жесткую внешнюю характеристику источника питания, что позволяет использовать источник в качестве пускозарядного устройства.

Предлагаемая схема обеспечения напряжения холостого хода, крутизны характеристики и диапазона регулирования тока дуги не приводит к увеличению массогабаритной характеристики трансформатора 1, увеличению расхода меди или стали, снижению КПД и коэффициента мощности, как это наблюдается в известных источниках питания для электродуговой сварки, а использование предлагаемого комбинированного магнитопровода (фиг. 3) обеспечивает дальнейшее снижение веса трансформатора 1.

Изменением величины тока в цепи вольтодобавочной обмотки 7 обеспечивается широкое изменение пределов регулирования источника питания в диапазоне (0,1-1,0)1н. При подключении вольтодобавочной обмотки 7 к напряжению питания дуги обеспечивается наибольшая крутизна внешней характеристики в режиме холостого хода, однако исходя из требований технологичности, снижения тока управления и, следовательно, величины токоограничительного элемента цепь обмотки 7 целесообразно подключать к напряжению электрической сети или к части напряжения первичной обмотки.

Совокупность новых признаков в предлагаемом источнике питания для электродуговой сварки обеспечивает повышение технико-экономических показателей в сравнении с известными устройствами того же назначения;
значительно упрощается устройство, снижается массогабаритная характеристика источника питания за счет исключения тиристорного регулятора системой фазового управления, а также снижения на 30% веса магнитопровода за счет исключения магнитного шунта и снижения массы и габаритов токоограничительного элемента 9;
повышается коэффициент полезного действия, обеспечивается оптимальный выбор величины напряжения основной обмотки 3 питания дуги, что позволяет в 2-3 раза снизить величину потребляемого тока из сети, т.е. установленную мощность источника питания;
обеспечивается более чем в пять раз снижение мощности управления, причем величина тока управления составляет 3-5 А вместо 140 А в известных устройствах с регулированием тока в цепи дуги;
обеспечивается заданная крутизна внешней характеристики крутопадающая при сварке и жесткая при работе источника питания в качестве источника питания электроники или пускозарядного устройства, что позволяет значительно расширить область применения;
обеспечивается изменение тока в цепи нагрузки в пределах (0,1-1,0)I_ном.

Предлагаемый источник питания для электродуговой сварки может быть реализован как на стандартных, так и на нестандартных конструкциях магнитопроводов, а также на конструкции магнитопровода, предложенного авторами. Использование П-образного сечения магнитопровода или предложенного авторами позволяет снизить массогабаритные характеристики. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет оптимально использовать отходы электротехнической стали в электромашинном производстве, а возможность использования в качестве напряжения питания вольтодобавочной обмотки различных уровней (величин) напряжения позволяет использовать отходы меди электромашинного производства.

Использование: для сварки. Сущность изобретения: источник питания для электродуговой сварки содержит трансформатор, магнитопровод которого выполнен в виде тороидального сердечника с внутренней перемычкой. На перемычке расположены первичная обмотка и основная обмотка питания дуги. Первая дополнительная обмотка расположена на одной из двух тороидальных частей магнитопровода. На другой тороидальной части магнитопровода расположены вторая дополнительная обмотка, по напряжению встречно соединенная с основной обмоткой питания дуги, и вольтодобавочная обмотка, через переключатель и секционированный элемент подключенная к напряжению переменного тока. Сечение внутренней перемычки магнитопровода не менее чем в два раза больше сечения тороидальных частей магнитопровода. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ, содержащий трансформатор, токоограничительный элемент и переключатель, причем магнитопровод трансформатора выполнен замкнутым с внутренней перемычкой, а вторичная обмотка выполнена из соединенных последовательно согласно основной и первой дополнительной секции, отличающийся тем, что трансформатор снабжен вольтодобавочной обмоткой и второй дополнительной секцией, включенной последовательно встречно с первой, причем первая дополнительная секция расположена на части магнитопровода, противоположной той, на которой расположены вторая дополнительная секция и вольтодобавочная обмотка, которая через токоограничительный элемент и переключатель подключена к переменному напряжению, а токоограничительный элемент выполнен секционированным с отводами. 2. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод трансформатора выполнен тороидальным, первичная обмотка и основная секция вторичной обмотки расположены на внутренней перемычке магнитопровода, а дополнительные секции вторичной обмотки и вольтодобавочная обмотка - на тороидальной части магнитопровода, причем сечение внутренней перемычки магнитопровода не менее чем в два раза больше, чем сечение его тороидальной части.