УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСВАРКИ Российский патент 1997 года по МПК B23K9/10 

Изобретение относится к электросварке, а именно к источникам питания с полупроводниковыми ключами, частота коммутации которых превышает частоту промышленной сети.

Известен сварочный источник питания, содержащий выпрямитель с фильтром, нагрузку, ключи, схему управления ключами и обратные диоды (авторское свидетельство СССР N 1130904, кл. B 23 K 9/00).

Недостатком источника является возможность появления на силовых выводах ключей перенапряжений в переходных и аварийных режимах, величина которых может превышать предельно допустимые, что вызовет выход из строя ключей и отказ источника. Это связано с тем, что силовые выводы ключей соединены с индуктивными элементами источника, в том числе и паразитными; сами ключи высокочастотные и могут быть разрушены даже при кратковременных перенапряжениях, а величина перенапряжения не контролируется на зажимах ключей, причем ни одной, ни противоположной полярности.

Известен способ защиты ключей от недопустимой величины перенапряжений, когда параллельно ключу подключают двусторонний ограничитель перенапряжений или в виде специального элемента, или в виде комбинированных цепей из однополярных стабилитронов и диодов (Ф. Чаки и др. Силовая электроника. Перевод с английского. М. Энергоиздат, 1982, с. 223, рис. 6.9б).

Недостаток этого способа заключается в том, что практически вся энергия при ограничении перенапряжений выделяется в элементе без рекуперации в выпрямитель. Кроме того, элемент должен выдерживать полный импульсный ток и при этом быть более высокочастотным чем защищаемый ключ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для электросварки, содержащее выпрямитель с фильтром и конденсатором на выходе, нагрузку с трансформатором на входе, ключи, один из силовых выводов которых соединен с соответствующим выводом выпрямителя, устройство управления ключами, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами ключей, обратные диоды, один из выводов каждого из которых соединен со свободным силовым выводом соответствующего ключа (ФРГ заявка 2913625 кл. B 23 K 9/10, Offenlegungssrift 2913625 /Bundesrepublik. Deutschland/. Einrichtung zum Gleich und/oder Wechselstrom Lichtbogenschweiβen mit einem an ein Wechselstrom oder Gleichstrom - netz anschlie b Wechselrichter/Bodewig Peter Anmeldetad 5.4.79 Aktenzeichen P2913625.2; Offenlegungstag 16.10.80 Jnt, Cl: B 23 K 9/10]
Недостатком устройства является возможность появления перенапряжений на силовых выводах ключей, превышающих расчетные, в переходных режимах при относительно кратковременных превышениях напряжения, сравниваемых по времени с постоянной времени фильтра в питающей сети, что имеет место в производственных условиях.

В результате снижается надежность устройства или из-за возможности отказа устройства по причине выхода из строя ключей применяют ключи (и другие элементы силовой схемы) с допустимым напряжением, значительно превышающим величину расчетных перенапряжений, что увеличивает стоимость устройства.

Поэтому для повышения надежности устройства с одновременным снижением стоимости необходимо ограничивать величину предельно допустимых перенапряжений.

Это достигается тем, что в устройстве для электросварки, содержащем выпрямитель с фильтром и конденсатором на выходе, нагрузку с трансформаторным входом, ключи анодной и катодной групп, аноды и катоды которых соединены с положительным и отрицательным выводами выпрямителя соответственно, а свободные выводы с входами нагрузки, устройство управления ключами, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами ключей, в количестве, равном количеству ключей, соответствующие выводы каждого из которых соединены с соответствующей точкой соединения каждого ключа и входа нагрузки, дополнительно введены диоды в количестве, равном количеству ключей, и два стабилитрона, зашунтированные конденсаторами, причем анод одного и катод другого образуют две точки с положительным и отрицательным выводами выпрямителя, их свободные выводы совместно со свободными выводами обратных диодов и выводами дополнительных диодов образуют также две общие точки катодов и анодов, при этом свободные выводы диодов подключены катоды к катодам, а аноды к анодам ключей в каждой из точек соединения с входами нагрузки.

Новым является то, что дополнительно введены диоды в количестве, равном количеству ключей, и два стабилитрона, зашунтированные конденсаторами, причем анод одного и катод другого образуют две общие точки с положительным и отрицательным выводами выпрямителя, их свободные выводы совместно со свободными выводами обратных диодов и выводами дополнительных диодов образуют также две общие точки катодов и анодов, при этом свободные выводы диодов подключены катоды к катодам, а аноды к анодам ключей в каждой из точек соединения с входами нагрузки.

Поскольку отличительные признаки заявленного устройства для электросварки не встречаются у аналогов и прототипа, то по мнению заявителя и авторов они соответствуют критерию "существенные отличия".

На чертеже изображено предлагаемое устройство для электросварки.

Устройство содержит выпрямитель с фильтром и конденсатором на выходе 1; нагрузку с трансформаторным входом 2; стабилитроны, зашунтированные конденсаторами 3 и 6, ключи 4 и 5; схему управления ключами 7, диоды 8 и 11 и обратные диоды 9 и 10.

Работает устройство следующим образом.

Величина напряжения на выходе выпрямителя при постоянном напряжении переменного тока на входе выпрямителя и при постоянной нагрузке, т.е. при полном токе дуги или частичном имеет определенные значения, зависящие от напряжения питающей сети и параметров нагрузки.

В переходных режимах, например при холостом ходе, следующим сразу после режима короткого замыкания, чередующихся друг за другом при неустановившихся режимах сварки, а также при резких кратковременных перенапряжениях в питающей сети, сравнимых по времени с постоянной времени фильтра, напряжение на выходе выпрямителя может значительно превышать величину напряжения в установившемся режиме.

Нужно принимать во внимание и возможность относительно низкочастотных резонансных процессов, которые могут иметь место в контуре, образованном реактивностями недостаточно жесткой питающей сети, L-C-фильтром, реактивностями трансформатора и дросселя. Колебания в этом контуре могут возбуждаться неустановившимся режимом работы дуги и колебаниями напряжения в питающей сети.

В результате величина перенапряжений на выходе выпрямителя может значительно превышать величину, соответствующую установившемуся режиму.

Величина перенапряжений на ключах 4 и 5, зависящая от напряжения на выходе выпрямителя 1, имеет еще большие величины колебаний, т.к. зависит и от высокочастотных процессов в контуре, образованном реактивностью трансформатора нагрузки 2, элементов, ограничивающих dJ/dt и dU/dt (не показано) на ключах, величиной емкости коммутационного конденсатора (в резонансном инверторе, изображенном на чертеже, два последовательно соединенных конденсатора). Кроме того, на величину перенапряжений влияют также и паразитные (не показанные) реактивности монтажа силовой части. При этом, если скорости изменения потенциалов в точках соединения выводов ключей с выводами выпрямителя анода ключа 4 и катода ключа 5 имеют относительно невысокие значения, то в точках соединения ключей с нагрузкой катод 4 и анод 5 указанные скорости имеют значительно более высокие значения.

Все отмеченные при отсутствии цепей ограничения перенапряжений требует применения ключей и других элементов силовой схемы, рассчитанных на высокие значения напряжений и с учетом также высоких скоростей изменения этих напряжений. Обычно применяемые для этих целей R-C-цепи, снижая перенапряжения, потребляют значительную мощность и в режимах, когда перенапряжения не имеют опасно высоких значений.

В предлагаемом устройстве, элементы ограничения перенапряжений, функции которых выполняют элементы 3, 6, 8 11, до величин потенциалов на катоде 4 и аноде 5, не достигающих величин, равных + U + U_ст и U U_ст не оказывают влияния на процессы в силовой части и не потребляют энергии.

Здесь + U и U величины потенциалов на выходе выпрямителя + U_ст и U_ст напряжения стабилизации стабилитронов в цепях 3 и 6.

В случае появления потенциалов, превышающих указанные выше значения, в зависимости от полярности перенапряжения проводят соответствующие диоды 8 - 11, и потенциалы на катоде 4 и аноде 5 не превышают указанных величин.

При этом ограничиваются вершины импульсов и через стабилитроны течет практически постоянный средний ток из-за наличия шунтирующих конденсаторов, исходя из чего и выбирается величина их емкости, значительно меньший чем пиковые значения токов через диоды 8 11.

В предлагаемом устройстве обратные диоды 9 и 10, выполняя функции рекуперации, не ограничивают величину обратного напряжения на ключах до величин прямого падения напряжения на них в проводящем направлении, что снижает время восстановления управляемости ключей 4 и 5 (тиристоров на чертеже) в прямом направлении.

Таким образом, ограничение перенапряжений на ключах до величины фиксированно превышающей величину напряжения на выходе выпрямителя в предлагаемом устройстве достигнута.

Использование предлагаемого устройства для электросварки позволяет повысить надежность работы, исключить отказы, связанные с повреждением элементов силовой схемы из-за перенапряжений, применить элементы с более низкой величиной допустимых перенапряжений, снизить стоимость устройства и тепловыделение в элементах силовой схемы. Предлагаемый способ снижения перенапряжений не исключает одновременного использования общеизвестных способов, при которых их элементы будут работать в облегченных режимах.

Использование: изобретение относится к электросварке, а именно к источникам питания с полупроводниковыми ключами, частота коммутации которых превышает частоту промышленной сети. Сущность изобретения: устройство для электросварки содержит выпрямитель с фильтром и конденсатором на выходе, нагрузку с трансформаторным входом, ключи катодной и анодной групп, устройство управления ключами, диоды в количестве, равном количеству ключей, и два стабилитрона, зашунтированные конденсаторами. 1 ил.

Устройство для электросварки, содержащее выпрямитель с фильтром и конденсатором на выходе, нагрузку с трансформаторным входом, два ключа с блоком управления, анод первого ключа соединен с положительным выводом выпрямителя, с отрицательным выводом которого соединен катод второго ключа, катод первого ключа соединен с одним входом нагрузки и с анодом первого обратного диода, анод второго с другим входом нагрузки и с катодом другого обратного диода, отличающееся тем, что введены два стабилитрона, зашунтированные конденсаторами, и два дополнительных диода, причем анод первого стабилитрона подключен к аноду первого ключа, а катод к катодам первых обратного и дополнительных диодов, катод второго ключа соединен с катодом второго стабилитрона, анод которого соединен с анодами вторых обратного и дополнительных диодов, анод первого и катод второго дополнительных диодов подключены к соответствующим входам нагрузки.