Изобретение относится к источникам питания для сварки, имеющим приводной двигатель, и в частности к источникам питания постоянного тока для сварки, в которых используется приводимый в движении от двигателя многофазный генератор переменного тока, подающий ток на многофазный тиристорный выпрямитель. Изобретение, в частности, обеспечивает способ подвода тока в условиях короткого замыкания от многофазного генератора переменного тока к сварочному аппарату. Часто используются трехфазные (синхронные) генераторы переменного тока. Один из типов трехфазных генераторов переменного тока известен как бесщеточный индукционный генератор. Такие генераторы имеют преимущества, заключающиеся в том, что они не так дороги при производстве, износоустойчивы и обычно надежны. Наиболее близким по технической сущности к заявленному является источник питания для сварки, содержащий генератор переменного тока с многофазным выходом, выпрямительный мост, состоящий из нескольких тиристоров, вход которого соединен с выходом генератора переменного тока, а выход с дуговым промежутком.
Недостатком бесщеточных генераторов переменного тока является их поведение при коротком замыкании на их выходе. При этом ток либо вообще не течет, либо очень неустойчив. В сварочных установках состояние короткого замыкания или состояния, достаточно близкие к короткому замыканию, встречаются часто. Следовательно, отсутствие выходного тока либо неустойчивый режим в условиях короткого замыкания представляют существенную проблему.
Изобретение обеспечивает способ управления выходом трехфазного с выпрямлением бесщеточного генератора переменного тока, который обеспечивает управляемый ток, даже если на выходе есть короткое замыкание или состояние, близкое к короткому замыканию. Многофазный индукционный генератор переменного тока согласно настоящему изобретению подает трехфазный ток на трехфазный тиристорный выпрямитель, который в свою очередь обеспечивает постоянный ток для сварки. Датчик, измеряющий величину выхода для сварки, обнаруживает наличие короткого замыкания и препятствует отпиранию выбранных тиристоров в схеме выпрямления, в то время отпирая по крайней мере один из остальных тиристоров, тем самым обеспечивая управляемый выходной ток во время состояния короткого замыкания.
Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагается датчик для измерения выходного напряжения обмоток и обнаружения состояния короткого замыкания посредством выявления уменьшения среднего напряжения до предварительно выбранного значения.
Кроме того, согласно настоящему изобретению используется микропроцессорное управление для обеспечения регулирования величины тока дуги в соответствии с параметрами, выбранными пользователем, а также для выборочного отпирания или предотвращения отпирания тиристоров в соответствии с параметрами короткого замыкания.
Далее согласно настоящему изобретению способ подвода электрического тока к дуговому сварочному аппарату включает обеспечение многофазным генератором переменного тока, имеющим многофазный выход; обеспечение многофазным выпрямителем, состоящим из нескольких тиристоров, принимающим выходной ток генератора, и имеющим на выходе постоянный ток; обнаружение существования состояния короткого замыкания; и, если обнаружено состояние короткого замыкания, запрещение отпирания выбранных тиристоров в течение времени состояния короткого замыкания.
В основу изобретения положена задача создания сварочного аппарата с многофазным бесщеточным генератором переменного тока, имеющего хорошие характеристики в режиме короткого замыкания, а также задача обеспечения способа управления выпрямителем для сварочного аппарата с бесщеточным генератором переменного тока, в котором ток короткого замыкания может регулироваться приемлемым образом.
Еще одной задачей, решаемой настоящим изобретением, является обеспечение способа управления выпрямителем для бесщеточного многофазного генератора переменного тока, в котором выходной ток может устойчиво поддерживаться при состоянии короткого замыкания.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание контроллера для сварочного источника питания с бесщеточным многофазным генератором переменного тока с последующим выпрямлением, который надежен в работе, способен управлять состоянием короткого замыкания и недорог при изготовлении.
Эти и другие задачи, решаемые этим изобретением и его преимущества станут очевидными из последующего описания, сопроводительных чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
На фиг. 1 представлена схема, в основном в блочном виде, сварочного аппарата с приводным двигателем, который включает генератор переменного тока, выпрямитель и устройство управления; на фиг. 2 блок-схема, описывающая часть программы управления и алгоритм управления, используемый в схеме на фиг. 1; на фиг. 3 блок-схема прерывания от перехода через ноль, которая получает данные для синхронизации из схемы на фиг. 1; на фиг. 4 блок-схема программы прерывания по управлению и обратной связи, которая выполняет основные функции управления в схеме на фиг. 1; на фиг. 5 схема обмоток генератора переменного тока из схемы на фиг. 1; на фиг. 6 схема измерения напряжения, используемая в схеме на фиг. 1; на фиг. 7 предпочтительная последовательность отпирания тиристоров при коротком замыкании, которая обеспечивается в схеме на фиг. 1; на фиг. 8 форма выходного тока, получаемого в схеме на фиг. 1; на фиг. 9 выходная вольт-амперная характеристика, полученная посредством схемы на фиг. 1.
Прилагаемый листинг программы, описывающий в деталях реализацию части способа, рассмотренного на фиг.4, имеется в конце описания.
На фиг.1 показан источник питания для дуговой сварки, в котором двигатель 10 через вал 12 механически связан с генератором переменного тока 14. Генератор переменного тока 14 представляет собой трехфазный бесщеточный генератор переменного тока индукционного типа, имеющий трехфазный выход мощности для сварки 16 и выход синхронизации 20. Обычно такой генератор может также иметь дополнительный выход, обеспечивающий ток с напряжением 120 или 240 B. Как видно из фиг. 5, генератор имеет три обмотки 24, 25, 26, обеспечивающие ток для сварки и соединенные треугольником, и две обмотки возбуждения 27 и 28. Конденсатор 29 обеспечивает требуемую реактивную мощность. Два дополнительных конденсатора (не показаны) обычно подсоединяются к трем фазам известным способом.
На фиг. 6 детально показано устройство измерения напряжения 142 фиг. 1. Потенциометр 144 делит высокое напряжение на выходе А и подает пониженное напряжение на выпрямитель 146. Выход выпрямителя 146 фильтруется конденсатором 148 и подается на пороговый детектор 149. Пороговый детектор 149 выдает выходной сигнал, показывающий выходное напряжение на выходе А. Очень низкий уровень выхода, который держится в течение выбранного периода, указывает на состояние короткого замыкания. Фильтрация, применяемая в измерительном устройстве 142, предотвращает фиксацию коротких замыканий очень малой длительности, таких как те, которые встречаются при переносе капель при сварке, от короткого замыкания, которое интерпретируется как разрушающее короткое замыкание. Фильтрация и выбор подходящих констант, таких как напряжение, указывающее на короткое замыкание, требующее ремонтных воздействий, допускают кратковременное короткие замыкания, которые не приносят вреда генератору переменного тока.
Трехфазный источник питания для сварки имеет три выходных шины генератора переменного тока 22А, 22В, 22С, которые обеспечивают три фазы выхода известным образом. Выпрямительный мост 30 получает трехфазный выход по шинам 22А, 22В, 22С. Выпрямительный мост 30 состоит из трех полупроводниковых выпрямительных элементов (SCR ов) 31, 32, 33 и трех диодов 34, 35 и 36. SCRы и диоды соединены по известной мостовой схеме. Каждый из SCRов и диодов получает ток от одной из трехфазных силовых шин и подает ток на выходную силовую шину для сварки постоянным током 40 и земляную шину для сварки постоянным током 42. Фильтрующие элементы, такие как реакторы, дроссели и/или конденсаторы, добавляются иногда известным образом. На фиг. 1 показан выходной дроссель 100. Действие дросселя 100 показано на фиг. 8. Верхняя кривая показывает выходной ток без дросселя. Нижняя кривая показывает выходной ток с дросселем 100. Описанный SCR диодный мост хорошо известен в промышленности. Различные варианты использования шести SCRов хорошо известны и также пригодны для использования.
Широко используемые конденсаторы (не показаны) подсоединены между выходными шинами генератора переменного тока 22А, 22В, 22С или выводами этих обмоток для обеспечения требуемой реактивной мощности.
Выход мощности для DC сварки на шине 40 подсоединен к сварочному электроду 41, а DC земля 42 подсоединена к рабочему образцу 43. Как известно, обе эти точки соединены электрически дугой 44. Кроме того, если требуется, полярность электрода и земли может быть изменена. Ток дуги измеряется с помощью шунта для измерения тока 46, и данные о значении тока фиксируются и передаются в цифровой процессор 130. Канал измерения напряжения дуги 48 может быть использован для передачи данных о напряжении в цифровой процессор 130.
Источник питания для сварки обеспечен устройством ввода желаемого значения тока 140. Устройство ввода желаемого значения тока 140 может представлять собой круговую шкалу, нажимное кнопочное устройство или любое другое известное средство ввода цифровой информации в электрическую систему. Оно позволяет оператору установить желаемый ток сварки и передать эти данные в цифровой процессор 130, который оперативно регулирует ток, доводя его до желаемого значения. В устройстве ввода 140 могут быть также установлены и другие параметры сварки. Цифровой процессор управляет отпиранием SCRов 31, 32, 33 посредством подачи управляющих сигналов на управляющие электроды SCRов G1, G2, G3. Как известно, выпрямительный мост 30 получает трехфазную мощность от генератора переменного тока 14. Выходной ток выпрямительного моста 30 регулируется посредством включения SCRов 31, 32, 33 в течение выбранных интервалов времени путем подачи сигналов на управляющие электроды G1, G2, G3. Цифровой процессор получает информацию от шунта для измерения тока 46, канала напряжения 48 и канала синхронизации 20. Процессор определяет величину опережения или отстаивания управляющих сигналов посредством сравнения текущего значения тока с желаемым значением, установленным с помощью устройства ввода желаемого значения тока 140. Управляющие сигналы синхронизируются посредством синхронизирующих сигналов, поступающих по каналу синхронизации 20. Если необходимо увеличить ток, SCRы включаются раньше в положительном полупериоде и больший ток подается в дугу 44.
Если в дуге 44 появляется состояние короткого замыкания, генератор переменного тока фактически не имеет импеданса на своих выходных шинах 22А, 22В, 22С. Конденсаторы и/или реакторы, обеспечивающие реактивную мощность и ток намагничивания, замыкаются накоротко. Это может вызвать резкое ослабление магнитного поля, индуцирующего ток в выходных шинах, в результате чего полностью прекратится выходной ток и/или возникнет неустойчивый режим. Это проблема решается в настоящем изобретении посредством гарантирования того, что генератор переменного тока будет иметь некоторый импеданс в течение каждого цикла, тем самым надежно поддерживая магнитное поле в генераторе. Если обнаруживается состояние короткого замыкания, управляющие сигналы не подаются к одному или нескольким SCRам 31, 32, 33. Если SCR не обеспечен управляющим сигналом, он не включается и не проводит ток. Это создает импеданс для генератора переменного тока и предотвращает резкое ослабление магнитного поля. В предпочтительном варианте это делается с помощью программного управления. Однако аналогичное схемное решение может быть получено с помощью цифровых или аналогичных электронных управляющих устройств.
Средства, с помощью которых формируются управляющие сигналы для обеспечения импеданса, показаны на фиг. 2-7. Основная программа 150 (фиг. 2) содержит шаг обслуживания переключений и отображения 156. По существу, основная программа осуществляет самотестирование контролера, когда он включен, рассчитывает период колебаний трехфазного питания на трехфазном силовом выходе 16 и считывает данные, введенные пользователем через переднюю панель 140. Остальные функции управления выполняются по прерываниям. Следует помнить, что микропроцессорные средства управления работают очень быстро. Современные микропроцессоры работают при тактовых частотах в диапазоне от 2 МГц до порядка 100 МГц. С другой стороны, частота трехфазного генератора переменного тока около 50 или 60 Гц. Таким образом, микропроцессор выполняет от тысяч до миллионов операций в течение каждого отдельного периода трехфазного генератора переменного тока.
Исходной точкой отсчета времени для управления является синхросигнал, поступающий по шине синхронизации 20. Синхросигнал подается в детектор перехода через ноль, находящийся внутри цифрового процессора 130. Если обнаруживается переход через ноль, сигнал проходит в микропроцессор, который устанавливает флаг перехода через ноль. Это показано в программе прерывания от перехода через ноль 160 (фиг. 3). Назначение этой программы отметить момент перехода через ноль с помощью синхросигнала для использования при определении углов отпирания SCRов 31, 32, 33. Так как канал синхросигнала передает сигнал напряжения, указывающий положение поля ротора генератора, переход этого сигнала через ноль сигналов мощности во всех трех фазах 22А, 22В, 22С выходной мощности. Кроме того, так как скорость вращения ротора генератора фактически постоянна по сравнению с тактовой частотой цифрового процессора 130, а направление вращения известно, единичный синхросигнал в канале синхронизации 20 подходит для создания управляющих сигналов для всех трех SCRов 31, 32, 33.
Программа прерывания по обратной связи и управлению 170 (фиг. 4) выполняет основные операции по синхронизации и отпиранию SCRов. Программа вызывается на регулярных и частных интервалах. Как было описано ранее, выход генератора переменного тока на шинах 22А, 22В, 22С имеет частоту порядка 50 или 60 Гц. Это дает период порядка 17 мс. Программа прерывания по обратной связи и управлению 170 вызывается достаточно часто, чтобы обеспечить адекватную частоту выборки сигналов указанной частоты и периода. После вызова программа прерывания по обратной связи и управлению 170 сначала проверяет, установлен ли новый флаг перехода через ноль программой прерывания от перехода через ноль 160. Если флаг установлен, программа переходит к разветвляющемуся шагу нового перехода через ноль 172. Затем цифровой процессор 130 рассчитывает период между моментом вновь установленного перехода через ноль и предыдущим моментом перехода через ноль, чтобы с новым периодом перейти к расчетному шагу 174. Предварительно считанные из цепи обратной связи данные обрабатываются для получения параметров сварки, исходных углов отпирания и следующего интервала выборки для использования в последующих расчетах. Далее следует шаг вычисления средних значений 176. Здесь получаются и рассчитываются средние значения контролируемых параметров. Затем на шаге снятия флага 178 снимается флаг перехода через ноль, установленный в программе прерывания от перехода через ноль 160. Так же на шаге снятия флага 178 устанавливается момент времени для следующего обращения к программе прерывания 170. Затем основная последовательность операций программы прерывания по обратной связи и управлению 170 возвращается к шагу считывания сигнала обратной связи по параметрам дуги 184.
Если на шаге нового перехода через ноль 172 определяется, что флаг перехода через ноль не был установлен, только что описанная ветвь программы не реализуется и прерывание по обратной связи и управлению 170 продолжается по основной последовательности операций, начиная с установки следующего обращения к прерыванию на шаге установки следующего прерывания 182. Поскольку прерывание устанавливается для инициирования последовательности операций прерывания по обратной связи и управлению 170, программа продолжается посредством считывания сигнала обратной связи по току дуги на шаге считывания обратной связи по току дуги 184. Выходное напряжение генератора переменного тока 14 измеряется устройством измерения напряжения 142 и подается в цифровой процессор 130. Ток дуги измеряется с помощью шунта для измерения тока 46, а также оцифровывается в цифровом процессоре 130. Эти значения считываются на шаге считывания обратной связи 184 и хранятся в памяти для использования при расчете средних значений на шаге получения средних значений 176 и иным образом, если требуется.
Средние значения, рассчитанные на шаге 176, и информация обратной связи, полученная на шаге 184, используются для расчета углов отпирания SCRов на шаге расчета 186. Как известно, SCRы проводят ток только тогда, когда на них подано прямое напряжение, и только после получения управляющего импульса на управляющем электроде. Следовательно, величина тока, проходящего через SCR, зависит от момента времени в проводящем полупериоде SCRа, когда получен управляющий импульс. Момент, при котором управляющий импульс подается на управляющий электрод SCRа, обычно рассматривается в угловом измерении. В настоящем изобретении углы отпирания рассчитываются для каждого из трех SCRов. Затем для каждого SCR рассчитываются и запоминаются временные задержки от момента перехода через ноль синхросигнала в канале 20. Таким образом цифровой процессор 130 имеет информацию о том, когда открыть каждый SCR. На шаге синхранизации 188 программа прерывания по обратной связи и управлению сравнивает текущее время на своих часах с установленными моментами времени для отпирания отдельных SCRов и определяет, наступило или нет время для отпирания SCR. Если время для отпирания SCRа не наступило, программа перескакивает к шагу считывания управляющих входных данных и расчета уставок 210. Если время для отпирания SCRа наступило, выполняется шаг анализа короткого замыкания 190. Этот шаг инициирует последовательность операций, которая определяет, следует ли пропустить отпирание SCRов, для того чтобы предотвратить резкое ослабление магнитного поля из-за состояния короткого замыкания. Цифровой процессор 130 сравнивает переменную ARCV, являющуюся цифровым представлением напряжения, измеренного устройством измерения напряжения 142, с константой SHORT VAL, представляющей значение напряжения, указывающее на короткое замыкание. Это сравнение определяет, существует или нет состояние короткого замыкания. Если состояние короткого замыкания отсутствует, величины для различных расчетов, используемые в последовательности операций короткого замыкания, устанавливаются в ноль на шаге сброса счетчиков и флагов 192, и программа переходит к следующему SCRу, чтобы его открыть на шаге отпирания 194. Если шаг анализов 190 определяет, что существует состояние короткого замыкания, выполняется шаг анализа результата сравнения. Результатом, который должен быть достигнут путем выполнения шага анализа результата сравнения, является отпиранию фиксированным количеством SKRов (например, одного) с последующим фиксированным количеством неотпираний (например, трех) после обнаружения короткого замыкания.
Подсчет количества следующих друг за другом отпираний SCRов под именем SHORT CNT производится с момента обнаружения состояния короткого замыкания. На шаге оценки сравнения результата счета 196 определяется, достигнут ли желаемый результат путем сравнения SHORT CNT с SHORT MAX. SHORT MAX представляет требуемое в состоянии короткого замыкания количество следующих друг за другом отпираний SCRов. Если эти величины не равны, выносится решение "нет" и результат счета SHORT CNT увеличивается на шаге увеличения счетчика 194. Если результат счета SHORT CNT равен SHORT MAX, на шаге 196 принимается решение "да" и программа переходит к шагу сравнения с показателем короткого замыкания 202.
Подсчет количества следующих друг за другом неотпираний SCRов производится под именем SHORT CNTI. SHORT CNTI на шаге сравнения 202 сравнивается с константой, идентифицированной как SHORT FACTOR. SHORT - FACTOR представляет количество следующих друг за другом пропущенных отпираний, требуемое в состояниях короткого замыкания. Если эти величины равны, это означает, что достигнуто достаточное число пропущенных отпираний SCRов, и выполняется шаг сброса 204. Шаг сброса 204 устанавливает в ноль SHORT FLG и SHORT CNTI и происходит возврат к шагу отпирания SCR 194. Однако, если на шаге 202 не установлено равенство SHORT CNTI и SHORT FACTOR, результатом будет "нет", и выполняется шаг увеличения результата счета пропусков при коротком замыкании 206. Это заставляет цифровой процессор 130 воздержаться от посылки управляющего импульса на следующий запланированный SCR для его отпирания, обеспечивая тем самым пропуск цикла отпирания. Затем ветвь программы обратной связи и управления 170 возвращается к основной последовательности операций на шаге считывания управляющих входных данных 210. Выбрав соответствующие значения для констант и приращения вышеупомянутых результатов счета, можно легко получить любую последовательность пропусков отпираний SCRов в ответ на короткое замыкание. Предпочтительная последовательность, отпирание одного и пропуск трех, показана на фиг. 7. Эта последовательность обеспечивает равномерное распределение токовой нагрузки при коротком замыкании по всем SCRам. Можно легко запрограммировать и любую другую последовательность, подходящую для поддержания магнитного поля в генераторе переменного тока.
Последовательность "отпирание 1, пропуск 3" приводит к появлению большого импеданса, который создается на выходе генератора. Выходное напряжение быстро поднимается, и устройство измерения напряжения 142 укажет на отсутствие короткого замыкания. Нормальное отпирание будет возобновлено. Если состояние короткого замыкания устойчиво сохраняется, вышеописанный процесс будет немедленно повторен. Только что описанная программа управления дает вольт-амперную характеристику дуги, показанную на фиг. 9. Падающий участок вольт-амперной характеристики 222 является результатом управления не по короткому замыканию. Последовательность отпусков отпираний при коротком замыкании формирует в основном линейный участок с низким напряжением 224.
Шаг считывания входных данных управления и расчета уставок 210 выполняется независимо от исходов шагов решений 188, 190, 196 и 202. Уставки на передней панели считываются микропроцессором и рассчитываются уставки для следующей последовательности операций прерывания. Программа прерывания по обратной связи и управлению 170 затем завершается и управление цифрового процессора 130 возвращается к основной программе 150 до тех пор, пока не будет инициировано прерывание либо программой прерывания по переходу через ноль 160, либо программой прерывания по обратной связи и управлению 170. Вышеописанная последовательность команд со ссылками на шаги 190 206 представлена полностью в приложении, при этом листинг программы выполняет рассмотренную функцию управления.
Вышеописанные процедуры и устройства обеспечивают механизм поддержания намагничивания генератора переменного тока при состоянии короткого замыкания, с которым часто сталкиваются при сварке. Программы обеспечивают надежную, высокопроизводительную работу источника питания для сварки, использующего в качестве источника энергии бесщеточный генератор переменного тока. Хотя описанный выше механизм и способ реализуются с помощью микропроцессора, аналогичный механизм может быть реализован на дискретной либо аналоговой базе. Очевидно, что могут появиться различные модификации и изменения к данному изобретению сверх того, что можно прочитать и уяснить из этого описания. Разумеется, что все такого рода модификации и изменения к изобретению должны оставаться в пределах сферы действия прилагаемой формулы изобретения.
На фиг. 1 позициями обозначены: 10 двигатель: 14 трехфазный генератор переменного тока; 130 цифровой процессор; 140 ввод желаемого значения тока; 142 схема измерения напряжения.
На фиг. 2 позициями обозначены; 150 основная программа; 152 - инициализация; 154 считывание перехода через ноль и получение начального периода; 156 обслуживание отображения и переключений.
На фиг. 3 позициями обозначены; 160 прерывание по переходу через ноль; запоминание момента прерывания, установка флага; возврат.
На фиг. 4 позициями обозначены: 170 прерывание по обратной связи и управлению; 172 новый переход через ноль? 174 расчет исходного угла и интервала обращения; 176 получение средних значений из текущей суммы значений сигналов обратной связи; 178 сброс флага перехода через ноль, установка следующего обращения к прерыванию; 182 установка следующего прерывания; 184 считывание обратной связи; 186 расчет угла отпирания; 188 наступил момент отпирания следующего SCRa? 190 короткое замыкание есть? 192 сброс счетчиков и флага; 194 установка следующего SCRa для отпирания; 196 произошло ли достаточное количество отпираний 198 увеличение значения счетчика; 202 следует ли отпирать следующий SCR? 204 разрешение отпирания следующего SCRa и сброс; 206 увеличение значение счетчика пропусков при коротком замыкании, предотвращение отпирания SCRa; 210 - считывание введенных управляющих данных и расчет уставок; возврат.
На фиг. 6 позициями обозначены: 146 выпрямитель; 149 пороговый детектор.
Изобретение относится к сварке, конкретнее к источникам питания для сварки. Сущность изобретения заключается в том, что в источник питания, имеющий многофазный генератор переменного тока и выпрямитель, введено устройство управления для выборочного предотвращения отпирания тиристоров при возникновении короткого замыкания. 2. с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.
| Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие / Под ред.В.В.Смирнова | |||
| - Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.539 - 541. |
