ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 1999 года по МПК B23K9/06 

Изобретение относится к сварке и может быть использовано в установках для дуговой сварки.

Известны источники питания для дуговой сварки, содержащие трансформатор, один неуправляемый выпрямитель и сглаживающий дроссель /1, 2/.

Они просты и надежны в эксплуатации, однако имеют повышенную массу меди и потребляют большую мощность из электрической сети. Для снижения этих показателей сравнительно часто в таких установках используют импульсные стабилизаторы дуги или другие устройства, обеспечивающие повышенное напряжение на дуговом промежутке при зажигании дуги /3/. Кроме того, используются источники питания, в которых имеются два параллельно соединенных управляемых или неуправляемых моста, подключенных параллельно нагрузке, один из которых имеет повышенное напряжение холостого хода, необходимое для зажигания дуги /4, 5/. Недостатками этих источников являются низкая надежность, трудность ремонта, что связано с использованием в них электронных схем и сложных систем управления ими. Некоторые из перечисленных источников, не имеющие электронных схем, отличаются повышенными массогабаритными показателями.

В качестве прототипа изобретения выбран источник питания для дуговой сварки, содержащий однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками, два неуправляемых выпрямителя, подключенные параллельно дуговому промежутку и два магнитосвязанных дросселя, установленных в цепях переменного тока выпрямителей /6/. Напряжение холостого хода одной обмотки составляет 60-70 В, другой - в 1,5 - 2 раза меньше. Первая из обмоток с подключенным к ней вспомогательным выпрямителем служит для возбуждения и устойчивого горения дуги, другая обмотка и основной выпрямитель обеспечивают рабочий ток при сварке. Трансформатор имеет два стержня, на одном из которых расположена первичная обмотка и часть витков вторичных обмоток, на другом концентрически расположены основная часть витков обмоток основного и вспомогательного выпрямителей. Поскольку индуктивность рассеяния вспомогательного выпрямителя достаточно велика, протекание тока в его обмотках приводит к ослаблению основного магнитного потока в стержне, на котором отсутствует первичная обмотка /7/. В результате при прохождении тока порядка 30 А по обмоткам вспомогательного выпрямителя напряжение холостого хода основного выпрямителя, которая намотана концентрически с обмоткой вспомогательного выпрямителя, снижается почти в 2 раза, что затрудняет получение требуемой внешней характеристики. Для повышения этого напряжения в процессе работы источника служат магнитосвязанные дроссели.

Недостатком этого источника являются высокая чувствительность магнитосвязанных дросселей к качеству сборки, что повышает трудоемкость их изготовления. Другим недостатком является повышенная масса и габариты источника.

В основу изобретения положена задача создать источник питания для дуговой сварки, обеспечивающий высокие сварочно-технологические свойства (легкость зажигания дуги, ее устойчивое горение, малое разбрызгивание металла) при низком уровне потребляемой на сети мощности и высокой надежности работы. Источник должен быть прост в изготовлении, иметь сниженные массогабаритные показатели, обеспечивать возможность плавного регулирования тока.

Поставленная задача решается тем, что источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подсоединенные к выходам источника питания, и однофазный трансформатор, имеющий первичную и первую и вторую вторичные обмотки, первая из которых соединена с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка - со вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей. Согласно изобретению трансформатор содержит двухстержневой магнитопровод с одно- и двумя ярмами, причем первичная и каждая вторичная обмотка выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом на каждом стержне магнитопровода друг над другом расположены секция первичной обмотки и первая секция вторичной обмотки, а вторая секция этой вторичной обмотки расположена поверх указанной секции первичной обмотки.

Для обеспечения плавного регулирования сварочного тока первые секции вторичных обмоток согласно изобретению выполняются равновысокими и располагаются на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а равновысокие секции первичной обмотки на одинаковом расстоянии от другого ярма, при этом между первичной и первыми секциями вторичных обмоток в окне магнитопровода располагается подвижный магнитный шунт.

В заявленном источнике первые секции вторичных обмоток, соединенные с основным и вспомогательным выпрямителями, разнесены на разные стержни магнитопровода. Проведенные эксперименты показали, что разнесение секций обмоток основного и вспомогательного выпрямителей на разные стержни в значительной мере ослабляют по сравнению с прототипом эффект снижения напряжения холостого хода основного выпрямителя, вызванного прохождением тока по обмотке вспомогательного выпрямителя. Например, при прохождении тока порядка 30 А по обмотке вспомогательного выпрямителя напряжение холостого хода первой секции обмотки основного выпрямителя снижается не более чем на 40%, в то время, как в прототипе на 70 - 80%. Это дает возможность получить требуемый рабочий ток при низком значении напряжения холостого хода основного выпрямителя. Как указано выше, для этой цели в прототипе используются дополнительные элементы - магнитосвязанные дроссели.

В заявляемом источнике первые секции вторичных обмоток имеют повышенную индуктивность рассеяния, что обеспечивает ограничение тока короткого замыкания. Повышенное рассеяние достигается тем, что каждая из указанных секций расположена на разных стержнях с одной из секций первичной обмотки и разнесена по стрежню на некоторое расстояние с другой секцией первичной обмотки, с которой она находится на одном стержне. Вторые секции вторичных обмоток расположены поверх секций первичных обмоток, поэтому их индуктивность рассеяния пренебрежимо мала по сравнению с индуктивностями рассеяния первых секций вторичных обмоток. Эти секции используются только для получения требуемого напряжения холостого хода основного и вспомогательного выпрямителей.

Расположение первых равновысоких секций вторичных обмоток на одинаковом расстоянии от одного ярма, а равновысоких секций первичной обмотки на одинаковом расстоянии от другого ярма, дает возможность перемещать в окне магнитопровода между первичной и вторичными обмотками магнитный шунт, что позволяет одновременно плавно регулировать ток как основного, так и вспомогательного выпрямителей.

В заявленном источнике выпрямленный ток не спадает до нуля в процессе горения дуги благодаря сдвигу фаз между токами основного и вспомогательного выпрямителей. Это условие является основным для обеспечения устойчивого горения дуги /1/. Сдвиг фаз достигнут за счет существенной разницы количества витков первых секций вторичных обмоток.

Снижение массогабаритных показателей и трудоемкости изготовления достигнуто за счет отсутствия в заявляемом источнике магнитосвязанных дросселей и снижения напряжения холостого хода основного выпрямителя.

Изобретение поясняется тремя фигурами. На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого источника питания, на фиг. 2 - его внешняя характеристика, в том числе внешние характеристики основного и вспомогательного выпрямителей, на фиг. 3 - осциллограммы токов в заявляемом источнике.

Заявляемый источник питания содержит однофазный трансформатор 1, имеющий двухстержневой магнитопровод 2 с окном 3 и ярмами 4, 5. Первичная обмотка имеет две последовательно и согласно соединенные секции 6, 7, расположенные на разных стержнях магнитопровода. Вторичная обмотка, имеющая последовательно и согласно соединенные секции 8, 9, подключена к основному выпрямителю 10, а вторичная обмотка, имеющая последовательно и согласно соединенные секции 11, 12, подключена к вспомогательному выпрямителю 13. Выпрямители подключены параллельно дуговому промежутку 14. Для плавного регулирования сварочного тока в окне магнитопровода 3 установлен магнитный шунт 15.

Источник питания работает следующим образом. После включения первичной обмотки, состоящей из секций 6, 7, на выходах выпрямителей 10, 13 устанавливается постоянное напряжение, по величине близкое к напряжению холостого хода обмотки, состоящей из секций 11, 12. При замыкании дугового промежутка 14 ток в нем нарастает до рабочего значения в соответствии с внешней характеристикой 16, представленной на фиг. 2. Ток в дуговом промежутке суммируется из двух токов - тока вспомогательного выпрямителя 13 и основного выпрямителя 10, внешние характеристики которых соответственно 17 и 18 представлены на фиг. 2.

Напряжение холостого хода вспомогательного выпрямителя составляет (для примера) 65 В, основного - 40 В. Поэтому в начальный период зажигания дуги основной выпрямитель большую часть времени заперт более высоким напряжением вспомогательного выпрямителя и основная составляющая часть тока дугового промежутка состоит из тока вспомогательного выпрямителя. Затем при увеличении тока дугового промежутка напряжение на выходе вспомогательного выпрямителя снижается и в рабочей точке (U_раб = 25 В, I_раб = 125 А) основную часть тока нагрузки (80 А) дает основной выпрямитель 10, что объясняется более высоким индуктивным сопротивлением вторичной обмотки секции 12 по сравнению со вторичной обмоткой секции 8.

Основной выпрямитель 10 включается при напряжениях, превышающих 40 В, что объясняется сдвигом фаз токов основного 10 и вспомогательного 13 выпрямителей.

На фиг. 3 даны зависимости от времени тока 19 в дуговом промежутке тока 20 основного выпрямителя и тока 21 вспомогательного выпрямителя. Они показывают, что в заявляемом источнике достигнут фазовый сдвиг между токами основного и вспомогательного выпрямителей, поэтому ток дуги не спадает до нуля и дуга горит устойчиво.

Таким образом, двухстержневой трансформатор, на котором определенным образом расположены пары последовательно и согласно соединенных секций первичной и вторичных обмоток, подключенных к двум параллельно соединенным выпрямителям, в заявляемом источнике проявил следующие свойства:
- снижение влияния тока вспомогательного выпрямителя на напряжение холостого хода основного выпрямителя,
- обеспечение сдвига фаз токов основного и вспомогательного выпрямителей,
- возможность одновременно плавно регулировать токи основного и вспомогательного выпрямителей с помощью подвижного магнитного шунта.

Эффективность заявляемого выпрямителя подтверждается следующим примером. На базе серийно выпускаемого бытового сварочного выпрямителя ВСБ-101 /8/ - аналога авторами разработан макет источника питания для ручной дуговой сварки, содержащий два параллельно соединенных неуправляемых выпрямителя, один из которых обеспечивает зажигание дуги, а другой - рабочий ток. Трансформатор имеет двухстержневой магнитопровод и магнитный шунт. Напряжение холостого хода источника составляет 65 В, отношение тока короткого замыкания к рабочему току 1,5. Регулирование сварочного тока плавное от 40 до 100 А. Испытания источника показали его высокие сварочно-технологические свойства - легкость зажигания и устойчивость горения дуги, малое разбрызгивание металла, высокую эластичность дуги. Достигнут низкий уровень потребления мощности из сети, например, при рабочем токе 100 А сетевой ток не превышает 26 А (у аналога 36 А). Масса макета 24 кг, аналога - 50 кг.

По сравнению с прототипом заявляемый источник имеет следующие преимущества:
- снижение массогабаритных показателей установки,
- снижение трудоемкости изготовления за счет отсутствия магнитосвязанных дросселей.

По сравнению с аналогом масса выпрямителя снижена почти в 2 раза, снижена трудоемкость изготовления, поскольку нет необходимости изготавливать сглаживающий дроссель. Кроме того, снижен ток, потребляемый из сети.

Таким образом, заявляемый источник обеспечивает снижение массогабаритных показателей установки, высокие сварочно-технологические свойства при низком уровне потребляемой из сети мощности, снижение трудоемкости его изготовления.

Использованные источники
1. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. Машиностроение, М., 1966.

2. Закс М.И. Сварочные выпрямители. Энергоатомиздат, Л., 1983.

3. Пентегов И.В., Латанский В.П., Склифос В.В. Малогабаритные источники питания с улучшенными энергетическими показателями. В сб. "Новые сварочные источники питания". Киев, 1992.

4. А.С. СССР N 1687392, кл. B 23 K 9/00, 1988 г.

5. Бродягин В.Н., Гужавин А.А., Юркевич А.М. Разработка однофазных источников питания для дуговой сварки. В сб. трудов ВНИИМСС. М.: 1997, с. 42-46.

6. Патент N 2035275 на изобретение "Источник питания для электродуговой сварки", Комарчев А. И. , Сахно Л.И., Сахно О.И. и Смирнов В.В. бюл. N 14, 1996.

7. Закс М.И. Каганский В.А., Печенин А.А. Трансформаторы для электродуговой сварки. Энергоатомиздат, Л., 1988, с. 23, 24.

8. Выпрямитель сварочный бытовой ВСБ-101, рекламный проспект АО "Электрик".

Изобретение относится к сварке и может быть использовано в установках для дуговой сварки. Технический результат - обеспечение плавного регулирования сварочного тока и снижение массогабаритных показателей, при низком уровне потребляемой из сети мощности и высокой надежности в работе. Источник содержит однофазный трансформатор с двухстержневым магнитопроводом, первичную и две вторичных обмотки, каждая из которых подключена к своему неуправляемому выпрямителю. Выходы обоих выпрямителей подключены параллельно дуговому промежутку. Первичная и каждая из вторичных обмоток выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, причем равновысокие секции первичной обмотки расположены на разных стержнях на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода. Вторичные обмотки также разнесены на разные стержни, причем первые равновысокие секции расположены на одинаковом расстоянии от другого ярма магнитопровода, а вторые секции расположены поверх секций парвичной обмотки. Плавное регулирование сварочного тока осуществляется с помощью подвижного магнитного шунта, расположенного в окне магнитопровода между первичной и первыми секциями вторичных обмоток. 3 ил.

Источник питания для дуговой сварки, содержащий первый и второй выпрямители, параллельно подсоединенные к выходам источника питания, и однофазный трансформатор, имеющий первичную и первую и вторую вторичные обмотки, первая из которых соединена с первым выпрямителем, а вторая вторичная обмотка - со вторым выпрямителем, причем первый и второй выпрямители выполнены на основе неуправляемых вентилей, отличающийся тем, что трансформатор содержит двухстержневой магнитопровод с окном и двумя ярмами, первичная и каждая вторичная обмотка выполнены в виде двух последовательно и согласно соединенных секций, при этом на каждом стержне магнитопровода друг над другом расположены секция первичной обмотки и первая секция вторичной обмотки, а вторая секция этой вторичной обмотки расположена поверх указанной секции первичной обмотки, причем первые равновысокие секции вторичных обмоток расположены на одинаковом расстоянии от одного ярма магнитопровода, а равновысокие секции первичной обмотки - на одинаковом расстоянии от другого ярма, при этом между первичной и первыми секциями вторичных обмоток в окне магнитопровода установлен подвижный магнитный шунт.