СВАРОЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H02M3/335 B23K9/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве источника питания сварочной дуги (сварочного аппарата) для ручной дуговой сварки и резки металлов в полевых условиях от автономных источников постоянного тока низкого напряжения, в частности от бортовой электросети автомобиля, трактора, комбайна и т.д., с номинальным напряжение не менее 12 В.

Известен источник питания для импульсно-дуговой сварки, содержащий инвертор, трансформатор, выпрямитель и систему управления силой выходного тока, состоящую из задающего генератора, датчика тока и усилителя сигнала ошибки [1].

Недостатком указанного источника питания является наличие трансформатора и сложного управляемого инвертора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является преобразователь напряжения, содержащий шины питания и выходные шины для подключения электрода и свариваемого изделия, преобразовательный узел, содержащий входную и выходную цепи, причем входная цепь через контактор постоянного тока подключена к шинам питания, а выходная цепь - непосредственно к выходным шинам. Преобразовательный узел выполнен в виде, например, двух трансформаторов на двух сердечниках с тремя первичными и тремя вторичными обмотками. Входная цепь преобразовательного узла образована первичными обмотками трансформатора, соединенными между собой встречно-последовательно, причем к началу первой обмотки через конденсатор подключены начала двух обмоток, а к концу третьей обмотки через другой конденсатор подключены концы первых двух обмоток. Выходная цепь преобразовательного узла образована вторичными обмотками трансформаторов с выпрямленными диодами в обратном включении, соединенными между собой параллельно [2].

Недостатком указанного преобразователя является то, что выходная мощность преобразователя ограничена насыщением сердечников трансформаторов, входящих в преобразовательный узел, так как эти сердечники перемагничиваются неравными положительными и отрицательными вольт-секундными площадями напряжений; в связи с наличием в преобразовательном узле двух трансформаторов на двух сердечниках с шестью обмотками, а также двух конденсаторов и трех выпрямительных диодов значительно увеличены габариты и масса преобразователя напряжения. Кроме того, преобразователь напряжения рассчитан только на одно номинальное напряжение питания, что ограничивает область его применения, и он не имеет защиты от подачи питающего напряжения с обратной полярностью и защиты источников питания (аккумуляторов) от чрезмерного снижения их напряжения.

Сущность изобретения заключается в том, что сварочный преобразователь напряжения, содержащий шины питания и выходные шины для подключения электрода и свариваемого изделия, преобразовательный узел, содержащий входную и первую выходную цепи, причем входная цепь через контактор постоянного тока подключена к шинам питания, а первая выходная цепь - непосредственно к выходным шинам, между не соединенными между собой выводами входной и первой выходной цепи преобразовательного узла введена вторая выходная цепь, причем входная цепь преобразовательного узла образована обмоткой накопительного дросселя, двумя параллельно включенными ключевыми элементами на транзисторах с измерительными шунтами в силовых цепях. Вторая выходная цепь преобразовательного узла образована параллельно включенными конденсаторам, вторым диодом и через первый диод обмоткой накопительного дросселя и предназначена для подключения через соответствующие выходные шины электрода и свариваемого изделия при микросварке. Первая выходная цепь преобразовательного узла предназначена для подключения через соответствующие выходные шины электрода и свариваемого изделия при силовой сварке. Кроме того, введены цепь управления транзисторами ключевых элементов, резисторы которой, подключенные к шине управления, обеспечивают необходимый ток управления ключевым элементам, шина обратной связи, на которую подается информация о токах через ключевые элементы, плата управления, содержащая задающий генератор, вход которого подключен к регулятору частоты, ограничитель тока, триггер, ограничитель выходного напряжения и логическое устройство И, причем ограничитель тока формирует единичный импульс на выходе при достижении тока ключевых элементов пороговой величины. Выход ограничителя тока соединен с одним из выходов триггера, выход задающего генератора подключен к другому входу триггера. Вход ограничителя выходного напряжения подключен к общей точке выходных цепей преобразовательного узла, а его выход - в одному из входов логического устройства И, к другому входу которого подключен выход триггера, выход логического устройства И подключен к шине управления. Дополнительно введено несколько преобразовательных узлов, соединенных параллельно друг с другом по входным и выходным цепям и по цепям управления и обратной связи, выключатель, определители величины и полярности напряжения источника питания и узел задержки. Контактор постоянного тока имеет два управляющих входа, один из которых подключен к выходу определителя полярности напряжения, а другой - к выходу узла задержки. Входы определителей величины и полярности напряжения через выключатель подключены к шинам питания, а выход определителя величины напряжения - к выходу узла задержки.

Техническим результатом является уменьшение габаритов и массы сварочного преобразователя напряжения за счет замены в преобразовательном узле двух трансформаторов с шестью обмотками на накопительный дроссель с одним сердечником и одной обмоткой; обеспечение возможности питания сварочного преобразователя напряжения от источников, имеющих разные номинальные напряжения, минимум два, например, 12 и 24 B; исключение выхода из строя полярных конденсаторов и ключевых элементов на транзисторах при ошибочной полярности подключения сварочного преобразователя напряжения к источнику питания; предотвращение выхода из строя аккумуляторных батарей, используемых в качестве источника питания, при их чрезмерном разряде и понижении напряжения источника питания ниже допустимого предела; применение в одном сварочном преобразователе напряжения двух режимов сварки - силовой при максимальном токе дуги и микросварки при пониженном токе дуги.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена электрическая схема сварочного преобразователя напряжения; на фиг.2 - конструкция сварочного преобразователя напряжения; на фиг.3 - временные диаграммы напряжений и токов основных узлов сварочного преобразователя напряжения.

Сварочный преобразователь напряжения содержит несколько преобразовательных узлов 1.1...1.N, количество которых определяется требуемой мощностью сварочной дуги; на фиг. 2 их показано 10 штук. Преобразовательные узлы своими входными цепями 2, 3 подключены к шинам питания 4, 5 через контактор постоянного тока 6. Первые выходные цепи 7, 3 преобразовательных узлов 1.1.. .1.N подключены к выходным шинам 8, 9, а вторые выходные цепи 7,2 - к выходным шинам 8, 10, при этом электрод и свариваемое изделие подключаются при силовой сварке к выходным шинам 8, 9, а при микросварке - к выходным шинам 8, 10. Один из управляющих входов контактора постоянного тока 6 подключен к выходу определителя полярности напряжения источника питания 11, а другой к выходу узла задержки 12. Входы определителей величины 13 и полярности 11 напряжения источника питания через выключатель 14 подключены к шинам питания 4, 5. Один из выходов определителя величины напряжения 13 подключен к входу узла задержки 12, а другой - к входу стабилизатора напряжения 15, напряжение с которого 16 подается для питания узлов сварочного преобразователя напряжения и на индикатор включения питания 17. Источник питания постоянного тока, например бортовая электросеть автомобиля, трактора, комбайна и т.д., включающая в себя аккумуляторную батарею 18 и генератор 19, подключена к шинам питания 4, 5.

Входная цепь 2, 3 одного из преобразовательных узлов, например 1,1 образована обмоткой накопительного дросселя 20 двумя параллельно включенными ключевыми элементами на транзисторах 21, 22 с измерительными шунтами 23, 24 в силовых цепях. Первая выходная цепь 7, 3 преобразовательного узла 1,1 образована ключевыми элементами на транзисторах 21, 22, измерительными шунтами 23, 24 и первым диодом 25, а вторая выходная цепь 7, 2 - параллельно включенными конденсатором 26, вторым диодом 27 и через первый диод 25 обмоткой накопительного дросселя 20. Транзисторами 28, 29, диодами 30, 31, резисторами 32, 33, 34 и конденсаторами 35, 36 образована цепь управления транзисторами ключевых элементов 21, 22. Эмиттеры транзисторов 28, 29 подключены к базам транзисторов ключевых элементов 21, 22, а базы транзисторов 28, 29 через резисторы 33, 34 - к шине управления 37. Коллекторы транзисторов ключевых элементов 21, 22 и транзисторов 28, 29 соединены вместе и подключены к одному из выводов обмотки накопительного дросселя 20. Резисторами 33, 34 совместно с резистором 32 обеспечивается необходимый ток управления ключевыми элементами 21, 22, а конденсаторами 35, 36, включенными параллельно резисторами 33, 34, и диодами 30, 31 форсируется процесс их открывания и запирания. Информация о токах через ключевые элементы в виде напряжения снимается с эмиттерно-базовых переходов транзисторов ключевых элементов 21, 22 и измерительных шунтов 23, 24 и через диоды 38, 39 подается на шину обратной связи 40.

Задающим генератором 41, регулятором частоты 42, ограничителем тока 43, триггером 44, логическим устройством И 45, ограничителем выходного напряжения 46 и ограничителем температуры 47 со световым индикатором 48 образована плата управления одновременно всеми преобразовательными узлами 49 (на фиг. 1 не показана), при этом вход задающего генератора 41 подключен к регулятору частоты 42, выход ограничителя тока 43 соединен с одним из выходов триггера 44, выход задающего генератора 41 подключен к другому входу триггера 44, выход триггера 44 подключен к одному из входов логического устройства И 45, к другому входу которого подключен выход ограничителя выходного напряжения 46. Вход ограничителя тока 43 подключен к шине обратной связи 40, вход ограничителя выходного напряжения 46 - к общей точке 7 выходных цепей преобразовательного узла 1.1, а выход логического узла И 45 - к шине управления 37. К шине управления 37 также подключен выход ограничителя температуры 47.

На фиг. 2 обозначено: 49 - плата управления, 50, 51 - передняя и задняя панели сварочного преобразователя напряжения, 52 - дно преобразователя.

На фиг.3 обозначено: 53 - импульсы напряжения на выходе задающего генератора 41, 54 - напряжение на шине управления 37, 55 - напряжение между коллектором и эмиттером транзисторов ключевых элементов 21, 22, 56 - пороговое значение тока через транзисторы ключевых элементов 21, 22, 57 - текущее значение тока через транзисторы ключевых элементов 21, 22, 58 - напряжение на выходных шинах 8, 9.

Сварочный преобразователь напряжения работает следующим образом (фиг.1, 2 и 3). С помощью электрокабелей к шинам питания 4, 5, расположенным на передней панели 50, подключается источник питания, например бортовая электросеть автомобиля, а к выходным шинам 8, 9 (силовая сварка) или 8, 10 (микросварка) подключаются электрод и свариваемое изделие. После включения выключателя 14 определитель полярности напряжения источника питания 11 выдает один из разрешающих сигналов на включение контактора постоянного тока 6 при правильной полярности подключения источника питания. Второй разрешающий сигнал поступает с определителя напряжения источника питания 13 через узел задержки 12 при превышении напряжения питания допускаемого предела. При наличии двух разрешающих сигналов на управляющих входах контактор постоянного тока 6 включается, и тем самым подается напряжение с источника питания на входные цепи 2, 3 всех преобразовательных узлов 1.1...1.N и через стабилизатор 13 на плату управления 49.

При поступлении на плату управления 49 напряжения питания на выходе ограничителя тока 43 устанавливается низкий уровень напряжения (0), а на выходах ограничителя выходного напряжения 46 и ограничителя температуры 47 - высокий уровень напряжения (1), и происходит запуск задающего генератора 41. В момент времени t₁ задающий генератор 41 выдает импульс напряжения 53, который поступает на вход триггера 44 и устанавливает на его выходе высокий уровень напряжения (1). Одновременное поступление на входы логического устройства И 45 высоких уровней напряжений вызывает появление на его выходе также высокого уровня напряжения (1) 54, который подает на шину управления 37 и далее в цепи управления транзисторами ключевых элементов всех преобразовательных узлов, благодаря чему транзисторы ключевых элементов 21, 22 открываются. Че рез обмотку накопительного дросселя 20, открытые транзисторы ключевых элементов 21, 22 и измерительные шунты 23, 24 каждого преобразовательного узла начинают течь точки 57, нарастая практически по линейному закону. Одновременно информация об этих точках по ширине обратной связи 40 подается на вход ограничителя тока 46.

В момент времени t₂, когда протекающий через любой из транзистров ключевых элементов 21, 22 любого преобразовательного узла ток 57 достигает порогового значения 56, на выходе ограничителя тока 43 устанавливается высокий уровень напряжения (1), что приводит к установлению низкого уровня напряжения 54 на выходе логического устройства И 45 и, в конечном счете, к закрытию транзисторов ключевых элементов 21, 22 и прекращению протекания токов 57 через них. Однако ток в обмотке накопительного дросселя 20, являющегося индуктивным элементом, в силу накопленной в его магнитном поле энергии продолжает течь, но уже по другой цепи. В случае отсутствия сварочной дуги как силовой сварки, так и микровсварки (холостой ход) эту цепь составляют обмотка накопительного дросселя 20, первый диод 25 и конденсатор 26. При этом будет происходить передача энергии из накопительного дросселя 20 в конденсатор 26 с одновременным уменьшением тока в обмотке дросселя 20 и увеличением напряжения на конденсаторе 26 и, следовательно, на выходных шинах 8, 10 (микросварка). В тоже время напряжение на выходных шинах 8, 9 (силовая сварка) представляет собой сумму напряжения на конденсаторе 26 и напряжения источника питания.

В момент времени t₃ задающий генератор 41 выдает следующий импульс напряжения 53, вследствие чего транзисторы ключевых элементов 21, 22 вновь открываются и вновь повторяется процесс накопления энергии в накопительном дросселе 20 с последующей передачей энергии в конденсатор 26, что приводит к дальнейшему росту напряжения на этом конденсаторе и, следовательно, на выходных шинах 8, 9 и 8, 10. Процесс заряда конденсатора 26 повторяется до тех пор, пока напряжение на выходных шинах 8, 9 не достигнет порогового значения, задаваемого ограничителем напряжения 46. В это момент на выходе ограничителя напряжения 46 установится низкий уровень напряжения (0), что приводит, в конечном итоге, к запиранию транзисторов ключевых элементов 21, 22 и прекращению роста напряжения на конденсаторе 26. В результате на выходных шинах 8, 9 и 9, 10 устанавливаются напряжения холостого хода, достаточные для возбуждения сварочной дуги силовой сварки или микросварки. При возбуждении сварочной дуги конденсатор 26 будет не только заряжаться, но и разряжаться на соответствующую сварочную дугу, что приводит к установлению как на самом конденсаторе, так и на выходных шинах 8, 9 пульсирующего напряжения 58.

Регулирование тока сварки осуществляется регулятором частоты 42 путем изменения частоты выдачи импульсов напряжения 53, что приводит к изменению среднего значения пульсирующего напряжения на выходных шинах 8, 9 и 8, 10 и, как следствие, к изменению тока сварочной дуги.

При длительном процессе сварки наиболее нагруженные элементы сварочного преобразователя напряжения могут нагреваться до температуры сверх допустимой. При установлении температуры выше допустимой срабатывает ограничитель температуры 47, на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения (0), который поступает на шину управления 37, что приводит в результате к запиранию транзисторов ключевых элементов 21, 22 и прекращению процесса сварки. Одновременно индикатором 48 подается световой сигнал о превышении температуры.

При уменьшении напряжения источника питания ниже допустимого предела срабатывает определитель величины напряжения 13, сигнал на его выходе исчезает, исчезает сигнал и на выходе узла задержки 12, но с некоторым запаздыванием, что исключает реагирование на случайные кратковременные понижения напряжения источника питания. Исчезновение сигнала на выходе узла задержки 12 означает исчезновение второго разрешающего сигнала на управляющем входе контактора постоянного тока 6, что приводит к выключению последнего и, следовательно, к отключению от источника питания преобразовательных узлов 1.1. . . 1. N и платы управления 49, и, в конечном счете, к предотвращению процесса сварки.

Заявляемый сварочный преобразователь напряжения позволяет создать малогабаритный и недорогой сварочный аппарат для ручной сварки и резки металлов при проведении ремонтных сварочных работ в полевых и дорожных условиях, так как не требует централизованного источника электроэнергии.

Источники информации
1. 62-192264, Изобретения стран мира - 1989, N 2
2. 1571731 A1, 15.06.90.

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно может использоваться как источник питания сварочной дуги постоянным током для ручной дуговой сварки и резки металлов при получении энергии от автономных источников постоянного тока низкого напряжения. Сварочный преобразователь напряжения содержит входные положительный и отрицательный и выходные положительный и отрицательный выводы, последовательно соединенные накопительный дроссель и ключ, первый и второй диоды, соединенные с накопительным дросселем, блок управления. Отрицательные входной и выходной выводы соединены между собой, а выход блока управления подключен к управляющему входу ключа. Сварочный преобразователь дополнительно содержит силовой конденсатор, резистор, третий диод, второй ключ, второй выходной отрицательный вывод, а также последовательно соединенные выключатель, делитель напряжения с автоматически дискретно изменяющимся коэффициентом деления, пороговое устройство, узел задержки и элемент И. Технический результат заключается в обеспечении возможности питания сварочного преобразователя напряжения от источников, имеющих разные напряжения. 3 ил.

Сварочный преобразователь напряжения, содержащий шины питания и выходные шины для подключения электрода и свариваемого изделия, преобразовательный узел, содержащий входную и первую выходную цепи, причем входная цепь через контактор постоянного тока подключена к шинам питания, а первая выходная цепь - непосредственно к выходным шинам, отличающийся тем, что в преобразовательный узел между не соединенными между собой выводами входной и первой выходной цепи преобразовательного узла введена вторая выходная цепь, причем входная цепь преобразовательного узла образована обмоткой накопительного дросселя, двумя параллельно включенными ключевыми элементами на транзисторах с измерительными шунтами в силовых цепях, вторая выходная цепь преобразовательного узла образована параллельно включенными конденсатором, вторым диодом и через первый диод обмоткой накопительного дросселя и предназначена для подключения через соответствующие выходные шины электрода и свариваемого изделия при микросварке, первая выходная цепь преобразовательного узла предназначена для подключения через соответствующие выходные шины электрода и свариваемого изделия при силовой сварке, кроме того, введены цепь управления транзисторами ключевых элементов, резисторы которой, подключенные к шине управления, обеспечивают необходимый ток управления ключевым элементам, шина обратной связи, на которую подается информация о токах через ключевые элементы, плата управления, содержащая задающий генератор, вход которого подключен к регулятору частоты, ограничитель тока, триггер, ограничитель выходного напряжения и логическое устройство И, причем ограничитель тока формирует единичный импульс на выходе при достижении тока ключевых элементов пороговой величины, выход ограничителя тока соединен с одним из входов триггера, выход задающего генератора подключен к другому входу триггера, вход ограничителя выходного напряжения подключен к общей точке выходных цепей преобразовательного узла, а его выход - к одному из входов логического устройства И, к другому входу которого подключен выход триггера, выход логического устройства И подключен к шине управления, дополнительно введено несколько преобразовательных узлов, соединенных параллельно друг с другом по входным и выходным цепям и по цепям управления и обратной связи, выключатель, определители величины и полярности напряжения источника питания и узел задержки, причем контактор постоянного тока имеет два управляющих входа, один из которых подключен к выходу определителя полярности напряжения, а другой - к выходу узла задержки, входы определителей величины и полярности напряжения через выключатель подключены к шинам питания, а выход определителя величины напряжения - к входу узла задержки.